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PCB镀通孔发生“空洞”的根本原因和对策

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印制电路信息2010 No.4 孔化与电镀Metallization&Plating PCB镀通孑L发生 的根本原因和对策 摘要 文章概述了多层板镀通孔发生“空洞”的根本原因与对策。基材、钻孔、孔壁粗糙 度、-tL&寸、化学镀铜和电镀铜等都会影响PTH的“空洞”问题。 关键词 镀通孔;镀层“空洞”;镀层附着力;高性能基材;孔壁表面状态;化学镀铜 中图分类号:TN41 文献标识码:A 文章编号:1009—0096(2010)4-0031-06 The Basic and Countermeasure 空 ●●, of the Plated Through Hole Voiding in PCB 同吴 LiN Jin—du WUMei-zhu Abstract The paper descri珠 bes the basic and countermeasure of the plated through hole voiding in PCB. The substrate material,drilling hole,hole—wall topography,hole size,electroless copper,and plated copper can signiifcantly impact the hole—wall voids.adhesion and reliability of the PTH. Key words PTH(Plated Through--Hole);hole--wall voids;hole—-wall adhesion;high--performance substrate;hole—wall topography;electroless copper 目前,多层板随着高密度化发展和尤铅化焊接 L大J。要掌握这些因素和分析这些现象与原因,应针 要求等条件下,层间连接的导通孔面临着产生“空 对多层板的新情况与新变化,分析原凶与因素,抓 洞”等缺陷,其可靠性方面面临着严厉向复杂的挑 主要矛盾(问题),逐 采取新的有效措施来消除 战。这些挑战: (1)是导通孔高厚径比(孔微小化 镀铜层的“空洞”、提高铜镀层的延展性及其与孔 和高多层化)化和自孔化等带来孔金属化与电镀的 壁的结合力。 . 复杂困难度; (2)是无铅化要采用更高的丁d、丁2 导通孔产生“空涧”是指孔内镀铜层与孔壁的 温度的CCL(高性能)材料所带来“导通孔”的加 界面之问、或者铜镀层 f 存在着“无镀铜”的“空 工新问题; (3)由于无铅化焊接要求有耐更高的焊 洞”。随着PCB实施无铅化焊接技术和PCB高密度 接温度、更长的高温焊接时间和快速的冷却速度, 化的发展,使PCB 的导通孔更易于发生“空洞”、 因此,导通孔内的铜镀层,小仪要有更好的延展 裂缝、“剥离”等现象,特别是“空洞”问题更为 性,而且更重要地是要与孔壁何史好的结台力,才 突出。因此,很有必要对产生“空洞”等原因进行 能经得起更高的焊接条件的考验; (4)是所制造的 探讨、分析和了解,然后采取措施加以克服。 成晶要经得起更高幅度的多次“热循环”、“热冲 击”(史高温度和更长的高温停留时问)等的“老 1 基材(COL)对导通子L质量的影响 化(叮靠性)”考验。这些 素『} 足镀通孔易于发 基材(CCL)的类型将明显地关系到导通孔的 生“分层”、“起泡”、“空洞”等缺陷的丰要原 “空洞”和可靠性问题。 .31. 