PCB镀层缺陷成因分析及其对策

PCB镀层缺陷成因分析及其对策

作者：杨维生

[摘要]分析了金属化孔镀层的主要缺陷及产生原因，从各主要工序出发，提出了如何优化工艺参数，进行严格的工艺及生产管理，以保证孔化质量的方法。

[关键词]多层印制板，金属化孔，镀层缺陷

1.前言

金属化孔质量与多层板质量及可靠性息息相关。金属化孔起着多层印制线路电气互连的作用。孔壁镀铜层质量是印制板质量的核心，不仅要求镀层有合适的厚度、均匀性和延展性，而且要求镀层在288℃热冲击10秒不能产生断裂。因为孔壁镀铜层热冲击断裂是一种致命的缺陷，它将造成内层线路间和内层与外层线路之间断路；轻者影响线路断续导电，重者引起多层板报废。

目前，印制板生产中经常出现的金属化孔镀层缺陷主要有：金属化孔内镀铜层空洞、瘤状物、孔内镀层薄、粉红圈以及多层板孔壁与内层铜环连接不良等。这些缺陷的绝大多数将导致产品报废，造成严重的经济损失，影响交货期。

2 金属化孔镀层主要缺陷的产生原因及相应对策

我们首先简单回顾一下多层印制板的制造工艺过程。

下料→ 制板→ 蚀刻→ 黑化→ 层压→ 钻孔→ 去沾污及凹蚀处理→孔金属化→ 全板电镀→ 制板→ 图形电镀→ 脱膜→ 蚀刻→ 丝印阻焊→ 热风整平→ 丝印字符

本文将从钻孔工序、孔壁去树脂沾污及凹蚀处理工序、电镀及多层板层压工序等几个方面，分析金属化孔镀层的主要缺陷及产生原因，阐述如何优化工艺参数，进行严格的工艺及生产管理，以保证孔化质量。2．1 钻孔工序

大多数镀层空洞部位都伴随出现钻孔质量差引起的孔壁缺陷，如孔口毛刺、孔壁粗糙、基材凹坑及环氧树脂腻污等。由此造成孔壁镀铜层空洞，孔壁基材与镀层分离或镀层不平整。下面，将对孔壁缺陷的成因及所采取的措施进行阐述：

2．1．1 孔口毛刺的产生及去除

无论是采用手工钻还是数控钻，也无论是采用何种钻头和钻孔工艺参数，覆铜箔板在其钻孔过程中，产生毛刺总是不可避免的。孔口毛刺对于金属化孔质量的影响历来不被人们所重视，但对于高可靠性印制板的金属化孔质量来讲，它却是一个不可忽视的因素。

首先，孔口毛刺会改变孔径尺寸，导致孔径入口处尺寸变小，影响元器件的插入。其次，凸起或凹陷进入孔内的铜箔毛刺，将影响孔金属化过程中电镀时的电力线分布，导致孔口镀层厚度偏薄和应力集中，从而使成品印制板的孔口镀铜层在受到热冲击时，极易因基板热膨胀所引起的轴向拉伸应力造成断裂现象。

传统的去毛刺方法是用200～400号水砂纸仔细的打磨。后来发展到用碳化硅磨料的尼龙刷机械抛刷。但随着印制板技术的不断发展，9～18微米超薄型铜箔的推广应用，使印制板加工过程中的去毛刺技术也发生了很大变化。据报道，国外己开始采用液体喷砂研磨法来去除孔口毛刺。

一般来说，对于去铜箔厚度在18微米以上的覆铜箔层压板孔口毛刺，采用机械抛刷法是十分有效的，只是操作时，必须严格控制好刷辘中碳化硅磨料的粒度和刷板压力，以免压力过大和磨料太粗使孔口显露基材。用于去毛刺的尼龙刷辘中，碳化硅磨料的粒度一般为320～380#。

现代的双面去毛刺机共有四个刷辘，上下各半，能一次性将覆铜箔板两面的孔口毛刺同时去除干净。在去除同样一面的孔口毛刺时，两个刷辘的转动方向是相反的。一个沿顺时针方向转动，一个沿反时针方向转动，加上每个刷辘的轴向摆动，使孔口毛刺受到沿板面各个方向上刷板力的均匀作用，从而被彻底地除去。去毛刺机必须配备高压喷射式水冲洗段。

