高Tg多層印制板孔壁微裂紋的改善

王芝賢

（中國航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068）

1 前言

傳統(tǒng)PTH工藝已經(jīng)在印制板行業(yè)廣泛使用，但隨著行業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)PTH工藝面臨諸多挑戰(zhàn)，面對越來越多的新材料，越來越高的質(zhì)量要求，任何一家印制板企業(yè)在這種形勢下，都面臨著設(shè)備轉(zhuǎn)型、工藝改進和配方優(yōu)化等問題。本文就是在這種形勢下，提出一種在不改變設(shè)備條件、溶液體系的前提下，通過調(diào)整原有工藝和溶液配方來實現(xiàn)轉(zhuǎn)型的方法。實驗表明，這是一種有前途的改進方法。

2 背景

2.1 問題

近年來，交付用戶的印制板產(chǎn)品在焊接后或高低溫試驗后出現(xiàn)孔壁拉脫現(xiàn)象，導(dǎo)致報廢，造成用戶抱怨，產(chǎn)品進度拖延。通過金相切片觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋處都發(fā)生在鍍銅層和孔內(nèi)銅環(huán)間。

2.2 原因

使用安美特PTH HC系列藥水對中Tg（S1141，140 ℃）基板進行孔金屬化多年，一直未出現(xiàn)異常狀況，近期更換高Tg（S1170，175 ℃）基板后，便頻繁發(fā)生多層板孔壁微裂問題，在加強除膠條件（兩次除膠）后，仍然沒有明顯改善，我們對缺陷處進行SEM和EDX 分析，沒有發(fā)現(xiàn)特別異常元素或雜物。

經(jīng)過統(tǒng)計歷史故障發(fā)現(xiàn)：發(fā)生孔壁微裂的板子都是在新配化銅槽當天到第三天期間生產(chǎn)的，后期所做的板極少發(fā)生孔壁微裂。部分板子在熱風整平焊錫后的切片分析發(fā)現(xiàn)孔壁微裂，部分在熱沖擊（先烘烤130 ℃，4 h，漂錫一次，288 ℃）后發(fā)現(xiàn)孔壁微裂。有部分從用戶端反饋信號不通現(xiàn)象，切片分析為內(nèi)聯(lián)異常。

從故障現(xiàn)象進行分析，判斷為印制板耐熱性問題，理論上分析與印制板耐熱性有關(guān)的過程為：層壓、鉆孔和孔金屬化三個過程，其中孔金屬化為關(guān)鍵影響因素。針對這三個過程，設(shè)計實驗方案加以驗證。

3 實驗

3.1 層壓實驗

3.1.1 目的

通過研究印制板不同后固方式對層壓后Tg溫度變化的影響，得出一種樹脂受熱后回縮最小的后固方式，并通過實驗驗證不同后固方式對孔壁裂紋的影響。

3.1.2 過程和結(jié)果

用中Tg板（常溫材料）和高Tg板（高溫材料）分別制作樣件，采用不同后固方式，然后將樣件在新配化銅槽當天到第三天期間進行生產(chǎn)，在熱沖擊后觀察孔壁切片情況，試驗結(jié)果見表1。

通過實驗結(jié)果可知：后固后的Tg變化值均小于10 ℃，都符合要求；常溫材料（S1141）未出現(xiàn)孔壁微裂，高溫材料（S1170）出現(xiàn)孔壁微裂。

3.2 鉆孔實驗

3.2.1 目的

通過不同鉆孔數(shù)量來得到不同的孔壁質(zhì)量，研究不同孔壁質(zhì)量對裂紋的影響。

3.2.2 過程和結(jié)果

取兩個完全相同的新鉆頭，直徑為1.0 mm，分別對20塊常溫材料（S1141）樣件和20塊高溫材料（S1170）樣件同時進行鉆孔，每塊實驗板200個孔，每個鉆頭累計鉆孔數(shù)量上限是4000。將不同孔壁質(zhì)量的實驗板在新配化銅槽當天到第三天期間進行生產(chǎn)的，然后在熱沖擊后觀察孔壁切片情況，試驗結(jié)果見表2。

