PCB孔壁分離的影響因素分析及改善措施

楊 波 溫東華 吳小連

（廣東生益科技股份有限公司，廣東 東莞 523039）

1 前言

孔壁分離是PCB及PCBA熱處理（熱風整平錫、熱沖擊、回流焊）過程中，電鍍通孔的孔壁銅與基材出現(xiàn)分離的一種缺陷，一旦出現(xiàn)將給PCB下游埋下可靠性隱患，如在PCB下游客戶或終端因此缺陷出現(xiàn)可靠性問題，將給PCB生產(chǎn)廠家?guī)聿焕绊懖殡S著巨額索賠。所以孔壁分離問題一直困擾著PCB廠家及相關(guān)供應(yīng)商并倍受關(guān)注。

孔壁分離出現(xiàn)最直接的原因為：在熱處理過程中，隨著熱脹冷縮，基材與孔壁銅的熱膨脹系數(shù)存在差異而產(chǎn)生的拉扯力，外加基材內(nèi)可能存在的濕氣對孔壁銅的膨脹力，而孔壁銅與基材之間的結(jié)合力無法對抗以上兩種力，從而導(dǎo)致孔壁與基材分離，形成所謂的“hole wall pull away”（孔壁分離）現(xiàn)象。而且隨著無鉛化的到來，各種多功能高耐熱性的無鉛材料的出現(xiàn)，孔壁分離的現(xiàn)象出現(xiàn)越來越頻繁，在厚板、大通孔表現(xiàn)尤為突出。

文章從PCB設(shè)計、加工、原材料等方面，分析了導(dǎo)致孔壁分離的影響因素，并指出相應(yīng)的改善方向。

2 影響因素分析及改善措施

2.1 PCB設(shè)計

經(jīng)過收集大量的孔銅分離的實際案例發(fā)現(xiàn)，孔銅分離絕大部分都表現(xiàn)在大的通孔，而且以厚板居多。其實對孔壁處進行一個受力分析（通孔俯視圖，如圖1所示），就可以知道答案。

從圖1的受力分析可以看出，隨著孔徑的減小，孔壁的曲度越來越大，這樣對抗孔壁分離的孔壁銅自身的支撐力越大，出現(xiàn)孔銅分離的幾率將越來越小。這也是為什么孔壁分離大都出現(xiàn)在大孔的孔壁的緣故。從這一角度來講，槽型孔的長邊，由于沒有孔壁自身的支撐作用，則更容易出現(xiàn)孔壁分離的現(xiàn)象。

圖1

另外，針對厚的多層板，孔壁與各內(nèi)層銅有連接時（圖1左），則出現(xiàn)pull away（分離、拉離）的幾率較低，而孔壁銅與內(nèi)層銅基本不連接，則出現(xiàn)幾率較高（圖1右），因為孔壁銅與內(nèi)層銅連接，相當于將孔壁壁銅用一個“釘子”鉚住，對孔壁分離有一定的對抗作用。而對于厚的雙面板，不可能在內(nèi)部設(shè)計“鉚釘”，所以出現(xiàn)pull away的幾率也較高。

圖2

由此可見，PCB的設(shè)計對孔銅分離是有一定的影響的，孔的大小因為設(shè)計的需要，不可能改變，但是大通孔將是我們關(guān)注孔銅分離的焦點。同時針對多層厚板，盡量在無需連接的層次，設(shè)計無功用的孤立焊盤，將孔壁銅鉚住，有助于改善孔壁分離。

2.2 PCB加工

2.2.1 鉆孔的影響

鉆孔質(zhì)量的好壞對孔壁分離有著較大的影響。主要表現(xiàn)在兩個方面：

（1）孔粗：鉆孔孔壁粗糙，基材凹坑，則在后續(xù)的化學沉銅工序中，易形成連續(xù)性差的化學鍍銅層，進而在接下來的電鍍工序中得到連續(xù)性差、不平整的電鍍銅層[4]。這樣在受到熱沖擊時，很容易引起孔壁銅與基材分離。

（2）對基材損傷：在鉆孔過程中，由于鉆孔參數(shù)的不合適或鉆刀的磨損過大，很容易對基材造成較大的“內(nèi)傷”，表現(xiàn)為孔壁基材微裂痕多，孔的暈圈大（后續(xù)的PTH會表現(xiàn)出較大的wicking），這樣濕氣很容易在后續(xù)的濕流程中滲入孔壁基材并被包覆其中，在熱處理過程中，濕氣的劇烈膨脹破壞孔壁銅與基材的結(jié)合，形成孔壁分離。

所以，提高鉆孔質(zhì)量對改善孔銅分離有較大的幫助，這需要鉆孔工藝在工藝參數(shù)、刀具的選擇及壽命、翻磨次數(shù)、蓋板以及墊板等多方面進行考究和優(yōu)化[3]，保證鉆孔的質(zhì)量。

2.2.2 去鉆污（Desmear）的影響

隨著PCB的發(fā)展，去鉆污的方法大致有4種：等離子、濃硫酸、鉻酸及高錳酸鉀法[2]，其中高錳酸鉀法去鉆污被廣泛應(yīng)用。去鉆污的目的主要有兩個：一為除去因鉆孔殘留在內(nèi)層銅上鉆污，清潔孔壁，防止“ICD”的產(chǎn)生；二是為了在基材表面形成微觀上的粗糙表面，得到較大的“比表面積”，以上兩點都將有助于化學銅與基材的緊密結(jié)合。

