陳正清 丁 琪 曹大福 宋祥群

（生益電子股份有限公司，廣東 東莞 523127）

0 引言

隨著電子通信產(chǎn)品的飛速發(fā)展，產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求傳輸信息量大、速度快和損耗小等特點(diǎn)，對于被稱之為“電子產(chǎn)品字母”[1][2]的印制電路板（PCB）提出了更高的要求。除了使用的介質(zhì)材料逐步向低介電常數(shù)、低介電損耗的發(fā)展外，特殊設(shè)計(jì)如N+N結(jié)構(gòu)、背鉆、POFV（填孔覆蓋電鍍：Plating over Filled Via）等應(yīng)用也越來越廣泛，其中POFV設(shè)計(jì)（如圖1所示）有減小產(chǎn)品尺寸，降低層數(shù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，為大多數(shù)通訊類產(chǎn)品所使用。常規(guī)的POFV設(shè)計(jì)在PCB加工過程中按工藝流程可分為一次鉆孔和二次鉆孔，主要差異在于不塞孔由一次鉆出還是二次鉆出，兩種工藝流程各有優(yōu)劣[1]，POFV設(shè)計(jì)逐漸成熟的同時(shí)，其相對復(fù)雜的工藝制程對PCB塞孔、鍍銅等加工過程提出了更高的要求。

圖1 POFV結(jié)構(gòu)

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，當(dāng)使用新型垂直連續(xù)電鍍（VCP：Vertical Continuous Plate）進(jìn)行POFV時(shí)，發(fā)現(xiàn)覆蓋在塞孔上的樹脂表面鍍銅層有高比例見圖2示的鍍銅層缺失的問題，稱之為“蓋帽位漏鍍”，而相同條件下其他電鍍線此類缺陷比例極低。蓋帽漏鍍會(huì)影響產(chǎn)品整體的電氣性能和元器件的貼裝，對于下游客戶端屬于不可接收的缺陷。本文結(jié)合POFV工藝流程對漏鍍失效影響因素進(jìn)行分析，給出了蓋帽位漏鍍失效機(jī)理和改善方向。

圖2 （a）蓋帽正常與（b）漏鍍圖示 (隨機(jī)取兩個(gè)不同位置)

1 蓋帽位漏鍍失效分析

將漏鍍區(qū)域通過小型切片機(jī)截取下來制作成切片，并沿通孔縱向研磨至對應(yīng)位置，然后使用金相顯微鏡進(jìn)行觀察。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，蓋帽位鍍層從孔邊緣向中間位置漸薄，部分位置鍍層不連續(xù)表現(xiàn)為缺鍍（如圖3所示）。此外，漸薄區(qū)鍍層呈非包覆狀內(nèi)向延伸，說明在電鍍過程中漸薄鍍層區(qū)仍有一層微薄的化學(xué)銅起到導(dǎo)通作用。

圖3 金相顯微鏡下的漏鍍形態(tài)（隨機(jī)取兩個(gè)不同位置）

同時(shí)將漏鍍區(qū)域切片置于3D顯微鏡下，橫向觀察蓋帽位鍍層表觀，可以看出，漏鍍位置周邊鍍層電鍍銅結(jié)晶粗糙，存在微裂紋和點(diǎn)狀缺鍍（見圖4所示）。與縱向切片一致的是，鍍層由孔環(huán)邊緣向漏鍍中心區(qū)域漸薄，可以視為典型化學(xué)銅層導(dǎo)通不良導(dǎo)致的鍍層不連續(xù)問題?；谏鲜龇治觯w帽位漏鍍的產(chǎn)生原因可以解釋為塞孔樹脂表面位置化學(xué)銅效果差或化學(xué)銅層被咬蝕，導(dǎo)致蓋帽位沉積的化學(xué)銅層導(dǎo)通效果不足，在電鍍過程中鍍銅電流分布不穩(wěn)定形成漸薄區(qū)鍍層，在中間區(qū)域則表現(xiàn)為漏鍍。

圖4 3D顯微鏡下的漏鍍表觀（隨機(jī)取兩個(gè)不同位置）

2 失效影響因素分析

一次鍍銅后經(jīng)樹脂塞孔流程形成塞孔樹脂與銅面的平整基面，在此樹脂基面上通過二次化學(xué)銅和電鍍實(shí)現(xiàn)POFV蓋帽鍍層的制作，蓋帽鍍銅層與基面間為一層相對疏松的化學(xué)銅層，各鍍層分布（見圖5所示）。從漏鍍的失效模式看，化學(xué)銅層導(dǎo)通不良是蓋帽漏鍍的根本原因，結(jié)合POFV工藝流程進(jìn)行分析，化學(xué)銅層導(dǎo)通不良的原因主要與如下因素有關(guān)：