孔化与电镀Metallization&Plating 印制电路信息2010 No.4 1.1 采用高Tg ̄OTE的基材 构残余应力,获得更高的可靠性,然而,其制造成 传统的FR一4基材是采用双氰胺为固化剂的环氧 本是较高的。 树脂系,其树脂分解温度(Td为310℃左右)低,十 1.3无卤的基材 分接近无铅焊料的焊接温度(可高达280℃),玻璃 无卤的基材的最大的改变的阻燃剂机理的变化。 化温度(Tg为125℃~135℃之间)也低,加E其热 无卤基材是指基材树脂中的卤素(主要主要是Br、 膨胀系数(CTE为80×10-6/ ̄C左右)也大,因此,在 C1)含(总)量规定不得超过900×10 (或1500× 高温条件下,极易在基材内部(铜箔与介质层之间、 l0 )。目前,无卤的阻燃剂大多采用含磷化学物 介质量内树脂与玻纤之间等)形成“分层”/“微气 (Phosphorous)和无机填料( ̄HAI(OH) 等)。这些 泡”、“微间隙”等。可以想象到,这些“分层”/ 新型阻燃剂的加入和形成的结构,在孔金属化过程 “微气泡”和“微间隙”等必然会带来导通孔的“空 中,具有更难除去树脂污染(钻污)。因此,在前 洞(“楔入空洞”)”问题,如图1所示。 处理和去钻污(高锰酸钾,KMnO )等过程中,必 须重新考虑和调整操作参数,才能得到好的孔内镀 铜的质量,否则,就会引起孔内镀层与内层接触不 良、甚至发生“断路”(绝缘)。 2层压和半固化片(树脂流动状态) 的影响 把经过处理的多个内层片和半固化片按要求 图1在电镀后见到的“楔入空洞” “叠合”起来,在真空条件下加热加压形成多层 板。很显然,这个“压层”质量必然影响到“钻 当采用高Tg(如≥l 50℃)和低cTE(如50× 孔”质量、特别是孔金属化与电镀铜的质量。 10 /℃左右)的基材,大量试验和应用都证明,在高 基材和多层板的层压质量,它将影响着“钻 温条件下处理时,在导通孔与孔壁界面问发生“裂 孔”和“空金属化的质量。”在“层压”过程中, 缝”.、“空洞”等缺陷就少得多,也就是说,采用高 B一阶段树脂在“热”、“ ”作用下产生流动排挤 Tg和"f ̄CTE的FR.4基材比传统FR一4基材,可以减少 “气体”、完成“填塞”和“粘接”,使多层板内 “空洞”等缺陷、改善导通孔的可靠性。但是,制造 形成完整的“实体”,应无“凹陷”、“微气泡” 加工过程中会带来问题,应注意加工制造的改进。 和“楔入”等缺陷。如果树脂流动性差,就容易发 1.2采用高7-d(热飞机温度)的FR-4材料 生这些缺陷。那么,在钻孔后必然留下相应的“痕 在传统的FR一4基材中,用酚醛树脂类取代双 迹”,最后也在孔金属化与电镀中形成“楔入空 氰胺为固化剂的环氧树脂系,其Td温度可提高到 洞”(如前面的图1所示)。 340℃左右。比起传统FR.4材料来,可明显地提高 因此,必须挑选合适地半固化片(类型、树脂 耐热性能。实用证明:酚醛树脂类为固化剂的FR一4 含量、凝胶时间和流动度等的控制)和调整适宜的 基材,明显地减少导通孔等的“空洞”、“分层” 层压操作参数(层压的升温的流变曲线、加高压时 等缺陷,提高了层问连接的可靠性。但是,由于酚 问、高温高压时间和冷却速度等),在优化状态下 醛树脂类的“极性”很弱,加入量很大,加工较凼 获得最佳的CCL和多层板的性能。 难(脆性大),要很好地控制。同时,由于丁g温度 3 钻子L孔壁质量对导通孑L质量的影响 低、CTE大,虽然有明显地改善,但是在高温的无 铅焊接条件下,仍然会出现各种热缺陷的『口J题。因 PCB的孔金属化和电镀的镀通孔质量问题主要 此,最好是采用多功能或改件的FR.4环氧树脂系, 是来自_f钻孔质量。因此,在检查导通孔的质量问 即具有高丁d的同时,还具有高11g和低cTE的基材, 题中,如果孔金属化和电镀的各种参数是正常时, 这样的基材是可以更好地减少导通孔等的缺陷和结 就要很好检测钻孔的质量(特别是孔壁的形貌—— ..32.. 