PCB鍍覆孔異物堵塞不良分析

李仕武 王景貴 歐陽澤

（廣州廣合科技股份有限公司，廣東 廣州 510730）

0 引言

當前，隨著通信技術的快速發(fā)展，作為電子元器件支撐載體的印制電路板（printed circuit board，PCB）也在快速發(fā)展。對PCB 的要求不斷提升，除需要提升精細線路制作外，對孔壁質量也有更高的要求。在PCB 生產過程中，孔壁質量的可靠性一直都是重點控制項目。其中，異物進入孔內（異物塞孔）是影響孔壁質量的一大頑疾。PCB 厚徑比越大，在沉銅與電鍍生產過程中，產生塞孔的概率就會相應增大，影響孔內藥水流通，產生一系列品質缺陷，如孔銅不足、孔內無銅等，如圖1 所示。塞孔導致的孔內無銅情況可以在電測工序檢測出來，但孔銅不足時，孔兩端電阻偏大，用普通電測方式無法檢測出來。如果采用低阻測試的方法，會延長生產周期，增加生產成本。

圖1 塞孔導致不良

近年來，高厚徑比板小孔塞孔問題仍持續(xù)存在。為了避免不良漏出至客戶端，對塞孔的分析與改善迫在眉睫。本文主要通過對塞孔問題的失效分析，探討塞孔不良的產生原因，并總結建立有效分析的步驟和方法，從而快速對問題原因進行分析定位，指導下一步的制程改善。

1 機理分析與分析思路

PCB 生產過程中，孔的制作包含多個工序，常規(guī)生產流程如下：鉆孔→去毛刺→沉銅→板面電鍍→外層圖轉→圖形電鍍。特殊流程還包含蓋覆電鍍（plate over filled via，POFV）、背鉆等。異物塞孔問題在多個工序都有可能發(fā)生，塞孔不良的類型并不單一，其產生原因也各異。因此，良好的孔壁質量保證，需要多個工序共同努力。

1.1 塞孔機理

行業(yè)同仁對塞孔不良問題有較多研究與分析，查閱相關論文［1-4］，按流程先后順序整理相關研究及其原理，簡述如下。

1.1.1 鉆孔

失效類型有孔內毛刺和膠跡塞孔2 種?？變让桃蜚@刀不夠鋒利，導致纖維絲未完全粘附在孔壁上，除膠之后又伸展出來，經過沉銅、電鍍后形成銅絲狀塞孔。膠跡塞孔因樹脂膠本身質量不佳或不規(guī)范使用，導致孔內有殘留。

1.1.2 去毛刺

失效原因主要在磨刷類型的選擇及水洗與清洗過程。使用不織布磨刷磨板，會使鉆孔后的孔口披鋒形成銅渣，堵在孔邊；使用尼龍刷并依據(jù)實際情況適當調整磨板參數(shù)，可減輕粉塵或披鋒帶來的塞孔概率。噴嘴堵塞會導致磨刷局部過熱融解造成異物塞孔，因此磨刷水洗需要重點關注。

1.1.3 沉銅

沉銅線塞孔主要是因為累積的污垢與懸浮物附在板面。經切片觀察發(fā)現(xiàn)，塞孔銅瘤形狀不規(guī)則，銅瘤中心呈現(xiàn)暗棕色。通過保養(yǎng)清潔和過濾，減少污垢的帶入與累積，保證生產板和拖缸板的板面質量。

1.1.4 電鍍

前后處理缸需要定期酸堿洗，除去累積的水污垢?？刂瓢鍡l和陪鍍板質量，減少異物帶入?？刂瓢鍡l和銅球掉落，避免其在無電流情況下溶解產生銅渣。使用雙層陽極過濾袋，增強對陽極泥的過濾效果。定期碳處理保養(yǎng)和碳芯過濾。

1.1.5 外層

前處理不織布磨刷輪在磨刷過程中掉磨屑，塞入孔口位置形成黑色異物塞孔，只調整不織布磨刷類型或磨板參數(shù)無法徹底解決，將前處理工藝更改為“尼龍刷+微蝕”工藝能較好地解決磨刷屑塞孔問題，并增強干膜與銅面結合力。

塞孔類型豐富，不同工序不同塞孔物質類型，其產生原因也不一致，生產過程中，與生產板接觸的物質都可能引起塞孔。

1.2 失效分析思路

為了避免不良品流出，必須考慮將監(jiān)控點前移。在鉆孔和沉銅2 個工序中設置驗孔流程，具體流程為：鉆孔→去毛刺→驗孔→沉銅→板面電鍍→驗孔。對驗孔發(fā)現(xiàn)的不良品進行分析，查找失效原因。

