圖形電鍍前處理與圖電匹配性研究

高群鋒

（上海美維電子有限公司，上海 201613）

0 引言

隨著電子信息技術(shù)的高速發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進步，云計算、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)等新應(yīng)用對5G 帶寬的需求也在快速增長，通信傳輸光模塊的性能和部署數(shù)量實現(xiàn)雙重提升。各種功能的增加集成，使印制電路板（printed circuit board，PCB）的布線密度也在不斷增加，給線路制作帶來較大挑戰(zhàn)。在PCB 制作中，圖形轉(zhuǎn)移前處理方式十分重要，板件表面的前處理效果直接影響著精細線路的良品率。電鍍滲錫是圖形電鍍的不良狀況之一，其主要原因在于銅表面處理。一般前處理要求的微蝕量約0.85 μm，考慮到圖形后制程的咬蝕量，需要在成品銅厚均值上補償約4 μm.為了降低前處理對銅厚的咬蝕，在保證精細線路制作品質(zhì)的前提下，研究低微蝕量對銅面粗糙度和圖形制作的影響越來越重要。

1 不同型號微蝕藥水形成的形貌和粗糙度

目前電鍍內(nèi)層、外層和阻焊工序均使用超粗化前處理藥水，藥水型號各有不同。不同微蝕藥水微蝕銅面后的表觀粗糙度及微觀形貌也不一樣。根據(jù)內(nèi)層精細線路制作的需求，選擇價格合適的超粗化藥水。使用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM），對比傳統(tǒng)超粗化藥水（微蝕量0.85 μm）與一款低微蝕量藥水（微蝕量0.45 μm）的形貌和粗糙度情況，結(jié)果見表1和圖1。由表1和圖1可見，藥水A 和藥水B1的SEM 形貌接近，表面呈釘頭狀，藥水B2的SEM形貌表面呈針狀。粗糙度Ra值越大，粗化效果越好，因此，藥水B1在低微蝕量情況下可獲得最好的粗化效果。

圖1 不同微蝕藥水粗糙度

表1 不同微蝕藥水的SEM

2 前處理與圖形電鍍匹配性制作

2.1 項目目標(biāo)

在PCB 生產(chǎn)工藝中，貼覆干膜是一道重要工序，用于PCB 圖形的轉(zhuǎn)移制作。干膜一般作為抗蝕層或抗電鍍層，其中前處理步驟需要先去除銅面的氧化物和油污，清潔并粗化銅面，以增大干膜在銅面的附著力。

干膜的前處理方法通常可采用機械磨板方式、化學(xué)微蝕方式或機械磨板+化學(xué)微蝕等方式，對PCB 表面進行粗化處理?；瘜W(xué)微蝕量一般控制在0.5～1.2 μm，中值0.85 μm。對不同化學(xué)微蝕處理后的銅面粗糙程度Ra（一段距離內(nèi)，波峰波谷所有點到零點距離的算術(shù)平均值）和Rz（波峰到波谷之最大距離）進行比較，最終選擇B1 款藥水制作流程圖形中的外層堿性蝕刻（去膜、蝕刻、退錫），目標(biāo)微蝕量控制均值為約0.45 μm。

2.2 難點分析

在干膜前處理低微蝕量情況下，如果干膜和銅面的結(jié)合力不足，可能導(dǎo)致圖形電鍍過程中存在滲鍍、掉膜等品質(zhì)異常情況。

由外層圖形工藝流程如圖2 所示。其中低微蝕量易遇到的工藝制作難點有：①干膜前處理低微蝕量參數(shù)控制；② 干膜和銅面的結(jié)合力是否可耐圖形電鍍藥水的攻擊。

圖2 外層圖形工藝流程

2.3 電鍍滲錫短路改善

2.3.1 滲錫短路狀況

初期測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，12 塊在制板（panel，PNL）中含有9 600單元，其中滲錫短路不良8 256單元，缺陷率＞86%（單元不良），如圖3所示。

圖3 滲錫短路

2.3.2 滲錫原因分析

由圖3（c）可見，滲錫短路位置圖形的銅沒有電鍍上，初步說明干膜和銅面結(jié)合力無異常。但蝕刻后存在短路異常，說明在鍍銅鍍錫的圖形電鍍過程中存在滲錫問題。因此，針對該工藝流程，根據(jù)過程中的變量進行分析，選擇“滲錫短路不良”作為響應(yīng)變量。變量選擇過程如圖4所示。