印制电路信息2010 No.4 子L化与电镀Metallization&Plating 粗糙度、撕裂、钻污等)。任钻孔中土要易出现的 3.1.2钻孔的子L壁粗糙要相应地缩小。 为了保证孔金属化的质量。当钻孔直径不断地 减小时,钻孔的孔壁粗糙度要相应地减小才行。这 是因为孔经越小,处理液、镀液经过越困难,大的 粗糙度会引起“驻液”或处理不到等,因而也能形成 问题有以下几个方面。 3.1 钻孔参数设定对孔壁质量(粗糙度等) 的影响 大家知道,随着PCB高密度化的发展,导通孔的 “空洞”等缺陷。因此,钻孔的孔壁粗糙度要随着孔 尺寸(孔径)将迅速地减小, 此,为了获得好的孔 金属化和镀铜的质量,在钻孔时必须做到:钻孔速度 径的减小而减小,孔壁粗糙度要求一般如表1所示。 要相应地提高;钻孔的孔壁粗糙要相应地缩小。 表1孑L壁粗糙度随着子L径减小的趋势 3.1.1钻孑L速度要相应地提高 为了保证孔壁保证孔壁质量和生产力,钻孔的 速度必须随着孔径的减小而增加。假设钻孔直径由 3.2钻头(嘴)质量 减小一倍时,为了保证原有的孔壁粗糙度和钻孔生 除了钻头的结构和组成(特别是碳化钨颗粒度 产力,则钻速(n,)要提高一 倍。也就是说,必须保 和钻含量等,其规律是随着钻孔直径缩小,其碳化钨 持两种钻孔的“线切割速度”相同,才能保证孔壁 颗粒度要减小、钴含量增加)外,钻头的质量——特 质量相同,即V.=V2, 别是钻头的刃部的锋利和完整的程度。如钻头刃部锋 Vl 2Ⅱrllll V2--2Ⅱr2n2, 利不足或磨损过大(钻孔过多)、或者刃部缺口(缺 n2一rlI1】/r2 陷)等,在钻孔过程中由于钻头刃部缺口、磨损不锋 2 rll 利等造成“撕裂”、“冲切”作用而带来孔壁的缺 式中:rln】分别为直径 0.6 m1TI钻孔及其转 陷,从而形成孔金属化“空洞”等问题。如有的制造 速;r2/i-:分别为 0.3 mm时的钻孔及其转速。从式 商的钻头钻孔数过多、刃磨次数太多,从而造成孔壁 中可看出:当钻孔直径由 0.6 mm减小到 0.3 mm 质量下降而影nI ̄TL金属化的“空洞”等缺陷,这样的 时,数控钻床的转速必须提高一倍,才能保证有相 事例也是经常发生过。因此,钻头(嘴)质量的管理 同的孔壁的质量和生产力,或者把进钻(给)速度 (使用前检测、钻孔数和刃磨次数等)必须规范化, 降低一倍,使生产力下降一倍,来保证有相同的孔 同时,要经常或定期检测钻孔后孔壁的“完好性”, 壁的质量。 才能保证有好的钻孔的质量,这是保证孔金属化无 这就是为什么当钻孔的直径减小时,为了保证 “空洞”等缺陷的前提。 孔壁质量和生产力,必须把数控钻床的转速提高的 根本原因。 4化学镀铜 我曾遇到这样的问题:某PCB企 把钻孔直径 孔金属化的质量,除了有好的钻孔质量为前提 减小下来,钻床转速没有提高(受钻床转速度) 的保证外,化学镀铜和电镀铜的质量控制也是密切 而仍保持原来的生产力(即进钻速度不变),结果经 相关的。 常出现孔金属化不良(如“空洞”、“楔形空洞” 等)。这是因为钻孔时,进钻速度与钻头转速不匹 4.1 子L壁清除“钻污”表面预处理 配,进钻速度过火,钻头在旋转切割的同时,又有明 显地冲击(孔)作用,因而在界面处(特别是甜可箔与 4.1.1 孔壁的表面状态(形貌) 树脂、树脂与玻纤布之『日J)造成“撕裂”的缝隙等, 在化学镀铜前,对“在制板”的孔壁必须进行 因此,造成孔金属化带米“空洞”、“楔形空涮”等 处理,其目的有:清除去污染(主要是树脂在钻孔 缺陷,影响导通孔的质量。这就是为什么当钻孔的直 过程中形成的“钻污”)以显露孔内的“铜环”; 径减小时,为了保fiE ̄L壁 If:和生产力,必须把数控 形成期望的表面形态(适宜的粗糙度和高的表面能 钻床的转速的根本原因。 量——活性)。 ..33.. 印制电路信息2010 No.4 孔化与电镀Metallization&Plating “吸附”沉积“铜原子”或“铜粒子”的基础。