多层印制板金属化孔镀层缺陷成因分析及相应对策解析

1、49多层印制板金属化孔镀层缺陷成因分析及相应对策摘要分析了金属化孔镀层的主要缺陷及产生原因，从各主要工序出发，提出了如 何优化工艺参数，进行严格的工艺及生产管理，以保证孔化质量的方法。关键词多层印制板，金属化孔，镀层缺陷1前言 金属化孔质量与多层板质量及可靠性息息相关。金属化孔起着多层印制线路电气互 连的作用。孔壁镀铜层质量是印制板质量的核心，不仅要求镀层有合适的厚度、均 匀性和延展性，而且要求镀层在 288C热冲击10秒不能产生断裂。因为孔壁镀铜 层热冲击断裂是一种致命的缺陷，它将造成内层线路间和内层与外层线路之间断 路；轻者影响线路断续导电，重者引起多层板报废。目前，印制板生产中经常出现的

2、金属化孔镀层缺陷主要有：金属化孔内镀铜层空 洞、瘤状物、孔内镀层薄、粉红圈以及多层板孔壁与内层铜环连接不良等。这些缺 陷的绝大多数将导致产品报废，造成严重的经济损失，影响交货期。2金属化孔镀层主要缺陷的产生原因及相应对策我们首先简单回顾一下多层印制板的制造工艺过程 下料制板蚀刻黑化层压 钻孔去沾污及凹蚀处理孔金属化 全板电镀制板图形电镀脱膜蚀刻 丝印阻焊 热风整平 丝印字符本文将从钻孔工序、孔壁去树脂沾污及凹蚀处理工序、电镀及多层板层压工序等几 个方面，分析金属化孔镀层的主要缺陷及产生原因，阐述如何优化工艺参数，进行 严格的工艺及生产管理，以保证孔化质量。2. 1钻孔工序大多数镀层空洞部位都伴

3、随出现钻孔质量差引起的孔壁缺陷，如孔口毛刺、孔壁粗 糙、基材凹坑及环氧树脂腻污等。由此造成孔壁镀铜层空洞，孔壁基材与镀层分离 或镀层不平整。下面，将对孔壁缺陷的成因及所采取的措施进行阐述：2. 1. 1孔口毛刺的产生及去除 无论是采用手工钻还是数控钻，也无论是采用何种钻头和钻孔工艺参数，覆铜箔板 在其钻孔过程中，产生毛刺总是不可避免的。孔口毛刺对于金属化孔质量的影响历 来不被人们所重视，但对于高可靠性印制板的金属化孔质量来讲，它却是一个不可 忽视的因素。首先，孔口毛刺会改变孔径尺寸，导致孔径入口处尺寸变小，影响元器件的插入。 其次，凸起或凹陷进入孔内的铜箔毛刺，将影响孔金属化过程中电镀时的电力

4、线分 布，导致孔口镀层厚度偏薄和应力集中，从而使成品印制板的孔口镀铜层在受到热 冲击时，极易因基板热膨胀所引起的轴向拉伸应力造成断裂现象。传统的去毛刺方法是用200(400号水砂纸仔细的打磨。后来发展到用碳化硅磨料的 尼龙刷机械抛刷。但随着印制板技术的不断发展， 9(18微米超薄型铜箔的推广应 用，使印制板加工过程中的去毛刺技术也发生了很大变化。据报道，国外己开始采用液体喷砂研磨法来 去除孔口毛刺。一般来说，对于去铜箔厚度在18微米以上的覆铜箔层压板孔口毛刺，采用机械抛 刷法是十分有效的，只是操作时，必须严格控制好刷辘中碳化硅磨料的粒度和刷板 压力，以免压力过大和磨料太粗使孔口显露基材。用于去

5、毛刺的尼龙刷辘中，碳化 硅磨料的粒度一般为320(380#。现代的双面去毛刺机共有四个刷辘，上下各半，能一次性将覆铜箔板两面的孔口毛 刺同时去除干净。在去除同样一面的孔口毛刺时，两个刷辘的转动方向是相反的。 一个沿顺时针方向转动，一个沿反时针方向转动，加上每个刷辘的轴向摆动，使孔 口毛刺受到沿板面各个方向上刷板力的均匀作用，从而被彻底地除去。去毛刺机必 须配备高压喷射式水冲洗段。液体喷砂研磨法，是利用一台专用设备，将碳化硅磨料借助于水的喷射力喷射在板 面上，从而达到去毛刺的目的。2. 1. 2孔壁粗糙、基材凹坑对镀层质量的影响 在化学镀铜体系良好的状态下，钻孔质量差的孔壁容易产生镀铜层空洞。因

