印制板图形电镀针孔产生的因素探究

王景贵 谢明运 李仕武

（广州广合科技股份有限公司，广东 广州 510730）

随着5G时代的来临，电子产品行业不仅迎来了巨大机遇也面临着更大挑战，同时也给PCB板的制作带来了更多难点。板件变厚，孔径变小，厚径比越来越高，线宽线距也往细线路、小线距的方向发展，这样一来，对面铜和深镀能力提出更高的要求，同时也对产线设备能力也要求越来越高。产线设备更新换代势在必行；但新设备在导入使用的过程中可能会带来一些新的问题。某PCB公司在设备更换后的生产过程中，图形电镀完成后板子线路上出现大量的针孔或麻点（以下统称针孔）情况，不良率高达100%，严重影响了板件的一次合格率，严重浪费公司效率以及人工成本，为快速解决此问题，本文主要针对针孔的产生原因进行逐一排查确认，找出真因，解决针孔问题，为制程改善提供改善依据。

1 问题分析

1.1 理论分析

电镀针孔主要形态如图1所示。根据相关研究表明[1]，以及结合目前产生的针孔形态，图形电镀针孔主要为气泡型针孔居多，而产生气泡型针孔原因有：（1）铜缸本身存在气泡；（2）板件存在异物吸附气泡；（3）有饱和电镀溶液不溶解气泡；（4）表面张力。以下主要对气泡的产生进行叙述。

图1 电镀针孔主要形态

1.1.1 过滤系统产生气泡

亨利定律，是物理化学的基本定律之一，表述为：在一定的温度和压强下，一种气体在液体里的溶解度与该气体的平衡压强成正比。亨利公式为：Pg＝Hx

公式中：H为亨利常数，x为气体摩尔分数溶解度，Pg为气体的压强。从亨利公式可以得知，气体溶解度与压强正相关，随着压强的上升而增大，压力越大，溶解的气体越多。空气在水中，随压强上升的溶解度如图2所示。

图2 空气在水中的溶解度

电镀线一般都配置过滤系统，过滤泵运作时，加压状态下使电镀液溶解过量的空气，镀液内的空气溶解度呈现过饱和状态。当药水通过循环管道回到铜缸内时，重新恢复到正常压力。空气溶解度随着压强的变小而降低，从而析出气泡[2]。另外，过滤泵吸入的大气泡气体，经过过滤桶内的棉芯时，也会被挤压成大量的微小气泡。

控制这种过滤系统产生的气泡，主要控制要点有：（1）避免过滤抽空吸入过多空气，要关注管口的液位，避免抽空，并要管道密封良好，避免吸入空气；（2）过滤桶排气管道顺畅，排出过滤桶内的气体，降低压强。

1.1.2 析氢反应

实际的电极反应过程中，会发生偏离理想电极反应的情况，即阴极电位比理论值低，阳极电位比理论值高的情况，这叫过电位。过电位主要是电极极化产生，电极的极化有两种，分别是浓差极化与活化极化。电镀过程需要消耗阴极附近的溶质，如果溶液的浓度扩散不及时，就会导致电极附近的溶质浓度下降，对于阴极来说，是氧化态的浓度下降，基于能斯特方程，析氢电位会下降。当氢气析出的过电位小于金属在阴极上析出的过电位，氢气就会在阴极上析出，发生析氢现象。

氢气析出的过电位，与镀液成分，温度、阴极表面状态、电流密度等状况有关。酸性硫酸盐镀铜体系下，在镀液成分、温度、电流密度、板件清洁等因素稳定受控的情况下，阴极电流效率可达95%～100%之间。实际电镀生产过程中，过电位不可能避免，因此析氢现象的产生也无法彻底避免，但可以通过控制恰当的药水浓度、射流、打气、摇摆、振动，来保证镀液的交换扩散，降低析氢产生。电镀线状态正常的状态下，产生的小量氢气也会在电镀线排出气泡的能力作用下，也会迅速脱附逸出。

1.1.3 有饱和电镀溶液不溶解气泡

过量的“吸入”空气或不畅的“呼出”空气使电镀溶液成为气态饱和溶液

配备打气装置的电镀液类同呼吸系统：吸，溶解鼓出的部分空气；呼，在表面扩散吸收的空气，正常状态为不饱和状态，过量的吸入空气和不畅的呼出空气都会让溶液饱和，主要原因有以下两点。

（1）过滤机吸入并压缩空气：依据亨利系数公式溶解度DOf＝（实际大气压/标准大气压）×[477.8/（温度+气体常数）]可知，压力越大溶解的气体越多，过滤泵吸入有气泡的电镀液，加压状态下使电镀液溶解过量的空气，药水通过泵循环至槽内恢复至正常压力，但电镀液吸入的气体已过量成为饱和溶液。另外过滤机内装有棉芯，将气泡挤压成大量的微小气泡混入电镀液流出，使针孔不良更严重。

