印制板过孔不通的原因分析和改善措施

印制板过孔不通的原因分析和改善措施
李翠霞
京信通信技术（广州）有限公司,广州市科学城神舟路10号,510663,licuix@
摘 要： 电路板一直是通信产品中的核心部件，随着HDI数字电路、射频微波电路、一体化数模混合PCB和高密度、小封装高速数字芯片在公司产品上的广泛应用，印制板的质量与可靠性问题就很值得我们的关注。

从我司产线反馈的印制板不良现象中常见的有过孔不通、爆板、氧化、虚焊等，本文就其中印制板常见过孔不通的这个质量问题详细分析其产生的原因，由此提出对印制板的质量保证措施，以期达到节能降耗、提高印制板质量，提高产品可靠性，减少因过孔不通等质量问题所带来的经济损失的目的。

关键词： 电子电路；印制板；改善措施；过孔不通
引言
当今，诸多的电子通信产品对印制电路板提出高密度、高精度等要求，而要满足这些要求就必须使得印制电路板设计的孔更小，层数更多，线路更密，这无疑是给印制板的制造者提出了更高的质量要求。

公司产线反馈PCB过孔不通的质量问题时有发生。

而业界对过孔不通的不良率要求为零，因为PCB的过孔不通现象往往都是在产品调试或市场运行过程中发现，那时元器件都已经贴好，这不仅造成PCB报废，电路板上已贴好的元器件也会报废。

过孔不通所造成的经济损失不可估量，例如PCB成本、元器件成本、人工费用、运输费用以及品牌流失效应等，属于严重的质量缺陷。

现就企业中出现的这类问题进行分析总结，并提出相应的改善措施，以供同行讨论，并作为管理PCB 生产、品质管理的同行作参考之用。

1.过孔介绍
为连接PCB各层之间的线路，各层需要在连通的导线的交汇处钻上一个连接不同层导线的孔，称为过孔（Via）。

过孔的工艺过程是在过孔的孔壁圆柱面上用化学沉积的方法镀上一层金属，用来连通中间各层需要连通的铜箔，而过孔的上下两面做成普通的焊盘形状，可直接与上下两面的线路相通，也可不连。

过孔可以起到电气连接及固定或定位器件的作用[1]。

从工艺制程上来说，过孔一般分为盲孔（blind via）、埋孔(buried via)和通孔(through via)三类，见图1所示。

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图1 过孔的分类
过孔要求有良好的机械韧性和导电性，镀铜层均匀完整。

根据美国电子电路互连封装协会（IPC）标准IPC-A-600《印制板验收标准》以及IPC-6012《刚性印制板的鉴定与性能规范》标准的要求，通孔孔壁均厚不小于20μm，最薄处厚度不小于18μm，表面镀层/涂覆层厚度要求见表1所示。

镀层不允许存在氧化现象，孔内不分层、无气泡、无钻屑、无裂纹，孔电阻需在规定值以下[2]。

作者简介：李翠霞（1972-），女，工程师，电子信息技术及管理，E-mail:licuix@，电话:28952029
表1 表面镀层/涂覆层厚度要求 孔铜 1级 2级 3级 孔铜（平均最小） 20μm 20μm 25μm 孔铜最薄区域 18μm 18μm 20μm 盲孔孔铜（平均最小） 20μm 20μm 25μm
盲孔孔铜最薄区域 18μm
18μm
20
μm
埋孔孔铜（平均最小） 13
μm 15μm
15μm
埋孔孔铜最薄区域 11μm
13μm
13μ
m
2.孔金属化工艺介绍
过孔涉及到孔金属化工艺，该工艺技术是过孔质量的关键，将直接影响到PCB电气的性能和可靠性，是印制电路板制造技术中最为重要的工序之一。

过孔不通的问题往往是在孔金属化工艺过程中导致的。

在分析PCB过孔不通的问题前，我们先概要介绍一下孔金属化工艺。

孔金属化是指在印制板过孔中用化学镀和电镀方法使绝缘的孔壁上镀上一层导电金属，实现各层导线相互连通的工艺[3]。

孔金属化镀层质量对电路板电路导通和元器件连接非常重要。

在PCB制造技术中，孔金属化过程历来是作为最关键的控制工序。

化学镀铜俗称沉铜（PTH），它是一种催化剂作用下的氧化还原反应，在化学镀铜过程中Cu2+离子得到电子还原为金属铜（Cu），其主要作用就是使印制板的非金属孔，通过氧化还原反应在孔壁上沉积一层均匀的导电铜层，再经过电镀去加厚镀铜，以达到回路的目的，实现孔金属化，从而使双面或多层印制板实现层与层之间的互连。

