填孔覆蓋電鍍的蓋帽位漏鍍失效分析

陳正清 丁 琪 曹大福 宋祥群

（生益電子股份有限公司，廣東 東莞 523127）

0 引言

隨著電子通信產(chǎn)品的飛速發(fā)展，產(chǎn)品設計需求傳輸信息量大、速度快和損耗小等特點，對于被稱之為“電子產(chǎn)品字母”[1][2]的印制電路板（PCB）提出了更高的要求。除了使用的介質材料逐步向低介電常數(shù)、低介電損耗的發(fā)展外，特殊設計如N+N結構、背鉆、POFV（填孔覆蓋電鍍：Plating over Filled Via）等應用也越來越廣泛，其中POFV設計（如圖1所示）有減小產(chǎn)品尺寸，降低層數(shù)結構的優(yōu)點，為大多數(shù)通訊類產(chǎn)品所使用。常規(guī)的POFV設計在PCB加工過程中按工藝流程可分為一次鉆孔和二次鉆孔，主要差異在于不塞孔由一次鉆出還是二次鉆出，兩種工藝流程各有優(yōu)劣[1]，POFV設計逐漸成熟的同時，其相對復雜的工藝制程對PCB塞孔、鍍銅等加工過程提出了更高的要求。

圖1 POFV結構

在實際生產(chǎn)過程中，當使用新型垂直連續(xù)電鍍（VCP：Vertical Continuous Plate）進行POFV時，發(fā)現(xiàn)覆蓋在塞孔上的樹脂表面鍍銅層有高比例見圖2示的鍍銅層缺失的問題，稱之為“蓋帽位漏鍍”，而相同條件下其他電鍍線此類缺陷比例極低。蓋帽漏鍍會影響產(chǎn)品整體的電氣性能和元器件的貼裝，對于下游客戶端屬于不可接收的缺陷。本文結合POFV工藝流程對漏鍍失效影響因素進行分析，給出了蓋帽位漏鍍失效機理和改善方向。

圖2 （a）蓋帽正常與（b）漏鍍圖示 (隨機取兩個不同位置)

1 蓋帽位漏鍍失效分析

將漏鍍區(qū)域通過小型切片機截取下來制作成切片，并沿通孔縱向研磨至對應位置，然后使用金相顯微鏡進行觀察。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，蓋帽位鍍層從孔邊緣向中間位置漸薄，部分位置鍍層不連續(xù)表現(xiàn)為缺鍍（如圖3所示）。此外，漸薄區(qū)鍍層呈非包覆狀內(nèi)向延伸，說明在電鍍過程中漸薄鍍層區(qū)仍有一層微薄的化學銅起到導通作用。

圖3 金相顯微鏡下的漏鍍形態(tài)（隨機取兩個不同位置）

同時將漏鍍區(qū)域切片置于3D顯微鏡下，橫向觀察蓋帽位鍍層表觀，可以看出，漏鍍位置周邊鍍層電鍍銅結晶粗糙，存在微裂紋和點狀缺鍍（見圖4所示）。與縱向切片一致的是，鍍層由孔環(huán)邊緣向漏鍍中心區(qū)域漸薄，可以視為典型化學銅層導通不良導致的鍍層不連續(xù)問題?；谏鲜龇治?，蓋帽位漏鍍的產(chǎn)生原因可以解釋為塞孔樹脂表面位置化學銅效果差或化學銅層被咬蝕，導致蓋帽位沉積的化學銅層導通效果不足，在電鍍過程中鍍銅電流分布不穩(wěn)定形成漸薄區(qū)鍍層，在中間區(qū)域則表現(xiàn)為漏鍍。

圖4 3D顯微鏡下的漏鍍表觀（隨機取兩個不同位置）

2 失效影響因素分析

一次鍍銅后經(jīng)樹脂塞孔流程形成塞孔樹脂與銅面的平整基面，在此樹脂基面上通過二次化學銅和電鍍實現(xiàn)POFV蓋帽鍍層的制作，蓋帽鍍銅層與基面間為一層相對疏松的化學銅層，各鍍層分布（見圖5所示）。從漏鍍的失效模式看，化學銅層導通不良是蓋帽漏鍍的根本原因，結合POFV工藝流程進行分析，化學銅層導通不良的原因主要與如下因素有關：

