PCB制程中金属化孔镀层空洞的成因及改善程 骄 李卫明 刘敏然（广东东硕科技有限公司，广东 广州 510288）摘 要 文章从印制线路板的生产流程和工艺参数等方面，结合切片观察的手段，浅析了金属化孔镀层空洞的形成原因。
研究表明：半固化片的型号、含胶量及填料的比例与芯板质量有很大关联，影响着层压和钻孔工序的板件质量；沉铜和电镀工序的工艺参数、周边辅助设施的工作状况及加工过程中的时效是影响镀层空洞的主要因素。
针对每一个异常点，找到缺陷的形成原因，对工艺流程进行有效的改进，有的放矢的起到预防措施，最终达到改善镀层质量，提高产品的合格率，对提高线路板可靠性具有重要的意义。
关键词 空洞；化学沉铜；电镀；钻孔中图分类号：TN41 文献标识码：A 文章编号：1009-0096（2013）08-0021-03Research on the causes & control of through-holevoids for PCB processCHENG Jiao LI Wei-Ming LIU Min-RanAbstract Voids in plated through-holes are caused by many different processing problems. This paper will show how to identify rim voids by PCB production process & parameter with micro section observation. The results indicate that stronger correlation existed in core board between the proportion of rubber polymer to fi ller and type of PP, which could infl uence the quality of lamination and drill. The primary reason of VPTH formed was by process parameter, the condition of assisting machine and processing time for electroless and electroplate process. The reason of defect was found for every abnormal board. Effective improvement measures not only had a defi nite object in view of prevention measures, but also improved quality and percent of certifi ed products, this measure had the vital signifi cance to improve reliability of printed circuit board.Key words Void PTH; Electroless Copper Plating; Electroplating; Drill现代印制电路板设计要求向高密度、细线条、微孔径的多层板发展，因此金属化孔质量将直接关系到线路板的质量及可靠性，而过孔不通会直接导致成品板的电气互连失败，从而使成品板件由于镀层空洞缺陷而报废。
影响板内孔壁质量的因素很多，印制电路板或多或少的都存在着空洞，IP-6012C-《刚性印制板的鉴定及性能规范》标准3.3.3条规定：对于2级的铜板材，在不多于孔总数5%的孔中，每个孔允许有一个空洞；但对于更高级的3级铜板材，不允许有任何的孔空洞，所以按照行业的标准，虽然2级可以接受部分镀层空洞的板件，但对应高级的3级是不接受镀层空洞的板件。
因此金属化孔品质的好坏，对于品质要求高的印制板来说显得尤为重要。
本文根据我们在该行业积累的大量经验，浅谈影响成品板件镀层品质的因素，研究这些缺陷的形成原因，改善工艺参数，对提高镀层可靠性具有重要的意义。
1 印制电路板PTH孔镀层空洞的成因1.1 层压及相关工序层压工序主要与基材的类型有着紧密的联系。
目前，使用较多的板材包括不同型号的FR-4、PTFE 、PI 、陶瓷基材料等，每种材料都具有特定的加工参数和使用条件。
传统的FR-4材料由于受到T g （玻璃化温度）温度和CTE （热膨胀系数）的影响，在高温高压的条件下，基材内部易形成分层或者微空隙，厂家通常加入一些特殊的填料或具有特殊功能的分子链段，提高T g 温度、降低CTE 系数，改善材料固有的热缺陷，降低加工过程中残余应力。
各种特殊填料的加入，在改变材料特性的同时也增加了相应的加工难度，在真空条件下高温压合，如不控制好加工参数或者内层芯板前处理不良，树脂与内层铜箔的结合不良会对后续的加工埋下隐患。
因此，选择合适的PP 型号、稳定工艺流程和调整适宜的加工参数，在层压工序是改善镀层空洞的主要方法。
1.2 钻孔工序PTH 孔壁质量与钻孔的加工参数有着紧密的关系，钻孔引起毛刺、爆孔、余胶等各种缺陷会提高镀层空洞出现程度。