而要达到此目的，就必须选择性能稳定、可靠的化学沉铜液和制定正确可行的、有效的工艺技术与质量管控程序[4]。

业界典型孔金属化工艺流程见图2所示。

图2 典型孔金属化工艺流程
3.孔金属化工艺存在的问题分析及改善措施
3.1.钻孔去钻污工艺影响
1） 原因分析：
由于在多层印制板的制造过程中使用了环氧树脂或丙烯酸树脂粘结剂，在钻孔时，因钻孔产生的高温作用下，粘结剂就会连同印制板中的铜箔、聚酰亚胺等碎屑粘结在过孔的孔壁上形成腻污。

如果这些腻污去除的不干净，就很容易导致印制板层间的电气接续不良。

2） 改善措施：
业界常用去钻污的处理方法有浓硫酸处理法和碱性高锰酸钾处理法，这些方法都是利用它的强氧化性的特点。

钻孔去钻污工艺要求厂家要调节好试剂的浓度、掌握好处理时间并控制好溶液的温度，这样才能有效的去除钻污。

有效去除钻污是保证后续镀铜质量的关键。

3.2.化学镀铜工艺影响
1） 原因分析：
水洗
水洗
二级逆流漂洗
干燥
化学镀铜可以在任何非导电的基体上进行沉积，为了使孔壁的树脂以及玻璃纤维表面产生导电性，需进行化学镀铜。

在镀铜工艺上由于孔径较小，镀液有时会出现无法渗入的情况，从而影响化学镀铜的质量。

2）改善措施：
经试验，有效的改善方法是在沉铜线上加气顶，用加强振动的方式来加强镀液在孔内的流动，使得孔口的气泡迅速逸出，让镀液完全渗入进行镀铜，从而保证镀铜的质量。

在镀铜时一定要保证镀层厚度及镀层均匀性，以防局部偏薄或出现孔洞。

我司规定通孔镀铜最薄点厚度为20μm，盲孔镀铜最薄点厚度为18μm。

3.3.沉金微蚀工艺影响
1） 原因分析：
在PCB沉金工艺前会进行微蚀，这时候药水会进入到已经镀好铜的过孔中，PCB中单面盖绿油的过孔由于孔不相通，药水进去后没有办法完全流出来，残留在孔内就容易导致不断腐蚀孔内镀铜。