圖5 POFV鍍層分布

（1）塞孔樹脂化學銅效果不佳，化學銅層過??；（2）化學銅層與塞孔樹脂結合力差，易受外力沖擊脫落；（3）電鍍前處理過程化學銅層氧化或被咬蝕。

2.1 塞孔樹脂化學銅效果

PCB加工時，在孔內(nèi)或表面非金屬基材上（一般為環(huán)氧樹脂）形成一層金屬導體，一般先采用化學銅或非金屬導電高分子方法實現(xiàn)導通，再進行電鍍加厚銅[1][2]。常規(guī)化學銅制程一般需要經(jīng)過清潔、微蝕、預浸、活化及化學銅，而化學銅的沉積是在貴金屬催化條件下，通過銅離子的還原反應實現(xiàn)，其反應方程式如式（1）所示。

在化學銅過程中活化是最關鍵的一環(huán)，活化處理是在非金屬表面吸附一層具有催化活性的粒子，誘發(fā)后續(xù)的化學銅反應。目前金屬活化應用最廣泛且最穩(wěn)定的是鈀活化液，而鈀活化又分為離子鈀活化、膠體鈀活化以及敏化-活化一步法等。在鈀活化體系中離子鈀和膠體鈀的主要差異在于鈀團性質不同，其中膠體鈀由鈀核、Sn2+和過量的Cl-組成，整個膠體粒子帶負電荷，因此在調(diào)整過程中需要將帶負電的樹脂孔壁調(diào)整為帶正電，以便膠體鈀團吸附。而離子鈀是帶正電的金屬鈀絡合離子，在調(diào)整過程中只需維持負電性的孔壁或將帶負電的孔壁調(diào)整為更加負電性。

2.2 化學銅層與塞孔樹脂結合力

化學銅層與樹脂的結合力主要取決于樹脂表面的粗糙度。在化學銅之前對樹脂表面進行粗化的過程為化學除膠，一般先采用有機溶脹劑打斷樹脂本身的聚集鍵結，將樹脂加以膨脹及軟化，然后利用高錳酸鹽（高錳酸鈉或高錳酸鉀）的強氧化性，在高溫及強堿性的條件下與樹脂發(fā)生反應，其反應方程式如式（2）所示。

化學除膠對塞孔樹脂的處理能力決定了表面粗糙度的大小，當粗糙度不足時，樹脂表面上沉積的化學銅層在化學銅后、電鍍銅前受藥水或其他外力沖擊下，可能會發(fā)生局部剝離與脫落，從而失去原有的導通作用。

2.3 化學銅層氧化或被咬蝕

化學銅后需要經(jīng)過運輸和等待，沉積的化學銅層發(fā)生一定程度的氧化在PCB制程中是無法完全避免的，鍍銅前處理段的酸性環(huán)境也有去除氧化銅的效果。此外，為有效改善異常氧化問題一般會重點管控化學銅后的停留時間、產(chǎn)品烘干后放置環(huán)境的溫濕度等。對過程數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，問題產(chǎn)品主要集中在新型VCP電鍍線制作，與常規(guī)龍門電鍍線相比其失效比例也相對較高，因此對此電鍍線前處理段結構設計進行深入分析，確認可能對化學銅層進行破壞的因素。

新型VCP電鍍線采用一體式鋼帶回型傳動，不同槽體間通過雙排擋水轆和進出口回流隔開，前處理段流程設計：入板→（入口回流）→除油→（出口回流）→熱水洗→水洗*1（溢流）→水洗*2→酸洗→銅槽回流→鍍銅入口。藥水交換主要有兩種方式，其中除油槽采用上槽浸泡+兩側回流+強烈對噴，除油后水洗和酸洗段則采用非浸泡式的頂噴+側噴（見圖6所示）。

