HDI盲孔“电镀螃蟹脚”改善研究的论文.pdf

howhowhow how tototo to improveimproveimprove improve “ “ “ “ crabcrabcrab crab legslegslegs legs ” ” ” ” defectdefectdefect defect hdihdihdi hdi viaviavia via platingplatingplating plating hdihdihdi hdi 盲孔“电镀螃蟹脚”改善研究盲孔“电镀螃蟹脚”改善研究 paper code：s-035 黄云钟 珠海方正科技高密电子有限公司 tel0756-565-6291e-mail：huangyunzhong 作者简介：黄云钟男1975年 10 月出生于江西九江。1997年本科 毕业后从事pcb 行业至今，现任珠海方正高密电子有限公司 rd 主任工 程师，主要从事 新工艺、新材料、新制程的研究开发与对公司重大工 艺 问题提供相关的技术支持等工作。 摘要：针对 hdi盲孔电镀过程中出现“螃蟹脚”问题，通过试验，找出了产生 “螃蟹脚”问题的原 因，从而采取有效措施，为改善盲孔镀铜品质提供了方向和依据。 关键词：hdi 板盲孔电镀螃蟹脚 abstract:abstract:abstract: abstract: to the “crab legs” defect in hdi blind hole plating process, the root cause was found through our testing, and effectivemeasureswas takento solve this problem and the quality of hdiblind hole process was improved. keyword:keyword:keyword: keyword: hdiboard; blind hole plating; crab legs. 一、一、背景背景 随着电子产品的快速发展，其可靠度要求越来越高，为了使盲孔镀铜达到良好的耐热性能及孔 铜导通性，因此对盲孔镀铜品质要求也非常严格。07 年一季度前 a 公司 hdi 板盲孔镀铜一直存在盲 孔螃蟹脚问题，不良率高达 2.0%，此问题也曾一直困扰着 pcb 行业盲孔电镀可靠性能, 在电测很难 被检测出来，而往往在产品终端装机后会出现信号中断、突然死机等问题，导致客户退货、索赔巨 款事故。给pcb 生产公司带来了较大的经济损失。为了改善此不良问题,提高盲孔电镀可靠度，特对 盲孔镀铜异常问题进行系统的分析跟进改善异常问题，提高 hdi 板的可靠性。 二、二、问题产生原因分析问题产生原因分析 原因分析如鱼骨图 ： 不良切片归类分析 经过对大量问题切片进行二次灌胶，精磨后将问题切片从表观上分析，大概分成表中三类，针 对此三种异常问题进行验证试验，达到找出问题正真原因，加以改善及预防。 问题切片分类问题切片分类不良盲孔切片不良盲孔切片问题切片分析问题切片分析 1、 孔口铜较厚 而盲孔铜整体 偏薄 问题可能因素: 1. 震动能力减弱 2. 阳极铜球消耗未及时补加 3. 光剂自身组分失调未及时碳处理 4. 飞巴导电不良及阳极钝化 盲孔电镀药水灌孔能力不够强 2、孔型较好， 孔角铜完全断 裂 问题可能因素: 1. 激光能量参数设定不合适 2. 后续沉铜前锰酸盐清洗不干净 3. 电镀前被氧化 4.提高镀液硫酸铜含量 5. 增加阳极面积 盲孔孔角延伸分层导致沉铜电镀难 l j 三、三、设备改造及工艺优化设备改造及工艺优化 以下探讨的改善方向主要是，针对普通垂直龙门吊镀线及 mcp 线产生的品质问题（不含 水平电镀线） ；工艺方法是先采用整板电镀，再走酸蚀流程，针对上述缺陷逐步展开排查 盲孔铜整体偏薄改善盲孔铜整体偏薄改善 对 mcp 镀线与普通垂直镀龙门吊线生产的异常切片进行比较，发现 mcp 镀线并无类似上表中 第一类现象切片，而普通垂直龙门吊镀线较多，从而表明 mcp 镀线侧喷形式能有效改善盲孔 内药水交换问题，那么要解决普通垂直龙门吊镀线盲孔整体镀铜薄的问题，首要任务是提高 盲孔孔内药水交换速度，继而对设备导电性、振动、搅拌、药水参数作了全面检查， 振动检测（测四条飞巴）振动检测（测四条飞巴） 传递到飞巴上的振力较小，平均振幅只有 11.19 mm/s ，而检测振动器上幅均达到 40 mm/s 以上，摇摆架上振幅竟然也达到 15-18 mm/s，很显然，振动器所产生的振力未能有效的传递 到飞巴上，根据振动电机工作原理与特点: 振动电机是动力源与振动源结合为一体的激振源，振动电机是在转子轴两端各安装一组可调 偏心块，利用轴及偏心块高速旋转产生的离心力得到激振力。