本文主要討論沉銅板電鍍后的驗孔不良品。對塞孔失效的一般具體分析流程如圖2 所示。①不良品的相關信息了解：了解型號特點、生產線等過程信息。② 表觀檢查：檢查不良孔的外觀型號，對塞孔物質類型有初步判斷。③切片分析與元素分析：切片觀察塞孔物質形態(tài)，并分析其元素含量，依據(jù)形態(tài)和元素判斷塞孔物質類型，以及可能產生的流程或生產線。④ 跟板驗證：在塞孔物質來源不明確的情況下，通過跟板驗證或試驗設計（design of experiment，DOE）的方式，明確塞孔物質來源；⑤ 現(xiàn)場檢查塞孔物質來源：檢查現(xiàn)場，對懷疑物質進行切片與元素分析比對，依據(jù)結果定性塞孔物質來源。

圖2 異物塞孔失效分析思路流程

2 失效案例分析

2.1 垂直連續(xù)電鍍線前處理異物塞孔

本次不良案例為板面電鍍后驗孔流程發(fā)現(xiàn)，進一步做切片分析并統(tǒng)計塞孔物質類型，發(fā)現(xiàn)同種類型的異物塞孔，且發(fā)生概率逐漸升高，需盡快分析定性塞孔物質產生來源，指導生產過程改善。

（1）失效切片分析。對該類型的塞孔不良的切片分析，初步分析結果如圖3 和圖4 所示。由 圖3和圖4可見，塞孔物質被電鍍銅包鍍，呈現(xiàn)黑色實體狀態(tài)，沒有絮狀，說明塞孔物質可能是沉銅之前沾上，或者本身帶有一定導電性。進一步對不良切片做電鏡元素分析，發(fā)現(xiàn)包含元素為O、Mg、Si、S、Cl、Cu 等，在元素上沒有表現(xiàn)出明顯的特征。以上切片與元素分析結果，未能準確判斷塞孔物質類型與生產線來源。

圖3 異物塞孔切片

圖4 異物塞孔的元素分析結果

（2）跟板試驗驗證。沉銅工序的沉銅線有 2條，分別為水平沉銅線和垂直沉銅線；板面電鍍線有4 條，分別為脈沖垂直連續(xù)電鍍（vertical conveyor plating，VCP）1#線、脈沖VCP 2#線、雙軌垂直連續(xù)電鍍（double-track vertical conveyor plating，DVCP）線和垂直龍門線。沉銅線與電鍍線的生產線組合跟板驗證，整理結果見表1。由表1可見，本次異物塞孔不良主要是從2條脈沖VCP線產生。

表1 沉銅工序各生產線組合的異物塞孔確認結果

（3）現(xiàn)場檢查塞孔物質來源。依據(jù)以上產線組合驗證結果，需要重點排查從沉銅下板到脈沖VCP 線生產過程的每個環(huán)節(jié)。首先對比2 條沉銅線對接脈沖VCP線的步驟，分別為：①水平沉銅線+脈沖VCP 線，水平沉銅收板機→轉運車→脈沖VCP 線投料機；② 垂直沉銅線+脈沖VCP 線，酸洗烘干線→轉運車→脈沖VCP線投料機。

從以上對比結果可見，過程無共同點，說明此異物塞孔問題并非沉銅線到脈沖VCP 線之間產生。進一步排查脈沖VCP 線上的投料機、滾輪、藥水缸、擋水滾輪等與生產板直接或間接接觸的設備與物料，結果發(fā)現(xiàn)擋水滾輪手摸掉黑屑。取樣做電鏡元素分析比對，與塞孔異物電鏡元素基本一致。初步判定海綿存在掉屑問題，在生產板被海綿滾輪擠壓過程中，有掉屑塞入孔口。

（4）失效機理解析。海綿滾輪屬耗材類產品，長時間使用會產生老化掉屑的情況。

（5）改善輸出與效果跟進。更換不良的擋水海綿，并依據(jù)供應商建議和實際的每天檢查，制定每季度一次的更換頻率，后續(xù)未再出現(xiàn)該類型的異物塞孔。排查各沉銅線和電鍍線上所有與生產板直接或間接接觸的零部件的品質管控方法，避免出現(xiàn)同類問題。