通過實驗結(jié)果可知：

表1 不同后固方式實驗結(jié)果

表2 不同孔壁質(zhì)量實驗結(jié)果

圖2 鉆孔凹坑

（1）鉆頭累計鉆孔數(shù)量達到2000個以上，孔壁出現(xiàn)凹坑的概率為100%，累計鉆孔數(shù)量越多，孔壁凹坑越多，質(zhì)量越差；

（2）隨著孔壁質(zhì)量的惡化，常溫材料S1141存在空洞和裂紋的風險，20個切片樣件中有2個樣件出現(xiàn)空洞，比例為10%，有1個樣件出現(xiàn)裂紋，比例為5%；

（3）隨著孔壁質(zhì)量的惡化，高溫材料S1170存在空洞的風險，20個切片樣件中有2個樣件出現(xiàn)空洞，概率為10%；

（4）高溫材料S1170發(fā)生裂紋的情況，并未發(fā)現(xiàn)和孔壁質(zhì)量有明顯關(guān)系，而是呈現(xiàn)普遍性，20個切片樣件中，有15個出現(xiàn)裂紋，比例為75%，僅有5個切片未發(fā)現(xiàn)裂紋，比例占25%。

3.3 孔金屬化實驗

3.3.1 實驗?zāi)康?/p>

通過實驗研究溶液配方和工藝流程對沉銅質(zhì)量的影響，進而優(yōu)化溶液配方，改善設(shè)備條件，減小孔壁應(yīng)力，保證結(jié)合力。

3.3.2 實驗方式

在不影響生產(chǎn)的情況下，采用燒杯試驗、模擬試驗兩種方式進行，在分析并確定可能原因后，選取試驗樣件（8層～10層）在線加工，然后在不同的熱應(yīng)力條件下分析金相結(jié)果，并以GJB362B-2009為檢驗依據(jù)，判定是否合格。

3.3.3 工藝流程分析

（1）現(xiàn)使用流程：上板→溶脹（420 s）→水洗（35 s）→水洗（240 s）→除膠（1200 s）→水洗（150 s）→水洗（40 s）→水洗（32 s）→中和（300 s）→水 洗（40 s）→堿性除油（363 s）→水洗（62 s）→酸性除油（720 s）→水洗（223 s）→微蝕（120 s）→ 水洗（63 s）→水洗（60 s）→預(yù)浸（180 s）→活化（390 s）→水洗（144 s）→水洗（82 s）→還原（270 s）→水洗（60 s）→化學銅（1320 s）→水洗（90 s）→ 水洗（81 s）→酸浸→電鍍→水洗→水洗→烘干→出板

（2）風險因素：

中和后水洗僅一道，水洗時間為40 s，時間太短，水洗不充分容易導(dǎo)致孔內(nèi)和板面受污染；

堿性除油和酸性除油后都只有一道水洗，而且酸性除油時間長達12 min，超長的酸性調(diào)整時間和僅有的一道水洗，容易導(dǎo)致孔內(nèi)清洗不干凈，銅面和樹脂有有機殘留，影響化學銅和孔壁的結(jié)合力；

每個生產(chǎn)周期的微蝕量為0.4 mm ～ 0.8 mm，偏低，并且多層板在除膠渣前板面氧化較嚴重，微蝕量不足容易導(dǎo)致銅面（含內(nèi)層銅）清潔效果不佳，內(nèi)層銅粗糙度不夠，影響化學銅和內(nèi)層銅的結(jié)合力；

化學沉銅后冷水洗，孔壁可能存在應(yīng)力。

（3）糾正措施：

中和后的水洗時間延長至4 min；

調(diào)整酸性除油的時間為4 min ～ 6 min，同時酸性除油后增加一道水洗，時間為3.5 min；

將微蝕溫度從28 ℃提高到33 ℃，微蝕量提到每個生產(chǎn)周期1.0 mm ～ 2.0 mm，保證微蝕效果；

化學沉銅后增加一道熱水洗，時間30 s ～ 60 s，溫度50 ℃ ～ 60 ℃。

（4）改善后的流程：上板→…→中和（247 s）→水洗（240 s）→堿性除油（363 s）→水洗（62 s）→酸性除油（460 s）→水洗（223 s）→水洗（215 s）→微蝕（120 s）→水洗（63 s）→水洗（60 s）→預(yù)浸（300 s）→活化（407 s）→水洗（144 s）→水洗（82 s）→還原（230 s）→水洗（60 s）→化學銅（1440 s）→水洗（90 s）→水洗（81 s）→熱水洗（37 s）→酸浸→ 電鍍→ … →出板

