PCB板深孔電鍍孔無銅缺陷成因分析與改進策略

1.前言
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隨著電子產品與技術的不斷發展創新，電子產品的設計概念逐漸走向輕薄、短小,印刷電路板(PCB)的設計也在向小孔徑、高密度、多層數、細線路的方向發展。而伴隨線路板層數厚度增加和孔徑的減小，產品通孔厚徑比增加明顯，PTH加工難度逐漸加大，易導致孔內無金屬現象頻發。針對此類問題，本文通過藥水異常、特殊設計及生產操作等方面介紹深孔電鍍在PTH過程中孔內無金屬現象產生的具體原因，并根據不同原因確定預防及改善措施，確保PTH良好，保證后續深孔電鍍效果。

2.線路板PTH原理

PTH也稱電鍍通孔，主要作用是通過化學方法在絕緣的孔內基材上沉積上一層薄銅，為后續電鍍提供導電層，從而達到內外層導通的作用。PTH主要流程如下圖1所示：

圖1 PTH流程圖

其中，涉及化學反應如下所示：
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活化：Pd2++2Sn2+→[PdSn]2+——在溶液中反應形成不穩定絡合物
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[PdSn]2+→Pd+Sn4++Sn2+——大部分絡合物被還原成金屬鈀
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SnCl2+H2→Sn(OH)Cl+HCl——活化后水洗時SnCl2水解生成堿式錫酸鹽沉淀
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隨著SnCl沉淀，Pd核也一起在活化的基材表面沉積
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沉銅：HCHO+OH-→H2+HCHOO-——Pd作為催化劑時，該步反應才能得以進行
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Cu+H2+OH-→Cu+2H2O——銅離子在堿性條件下被還原成金屬銅
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PTH后孔內結構如下圖2所示：

圖2 化學鍍銅沉積示意圖

?3.PTH 孔內無銅產生原因分析及改善措施

由于深孔電鍍產品縱橫比較高，導致在PTH過程中，孔內藥水交換困難，極易出現孔內無金屬現象。線路板PTH流程孔內無金屬切片形態明顯，不同原因所造成孔內無金屬現象相近，需仔細分析區分才能辨別出造成該缺陷真正原因，根據不同切片形態，可將PTH孔內無金屬分為如表3.1中三大類：

3.1 藥水異常類

藥水異常所造成PTH孔內無金屬缺陷主要表現為孔內星點裝PTH不良，缺陷處圖電銅包裹板電銅，缺陷示意圖如下圖3：

圖3 藥水異常PTH孔內無金屬示意圖

3.1.1 產生原因

A. 活化劑中鈀離子含量不足，導致在活化的過程中無法形成足夠的膠體鈀沉積在基材表面，在后續沉銅過程中，缺少鈀離子催化從而導致孔壁沉銅不良，引起孔內無金屬缺陷。

B. 活化缸內滲入微小氣泡，引起缸內膠體鈀水解，使活化缸喪失活化功能，孔內無法沉積銅層。

C. 溶液內PH值過低，由于化學沉銅需要在強減性條件下才能進行，PH過低時甲醛還原能力下降，影響沉銅反應速率，造成沉銅不良。

D. 沉銅缸內絡合劑不足，導致部分銅離子生成氫氧化銅沉淀，銅缸內沒有足夠的銅離子進行反應來沉積到孔壁內側，導致沉銅不良發生。
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3.1.2 改善措施

在PTH生產過程中，對于活化缸及沉銅缸，應保證缸內各個組分維持在正常的工藝濃度范圍內，以保證化學反應的有序進行。除此之外，缸內PH及溫度等也會影響孔壁內側沉銅效果，應持續對其監控。

活化缸內膠體鈀受細小氣泡影響，極易產生水解，因此，應保證缸內管道無漏氣現象，保證膠體鈀的正常反應。
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3.2 特殊設計類