2.2 水平沉銅線除膠缸金屬渣塞孔

本次不良案例是在板面電鍍后驗孔流程發(fā)現(xiàn)的，且缺陷發(fā)生概率逐漸升高，說明生產過程中出現(xiàn)了固定的異物產生源頭，需盡快分析定性塞孔物質產生來源，指導生產過程改善。

（1）失效切片分析。對不良孔切片分析，發(fā)現(xiàn)為銀白色的固體物質塞孔。塞孔物質被電鍍銅包鍍上，說明塞孔物質可能是沉銅之前沾上，或者本身帶有一定導電性。進一步做電鏡元素分析，發(fā)現(xiàn)塞孔物質為鈦和碳2 種元素，且鈦含量質量比高達97.45%，說明是鈦合金碎屑。不良切片如圖5所示。

圖5 金屬渣塞孔切片

（2）生產線判定。統(tǒng)計出現(xiàn)該類型塞孔不良的生產線組合，見表2。經對比確定是水平沉銅線產生的不良。

表2 金屬渣塞孔的產線組合統(tǒng)計

（3）現(xiàn)場查核塞孔物質來源。由以上分析，明確塞孔異物為水平沉銅線的含鈦金屬渣。進一步查水平沉銅線的所有含有鈦元素的零部件，并逐個檢查狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)僅除膠缸的鈦棒濾芯過濾器破損，其他槽加熱管等均完好。破損的鈦棒濾芯過濾器如圖6（a）所示。

圖6 除膠缸的鈦棒濾芯過濾器破損與碎渣

（4）塞孔物質分析確認。將破損的鈦棒濾芯取下碎屑樣品進一步做切片與電鏡元素分析，與塞孔物質比對，結果鈦棒濾芯碎渣呈現(xiàn)銀白色固體顆粒狀，如圖6（b）所示。分析元素質量比，含鈦97.84%，含碳2.16%，與塞孔不良切片的異物形態(tài)和元素種類、含量一致。因此，可以確定本次異物塞孔是由水平沉銅線除膠缸過濾器的鈦棒濾芯破損產生，碎渣進入除膠缸藥水中，在生產過程中粘附在孔口。

（5）產生機理解析。鈦的表面極易形成一層致密的氧化膜，因此具有較高的耐腐蝕性［5］，但鈦在H2O2溶液中的耐腐蝕性較低，原因是被H2O2氧化后表面形成的氧化膜不致密，存在大量缺陷，使鈦的氧化和氧化物的溶解同時進行。在不同pH 值時10%的H2O2溶液對鈦的腐蝕曲線如圖7 所示。可見pH＞7之后，H2O2對鈦的腐蝕性急速上升。除膠缸鈦棒濾芯所處的的溶液環(huán)境分為正常生產和保養(yǎng)清潔2種狀態(tài)，對比整理分析見表3。

表3 鈦棒濾芯在生產和保養(yǎng)中的環(huán)境差異

圖7 不同pH值時10% H2O2溶液對鈦的腐蝕曲線［5］

結合以上腐蝕機理，分析其腐蝕破損的原因為保養(yǎng)過程中，鈦棒濾芯被雙氧水氧化，但這種不夠致密的氧化膜在正常生產過程中，被含氫氧化鈉的溶液浸泡，氧化膜逐漸溶解。該過程多次重復后，鈦棒濾芯的腐蝕加深，最終破損，形成大量微小的鈦渣，進入除膠藥水中，在生產過程中粘附在孔口，產生塞孔。

（6）改善輸出與效果跟進：鈦棒濾芯破碎后，形成大量的細小鈦渣，無法目視檢查是否清除干凈，且由于鈦金屬的耐腐蝕性，無法用溶液溶解的方式徹底處理掉。本次改善采用多次換缸清潔的方式，逐步減少缸內殘留的鈦渣，并將濾芯材質更換為316 不銹鋼，落實保養(yǎng)過程中對金屬濾芯的檢查。跟進驗孔，確認此類鈦渣塞孔不良現(xiàn)象消失。

3 結語

本文主要總結并建立了異物塞孔的失效分析流程，分析了水平沉銅除膠缸鈦棒濾芯過濾器腐蝕破損和脈沖VCP 線擋水滾輪掉屑這2 類不太尋常的失效類型，并找出問題產生的根因，提出改善對策，有效改善產品質量。

金屬化孔的塞孔不良問題類型多樣，不同類型的問題背后的原因不盡相同，但分析思路基本一致。按分析流程，利用好工具和方法，就能快速分析定位問題原因，改善產品的品質。