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分析PCB电镀空洞问题(上)

  通孔中导电层空洞因不同原因引起,表现出不同特征,但有一点是共同的,即孔中导电层的金属覆盖不充分或没有金属覆盖。从理论上讲,该问题由两种情况引起:沉积的金属不足,或在充分足量的金属沉积后,又因某种原因,失掉部分金属。不充分的金属沉积可能是由于电镀参数不当引起,如槽液的化学组成,阴极移动,电流,电流密度分布,或电镀时间等等。这也可能是因为孔壁表面有异物妨碍金属沉积造成,如气泡,灰尘,棉质纤维或有机膜,粘污等。若孔壁表面未经适当处理,不利于镀液沉积,也有可能导致金属沉积不好,例如:钻孔粗糙,形成裂纹,或有“粉红圈”。
  从通孔中将铜吃掉“有可能是化学因素,如蚀刻造成,也可能是机构原因,如胀孔,应力裂纹或沉积层脱落。
  1.金属化以前步骤可能导致孔中空洞的因素:
  A. 钻孔
  磨损的钻头或其它不恰当钻孔参数都可能撕裂铜箔与介电层,形成裂缝。玻璃纤维也可能是被撕裂而非切断。铜箔是否会从树脂上撕裂,不仅仅取决于钻孔的质量,也取决于铜箔与树脂的粘结强度。在金相中,撕裂都发生在铜箔较为光滑的一面,除非采用“反转处理的铜箔”。氧化面与半固化片不牢固结合,还可能导致更糟的“粉红圈”,即铜的氧化层在酸中溶解。钻孔孔壁粗糙或孔壁粗糙且有粉红圈都会导致多层结合处的空洞,称之为楔形空洞或吹气孔,“楔形空洞”最初处于结合交界面,它的名称也暗示:形状如“楔”,回缩形成空洞,通常可以被电镀层覆盖。若铜层覆盖这些沟,铜层后面常常会有水分,在以后的工序中,如热风整平等高温处理,水分(湿气)蒸发和楔形空洞通常一起出现。根据出现的位置与形状,很容易确认并与其它类型的空洞区分开。
  B.去沾污/凹蚀
  去沾污步骤是用化学方法去掉内层铜上的树脂腻污。这种腻污最初是由钻孔造成的。凹蚀是去沾污的进一步深化,即将去掉更多的树脂,使铜从树脂中“突出”,与镀铜层形成“三点结合”或“三面结合”,提高互联可靠性。高锰酸盐用于氧化树脂,并“蚀刻”之。首先需要将树脂溶胀,以便于高锰酸盐处理,中和步骤可以去掉锰酸盐残渣,玻璃纤维蚀刻采用不同的化学方法,通常是氢氟酸。若去沾污不当,可造成两种类型的空洞:在孔壁粗糙的树脂粘污可能藏有液体,可导致“吹气孔”。在内层铜上残留的粘污会防碍铜/镀铜层的良好结合,导致“孔壁拉脱”等,如在高温处理中,或相关的测试中,镀铜层与孔壁分离。树脂分离可能导致孔壁拉脱和裂纹以及镀铜层上的空洞。若在中和步骤中,锰酸钾盐残渣未完全去掉,也可能导致空洞,还原反应常常用到还原剂,如肼或羟胺等。
  C.化学沉铜前的催化步骤
  去沾污/凹蚀/化学沉铜之间的不匹配和各独立步骤不够优化,也是值得考虑的问题。传统的沉铜前处理顺序为清洁,调整,活化(催化〕,加速(后活化〕,并进入清(淋)洗,预浸,完全适于Murpiy原理。例如,调整剂,一种阳离子聚酯电解质用于中和玻璃纤维上的负电荷,往往须正确应用才能得到所需的正电荷:调整剂太少,活化层及附着不好;调整剂太多,会形成一层膜导致沉铜附着不好;以致孔壁拉脱。调整剂覆盖不充分,最容易在玻璃头上出现。在金相中,空洞开口表现在玻璃纤维处铜覆盖不好,或没有铜。其它引起在玻璃处出现空洞的原因有:玻璃蚀刻不充分,树脂蚀刻过分,玻璃蚀刻过分,催化不充分,或沉铜槽活性不好。其他影响Pd活化层在孔壁上覆盖的因素有:活化温度,活化时间,浓度等。若空洞在树脂上,可能有以下原因:去沾污步骤的锰酸盐残渣,等离子体残留物,调整或活化不充分,沉铜槽活性不高。
  2.与化学沉铜有关的孔中空洞
  在查看孔中空洞时,总看化学槽液是否有问题,同样再看看,化学沉铜前处理槽液,还要覆盖到化学铜,电镀铜,铅/锡槽共同问题。
  总的来讲,气泡,固态物(尘,棉)或有机物粘污,干膜可能阻碍镀液或活化液沉积。气泡裹入,有外来的和内在产生的气泡。外来气泡有时可能是板子进入槽中,或振荡摇摆时进入通孔中。而固有气泡是由化学沉铜液中附反应产生氢气引起,或电镀液中阴极产生氢气或阳极产生氧气。气泡引起的空洞有其特征:常常位于孔中央,而且在金相中对称分布,即对面孔壁有同样宽度范围内无铜。在孔壁表面镀上若有气泡,表现为小坑,空洞周围呈穗状。由尘埃,棉质品或油状膜引起的空洞,形状极不规则。有些防碍电镀或活化沉积的微粒还会被镀层金属包裹。非有机微粒可用EDX分析出,有机物可用FTIR检查。
  有关避免气泡裹入的研究已有相当的深度。其中有许多影响因素:阴极移动摇摆幅度,板间间隔,振动摆动等。最有效的避免气泡进入孔中的方法为振动和碰撞。增加板面间隔,增加阴极移动距离也十分重要,化学沉铜槽中空气搅拌和活化槽撞击或振动几乎没有用。另外,增加化学沉铜湿润性,前处理潮位避免气泡也十分重要。镀液的表面能量于氢气气泡在跑出孔中或破灭前的尺寸有关,显然希望气泡在变大前排除于孔外,以免阻碍溶液交换。