6、为在孔壁光滑的表面上，容易获得连续的化学镀铜层，而在粗糙的钻孔孔壁上， 由于化学镀铜的连续性较差，容易产生针孔；尤其是当孔壁有钻孔产生的凹坑时， 即使化学镀层很完整，但是在随后的电镀铜时，因为有电镀层折叠现象，电镀铜层 也不易均匀一致，在钻孔凹坑处，容易存在镀层薄，甚至镀不上铜而产生镀层空 洞。2. 1. 3环氧树脂腻污的成因 我们知道，印制板钻孔是一个很复杂的加工过程，基板在钻头切削刃机械力，包括 剪切、挤压、扯裂、摩擦力的作用下，产生弹性变形、塑性变形与基材断裂、分离 形成孔。其中，很大部分机械能转化为热能。特别是在高速切削的情况下，产生大量热能， 温度陡然升高。钻孔时，钻头温度在 200

7、C以上。印制板基材中所含树脂的玻璃化 温度与之相比要低得多。软化了的树脂被钻头牵动，腻在被切削孔壁的铜箔断面 上，形成腻污。清除腻污较困难，而且一旦在铜箔断面上有一定量的腻污，会降低甚至破坏多层板 的互连性。2. 1. 4避免钻孔缺陷产生，提高钻孔质量的途径孔口毛刺、孔壁粗糙、基材凹坑及环氧树脂腻污等缺陷，可通过加强以下几方面的 工艺、质量控制，得以去除或削弱，从而达到提高钻孔质量的目的。2. 1. 4. 1钻头的质量控制钻头本身的质量，对钻孔的质量起着极为关键的作用，要求碳化钨合金材料的粒度 必须非常细微，应达到亚微级。碳化钨合金无疏孔能耐磨，钻柄与切削刃部分的直 径公差，均在0(0. 00

8、5mm范围内，整个钻部、钻尖及柄部同心度公差在0. 005mm以内，钻头的几何外形无缺损，即在 40倍放大镜下观察，应无破口。一只好的钻头还应该具备另外一个特性，即对称性。钻头的两面在尺寸和形状上必 须相同。对称性差会产生磨损钻头刃。为了保证钻头质量，必须对供货厂家严格选 择，应从质量信得过的钻头生产厂家进货。并对钻头进货进行检验，不合格的产品 不准用于生产。2. 1. 4. 2钻头的形状选择钻头的主要形状，一般分为普通型及锥斜型、铲型和特殊型，对于小孔特别是多层 板小孔，最好采用后三种，后三种的特点是刃带的长度比较短，一般为0. 5mm左右，它们可以明显 减少钻孔的发热量，减少沾污 2. 1

9、. 4. 3钻头排沟槽的长度 钻头排沟槽的长度，对排屑是否顺利起着至关重要的作用。如果排屑的沟槽太短, 钻屑无法顺利排山，钻孔的阻力增大，易造成钻头断裂，且易沾污孔壁。所以，一 般情况下，钻头排屑槽的长度，应为所叠板厚 (包括上盖板加上钻头进入下垫板深 度和的1. 15倍，即应使排屑槽的长度，至少有15%部分留在板外。2. 1. 4. 4控制钻孔的工艺参数这里所指的钻孔工艺参数包括每叠板的块数、钻数/进给比。2. 1. 4. 5钻头的寿命控制由于每个工厂的情况都不完全一致，钻头使用的寿命也有所差异，应根据具体的实 验结果确定。当孔的质量指标中，有一项己 一下降到接近公差极限时，就需要更换 钻头

10、，换下去翻磨或报废。一般情况下，多层板允许的最大钻孔数为1500个孔，而且，多层板一般不翻磨钻头。2. 1. 4. 6上盖板、下垫板的使用2. 1. 4. 6. 1上盖板的使用钻孔时使用的上盖板，可以起以下几个方面的作用：1防止压力脚对板面的损坏；2防止入口面毛刺的产生；3改善孔径精度；4减少小孔断钻头的机率。假若不使用上盖板，那么，钻头在穿透薄的铜箔后，钻头的某一边有可能会与玻璃 布撞击，导致钻头的一边受到较大的切削力，因而钻头会发生倾斜，从而影响定位 精度。而且，在穿透之后，钻头在退回时，受力不均衡，钻头易折断。上盖板一般 可采用0. 2(0. 4mm厚的硬铝箔。2. 1. 4. 6. 2