但 是,“吸附”沉积“铜原子”或“铜粒子”的速度 将关系到沉铜层的质量。 大家知道,化学镀铜是在化学镀铜溶液中由于 还原剂(甲醛或非甲醛类)作用而把cu2 还原成铜原 子的,然后再被吸附到钯催化剂的“钯晶核”上, 形成化学镀铜层。可以想象得到:如果Cu2 还原成Cu 图4子L壁上遗留的“残渣” 原子的速度太慢,则可能在部分钯催化剂处没有铜 (1)前提。 沉积现象,当然会形成镀通孔内“空洞”等缺陷; 钯催化剂要有足够的浓度,才能使孔壁表面上 反之,Cu 还原成铜原子的速度太快,除了会引起 获得(吸附)足够而均匀的钯“催化剂”覆盖,经过 沉铜厚度较厚外,更主要的是会带来新生而大量的 “加速(或解胶)”形成可化学镀铜的钯晶核覆盖。 铜原子来不及吸附到介质层表面而在化学镀铜溶液 (2)钯催化剂覆盖和附着力。 中“聚集”成铜颗粒,再吸附到介质表面上。这种 传统的清洁剂/调整剂是针对传统的FR一4材料 “聚集”的铜颗粒与钯晶核结合力是很差的,在沉 开发的,而对于高性能(高Td高Tg)的材料作用是 铜结束或电镀铜前后回发生脱落而形成“空洞”、或 微弱的、甚至是“不起作用”的,因而不能提供好 者形成“结瘤”等缺陷。因此,在化学镀(沉)铜过 的钯催化剂的吸附。采用新型清洁剂/调整剂以提 程中,必须控制cu 还原成铜原子的速度,既不能太 高(保证)钯催化剂的良好吸附,特别是对高性能 快,又不能太慢一般是采取折中的方案,为了达到这 (高丁d高Tg)树脂是必要的。新型清洁剂/调整剂是 个目的,主要是控制“还原剂”的加入量,应采用自 一种改进型的,促使钯催化剂到孔壁的起更好凝聚 动添加“还原剂”和添加“缓冲剂”等来实现。 作用(Flocculation)。既提高了吸附“钯催化剂” 4.2.2化学镀铜的厚度 作用,又不会增加孔壁的厚度,其实质是增加了孔 壁表面阳离子聚合物的密度和/或提高了吸附钯催化 由于化学镀铜是溶液中Cu 还原成铜原子,冉 剂的化学键(Chemical Bonds)形成更多的晶核作 “吸附”到孔内介质层钯“晶核”表面上,属于 用。同时,这种新型清洁剂/调整剂还可以提高与整 “范得华力”作用,因此,其结合力是弱的,带来 个孔壁镀铜层的结合力。 的沉积结构是疏松的。也就是说,化学沉铜层的结 构不仅其结合力是差的,而且其延展性也是不好 4.2化学镀铜 的,因此要求化学镀铜层的厚度要尽量薄些(特别 大家知道,化学镀铜的目的是在孔内介质层 是多层板的通孔镀中,甚至要求采用直接电镀技术 表面为电镀铜提供“导电层”,才能进行铜电镀到 来实现),一般为0.3 t.crn~0.6 btrn,然后,靠酸性电镀 所要求的镀铜层厚度。但是,化学镀铜的基本特征 铜电镀到所要求的铜厚度。对于多层板来说,化学沉厚 是“吸附”沉积“铜原子”或“铜粒子”的,这种 铜(4 um~10 tma)是越来越少采用了,特别是从2006年 “范德华”力的“吸附”带来一‘些弱点,如沉积铜 实施无铅化焊接以来,化学沉厚铜(4 btrn~10 um)是 的结构疏松、结合力低等。因此,必须严格控制化 不宜使用的。 学沉积铜的沉积速度、厚度和监控与检测。 4.2.3通孔直径尺寸的影响 4.2.1 化学镀铜的速度 随着钻孔直径的缩小和厚径比(或厚度增加) 由于化学镀铜溶液在的铜原子或铜粒子直接吸 的增加、由于化学镀铜溶液的Cu 还原成铜原子的过 附在孔壁介质表面上是较凼难的,同时,即使能够 程中会产生大量的H,气与排放,特别是微孔化的发 吸附上铜原子/铜粒子,其与介质层的结合力是很低 展,大大增加了H 气排放困难度,减低钯催化剂形 的。因此,在孔壁介质表面上要先“吸附”上一层 成晶核速度与覆盖完整性,进而影响沉铜的分布与 钯催化剂形成“钯品核”后,为化学沉积铜提供了 覆盖。如果镀液不能在“微孔”中迅速交换流动, ..35.. 印制电路信息2010 No。