圖4 滲錫短路不良魚骨圖

結(jié)合圖4 檢查發(fā)現(xiàn)，“人、機、物、環(huán)”4 方面均正常，因此，變量在于“法”方面，造成滲錫短路不良的可能原因為微蝕段微蝕量過大和酸洗缸銅離子濃度過高。因此，選擇這2 個參數(shù)的控制范圍進行研究，見表2。

表2 滲錫短路不良變量選擇

2.3.3 試驗設(shè)計

除微蝕量和酸洗缸銅離子濃度參數(shù)以外，其他變量為常量，在研究過程中保持一致。對表2中2 因子3 水平進行試驗設(shè)計（design of experiments，DOE），方案見表3。

表3 樣本量匯總

試板設(shè)計：選用型號為A001-BC，板厚約 1.5 mm，拼版尺寸534 mm×618 mm，1 塊板=8 組=16單元。

2.3.4 數(shù)據(jù)收集方法

（1）取樣位置：外層檢驗100%全檢。

（2）樣本量：見表3。

2.3.5 測量方法

自動化光學(xué)檢測（automated optical inspection，AOI）。

2.3.6 數(shù)據(jù)分析方法

將收集的滲錫短路數(shù)據(jù)輸入Minitab 20中，過程如下：①用方差分析（ANOVA）的方法確定影響滲錫短路的顯著主效應(yīng)和交互效應(yīng)；② 用殘差分析的方法確定DOE 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計和滲錫短路數(shù)據(jù)的擬合程度；③用主效應(yīng)圖和交互效應(yīng)圖為試驗因子，分析對滲錫短路的影響定性；④ 用響應(yīng)優(yōu)化器來確定最優(yōu)參數(shù)組合，并定量地預(yù)測響應(yīng)結(jié)果。

2.4 結(jié)果與討論

各DOE 設(shè)計方案試驗完成后，收集到的滲錫短路比例見表4。主效應(yīng)和交互效應(yīng)如圖5所示。

圖5 滲錫短路比例主效應(yīng)

表4 DOE研究矩陣方案和結(jié)果

開缸時酸洗缸銅離子濃度為0 g/L，隨著做板量的增加，銅離子濃度會逐漸上升。銅離子濃度越小，對于滲錫改善越有利，因此，做板達到300 PNL 時，酸洗缸銅離子濃度需控制為 ＜0.5 g/L。微蝕量控制為0.25～0.6 μm。

3 最佳參數(shù)驗證試驗結(jié)果

在微蝕量0.25～0.6 μm，酸洗缸銅離子約 0.5 g/L 的條件下，以試板A001 型號板分別制作30、60、164 塊板，制作結(jié)果見表5。前后試板結(jié)果對比見表6。

表5 優(yōu)化參數(shù)后批量板制作AOI確認(rèn)結(jié)果

表6 優(yōu)化參數(shù)前后滲錫短路不良數(shù)據(jù)對比

由表5和表6可見，采用最優(yōu)參數(shù)組合后，滲錫短路不良比例較之前有較大改善，從86%下降至0%。說明本次DOE 試驗得出的最優(yōu)參數(shù)可應(yīng)用于生產(chǎn)。

4 結(jié)語

本文通過對比不同藥水處理后的銅面粗糙度和SEM 狀況，選擇出適合低微蝕量制作的前處理藥水。對比2 種不同微蝕量和酸洗缸銅離子濃度，結(jié)合DOE 分析結(jié)果，確認(rèn)酸洗缸銅離子濃度是影響滲錫短路缺陷的關(guān)鍵因素。選擇最佳參數(shù)，批量制作254 塊板（共8 128 單元）后，AOI 機檢滲錫短路不良比例由86%下降為0%，說明本次DOE 試驗得出的最優(yōu)參數(shù)取得了較好的改善效果。

同時，對外層去膜-蝕刻-去錫（stripping filmetching-stripping tin，SES）流程圖形制作過程中遇到的多種疑難雜癥，經(jīng)過魚骨圖、要因分析對比、DOE 分析法研究主要影響因子，找出低微蝕量前提下，適合批量精細線路制作的參數(shù)。精細線路的品質(zhì)滿足要求，并降低前處理銅厚損耗。