多层板孔内空洞缺陷的改善

张仁军 李 波 杨海军 胡志强

（四川英创力电子科技股份有限公司，四川 遂宁 629000）

0 前言

随着当前PCB技术的不断发展与升级，高纵横比深孔电镀越来越多。由于深孔电镀高纵横比的特点，化学铜工艺流程容易出现孔内空洞缺陷。本文针对多层电路板在生产过程中出现孔内空洞问题进行探讨，并针对不同孔内空洞类型进行研究与改善，以应对后续在高纵横比PCB产品领域对电化学工艺流程所带来之挑战。

1 印制板沉积铜原理

孔金属化（PTH）是通过化学方法的前处理及其对应的调整在环氧树脂、玻璃纤维布等绝缘基材上沉积一层薄铜，为后续的电镀（一铜、全板电镀或图形电镀）流程提供导电介质层，从而满足孔之导通作用。

我公司多层板及中高Tg、厚铜板化学铜主要工艺流程为：

上板→膨松→双水洗→除胶渣→回收水洗→双水洗→预中和→双水洗→中和→双水洗→除油→双水洗→微蚀→双水洗→预浸→活化→双水洗→加速→双水洗→化学铜→双水洗→下板（常规双面板不需要除油前的流程）

其中，涉及的主要化学反应如下所示：

活化：Pd2++2Sn2+→[PdSn2]6+→在溶液中反应形成不稳定络合物

[PdSn2]6+→Pd+Sn4++Sn2+→大部分络合物被还原成金属钯

SnCl2+H2O→Sn(OH)Cl↓+HCl→活化后水洗时SnCl2水解生成碱式锡酸盐沉淀

随着SnCl2沉淀，Pd核也一起在活化的基材表面沉积

沉铜：HCHO+OH-→H2↑+HCHOO-→Pd作为催化剂时，该步反应才能得以进行

Cu2++H++2OH-→Cu+2H2O→铜离子在碱性条件下被还原成金属铜

2 PTH孔内无铜产生原因分析及改善措施

由于深孔的纵横比高，导致在化学铜的过程中，孔内药水交换困难，易出现孔内空洞缺陷。鉴于PCB因化学铜导致的孔内空洞症状与形态各异，需工艺工程师在显微镜下仔细观察切片与分析，才能辨别出造成该缺陷真正原因。以下分为四种类型进行探讨。不同PTH类别孔内无铜切片形态表见图1所示。

2.1 药水异常类

2.1.1 空洞现象

药水异常所造成PTH孔内空洞主要表现为孔内星点状电镀不良，主要原因为沉铜背光不良，化学镀铜层不连续，后续电镀时有化学镀铜层位置在电流作用下电镀金属层会逐层包裹化学铜层，如图2所示。

2.1.2 产生原因（主要从药水控制方面进行分析）

（1）活化剂中钯离子含量不足，导致在活化的过程中无法形成足够的胶体钯沉积在基材表面，在后续沉铜过程中，缺少钯离子催化从而导致孔壁沉铜不良，引起孔内无铜不良。

（2）活化缸循环系统存在漏气，缸体药水内渗入微小气泡，引起缸内胶体钯水解，使活化缸丧失活化功能，孔内无法满足沉积铜层的要求。

（3）化学铜槽液pH值过低，由于化学沉铜需要在强减性条件下才能进行，pH值过低导致甲醛还原能力下降，影响沉铜反应速率，造成沉铜不良。

（4）沉铜缸内络合剂不足，导致部分铜离子生成氢氧化铜沉淀，铜缸内没有足够的铜离子进行反应沉积到孔壁内侧，导致沉铜不良发生。

（5）除上述概述之外，铜槽内的负载过大、过小也是做一重点监控进行，过大的负载会使其反应剧烈，各药水组分添加频繁，沉积在玻纤位置的铜层容易爆裂脱落；过小的负载会使其药水的活性不能满足反应之需要的载体，活性不足导致背光不良。

图1 不同PTH类别孔内无铜切片形态表

图2 药水异常导致的化学铜沉铜不良

2.1.3 改善措施

在化学铜生产过程中，对于活化缸及沉铜缸，应保证缸内各个药水组分别维持在正常的工艺浓度范围内，以保证化学反应的有序进行。除此之外，缸内pH及温度等也会影响孔壁的沉积铜效果，应持续对其监控，建议每班化学铜槽的分析频率每班至少三次进行控制，同时配套各组分自动定量添加系统来衡定各药水的比例。

2.2 特殊设计类（如孔径0.2 mm&AR=20:1）

2.2.1 空洞现象

此类异常产生原因为孔内中部位置沉铜药水浸润交换不足，孔内层化学镀层薄。在后续电镀过程中电镀铜层无法有效沉积。所造成孔内无铜形态主要表现为缺陷处明显二铜包裹一铜，同时缺陷处存在内层铜被电镀加厚的现象（因部分内层与同网路其它孔相连导电，电镀过程中在电流作用下会被加厚包裹），如图3所示。