其主要特点是：振动力大,机体 重量轻,体积小,机械噪音低、受电源波动的影响非常小、可根据振动电机的安装方式改变其 振力的方向、只须调整偏心块的夹角,就可调整其振力和振幅，具体如振动器旋转图解： 振动器转子受力方向解析图：振动器转子受力方向解析图： 3、 孔型玻纤突 出孔角铜断裂 问题可能因素: 1. 激光能量参数设定不合适 2. 主要为玻纤突出太大阻碍药水交换 振幅要求振动幅度：20mm/s 飞巴上分布位置左中右 实测值 11.97.713.2 14.28.313.5 10.38.611.7 13.47.214.3 平均振幅振副平均为：11.19mm/s r f 。 嚣嚣h i ：t ， 含 理清思路后，即刻对四组铜缸振动进行改装，改装后测量振幅数据如下： 小结：小结： 经更换与气动振动器相同功率的电动振动器，同时调整振动安装方式后, 振幅有较大提 升，此试验的成功为后续购买新的电镀设备，对振动器振幅、频率、振动器配件及安装方 式提供有力依据 导电性检测导电性检测 检查铜缸整流器输出电流，到达 v 座两端电流差异不大，均在5%以内，但量测每支夹具， 电流总和，则与输出电流有较大差异，相差 30a 之多。经仔细检查飞巴头发现如下现象， 如图: 飞巴上每只夹具上电流分布值： 飞巴头氧化状况： 振幅要求振幅要求振动幅度：振动幅度：20mm/s20mm/s 飞巴上分布位置左中右 实测值 3527.536.1 37.327.637.3 472839 4128.439.2 平均振幅振副平均为：35.28mm/s 霪 羼 小结：小结： 飞巴头铜块间严重氧化，主要是 v 座冷却方式不合理，当采用冰水冷却方式， （冷却水温度 约在 8-12）夏天室温高于冷却水温，v 座及飞巴上则有水珠凝聚，电导通性较好，飞巴 头间也不易被氧化，但冬天当室温低于冷却水是，v 座上将不再有水珠产生，飞巴头与 v 座间导通不良且产生高温，当飞巴头长期处在高温发热状态下，飞巴头铜块间会钝化，生 成厚厚一层不易导电之氧化层，目前唯一做法就是定期拆开飞巴头用砂纸打磨，保证良好 的导电性能。最好的做法就是改用水浸泡式 v 座，或者用注水式 v 座，这一点将对电镀设 备制造商设计是有积极的借鉴指导作用。 阳极面积及电镀参数调整优化阳极面积及电镀参数调整优化 在检查铜球时发现 1#、2#、3#、4#铜缸铜球阳极膜生成相对较好, 5#、6#、7#、8#铜缸铜球 阳极膜生成较差 .根据公式：dlf/2 计算:1#、2#、3#、4#铜每条阳极杆钛篮数为 36 个, 其阴阳极面积比为: 1:1.8;5#、6#、7#、8#铜每条阳极杆钛篮数为 28 个,其阴阳极面积 比为: 1:4 , 如图: 从磷膜生长情况比较, 阳极面积大的的要比阳极面小的要好; 另 5#、6#、7#、8#铜缸于 4 月 17 号每根阳极杆钛篮个数增加到 36 只,阴阳极比已调到 1.8:1, 磷膜生长较好,根据电镀 反应原理： 1、硫酸盐酸性镀铜机理 5 q c ”5 ，c ” s o + 3 h 5 0 “0 h + s h 目e 口m i + 1 s o5 + s h s c i _ h 5 0 。c ”6 一c q 目轻：c ”s 6 一c c 叶6 一c 十c kc ”= + 02 丁n 引匿匹：c q ，6 一c 一 十c kc 一= _ _ 。t 2 “ 瞪轻：c q i 日6 一c ” 十c q + kc ”= _ _ 。0 4 “ 审轻匿匹牲辉审轻审五 2、电镀铜基本原理 注：原理摘自 1997 年电镀手册第 2 版 第四章 电镀基础 硫酸铜的主要作用就是为阴极提供足够的铜离子及提高导电能力， 为了有足够的铜离子提 供给阴极，同时提高垂直龙门吊镀线与 mcp 镀线硫酸铜含量，从 75g/l 提升到 100g/l， 严格控制光剂添加比例，同时调整盐酸添加方式及分析频率，即由以前的 12 小时分析一 次，采用人工手动补加，调整为现在的 8 小时分析一次，采用自动添加.使之添加更加稳 定，从而使各药水参数达到最佳状态，生产一周后整体盲孔，孔内铜薄问题有较大改善。 小结：小结： 自 4 上旬改善振动飞巴头导电效果、增加阳极面积及提升硫酸铜含量，同时做到在生产中 及时补加铜球, (3 天补加一次,并电解 4-6 小时)以尽量保证最佳阳极面积， 连续生产 7天 ， 无一单盲孔镀铜整体偏薄问题, 提高了镀铜效率。