（2）电镀液受到污染从而影响表面张力：电镀液表面扩散能力受损时，电镀液正常吸入的空气不能顺畅地呼出，使正常吸入量逐步变低直至电镀溶液呈饱和状态[1]。

1.1.4 表面张力

除油剂的主要作用是去除板面的指纹、油污和其他残余物,保持板面清洁以降低表面张力；适当提供镀液中的湿润剂，降低了镀液的表面张力，从而提高板件表面的亲水性，产生的氢气小泡附着力大大下降，易于其快速离开制件表面而不会滞留。

1.2 影响因素分析

根据流程图3以及鱼骨图4分析对影响针孔的点进行筛选并进行分析，得出：（1）除油清洁效果影响；（2）微蚀效果的影响；（3）湿润剂溶度异常；（4）过滤桶堵塞或漏气，铜缸存在微小气泡。

图3 图形电镀工艺流程图

图4 鱼骨图分析

基于针孔的产生机理，结合产线的实际情况确认，发现：（1）铜缸镀液存在气泡，根据气泡形态以及跟进实际生产情况，怀疑除油药水泡沫过多导致清洗不干净带入铜缸；（2）对铜缸镀液用量杯进行检查，能够很明显地发现存在这微小气泡；（3）对过滤桶进行检查，发现阀门调节接口存在很多杂质。

2 实验验证

2.1 除油影响验证

根据产线实际排查发现，铜缸镀液上存在大量气泡，对生产板进行跟进，发现板件除油后板件残留大量气泡对铜缸镀液进行确认，初步怀疑由于除油剂泡沫过多导致清洗不干净，带入铜缸。对除油剂进行更换测试，铜缸镀液气泡消失。但针孔未有明显的下降。证明此点不是产生此次针孔的主要原因。

2.2 微蚀效果的影响

通过对微蚀药水每班进行分析一次，根据分析结果发现每班微蚀药水浓度都严重不足，分析认为，由于微蚀药水浓度不够，导致微蚀效果不稳定后对板件处理效果不佳，存在针孔情况。对药水消耗跟进并制定明确的添加数量，确认微蚀的稳定性。

根据表1分析数据，制定SPS药水每隔4 h消耗6.5 g/L并根据缸体积核算补加之后，针孔减少，但无法完全进行解决。

表1 SPS电镀消耗统计

2.3 湿润剂溶度异常

因湿润剂会影响板件表面张力，由于生产线在安装因空间问题以及药水体系情况，有三种添加剂，故湿润剂未对添加剂进行自动补加，根据化验室每周两次进行分析补加。对药水添加剂进行分析后，进行补加并根据每日消耗制定补加量后保证药水浓度稳定的情况下，针孔还是无法得到有效的改善。

2.4 过滤桶堵塞或漏气

过滤桶改善后测试结果见表2所示。

表2 过滤桶改善后测试结果

现场检查时，发现个别过滤泵的排气管道有排气不顺畅的情况，打开阀门活接检查发现有异物塞住排气管口。异物主要是基材碎屑和干膜碎屑。过滤桶在排气不畅的情况下，可能桶内气压升高，导致药水回到缸内时释放溶解过饱和的空气，会加大增加气泡型针孔的可能性。通过有饱和电镀溶液不溶解气泡的原理我们对药水用烧杯进行检查发现镀液确实存在微小气泡。通过此次改善后，进行测试跟进，测试结果发现，造成此次图电针孔不良的原因主要是过滤桶阻塞造成。

3 改善方案

基于图形电镀气泡型针孔问题考虑，对过滤系统进行改进，如图5所示。图电设备过滤系统传统的都是直接经过棉芯过滤进入铜缸，故过滤桶过滤阀门接口经常存在堵塞问题，影响镀液造成气泡型针孔的情况。在新设计方案中增加双过滤系统，增加一个滤袋过滤，药水先经过滤袋后再经过棉芯过滤，减少堵塞的情况也避免气泡带入铜缸，可有效解决气泡型针孔。

图5 方案改善

4 结论

本文针对气泡型针孔或麻点产生的机理进行系统分析层别，得出结论为铜缸过滤桶堵塞导致桶内气压升高，药水回到缸内时释放溶解过饱和的空气致使产生起泡型针孔或麻点。针对此类堵塞问题，我司目前设备设计双过滤系统能有效解决此类问题。

致谢：本项目的分析改善过程得到谢明运经理、李仕武工程师的大力支持，在此向致以衷心的感谢！