液体喷砂研磨法，是利用一台专用设备，将碳化硅磨料借助于水的喷射力喷射在板面上，从而达到去毛刺的目的。

2．1．2 孔壁粗糙、基材凹坑对镀层质量的影响

在化学镀铜体系良好的状态下，钻孔质量差的孔壁容易产生镀铜层空洞。

因为在孔壁光滑的表面上，容易获得连续的化学镀铜层，而在粗糙的钻孔孔壁上，由于化学镀铜的连续性较差，容易产生针孔；尤其是当孔壁有钻孔产生的凹坑时，即使化学镀层很完整，但是在随后的电镀铜时，因为有电镀层折叠现象，电镀铜层也不易均匀一致，在钻孔凹坑处，容易存在镀层薄，甚至镀不上铜而产生镀层空洞。

2．1．3 环氧树脂腻污的成因

我们知道，印制板钻孔是一个很复杂的加工过程，基板在钻头切削刃机械力，包括剪切、挤压、扯裂、摩擦力的作用下，产生弹性变形、塑性变形与基材断裂、分离形成孔。

其中，很大部分机械能转化为热能。特别是在高速切削的情况下，产生大量热能，温度陡然升高。钻孔时，钻头温度在200℃以上。印制板基材中所含树脂的玻璃化温度与之相比要低得多。软化了的树脂被钻头牵动，腻在被切削孔壁的铜箔断面上，形成腻污。

清除腻污较困难，而且一旦在铜箔断面上有一定量的腻污，会降低甚至破坏多层板的互连性。

2．1．4 避免钻孔缺陷产生，提高钻孔质量的途径

孔口毛刺、孔壁粗糙、基材凹坑及环氧树脂腻污等缺陷，可通过加强以下几方面的工艺、质量控制，得以去除或削弱，从而达到提高钻孔质量的目的。

2．1．4．1 钻头的质量控制

钻头本身的质量，对钻孔的质量起着极为关键的作用，要求碳化钨合金材料的粒度必须非常细微，应达到

亚微级。碳化钨合金无疏孔能耐磨，钻柄与切削刃部分的直径公差，均在0～0.005mm范围内，整个钻部、钻尖及柄部同心度公差在0．005mm以内，钻头的几何外形无缺损，即在40倍放大镜下观察，应无破口。

一只好的钻头还应该具备另外一个特性，即对称性。钻头的两面在尺寸和形状上必须相同。对称性差会产生磨损钻头刃。为了保证钻头质量，必须对供货厂家严格选择，应从质量信得过的钻头生产厂家进货。并对钻头进货进行检验，不合格的产品不准用于生产。

2. 1．4．2 钻头的形状选择

钻头的主要形状，一般分为普通型及锥斜型、铲型和特殊型，对于小孔特别是多层板小孔，最好采用后三种，后三种的特点是刃带的长度比较短，一般为0．5mm左右，它们可以明显减少钻孔的发热量，减少沾污。

2. 1．4．3 钻头排沟槽的长度

钻头排沟槽的长度，对排屑是否顺利起着至关重要的作用。如果排屑的沟槽太短，钻屑无法顺利排山，钻孔的阻力增大，易造成钻头断裂，且易沾污孔壁。所以，一般情况下，钻头排屑槽的长度，应为所叠板厚(包括上盖板)加上钻头进入下垫板深度和的1.15倍，即应使排屑槽的长度，至少有15%部分留在板外。2．1．4．4 控制钻孔的工艺参数

这里所指的钻孔工艺参数包括每叠板的块数、钻数／进给比。

2．1．4．5 钻头的寿命控制

由于每个工厂的情况都不完全一致，钻头使用的寿命也有所差异，应根据具体的实验结果确定。当孔的质量指标中，有一项己—下降到接近公差极限时，就需要更换钻头，换下去翻磨或报废。一般情况下，多层板允许的最大钻孔数为1500个孔，而且，多层板一般不翻磨钻头。

2．1．4．6 上盖板、下垫板的使用

2．1．4．6．1 上盖板的使用

钻孔时使用的上盖板，可以起以下几个方面的作用：

1)防止压力脚对板面的损坏；

2)防止入口面毛刺的产生；

3)改善孔径精度；

4)减少小孔断钻头的机率。

假若不使用上盖板，那么，钻头在穿透薄的铜箔后，钻头的某一边有可能会与玻璃布撞击，导致钻头的一边受到较大的切削力，因而钻头会发生倾斜，从而影响定位精度。而且，在穿透之后，钻头在退回时，受力不均衡，钻头易折断。上盖板一般可采用0．2(O．4mm厚的硬铝箔。

2．1．4．6．2 下垫板的使用

使用下垫板，可以防止钻头碰到工作台面；还可防止出口面产生毛刺。