2） 改善措施：
生产时必须要控制好微蚀的时间，并对PCB进行充分的漂洗以防止药水在孔内的残留。

单面盖绿油的过孔可以在盖绿油工序前先将另一面孔也塞上绿油或树脂以防药水的流入。

3.4.重视质量检测
做好质量检测也是保证孔金属化工艺质量的关键。

PCB无法通过目测来判断过孔镀铜质量，因此，质量检测需借助一定的检测方法来保证。

一般的试验方法有：背光实验法、玻璃布试验、金相显微切片及电阻测试等。

1）背光实验法：
背光试验法是用来检验沉铜效果好坏的简便直观的方法之一。

是检查孔壁化学镀铜完整性最常用的方法。

化学镀铜后的试样沿一排孔的中心切下，放置在带有投射聚光灯光源的显微镜下，检验孔壁透光情况。

由于基材是透光的，铜层是不透光的，因此很容易发现沉铜层是否完整、致密，并能通过漏孔率来定量考核沉铜层的致密性、质量状态。

根据孔壁的透光情况将孔壁的沉积铜的完整性分成若干等级。

2）玻璃布试验：
是为了检查化学镀铜槽液活性而设计的一种验证方法。

根据玻璃布在化学镀铜溶液中变色的时间来判断整个生产线溶液的活性，变色时间越短说明活性越高。

采用玻璃布试验其结果比较直观、准确、可靠，但缺点是玻璃布的试验结果很难准确地表达它的可信度。

3）金相显微切片：
是观察孔壁上除钻污、化学铜及镀层全貌和厚度的最可靠方法，孔金属化样品、普通成品板及不良品分析必须经过此步骤才能了解其质量情况。

为确保过孔在高温情况下铜层断裂，过孔应在热应力实验后做切片分析。

4）电阻测试：
是通过测试过孔电阻值以保证内层互连的可靠性。

过孔电阻值与孔径大小、镀层厚度、印制电路板的厚度有关。

为确保过孔在高温情况下铜层断裂，过孔应在热应力实验后做电阻测试。

图3 过孔不通水晶切片分析图
图3 过孔不通水晶切片分析图
4.失效案例分析
从产线提取存在过孔不通的问题板来做失效分析。

从水晶切片图（见图3）中看到，过孔中孔铜被药水咬蚀，左侧镀铜已经缺失，右侧镀铜厚度很薄，小于我司最薄孔铜厚度（20μm）要求，孔壁无绿油覆盖。

孔铜底部铜厚达到我司最薄点厚度（20μm）要求，此处孔壁被绿油覆盖。

根据切片分析得出结论：不良品孔铜局部偏薄或者缺失是由于在粗化（又称微蚀）过程中，过孔孔径较小且单面塞绿油而使腐蚀药水在孔内残留，导致孔铜微蚀过度使孔内镀铜局部偏薄，造成在后续贴片时孔铜受热膨胀形成开路，导致不通。

5.PCB过孔质量的保证措施
我司通常是在印制板组装完进行功能测试时才发现PCB过孔不通的质量问题，这不仅会导致产品交货期的延迟也会给公司带来很大的经济损失。

综前分析，我司将PCB的质量控制延伸到PCB供应商的生产过程中，并且在来料检验环节中加强对PCB内在质量的把关，而不仅仅是做外观检验。

主要是通过以下几个环节来有效控制PCB过孔不通的质量问题：
1）设计阶段规范过孔设计要求：
我司在印制板设计规范中要求过孔组应尽量少用不同的孔径以减少生产制程的复杂性。

推荐普通过孔组设置为0.25mm/0.5mm，BGA等受限区域可设置为0.2mm/0.4mm，电源等过孔组设置为0.5mm~0.7mm/1.0mm，盲孔过孔组设置为0.2mm/0.4mm。

孔径设计时要考虑板厚度尺寸，并考虑到成品率及各生产厂家的工艺能力，板厚度与最小通孔直径的比值≤8。

工程师在做印制板设计时应关注PCB供应商的实际工艺能力，落实PCB可制造性的规范，从设计的角度降低加工难度，规避因工艺能力不足而导致的质量风险，例如尽量避免单面盖油的过孔设计，或将单面盖油的过孔设计优化成双面盖油塞孔设计。

2）制作阶段：
PCB供应商在制作时，应在孔金属化工艺流程中保证控制措施落实到位，避免质量隐患。

我司在推进供应商加强过程质量监控方面，重点是可靠性项目，如过孔镀铜厚度测量，过孔切片分析，热应力后切片和电阻测试等。

3）来料检验：
我司IQC来料检验不单要进行外观检验，还要关注供应商来料可靠性测试项目的符合性，特别是过孔的切片报告及切片实物，电阻测试报告等。

4）签订保证协议：
我司与印制板供应商签署《PCB质量保证及责任追溯协议》，明确供需双方的责任和义务，也以此引起供应商对产品质量的高度重视，有效提高员工的质量责任意识。

结论
本文结合企业PCB常见的过孔不通问题，通过围绕孔金属化工艺中关键环节的分析，对PCB过孔不通的质量问题进行分析，总结出PCB过孔的各关键环节的质量控制，并从设计、生产到检验各环节，由我司与供应商共同严把质量关，使PCB过孔不通的问题得到了有效的改善。

并籍此与大家共享与交流。

参考文献
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[2]郑雅杰.龚竹青.陈白珍等.印制电路板孔金属化及其工艺改进途径[J].材料导报，2003，17（4）：11-13.
[3]陈达宏.印制电路孔金属化[J].电子工艺技术，2001，22（3）：102-105.
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[6]楼倩.PCBA失效分析案例解析[J].电子产品可靠性与环境试验，2012，30（z1）：171-174.
[7]姜培安.印制电路板的设计与制造[M].北京：电子工业出版社，2012：100-133.。