钻孔时基材的热膨胀会使孔径收缩，孔壁对钻头的摩擦力增大，从而导致钻头在进、退刀时形成了大量的环氧树脂钻污；另外一方面，加工参数的不恰当会导致板件生产过程中，在铜箔与树脂、树脂与玻纤布之间造成“撕裂”的缝隙，后工序加工过程中引起空洞（图1）的缺陷，影响PTH 导通孔的质量。
选择合适的钻头型号以及适宜的加工参数，规范钻头的加工寿命是保证孔壁质量的必要因素之一。
研究表明：随着钻孔转数的提高或采用较细纤维束的基材，可以降低撕裂引起的空洞；规范钻头的寿命、磨次，定期检测钻孔后孔壁的质量，是保证金属化孔无空洞等缺陷的前提。
图1 钻孔时孔未钻穿造成的空洞1.3 孔化工序金属化孔的质量好坏，除了要有好的钻孔质量为前提条件保证外，化学镀铜和电镀铜的质量也密切相关。
对于化学镀铜来说，孔内空洞的产生与下列因素有关：1.3.1 异物堵孔造成的金属化空洞钻孔粉屑残留过多，孔化前处理不净。
产生的原因除改善钻孔条件外，还与沉铜前处理有关，包括刷板参数、去钻污方式及加工参数等。
孔壁余胶及粉屑的未及时去除，由于其“松散”的状态，在孔化和电镀过程中，往往受到外界因素“松动”而脱落离去，从而形成镀层空洞，并随着板件厚径比的增加，这种影响更为明显。
针对这些异常，加工过程中需要定期对刷板机的刷辊、喷嘴的压力及工作状况进行点检和维护，确保板件加工过程中设备运行正常，对于厚径比大于10:1的板件，建议增加线外超声波水洗的方式来提供孔壁的润湿性和排除孔内的异物。
1.3.2 除油、活化、解胶等流程造成的金属化孔空洞除油的目的一方面清除微表面及深孔内的油污，另外一方面改变基材表面的极性，便与吸附钯胶体，因此除油槽的槽液温度、过滤循环搅拌不良等，都得不到良好的电荷转移和清洁的效果，适当的电震和摇摆可以有良好的协同作用。
活化、解胶工艺流程药水浓度、温度以及槽体之间在空气中或者水槽中的停留时间过久，一方面会破坏钯层的致密度，导致沉铜不上，另一方面药水浓度和温度异常造成钯胶体吸附能力变弱导致水解后的钯层薄，在水洗槽或者沉铜槽中，易受到外界的因素脱附开来，引起镀层空洞。
1.3.3 沉铜槽组分、温度等异常造成的镀层空洞（1）化学沉铜是一个自催化氧化还原反应，伴随着晶核的生成和生长过程，两者之间需要一个平衡，当生成大于生长速度时，铜离子堆积速度快，除了沉铜层的厚度较厚外，会有大量的铜原子直接在双电子层区域直接聚集形成“铜粒”，这样镀层的结合力就变差，也比较疏松；当生长速度大于生成速度时，部分区域可能直接没有铜原子的存在，电镀后直接出现镀层空洞的现象。
所以，维持化学反应过程的一个平衡极为重要，这种平衡与沉铜药水的组成、生产过程中的温度、各组分的含量控制有密切的联系。
（2）沉铜到电镀之间的加工时效，由于沉铜层的厚度只有0.25 μm ~ 0.5 μm ，沉铜后的板件在空气中或者水槽中过久，都会造成沉铜层的破坏，影响PTH 孔的电镀效果。
（3）沉铜槽挂篮中的板件摆放方式，目前常见的挂篮卡数为24齿~28齿，对于加工普通的板件来说，装有相同数量的板件时可以满足生产的，但是对于厚板或者盲孔板件来说，一般需要采用间隔装板或时打斜装板；另外板件的在摆放过程中用卡梳固定好，防止由于震动等原因造成板件叠放在一起，挂蓝需要定期的维护检修。
1.3.4 沉铜气泡造成的孔内空洞在沉铜和电镀中很容易产生由气泡引起的镀层空洞，这也是最为常见的缺陷（图2）。
沉铜中的气泡一方面是板件厚径比高，孔口小，残留气泡残留在孔壁中不易排出；另一方面是副产物氢气没有及时排除造成的。
对于该缺陷，考虑从周边设备来着手解决，包括电震强度、摇摆频率，提高孔壁的润湿性等措施来防止该种缺陷的产生。
图2 孔化时气泡造成的沉铜不良1.3.5 特殊材料的沉铜方式目前，线路板都朝着高频高速的方式发展，传统的去钻污及活化方式已不能满足其生产的需求，等离子去钻污及各种特殊的活化剂应用而生。
等离子去钻污是气氛在高压真空的条件下，利用离子高速撞击板材来清洁表面达到去钻污的目的，并且采用氢气来改善板材的亲水性，使材料表面会形成较多亲水基基团，提高孔壁的润湿性，促进交换。
另外，柔性板加工过程中通常需要用到PI 材料，传统的除油调整剂和活化剂不能满足此种材料的生产，会产生大面积的空洞，市场上针对柔性板的活化不上，开发有不同的调整药水，用来改善板材的极性，提高板材的润湿性，增强对活化钯的吸附，改善镀层的可靠性。
1.4 电镀工序金属化孔经过化学沉铜后，会在孔壁形成一层致密均匀的铜镀层，电镀工序产生的空洞主要与加工时效、辅助设备、干膜覆盖等有关。
一般沉铜到电镀的加工时效为4个小时，沉铜后的板件为防止氧化需要浸泡在水槽中，板件在水槽中停留时间过久会造成电镀后“铜粉”和“空洞”的形成。
另外，沉铜层的厚度有限，在预浸槽、水洗槽停留时间超时，进入铜缸中未及时输入电流等，都会造成“空洞”的形成，这主要是沉铜层厚度较薄被咬蚀的关系，因此控制沉铜电镀的时效，跟进板件进槽后的加工状况是工序生产中必须遵守的一个重要环节。
孔壁中气泡的生产，不仅与沉铜有关系，还与电镀有关联，包括外界溢入孔壁的气泡，镀铜/镀锡过程中产生的气泡，不及时的排除，前期残留的气泡会造成镀层空洞，后期产生的气泡会造成镀层凹陷，尤其是高厚径比的板件小孔中很容易残留气泡而影响镀层（图3）。
对于这类的气泡，可通过以下措施来解决：（1）增强孔壁的润湿性；（2）通过摇摆、喷流、鼓气、电震等方式，迫使溶液交换加快，排除孔壁的气泡；（3）铜缸中药水组分、工艺参数的设定与控制。