11、下垫板的使用使用下垫板，可以防止钻头碰到工作台面；还可防止出口面产生毛刺。下垫板除了要求平整外，还需要有一定的硬度，没有油污染，以防止偏孔毛刺和孔 壁沾污。美国层压板公司有一种波纹板下垫板，当钻头钻透很簿的铝箔后，在空气中高速旋 转，当提钻时，由于文氏管效应，一股气流有效地冷却钻头，大大降低了钻孔温度。2. 1. 4. 7钻头进入下垫板的深度控制钻头进入下垫板的深度应该适度。下钻太深，使得排屑槽留于板外的部分小，不利 于碎屑的排出，易堵塞孔，使钻头易于断在孔内。其次，钻得太深，有可能钻到钻 机工作台上，使钻台损坏。另外，一般对 1. 5(1. 7厚的垫板，为提高使用效率， 降低生产成本，大多使

12、用两次，两面各用一次，如果钻得太深，会使垫板钻穿，容 易产生毛刺。对于大于0. 6mm的钻头，下垫板钻入深度应为 0. 75mm；而小于 0. 6mm大于0. 3mm的钻头，下垫板的钻入深度为 0. 6mm；而对小于0. 3mm 的钻头，可以在下垫板上垫一厚纸，进行试钻，以确定下钻的深度。这些参数一旦 确定，将这些数据编入钻孔程序中。2. 2孔壁去树脂沾污及凹蚀处理工序首先应该指出，凹蚀与去沾污是两个互为关联，但又相互独立的概念和工艺过程。所谓凹蚀，是指为了充分暴露多层板的内层导电表面，而控制性地去除孔壁非金属 材料至规定深度的工艺。所谓去沾污，是指去除孔壁上的熔融树脂和钻屑的工艺。显然，凹蚀

13、的过程也是去沾污的过程。但是，去沾污工艺却不一定有凹蚀效应。尽管人们选择优质基材、优化多层板层压及钻孔工艺参数，但孔壁环氧沾污仍不可 避免。为此，多层板在实施孔金属化处理之前，必须进行去沾污处理。为进一步提 高金属化孔与内层导体的连接可靠性，最好在去沾污的同时，进行一次凹蚀处理。经过凹蚀处理的多层板孔，不但去除了孔壁上的环氧树脂粘污层，而且使内层导线 在孔内凸出，这样的孔，在实现了孔金属化之后，内层导体与孔壁层可以得到三维 空间的可靠连接，大幅度提高多层板的可靠性。凹蚀深度一般要求为5(10微米。孔壁去树脂沾污的方法大致有四种，即等离子、浓硫酸、铬酸及高锰酸钾去沾污。由于高锰酸钾去树脂沾污有较

14、多优点：产生微小不平的树脂表面，不像浓硫酸腐蚀 树脂产生光滑表面；也不像铬酸易产生树脂过腐蚀而使玻璃纤维凸出于孔壁，且不 易产生粉红圈，这些都是高锰酸钾去树脂沾污的优点，故目前被广泛采用。为使高锰酸钾去沾污及凹蚀处理获得均衡腐蚀速率，必须做好工艺技术管理及维护 工作，具体是： 2. 2. 1选用最佳工艺参数以安美特公司溶液为例，其参数为：1 溶胀剂 Securiganth P 450(550ml/L，最佳 500ml/L。PH 校正液：15(25ml/L，最佳 23ml/L。或氢氧化钠NaOH : 6(10g/ L,最佳10g/L。工作温度：60(80C，最佳70 C。处理时间：5分30秒。2

15、 高锰酸钾 KMnO4: 50(60g/L,最佳 60g/L。氢氧化钠 NaOH: 30(50g/L ,最佳 40g/L。工作温度：60(80C，最佳70 C。处理时间：12分。3 还原剂 SecuriganthP 60(90ml/L，最佳 75m1/L。硫酸 H2SO4： 55(92g/L，最佳 92g/L。玻璃蚀刻剂：5(10g/L,最佳7. 5g/L。工作温度：50 C。处理时间：5分。2. 2. 2每周测定一次高锰酸钾 KMnO4、锰酸钾K2MnO4、氢氧化钠NaOH浓 度，必要时，调整KMnO4及NaOH浓度。2. 2. 3可能情况下，坚持连续不断的电解，使锰酸钾K2MnO4氧化为高