圖3為同一材料在兩種去鉆污條件下的孔壁微觀效果對比，左圖的孔壁微觀粗糙度（蜂窩狀）非常好，而圖3右要明顯差一些，則出現(xiàn)孔壁分離的幾率要相對高一些。

圖3

由上可知，PCB廠家在評估和優(yōu)化去鉆污工藝參數(shù)時，不能僅僅考察其“咬蝕量”，而更重要的是通過SEM等儀器觀察其去鉆污的效果，看孔壁基材是否得到“比表面積”非常大的微觀粗糙面。

2.2.3 化學銅的影響

雖然化學沉銅工藝是一項比較成熟的工藝，但是隨著電子工業(yè)的發(fā)展以及無鉛化的到來，特別是高Tg或其他特種材料的廣泛應(yīng)用，化學沉銅工藝也將面臨挑戰(zhàn)，但怎樣的化學沉銅層將有助于改善化學銅與基材的結(jié)合，降低孔壁分離的幾率呢？安美特公司的研發(fā)團隊及專家研究表明，能有效提高化學銅與基材的結(jié)合力的化學銅層應(yīng)該具備[1]：

（1）化銅層的內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)該足夠?。?/p>

（2）化銅層應(yīng)該具有極好的一性性；

（3）化銅層應(yīng)該具有堅固而致密的晶體結(jié)構(gòu)。

為使化學銅具有上述品質(zhì)，PCB廠家應(yīng)該在控制藥水濃度穩(wěn)定性、優(yōu)化工藝參數(shù)等方面下功夫，同時

藥水供應(yīng)商也應(yīng)進行藥水體系的研發(fā)與更新，以適應(yīng)電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求。安美特公司研發(fā)出printoganth P（應(yīng)用于水平線）和printoganth PV[1]（應(yīng)用于垂直線）的化學沉銅藥水體系，能夠得到應(yīng)力小、一致性好且堅固致密的化學銅層，能夠有效降低電鍍氣泡和孔壁分離，而且應(yīng)用于多款無鉛產(chǎn)品，效果優(yōu)異。

2.3 材料性能

隨著RoHS和WEEE指令的頒布以及世界環(huán)保呼聲高漲，無鉛、無鹵應(yīng)聲而來，而與此同時，PCB下游或電子終端提出低CTE、低Dk/Df、anti-caf等要求，逼得各板材生產(chǎn)廠家以及相應(yīng)的供應(yīng)商使出渾身解數(shù)來應(yīng)對，具體包括：（1）通過采用不同的固化劑或混合固化劑及其比例，提高樹脂交鏈密度，不斷提高板材的Tg或Td；（2）采用或添加各種功能性的樹脂，或?qū)鹘y(tǒng)環(huán)氧樹脂進行改性“嫁接”以期達到想要的效果；（3）添加一定比例的有機或無機填料，降低板材CTE，提高耐熱性。然而，與傳統(tǒng)FR-4相比，伴隨著這些特殊功能的實現(xiàn)，也付出相應(yīng)的代價，如板材成本的上升、可加工性能的降低，其中可加工性能包括機械加工性能和化學處理加工性能。

無鉛材料的樹脂大都具有更高交鏈密度和更復(fù)雜的化學空間網(wǎng)絡(luò)矩陣，因此也具有更高的耐化性，意味著去鉆污將更加困難，即在孔壁得到比表面積大的粗糙面也將更加困難。

而針對某些無鉛高Tg材料，一味的加強去鉆污并不能得到想要的效果，反而適得其反，使孔壁反而變得更加光滑，不利于孔壁銅與基材結(jié)合。Neil Patton等人實驗研究表明[1]，普通材料通過加強去鉆污能夠有效增大孔壁的微觀粗糙度，但是針對某些高Tg材料，加強去鉆污只是將鉆孔留下的比較粗糙的孔壁表面“拋光”而不能進一步咬蝕而變得更加光滑（圖4），反而不利于孔壁銅與基材的結(jié)合，埋下孔壁分離的隱患。

圖4

所以，PCB廠家在選擇板材時，一定要認真評估材料與自身制程和藥水的匹配與兼容性問題，防止出現(xiàn)“事倍功半”的效果。

3 結(jié)論與展望

PCB孔壁分離的影響因素涉及多個方面，包括PCB的設(shè)計、加工以及板材的性能等等，具有一定的改善挑戰(zhàn)性，而隨著無鉛材料的普及，更是增加了挑戰(zhàn)的難度。但是隨著PCB設(shè)計的優(yōu)化、PCB加工工藝的成熟以及生產(chǎn)管理水平的提高、板材和藥水供應(yīng)商的產(chǎn)品更新與進步，改善和杜絕此問題也是指日可待。

[1]Neil patton. assessment and solutions for hole wall pull away in High tg and High technology lamination materials, 2010,10.

[2]Vincent chen. PWB desmear processing: challenges and solutions. PCB007 website, 2009,9.

[3]何建軍. 淺析孔壁分離的幾種常見現(xiàn)象及原因[J].印制電路信息, 2010,3.

[4]吳云鵬. 印制板孔金屬化得影響因素及改善[J].PCB city, 2009,8.