但在此期间 mcp 镀线与垂直龙门吊镀线 “螃蟹脚”问题，仍时有发生，说明以上动作对改善盲孔整体铜薄问题有一定效果，而对 改善“螃蟹脚”问题似乎不够明显。故此我们将重点放到镭射、沉铜、电镀前处理改善工 作上来。 盲孔盲孔 “螃蟹脚螃蟹脚”改善改善 在众多问题切片中，有明显的一种规律，凡盲孔孔型锥度较差的或玻纤突出的 “螃蟹脚” 问题显得尤为突出，电镀后取切片就已经断裂（此类缺陷约占总不良的 1.5%左右）而整 体锥度较好孔型，孔内镀铜效果较好，但有一定比例盲孔孔角仍可看到清晰的微蚀线呈八 字形向两旁延伸，经热冲击后断裂（此类缺陷约占总不良的 0.6 %左右）如图： 基于基于孔内玻璃纤维突出及盲孔整体孔型较差类别比例高，首要问题则是改善激光成孔效果，根 据切片分析，当激光能量参数设定不合适，无法做到有效切削玻纤及好的孔型锥度，那么就将 阻碍药水在孔内交换，导致局部镀铜异常。 激光工艺及参数优化激光工艺及参数优化 设置两种不同工艺及激光参数进行试验比较，以选出最佳工艺与激光成孔参数，模拟图如下： 类型 1 类型 2 序号工艺类别激光成孔原理孔型比较实际镀铜效果 1 开小打大 conformal mask 打 5 枪（每枪能 量一致） 5 枪能量一致， 孔呈倒梯形状或腰 鼓状 2 开大打小 largewindow 打 5 枪 （1-5 枪能量促步递 减） 试验证明，激光采用开大打小，即 largewindow 做法，能有效提高药水在孔内交换效果，且 盲电孔电镀铜效果理想。 沉铜设备及参数优化沉铜设备及参数优化 经上述试验证明，当激光采用开大打小， （1-5 枪）能量促步递减之做法孔型较好；反之采用 开小打大， （1-5 抢）每枪能量一致，孔型则易出现倒锥型或玻纤突出，当孔型异常时锰酸盐易残留 于孔死角，当中和与锰酸盐反应不充分，则在孔死角处锰酸盐必定破坏除油剂中的表面活性剂，造 成孔角部位无法吸附钯离子，从而产生孔破缺陷。要使中和反应充分，必须提高药水灌孔清洗效果， 唯一的方法就是在中和缸与中和后水洗缸增加振动及超声波装置，方向确定后即着手对中和缸与后 水洗缸进行改造动作。 1、 垂直沉铜线，中和缸、后水洗缸各增加一组超声波及振动，安装要求如下： 振动：振幅20mm/s振频：振 8s 停 8s 超声波：超音波功率按 8-10w/l 配置 2、 水平沉铜线，中和缸、后水洗缸各增加一组超声波安装要求如下： 超声波：超音波功率按 8-10w/l 配置 据统计改造前盲孔板背光值状况：据统计改造前盲孔板背光值状况： 改造后盲孔板背光状况：改造后盲孔板背光状况： 自 4 月 12 号改造完成后，一直未出现背光不良现象达到预期的清洗效果,背光值稳定均达 到 9 级以上（5 月 5 号垂直沉铜线出现一单背光不良问题，后查明，除油缸，药水到期未及 时更换） 。同时考虑到盲孔沉铜出来，为防止孔内被氧化，故在电镀前用 0.2-0.6%的稀硫 酸浸泡。 四、四、优化效果确认优化效果确认 通过对激光的优化、沉铜线中和清洗效果的提升、电镀振幅的提升、导电部件清洁保养、电 镀参数的优化盲孔电镀“螃蟹脚”问题得到了有效控制，自 07 年 4 月份开始“螃蟹脚”问 题持续下降，从异常走势图上可看出盲孔问题整体呈明显下降趋势。 1-5 枪能量促步递减,孔呈正梯形 状，同时将面铜开大窗，降低孔 深比，提高药水交换。 u 口q 】“w 二! = 二二r l + j + _ z 】e m _ 日口l $ $ ：j _ “二融_ 五、五、制程控制重点及问题预防建议制程控制重点及问题预防建议 对改善盲孔螃蟹脚问题，首要任务就是保证镭射盲孔孔型，其次便是保证沉铜，使孔内有 良好的导电性，再次是加强电镀的灌孔能力。换句话说，有较好的孔型锥度及提升沉铜工 艺能力是治根，而提升电镀能力则是治标，要使产品有较高的可靠性能，过程控制中必须 做到标本兼顾，a 公司自对上述设备及工艺进行全面调整，自 07 年 6 月份后无一单盲孔 电镀品质问题，确保了 hdi 板的可靠性能，从而多次受到了客户的好评。 激光激光 激光需做好二个方面： 1、采用开大打小，铜窗口8mil ，镭射孔 5mil，保证孔锥度，锥度60% 2、避免倒梯形孔与腰鼓孔型 如图示：如图示： 沉铜沉铜 中和缸、 中和后水洗缸， 增加振动与超声波配制， 确保清洗达到最佳效果， 振幅20mm/s ，超音波功率按 8-10w/l 标准要求配置 螃 蟹 角 盲 孔 异 常 统 计螃 蟹 角 盲 孔 异 常 统 计 1 1 1 0 9 7 5 3 1 0 2 0 4 3 6 44 2 0 0 5 1