16、锰酸钾KMnO4。2. 2. 4观察KMnO4去树脂沾污后的印制板表面颜色，若为紫红色，说明溶液状 态正常；若为绿色，说明溶液中 K2MnO4浓度太高，这时应加强电解再生工作。2. 3电镀工序 2. 3. 1电镀前的板材处理一一化学粗化为了保证化学镀铜层与基体铜箔的结合力，在化学镀铜(沉铜前，必须对铜箔表面进行一次微粗化(微蚀处理，处理方法一般采用化学浸蚀，即：通过化学粗化液的 微蚀作用，使铜箔表面呈现凹凸不平的微观粗糙面，并产生较高的表面活化能。印制板镀铜工艺中常用的微蚀液有：过硫酸铵 (NH42S2O8、双氧水H2O2及过硫酸 钠(Na22S2O8三种体系。前者溶液不稳定、易分解，因而微蚀

17、速率不易恒定；H2O2 H2SO4体系虽使用方便，甚至可以自动添加来调整浓度，但需用H2O2稳定剂及润浸剂，价格不低，且微蚀速率较低，一般为 0. 5(0. 6ym/Min ;而 (Na22S2O8- H2SO4蚀刻液，微蚀铜速率较大，且较稳定，可以提供较合适的微观 粗糙面，从而保证化学镀铜层热冲击不断裂。要使孔壁铜镀层288C热冲击10秒不断裂或不产生裂纹，微蚀液蚀刻铜速率必须 达到0. 7(0. 9卩m/Min, (Na22S2O8 H2SO4体系可以实现此目的。工艺配方：(Na22S2O8: 60(80g儿最佳 70g/1。H2SO4: 15ml/L。Cu2+: 1(20g/1。工作温度

18、：30(50C。处理时间：2分。1每天生产前，对(Na22S2O8浓度进行分析，必要时调整。2每天生产前，测一次蚀刻速率，用 18 铜箔试片浸在蚀刻液工作槽中，记下铜 箔腐蚀完时间，从而可以快速、简便地测定蚀刻速率，必要时补加 (Na22S2O 8。3溶铜量大于20g/l时，更换溶液。刚开缸时，蚀刻速率较小，可以适当增加 (Na22S2O8 浓度。2. 3. 2优化电镀工艺参数对高密细线条、高层次(14(20层、大板后孔径比(6(10： 1的小孔镀来说，最大的难 点是：镀液在孔中难交换及电镀的均匀性、分散性能差。为此，必须优化电镀工艺 参数。1选用低Cu2+、高H2SO4浓度的主盐成份，且 H

19、2SO4与Cu2+浓度比至少是10： 1。Cu2+: 10(13g/1。H2SO4: 190(220g/1。Cl-: 30(50ppm。H2SO4: Cu2+ = 17(20: 1温度：22(26C。2选用低的阴极电流密度和长电镀时间。3在保证镀铜液三种搅拌方式阴极移动、压缩空气搅拌、循环的基础上，在运行杆 上安装振动装置。有了振动装置，阴极不仅有前后摆动，而且有上下振动，这就必然促进电镀液在小 孔中的交换，从而提高镀液的分散性能，即使孔口与孔中心的镀层厚度差变小。采用上述三点措施，大大提高了小孔镀层的均匀性和提高了深镀能力，避免了孔壁镀层薄甚至镀层空洞的产生，从而提高了小孔的孔金属化质量。2

20、. 4多层板层压工序 信息技术革命的发展，促进了印制电路层数的增加、布线密度的提高、结构的多样 化及尺寸的允差减小，因而，层压工序成了多层板生产的关键。层压工艺主要包括内层板的处理和层压两部分。其中，对多层印制板的孔金属化质 量，起至关重要作用的主要有以下两个方面：2. 4. 1层压材料固化作用应完全这里指的层压材料，主要指内层板单片和层压工序结束后的多层印制板。1内层板单片在下料后，应根据单片厚度情况，控制每叠板的数量，水平摆置进行 预烘处理；2层压工序结束后的多层印制板，应进行后烘固化处理，且必须在钻孔工序前进行，不应放在钻孔后进行。如果没有上述两道工序，层压板材料固化作用不充分，就容易产

