中国电子科技集团第十五研究所印制板中心 殷春喜
【摘 要】：本文主要讨论了影响多层板金属化孔互连的缺陷，结合金相剖切分析缺陷产生的原因，发现并解决金属化孔互连质量问题，保障金属化孔的可靠性。
【关键词】：环氧腻污 金属化孔 金相剖切
Abstract: This article discusses the defects which affect connection of PTH of multiplayer board, analyses the factors causing defects through micro-section, finds and solves quality problems of connection of PTH, ensures the reliability of PTH.
Key words: plated through hole (PTH) epoxy smear micro-section
一、前言
众所周知，金属化孔的质量直接关系到印制板的可靠性，多层板层与层之间的互连依赖金属化孔实现。化学沉铜是内外层电路互连的过程；电镀铜作为化学镀铜层的加厚，二者的质量对金属化孔的互连可靠性起着至关重要的作用。孔金属化前去钻污是去除高速钻孔过程中因高温而产生的环氧树脂腻污，保证化学沉铜后电路连接的高度可靠性。腻污产生后未有效去除，或者在孔化过程中由于溶液的性能、杂质的影响以及水流冲洗的情况，孔金属化时化学沉铜与内层铜的连接处有非金属物残留，导致化学沉铜在附着不牢的中间物上或者沉铜层与内层铜结合不牢，在热冲击后镀层分离（孔壁与内层互联断裂），不仅影响内外层电路互连，而且金属化孔的耐焊性和抗拉脱强度也不符合要求。而电镀铜的良好的机械性能：较高的韧性和延展性能确保多层板经受热冲击镀层不断裂；较低的内应力（或者压应力）倾向于使镀层向基体压紧，从而提高镀层与基体的结合力。反之镀层性能不好，可能在热冲击时与基体分离或镀层断裂，严重影响多层板的互连。而镀层空洞、孔内粗糙结瘤、粉红圈以及内层偏或钻孔偏都会影响多层板的互连。
金相剖切作为印制板质量控制的重要检测手段，剖切多层板附连图形观察孔壁状态，检测金属化孔的电路互连性，对保障多层板金属化孔的质量具有重要的意义。金相剖切比检孔镜观察、测定孔电阻值等方法更能清楚直观地反映内层互连地状态，因此被用作PTH后观察去腻污效果、监控凹蚀深度，成品热冲击有无镀层分离、断裂的一项检验手段。
二、环氧腻污引起内层互连缺陷
多层板在钻孔过程中，由于钻头高速旋转并与基材摩擦，产生局部高热，如果超过玻璃态转化温度（Tg），就会使其软化而流动，因而被腻在多层板的内层铜环截面和孔壁上，形成钻孔腻污。多层板钻孔时，由于钻孔参数不适当，钻头磨损，多层板层压固化程度不够以及特殊板材（粘度高，粉尘多）都会引起环氧腻污，除了严格制定钻孔参数、控制钻头的钻孔数、层压条件外，还应有效去除环氧腻污。如果不有效去除环氧腻污或如果去钻污过度，会部分或全部隔断互连电路，影响金属化孔的质量。因此，孔金属化之前有效的去除环氧树脂腻污；孔金属化时确保与内层铜不分离是提高金属化孔的可靠性的先决条件。去除多层板腻污工艺分凹蚀工艺和非凹蚀工艺。凹蚀工艺同时要去除环氧树脂和玻璃纤维，形成可靠的三维结合；非凹蚀工艺仅仅去除钻孔过程中脱落和气化的环氧钻污，得到干净的孔壁，形成二维结合，从理论上讲，三维结合要比二维结合可靠性高。
如果钻孔产生的腻污量大，在随后的去腻污凹蚀工序很难处理干净。高锰酸钾去钻污是典型的非凹蚀工艺，而浓硫酸洗孔可达到理想的凹蚀效果。环氧树脂是高聚形化合物，具有优良的耐蚀性。其腐蚀形式主要有溶解、溶胀和化学裂解（如：浓硫酸对环氧树脂主要是溶解作用，其凹蚀作用是十分明显的）。
应用浓H2SO4蚀刻环氧树脂的机理如下：