此類原因所造成孔內無金屬切片形態主要表現為缺陷處明顯圖電銅包裹板電銅，同時缺陷處存在內層銅被電鍍加厚現象，如下示意圖4：

圖4 特殊設計孔內無金屬示意圖

3.2.1 產生原因

對于深孔電鍍產品，縱橫比往往較大，在這種情況下，孔內藥水交換速率下降明顯，導致PTH過程中孔中心部沉銅層往往不夠致密。

在這種情況下，若板內孔存在如下圖5所示設計，則在PTH后板電過程中，內層銅A處因縱橫比過大沉銅層相比于B處不夠致密，導致在板電通電后電勢高于B處，因B處通過內層銅與C相導通，故雖然A較C更接近孔口，但電勢仍較高，吸收銅離子能力小于C點。另深孔電鍍在板電過程中，孔內溶液交換速度較慢，孔內銅離子相對較少。

基于以上兩點，在板電過程中，A處在原本銅離子相對較少的情況下，因電勢原因吸收銅離子能力再次下降，直接導致其電鍍銅層厚度不足，A處在后續工序（外層圖形及圖形電鍍）前處理因損銅造成孔內開路，從而引起孔內無金屬缺陷。

圖5 孔內沉銅厚度差異示意圖

3.2.2 預防措施

針對此類設計上的問題，在保證設計原稿不變更的情況下，可以適當調整沉銅及板電參數，以保證A處銅厚足夠，避免在后續流程中損銅開路。

主要方法可以將原沉銅時間延長或在完成一次沉銅后，將板從預浸缸再次進板沉銅，保證沉銅層厚度；還可以在一次沉銅后，小電流短時間（8ASF*30min）板電，板電后從除油缸進板再次進行沉銅，然后在板電將孔銅加厚至足夠；此外還可以在沉銅條件不變的情況下，適當降低板電電流密度，延長電鍍時間，保證孔內銅離子足夠及鍍層均勻。
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3.3 生產操作類

生產操作類造成PTH孔內無金屬主要為設備異常及違規操作，切片特點主要有孔內殘存異物、孔內缺陷處圖電銅包裹板電銅等，其缺陷示意圖如下圖6：

圖6 生產操作孔內無金屬示意圖

3.3.1 產生原因

生產操作所造成孔內無金屬主要為PTH前去毛刺和PTH過程中活化及沉銅缸設備異常所造成，主要異常有：PTH前去毛刺段后處理高壓水洗異常，導致孔內鉆屑銅粉等異物無法及時排出，造成后續PTH過程中，孔內藥水無法正常交換，從而導致孔內沉銅不良；此外，在PTH過程中，活化缸及沉銅缸內振動及氣頂異常停止或振動幅度頻率不合格也會造成孔內氣泡無法及時排出，影響孔內藥水交換，導致沉銅異常，從而引起孔內無金屬缺陷。
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3.3.2 改善措施

針對高縱橫比產品，在PTH及前處理去毛刺過程中務必保證設備處于正常工作狀態，此外，對于此類深孔電鍍產品，可是當更改工藝參數，以保證孔內清潔和足夠的藥水交換。

在前處理去毛刺可采用正常去一次毛刺后再額外進行高壓搖擺水洗，對產品孔內進行再次清潔；此外可在加工高縱橫比產品時適當提高PTH活化缸及沉銅缸電振幅度，可將原2.5m/s提高至3m/s，從而保證在PTH過程中，孔內無氣泡殘存。

4.總結

針對深孔電鍍產品板厚較厚，孔徑較小，縱橫比高的特點，為保證在PTH過程中消除孔內無金屬缺陷，需對設備、工藝參數以及工藝流程等進行適當調整，以保證孔內PTH質量。具體措施如下：

A. PTH前去毛刺后，再多進行一次高壓搖擺水洗，以清除孔內鉆屑等異物。

B. PTH過程中保證各缸尤其是活化及沉銅缸藥水、溫度計PH參數都處在正常工藝范圍內。

C. PTH過程中適當提高活化缸及沉銅缸電振幅度，由原2.5m/s提高至3m/s。

D. 一次PTH后將板從預浸缸再次進板，額外沉銅一次；或者在PTH一次后，板電用8ASF電鍍30NIN后再次從除油缸進板沉銅；保證孔內銅層均勻性。

E. PTH后板電需采用小電流長時間，以保證孔內銅離子足夠保證孔壁電鍍效果。

審核編輯：黃飛