2.2.2 产生原因

对于此类化学铜产品，纵横比往往很高。在这种特殊产品结构下，孔内药水的交换速率与贯孔能力下降明显，导致化学铜过程中，孔的中心位置沉铜层往往不够致密且粗糙，使其后续的电镀铜层通电后的电阻过大，无法形成电镀铜铜离子的转换。

在这种情况下，板内孔存在如图4所示情况，则在化学铜后的过程中，内层铜A处因纵横比过大，沉铜层相比于B处不够致密，导致在板电通电后电势高于B处，因A处通过内层铜与C相导通，故虽然B较C更接近孔口，但电势仍较高，吸收铜离子能力小于C点。深孔电镀在板电过程中，孔内溶液交换速度较慢，孔内铜离子相对较少。基于以上两点，在板电过程中，A处在原本铜离子相对较少的情况下，因电势原因吸收铜离子能力再次下降，直接导致其电镀铜层厚度不足，A处在后续工序（外层线路及二铜）前处理微蚀过程中因损铜造成孔内开路，从而引起孔内无铜缺陷（见图4所示）。

2.2.3 预防措施

针对此类问题，可以适当调整沉铜及板电参数，以保证A处铜厚足够，避免在后续流程中损铜开路。主要方法有：

（1）可以将原沉铜时间延长或在完成一次沉铜后，（一铜→预浸→活化→加速→化学沉铜）将板从预浸缸再次进板沉铜，保证沉铜层厚度；

图3 特殊设计孔内空洞示意图

图4 孔内沉铜厚度差异示意图

（2）一次沉铜后，小电流短时间板电（电镀参数0.9 A/dm2×30 min），板电后从除油缸（除油-微蚀（手动控制5～10 s）→预浸→活化→加速→沉铜）进板再次进行沉铜，然后在板电将孔铜加厚至要求的厚度；

（3）在沉铜条件不变的情况下，适当降低板电电流密度，延长电镀时间，保证孔内铜离子足够形成延伸式覆盖的电镀铜层。

2.3 孔内残存异物类

2.3.1 空洞现象

生产操作类造成PTH孔内无铜主要为设备异常及违规操作，切片特点主要为孔内残存异物、孔内缺陷处二铜包裹一铜等，其缺陷示意如图5所示。

2.3.2 产生原因

过程控制所造成孔内无铜主要为沉铜前去毛刺和一铜过程中活化及沉铜缸设备异常所造成，主要异常有：钻孔排削异常，致使孔内钻削残留于孔内，另外PTH前去毛刺段后处理的高压水洗异常，导致孔内钻屑铜粉等异物无法及时排出，造成后续在PTH过程中孔内药水无法正常交换，从而导致孔内沉铜不良。此外，在PTH过程中，活化缸及沉铜缸内振动及气顶异常停止或振动幅度频率不合格，导致气泡藏于孔内，也会造成孔内气泡无法及时排出，影响孔内药水交换，导致两端对称式的沉铜不良，从而引起孔内空洞缺陷。

2.3.3 改善措施

针对高纵横比产品，优化钻孔参数与检查钻刀质量，在PTH及前处理去毛刺过程中务必保证设备处于正常工作状态，以保证孔内清洁和足够的药水交换。

在前处理去毛刺可采用正常去一次毛刺后再次进行高压摇摆水洗，对产品孔内进行再次清洁，此外，可在加工高纵横比产品时适当提高PTH活化缸及沉铜缸电振幅度，将原一铜振幅30～60 mm/s提高至50～80 mm/s（在设备承载能力范围内），从而保证在PTH过程中，降低孔内气泡的存在。

2.4 渐薄型孔无铜

2.4.1 空洞现象

图5 过程控制孔内空洞示意图

图6 渐薄型孔无铜

如图6所示，一铜铜厚正常，常规电性能测试其导通电阻无问题，但因局部孔铜偏薄，在装机使用过程中因其导体较少，发热高，易因温度过高熔断。

2.4.2 产生原因

孔内存在抗镀类异物或污渍、图电除油除污效果不佳，图形电镀时镀铜层延伸时受阻，导致电力线受影响而不能继续向孔中延伸，使其镀铜时出现抗镀现象。同时，因电镀锡保护层时因锡光剂的较强走位性，此位置能镀上一层比正常位置薄的抗蚀锡层。在蚀刻过程中因锡逐渐缓慢被咬蚀，在底铜较薄生产板上微切片表现为一次铜层完整，无图电铜层或图电铜层渐薄。当需蚀刻底铜较厚时，微切片表现为孔中图电及板电镀铜层呈现沙滩状渐薄。

2.4.3 改善措施

定期对线路显影段的水槽进行保养，提高显影水槽的过滤能力，同时及时更换显影段之行辊、压辊，保障显影的板面与孔内冲洗干净，同时提升二铜之除油药水的能力（浸泡时间、温度、浓度等的调整）也是改善此类阻镀式孔内空洞的方法之一。

3 结语

伴随产品的发展及市场需求，客户对孔内铜层的要求越来越严格，高纵横比的板材引入是必然趋势，孔内镀铜品质面临的挑战也越来越大。工艺工程师们为了更好把握问题的关键点，对各相关制程的参数进行有效控制，建立完整的系统的分析、解决及预防措施，可改善孔内无铜问题。