4 那么在高厚径比的“微孔”结构中心部位往往会出 现大片的“空洞”现象,如图5所示。 线”进行检测。当然,还可以采用其它的检查方法, 如孔电阻方法、金相剖切检测方法等。 总之,在PCB镀通孔金属化中,化学镀铜是十 分关键的,主要是处理好孔壁表面结构、钯催化剂 形成的“晶核”、化学沉铜速度等之间的关系,才 能获得好的化学镀铜层。 5 电镀铜 一般来说,导通孔发生“空洞”是由于化学镀 图5微孔中H,气泡引起的“空洞” 铜及以前的加工处理过程 妥而引起的,对于有好 针对高厚径比的微孔结构,应加强化学镀液 质量的化学镀铜来进行电镀铜加厚镀铜是不会或极 在孔内的交换与流动,主要办法有: (1)机械方 少发生“空洞”的。但是,当化学沉薄铜后,再经 法,如提高搅拌幅度与频率、斜挂、振动、上下跳 过(特别是放置后)电镀铜前处理时,由于硫酸作 动等; (2)物理方法,射流技术喷射镀液、加速循 用/微蚀刻而损失沉铜而形成“空洞”的情况,或者 环过泸等; (3)化学方法,改进镀液组成(如增加 高厚径比微孔的电镀条件差(不能满足要求)及其 湿润、降低表面张力、细化H,气泡等)。还可以把 后续加工而形成的“空洞”也是时有发生的。 一次完成化学镀铜时间分为“两次”完成化学镀铜 目前,在直流电的电镀铜中,由于新型添加剂 等。采用这些措施(包括综合使用),实践表明都 (特别是新型抑制剂和新型加速剂等)的问世与应 是可以明显改善化学镀铜的效果。 用,其电镀分散能力可以达到100%、甚至可以超过 100%,不仅可以解决高厚径比的微孔电镀铜的孔内 4.2.4化学镀铜的检测 均匀性,而且可以实现微孔的填孔镀,当然也可以 为了避免在镀通孔中存在“空洞”等缺陷,在 实现盲孔镀铜及其填孔镀铜。团 化学镀铜前后应进行孔壁及其沉铜质量检测。一般采 参考资料 用如下两种方法: (1)采用“检孔镜法”检查,这 [1】Michael Carano.Plated through—hole voiding-root 是非破坏性的(光学)定性检测,可做到及时、快捷 causes and corrective actions[J].Circuitree,2008,2. 地“在线”进行“定性”判断; (2)“背光法”检 [2】林金堵,梁志立等.现代印制电路先进技术[M】. 中国印制电路协会CPCA,上海:印制电路信息杂 测,这是破坏性的检测,可更准确、甚至可定量的检 志社,2009,1. 测。但是,这种方法要经过取样、剖切等制造样品来 [3]林金堵,吴梅珠.PCB电镀技术与发展[J].印制电 进行透光观察来判断,不能做到及时、快速地“在 路信息,2009,l2. (上接第27页) 3 结论 透气性差或固化程度不均匀等原因使板材中的低分 子、水份等挥发性物质排挤不净,当树脂与增强材 因此,在实际生产过程中应针对引起垫板起泡的 料固化成一体时,绝大部分树脂都存在固化收缩, 不同原因,通过分析垫板起泡的机理,采取有效的防范 而由于树脂与纸纤维的热膨胀系数相差较大,因此 措施,严格控制原料、配比及生产操作中的每一步,才 在固化过程中基板各层间就存在一些较薄弱的界 能够有效控制生产操作过程出现的异常品质问题。团 面,而残留的水分子及挥发物在高温下体积不断增 参考文献 大,破坏了界面上的粘接力,就会在薄弱的界面上 [1]唐路林等编著.高性能酚醛树脂及其应用技术 发生面纸和里纸,或里纸层间的局部分层、起泡: 『M】.化学工业出版社,2007. 其次在压制层压板时使用的原纸质量较差,如纸质 [2]辜信实主编.印制电路用覆铜箔层压板【M].化学 夹有塑料膜片等杂质,在压制固化时因相互粘接不 工业LH版社,2002. 牢也易形成分层鼓泡。 【3]李乙翘等主编.印制电路[MJ.化学 业出版社,2007. ..36.. 

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