圖6 前處理流程

與常規(guī)龍門電鍍線（浸泡式）對比主要存在如下差異，一方面除油槽為有效節(jié)省空間采用上下槽設計，其中上槽為反應主槽，下槽為暫存副槽。主槽通過入口、出口回流和側邊溢流至副槽，副槽通過循環(huán)泵浦將槽液通過噴淋管打回主槽。另一方面除油后水洗和酸洗設計為兩側噴淋方式，生產(chǎn)板處于滯空狀態(tài)，藥水從循環(huán)泵浦通過縱向排布的密集高壓噴嘴直接作用于板面（如圖7所示）。上下槽回流設計由于高落差沖擊時產(chǎn)生的大量氣泡，除油和酸洗段對板面的強烈對噴以及回流與非浸泡式設計導致的長滯空時間等都可能加劇板子化學銅層的咬蝕。此外，從化學反應的角度分析，前處理段對化學銅層有腐蝕作用的主要成分是空氣中的氧、酸和銅離子。

圖7 前處理設備結構

3 蓋帽位漏鍍機理分析

塞孔樹脂的主要成分為常規(guī)環(huán)氧樹脂，與基板材料一致，其化學沉銅過程中的相關特性此處不再討論，本文主要從化學銅后銅層的輕微氧化開始，對新型VCP電鍍線前處理過程各槽體對化學銅層的破壞進行分析，給出了蓋帽位漏鍍的失效機理。

3.1 化學銅層在空氣中的氧化

正常電鍍過程中化學銅后有一定的停留時間，其儲存位置各不相同，但都多為潮濕的電鍍車間，因此極易造成銅層的氧化。新鮮的化學銅層在鈀活化的基礎上沉積覆蓋，相對于電鍍銅層的致密沉積，化學銅過程大量的氫氣生成致使化學銅層相對疏松。因此，化學銅層易被氧化，形成Cu2O、CuO層，時間越長氧化程度越嚴重，具體如圖8（a）所示。

3.2 前處理段除油槽的去氧化

前處理段除油槽為酸性清潔體系，化學銅表面的氧化層會被清洗去除，露出新鮮的化學銅層，經(jīng)過清洗后的化學銅層第一次變薄，具體見圖8（b）所示。

圖8 前處理段除油槽去氧化圖

3.3 除油槽的持續(xù)氧化破壞化學銅層

除油槽的高位回流設計使槽液中存在大量氣泡，且為保持足夠的上槽液位也造成噴嘴對噴壓力過高，對化學銅層形成劇烈沖擊。槽液中氣泡的氧氣會與化學銅層持續(xù)反應生成氧化亞銅和氧化銅，而新形成的氧化層在除油槽持續(xù)被蝕去，銅層進一步變薄。此外，相對于常規(guī)的通孔設計，POFV蓋帽位的化學銅層直接與除油噴嘴射流接觸，更容易被氧化和破壞。

3.4 除油后水洗和酸洗的繼續(xù)氧化

前處理段除油后水洗和酸洗設計為噴淋式，在清潔過程中存在持續(xù)與空氣的接觸氧化也會對化學銅層產(chǎn)生破壞。化學銅層經(jīng)過多次的氧化逐漸變薄至漏基材，導致蓋帽上部分位置化學銅層缺失，經(jīng)電鍍后表現(xiàn)為漏鍍，具體如圖9所示。

圖9 除油后水洗和酸洗過程

化學銅層在VCP電鍍前處理段持續(xù)被氧化破壞：除油槽上槽回流產(chǎn)生的大量氣泡和強烈對噴沖擊掉了大部分的化學銅層，除油后水洗和酸洗的噴淋過程與空氣持續(xù)接觸氧化造成了進一步的破壞，化學銅層厚度逐漸變薄至露出樹脂，蓋帽上部分位置的化學銅層缺失在電鍍過程無法有效導通而出現(xiàn)蓋帽位漏鍍。

5 結論

在使用VCP電鍍線對POFV蓋帽部位樹脂表面進行電鍍的過程中，電鍍前處理段藥水槽高落差回流和高壓對噴產(chǎn)生的強烈沖擊，以及水洗段和酸洗段在噴淋過程與空氣的持續(xù)接觸，會對化學銅層產(chǎn)生很大的破壞，使得樹脂上的化學銅層逐漸變薄甚至是缺失而露出樹脂，沒有化學銅層的位置由于無法導通在電鍍后出現(xiàn)蓋帽漏鍍。同時，考慮到電鍍前處理段對化學銅層的破壞是無法徹底消除的，降低電鍍前處理過程噴淋強度同步提高化學銅層厚度可以改善蓋帽部位漏鍍問題。