浓硫酸能有效的去除环氧腻污，从金相剖切照片观察，不仅能有效的去除环氧腻污，还能达到理想的凹蚀深度，如图：
洗孔凹蚀图片
如果洗孔过度（如硫酸温度超高，时间过长），内层铜周围的树脂会流动黏附在内层铜或玻璃头、树脂内壁；或者浓硫酸工作液使用时间长，槽内积聚大量的树脂泥（溶液黏度增大）多层板置于槽内振动时也会有树脂留在孔壁的内层铜截面，这样的二次腻污，孔金属化时会在内层和孔壁镀层交接处出现黑点，影响电路互连。金相剖析如下图。
凹蚀过度造成二次腻污图片
此绝缘层的消除可用常温的浓硫酸清洗30～60秒，然后用高压水冲洗；再采取高压湿喷砂，利用压缩空气的推动，将很细（300目左右）的砂子从上下喷嘴高速喷到印制板上，从而将洗孔后的疏松层打磨掉，使孔壁坚实、微观粗糙，露出完整的内层铜环，提高金属化孔的可靠性。所以浓硫酸洗孔凹蚀有严格的工艺要求，因为其粘度大流动性差不易进孔，要求浓度和温度符合一定的技术参数，浓度范围 90～98％， 温 度 35～38，洗孔时间 30～60秒。
三、PTH工序异物附着，导致内层铜上残留杂质和镀层分离
3.1去油调整和水洗
去油调整的目的是清除印制板表面和孔内油污、手印等，同时调整孔壁电荷，其主要成分为表面活性剂和去油剂。为使环氧树脂表面在后序处理中吸附到均匀的钯离子，必须把印制板浸入到含有阴离子表面活性剂中，使其表面吸附到一层均匀负性的有机薄膜。去油剂中的有机物非常黏、滑，不易冲洗干净。多层板从调整工位出来后，由于喷淋水洗水压小，或溢流水洗时板与板间距近，水洗不充分，部分有机物会滞留在孔内，尤其是小孔里的有机物更不易清洗彻底；而且孔壁经凹蚀处理后具有微观粗糙结构，导致水流不畅，附着在内层铜上的绝缘物不易脱离，进而影响金属化孔的可靠性。
3.2粗化
粗化的目的是：微观粗化铜表面，增加铜箔的比表面，增强铜与铜的结合力。粗化溶液的浓度过低或处理时间不够，都会影响铜层间的结合，从金相剖切来看，粗化不理想也会在内层铜与镀层间的结合处出现头发丝状的黑线，影响内层铜连接的可靠性。因此严格按照工艺流程和技术参数操作，是保障产品质量的关键。
3.3 预浸、活化、还原
由于活化液的使用周期较长，且活性受杂质影响明显，所以在活化前必须进行预浸处理，防止杂质积累，影响其活性。在活化溶液中，络合剂的选择和PH的控制十分重要。首先，铜比钯有更强的金属活性，PdCl2的标准氧化还原电位是-0.268V(PdCl2+2e-=Pd+2Cl-),Cu2+的标准氧化还原电位是0.337V(Cu2++2e-=Cu)，铜和钯离子是很容易发生置换反应的：Cu+PdCl2=CuCl2+Pd。另外，ＰＨ值对钯离子的活性影响很大，当PH<10时，络合剂X以离子形式存在，不与钯离子发生络合反应，溶液中易产生Pd(OH)2沉淀，不仅溶液活性降低，而且浑浊；当PH值过高水洗时，PH值不能迅速有效降低，容易将多余的钯离子带入还原工位，缩短还原液的使用寿命，而且易产生黑色悬浮颗粒（钯粉等）。在自动化生产线上印制板互相夹带溶液，造成交叉污染，活化溶液使用周期长，受此影响最大。这些因素都直接影响着孔化的质量。
这种内层铜截面与化学沉铜间的黑色间隙在金相剖切时，金相剖切观测时与环氧腻污不容易区分，一般会去关注去腻污工序而忽略PTH带来的问题，解决问题走入误区，影响产品质量和周期，造成损失。所以严格控制工艺参数，加强槽液的维护，保障沉铜线各工作槽的性能稳定无杂质，才能确保镀层与基体间的结合力良好，提高产品可靠性。
化学沉铜是自身氧化还原反应，溶液的性能直接影响镀层的结合力和韧性。化学镀铜浴中的各种金属杂质离子，以及环境和层压材料自身带来的颗粒、灰尘，溶液反应产生的一价铜如果未及时过滤清除掉，将加快沉铜的速率。而镀层的韧性与晶格排列的规则程度有关，过快的沉积速度导致镀层质量变坏。镀层结构不致密，韧性差，热冲击的多层板在金相剖切时会出现内层铜和基体间有分离的现象。