3.3.4 沉銅配方分析

化學沉銅槽原配方如下：

HC Make up：40 ml/L（該藥含穩(wěn)定劑）

氫氧化鈉：9 g/L；還原劑：16 ml/L；穩(wěn)定劑：0.15 ml/L。

生產(chǎn)線是間斷性生產(chǎn)，晚上停產(chǎn)后，化學銅槽停打氣，停循環(huán)，同時補加200 ml穩(wěn)定劑，白天生產(chǎn)時穩(wěn)定劑按HC Add補加體積量的8%～10%進行添加。

風險因素：化學沉銅槽中穩(wěn)定劑含量太高，沉銅溶液反應(yīng)活性差。

優(yōu)化配方：HC Make up：20 ml/L；HC Add：20 ml/L；

氫氧化鈉：9 g/L；還原劑：16 ml/L。

配槽時不加穩(wěn)定劑，停線后停止加熱，保持化學銅主副槽循環(huán)和打氣，不加穩(wěn)定劑，平時正常生產(chǎn)時穩(wěn)定劑按HC Add補加體積量的4%～6%進行添加。

3.3.5 實驗過程結(jié)果

在以上分析結(jié)果的基礎(chǔ)上制定以下工藝流程優(yōu)化和沉銅槽配方優(yōu)化實驗方案，實驗樣件固化方式為兩次，使用鉆頭的累積鉆孔數(shù)不超過2000。

（1）工藝流程優(yōu)化對比試驗。

將微蝕溫度從28 ℃提高到33 ℃，微蝕量提到每個生產(chǎn)周期1.0 mm ～ 2.0 mm，保證微蝕效果；材料選用兩種，S1170為高溫材料，S1141為常溫材料。試驗樣件采用10層板，每塊試驗樣件取三個切片，每個切片觀察6個測試孔。實驗方案及結(jié)果見表3。

實驗結(jié)果表明：穩(wěn)定劑的過量添加容易導(dǎo)致孔壁微裂；優(yōu)化的工藝流程對孔壁微裂問題有改善；優(yōu)化的化學沉銅配方未發(fā)現(xiàn)孔壁微裂情況。

（2）化學沉銅槽配方優(yōu)化對比實驗。

材料選用兩種，S1170為高溫材料，S1141為常溫材料。試驗樣件采用10層板，每塊試驗樣件取三個切片，每個切片觀察6個測試孔。實驗方案及結(jié)果見表4。

表3 實驗方案及結(jié)果

表4 實驗方案及結(jié)果

續(xù)表4

實驗結(jié)果表明：

改善工藝流程、優(yōu)化化學銅配方和化學沉銅后加熱水洗，對孔壁微裂有改善。

優(yōu)化化學銅配方對孔壁微裂的改善效果遠遠大于其它因素。

在優(yōu)化流程、優(yōu)化配方后，加工了30000塊左右印制板，按GJB362B-2009要求對每塊印制板進行287 ℃、10 s的熱應(yīng)力實驗，同時抽檢部分板作30 s的熱應(yīng)力加嚴實驗，金相結(jié)果均未出現(xiàn)孔壁微裂，都符合GJB362B-2009要求。

4 結(jié)論

經(jīng)過層壓、鉆孔、孔金屬化三個過程的大量實驗，可以確定沉銅配方是產(chǎn)生孔壁微裂的關(guān)鍵因素?；瘜W沉銅槽的配方直接影響化學銅沉積的晶體結(jié)構(gòu)，相同配方的溶液在不同材料上有不同的沉積效果，調(diào)整溶液的配方，改善化學銅晶體結(jié)構(gòu)，消除內(nèi)部的應(yīng)力，才是解決孔壁微裂紋的根本措施。

致謝：在本論文的實驗過程中，得到了安美特（中國）化學有限公司的劉國平、錢后才兩位工程師在技術(shù)上的大力幫助，在此表示衷心的感謝。另外，中國航空計算技術(shù)研究所的各位同事也提供了諸多的幫助，在此一并表示感謝。

[1]林金堵. 現(xiàn)代印制電路基礎(chǔ)[M]. 上海印制電路信息雜志社, 2005.