21、生环氧沾污，影响 钻孔质量。且对固化不完全的层压板钻孔时，大量粘滞性很强的切屑会塞满钻孔的 排屑槽内，无法排除，最终可能造成钻头折断。2. 4. 2优化层压工艺，减少粉红圈现象的产生所谓粉红圈，是指通过孔壁与内层铜环的交界处，其孔环铜面的氧化膜已经变色， 或由于化学反应而被除去，露出铜的本色（粉红色的现象。随着印制板层数的增加，内层铜箔与孔交接处剥离的可能性增加；随着孔径的减 小，孔清洗的难度增加，化学物质沿孔壁各层交界处渗透腐蚀的可能性增加。所 以，层数越多，孔越小，越会发生粉红圈现象。粉红圈往往在印制板制作的后期才被发现，影响多层板的产品质量。首先，会影响 多层板层间的结合力；其次，溶液顺

22、着玻璃纤维的方向渗入，使得靠得很近的焊盘之间 的绝缘电阻降低，严重时导致短路；此外，由于铜环接触面积变小，通常金属化孔 所允许的小的瑕疵，如镀层鼓泡、空洞等，都可能导致孔线电阻增大，甚至断路。在印制板生产过程中，内层表面处理、层压、固化、钻孔、凹蚀、化学沉铜、镀铜 等工序，都有可能导致粉红圈的产生，关键在于黑化层与基材结合是否牢固，以及 黑化层耐腐蚀能力的强弱。印制板在生产过程中，要经受垂直的机械冲击力和水平 的化学浸蚀力，故层间要有足够的结合力，才能抵挡住这两种作用的危害。层间抗 剥离强度低、黑化层耐腐蚀能力差，是产生粉红圈现象的主要原因。1提高黑化层与基材的结合力。对铜表面进行黑化处理，使

23、其表面生成一层氧化物（黑色的氧化铜或红色的氧化亚 铜或两者的混合物，以进一步增加比表面，改善铜箔与基材的结合状况。优化黑化工艺参数，黑化层与基材的结合能力与黑化工艺、氧化物的晶体结构、氧 化物层的厚度等因素有关。2提高黑化层耐腐蚀能力。可通过减小氧化层厚度的方法。用机械方法去掉一层，也可用化学还原方法。可供 选择的还原剂有：甲醛/氢氧化钠、过磷酸钠、硼氢化钠等。黑化层经还原后，不 仅抗剥离强度增加而且抗酸蚀能力也增强。2. 5产生孔金属化镀层缺陷的其它几种因素及相应对策2. 5. 1由气泡存在所造成的金属化孔镀层空洞。总的来说，孔中气泡的存在，可能阻碍镀液或活化液层积。最终造成金属化孔内镀 层

24、空洞。气泡的裹入，有外部引入和内在产生两种 2. 5. 1. 1气泡引入途径：外来气泡的引入，有可能是在板子进入槽中时，或振动、摇摆时进入通孔中的。固有气泡的引入，是由化学沉铜液中，畐阪应产生氢气引起：2HCH0 十 2CU2+十 40H Cu十 2HC00十 2H2O 十 H2T或由电镀液中，阴极产生氢气或阳极产生氧气所引起的：阴极副反应：2H+2A H2阳极副反应：2H2O -4e 02T +4H+2. 5. 1. 2气泡引起的金属化孔镀层空洞特征：气泡引起的金属化孔镀层空洞，常常位于孔的中央，通过金相切片可见其呈对称分 布，即对面孔壁表面有同样宽度范围内无铜。2. 5. 1. 3气泡空洞

25、可能产生的工序：气泡空洞可能产生的工序主要有化学沉铜、全板电镀和图形电镀工序。2. 5. 1. 4避免气泡进入孔中的方法：最有效的避免气泡进入孔中的方法为振动和碰撞。同时，增加板面间隔，增加阴极 移动距离也十分重要。化学沉铜槽中空气搅拌和活化槽撞击或振动，对避免气泡进入孔中作用不大。此 外，增加化学沉铜润湿性，前处理槽位避免气泡也十分重要。镀液的表面能量与氢气气泡在跑出孔中或破灭前的尺寸有关，显然希望气泡在变大 前排除了孔外，以免阻碍溶液交换，造成孔中镀层缺陷。2. 5. 2由有机干膜所造成的金属化孔镀层空洞。2. 5. 2. 1有机干膜所造成的金属化孔镀层空洞特征：有机干膜造成的金属化孔镀层空洞，往往位于孔口，即位于离板面较近的位置，大 约50(70 yn宽，离板面50(70 m边缘空洞可能