金屬化槽孔孔壁分離改善探討

齊國棟 李望德 張良昌

（廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510310）

0 前言

在印制電路板加工過程中，金屬化槽孔在經(jīng)過熱風(fēng)整平后，出現(xiàn)較大比例孔壁分離/起泡，導(dǎo)致印制板互連失效問題，直接影響到PCB板可靠性。一旦流出至PCB下游，將會導(dǎo)致客戶投訴及巨額索賠。本文從金屬化槽孔內(nèi)、外層圖形資料設(shè)計、槽孔粗糙度、沉銅前烘板進(jìn)行DOE試驗，驗證出導(dǎo)致金屬化槽孔孔壁分離影響因子，并制定相應(yīng)改善措施。

1 原因分析

1.1 金屬化槽孔孔壁分離不良特征

通過收集金屬化槽孔孔壁分離不良案例發(fā)現(xiàn)，孔壁分離集中在板厚≥2.0 mm，且均為獨立金屬化槽孔，見圖1所示。

圖1 槽孔與孔壁分離不良

1.2 原因分析

金屬化槽孔孔壁分離是孔壁銅與基材產(chǎn)生分離，分析產(chǎn)生原因：

在熱風(fēng)整平過程中（熱處理），由于孔銅壁與基材的熱膨脹系數(shù)不一致而產(chǎn)生拉扯力，加上基材內(nèi)存在的水氣/樹脂溶劑揮發(fā)物，熱漲后對孔壁產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，而孔壁銅與基材間的結(jié)合力無法抵抗以上兩種力，從而導(dǎo)致孔壁銅與基材分離。要達(dá)到改善金屬化槽孔孔壁分離，主要是從增加槽孔孔壁銅與基材間結(jié)合力及去除基材內(nèi)存在的水氣/樹脂溶劑揮發(fā)物方面去調(diào)整。分析影響槽孔孔壁銅與基材分離原因在生產(chǎn)制程中的因素有：基材粗糙度、沉銅前烘板、內(nèi)層環(huán)寬大小、外層槽孔環(huán)寬大小。

2 試驗板設(shè)計

2.1 試驗板加工流程

設(shè)計出四層板加工流程，具體加工流程如下：

開料→內(nèi)層→層壓→鉆孔（定位孔）→銑槽→烘板→除膠沉銅→板鍍→外圖→鍍銅錫→蝕刻→阻焊后烘→熱風(fēng)整平

2.2 試驗板材料

此次試驗內(nèi)層芯板選用常規(guī)板材（FR-418 μm S1141Tg140）；生產(chǎn)中出現(xiàn)金屬化槽孔孔壁分離的板厚集中在2.0 mm～3.0 mm，此次試驗板板厚分別按：0.8 mm、1.6 mm、3.5 mm來設(shè)計試驗板圖形：

（1）試驗板內(nèi)依次銑出槽孔：

1.0×2.0～7.0 mm、2.0×4.0～9.0 mm、3.0×6.0～11.0 mm、4.0 ×8.0～13.0 mm槽孔，X方向每個槽孔分布有50個，每個槽孔排2排。

（2）內(nèi)層文件：內(nèi)層資料按5個槽孔為一組，每組按相應(yīng)槽孔大小和環(huán)寬設(shè)計。

（3）外層文件：外層資料按相應(yīng)槽孔大小和環(huán)寬設(shè)計，5組不同大小焊環(huán)為一組（1塊板共計2400個槽孔）。內(nèi)外層環(huán)寬匹配如表1。

3 試驗方案

3.1 試驗因子與水平

3.2 試驗方案

根據(jù)試驗因子與水平搭配（見表2所示），共有24種方案（見表3所示），每個方案1塊試板。

3.3 試驗板判定標(biāo)準(zhǔn)

試驗板完成熱風(fēng)整平后，交由質(zhì)量工程師確認(rèn)槽孔有無孔壁分離（見表4所示）。

4 試驗結(jié)果

4.1 沉銅前不同除膠與除膠后基材粗糙對比

從圖2來看，等離子除膠表面均勻、干凈光潔；濃硫酸除膠后基材較粗糙，且表面粗糙度不一致。濃硫酸除膠5 min、10 min后玻璃纖維束間出現(xiàn)明顯空洞，存在除膠過度。

表1 試驗板槽孔方案

表2 試驗因子與水平

表3 試驗板結(jié)果

表4 試驗板判定標(biāo)準(zhǔn)

圖2 不同除膠后基材粗糙狀況

4.2 試驗板結(jié)果

試驗板完成熱風(fēng)整平后，由質(zhì)量工程師對試驗板結(jié)果進(jìn)行分類統(tǒng)計。

4.2.1 DOE（正交試驗設(shè)計）試驗結(jié)果分析

（1）從DOE主效應(yīng)圖及交互作用圖可以確定，影響金屬化槽孔孔壁分離顯著因子為是否烘板；

（2）沉銅前不同除膠方式對金屬化槽孔孔壁分離影響不大，且沉銅前使用濃硫酸除膠存在除膠過度，故不建議使用濃硫酸除膠。

4.2.2 對出現(xiàn)孔壁分離的試驗板進(jìn)行了分類統(tǒng)計

（1）“沉銅”前烘板與不烘板結(jié)果對比見表5所示；

（2）按板厚來分類見表6所示；

（3）不同板厚、不同槽孔直徑不良比例見表7所示；

（4）內(nèi)、外層資料制作不同環(huán)寬對金屬化槽孔孔壁分離結(jié)果的影響（表8統(tǒng)計槽孔分離百分比）。

表5 烘板與不烘板對比

表6 板厚的區(qū)別

表7 不同板厚、槽孔直徑比較

表8 不同板厚、環(huán)寬的比較

5 試驗結(jié)果

（1）在“沉銅”前增加“烘板”流程可以改善槽孔孔壁分離缺陷；

（2）從不良數(shù)據(jù)可以看出，板厚對金屬化槽孔孔壁分離影響較大，與槽孔直徑并無明顯規(guī)律；

（3）在板厚在3.5 mm條件下，內(nèi)、外層環(huán)寬大小對改善金屬化槽孔孔壁分離不明顯；在板厚≤1.6 mm條件下，內(nèi)、外層環(huán)寬對金屬化槽孔孔壁分離一定有影響。在未經(jīng)過“烘板”的條件下，要達(dá)到改善金屬化槽孔孔壁分離，最佳內(nèi)、外層環(huán)寬要求：內(nèi)層單邊環(huán)寬≥0.38 mm、外層單邊環(huán)寬≥0.25 mm。

從試驗結(jié)果可以得出，金屬化槽孔孔壁分離產(chǎn)生主要原因是基材內(nèi)存在水氣/樹脂溶劑揮發(fā)物熱漲后對孔壁產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，而孔壁銅與基材結(jié)合力不足抵抗相應(yīng)膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致產(chǎn)生槽孔孔壁分離。

通過試驗驗證出金屬化槽孔、表面處理為熱風(fēng)整平工藝時，在“沉銅”工序前增加“烘板”流程，對孔壁分離可以起到改善作用。