圖5 POFV鍍層分布

（1）塞孔樹脂化學(xué)銅效果不佳，化學(xué)銅層過薄；（2）化學(xué)銅層與塞孔樹脂結(jié)合力差，易受外力沖擊脫落；（3）電鍍前處理過程化學(xué)銅層氧化或被咬蝕。

2.1 塞孔樹脂化學(xué)銅效果

PCB加工時(shí)，在孔內(nèi)或表面非金屬基材上（一般為環(huán)氧樹脂）形成一層金屬導(dǎo)體，一般先采用化學(xué)銅或非金屬導(dǎo)電高分子方法實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通，再進(jìn)行電鍍加厚銅[1][2]。常規(guī)化學(xué)銅制程一般需要經(jīng)過清潔、微蝕、預(yù)浸、活化及化學(xué)銅，而化學(xué)銅的沉積是在貴金屬催化條件下，通過銅離子的還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)，其反應(yīng)方程式如式（1）所示。

在化學(xué)銅過程中活化是最關(guān)鍵的一環(huán)，活化處理是在非金屬表面吸附一層具有催化活性的粒子，誘發(fā)后續(xù)的化學(xué)銅反應(yīng)。目前金屬活化應(yīng)用最廣泛且最穩(wěn)定的是鈀活化液，而鈀活化又分為離子鈀活化、膠體鈀活化以及敏化-活化一步法等。在鈀活化體系中離子鈀和膠體鈀的主要差異在于鈀團(tuán)性質(zhì)不同，其中膠體鈀由鈀核、Sn2+和過量的Cl-組成，整個(gè)膠體粒子帶負(fù)電荷，因此在調(diào)整過程中需要將帶負(fù)電的樹脂孔壁調(diào)整為帶正電，以便膠體鈀團(tuán)吸附。而離子鈀是帶正電的金屬鈀絡(luò)合離子，在調(diào)整過程中只需維持負(fù)電性的孔壁或?qū)ж?fù)電的孔壁調(diào)整為更加負(fù)電性。

2.2 化學(xué)銅層與塞孔樹脂結(jié)合力

化學(xué)銅層與樹脂的結(jié)合力主要取決于樹脂表面的粗糙度。在化學(xué)銅之前對樹脂表面進(jìn)行粗化的過程為化學(xué)除膠，一般先采用有機(jī)溶脹劑打斷樹脂本身的聚集鍵結(jié)，將樹脂加以膨脹及軟化，然后利用高錳酸鹽（高錳酸鈉或高錳酸鉀）的強(qiáng)氧化性，在高溫及強(qiáng)堿性的條件下與樹脂發(fā)生反應(yīng)，其反應(yīng)方程式如式（2）所示。

化學(xué)除膠對塞孔樹脂的處理能力決定了表面粗糙度的大小，當(dāng)粗糙度不足時(shí)，樹脂表面上沉積的化學(xué)銅層在化學(xué)銅后、電鍍銅前受藥水或其他外力沖擊下，可能會(huì)發(fā)生局部剝離與脫落，從而失去原有的導(dǎo)通作用。

2.3 化學(xué)銅層氧化或被咬蝕

化學(xué)銅后需要經(jīng)過運(yùn)輸和等待，沉積的化學(xué)銅層發(fā)生一定程度的氧化在PCB制程中是無法完全避免的，鍍銅前處理段的酸性環(huán)境也有去除氧化銅的效果。此外，為有效改善異常氧化問題一般會(huì)重點(diǎn)管控化學(xué)銅后的停留時(shí)間、產(chǎn)品烘干后放置環(huán)境的溫濕度等。對過程數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，問題產(chǎn)品主要集中在新型VCP電鍍線制作，與常規(guī)龍門電鍍線相比其失效比例也相對較高，因此對此電鍍線前處理段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行深入分析，確認(rèn)可能對化學(xué)銅層進(jìn)行破壞的因素。

新型VCP電鍍線采用一體式鋼帶回型傳動(dòng)，不同槽體間通過雙排擋水轆和進(jìn)出口回流隔開，前處理段流程設(shè)計(jì)：入板→（入口回流）→除油→（出口回流）→熱水洗→水洗*1（溢流）→水洗*2→酸洗→銅槽回流→鍍銅入口。藥水交換主要有兩種方式，其中除油槽采用上槽浸泡+兩側(cè)回流+強(qiáng)烈對噴，除油后水洗和酸洗段則采用非浸泡式的頂噴+側(cè)噴（見圖6所示）。

圖6 前處理流程

與常規(guī)龍門電鍍線（浸泡式）對比主要存在如下差異，一方面除油槽為有效節(jié)省空間采用上下槽設(shè)計(jì)，其中上槽為反應(yīng)主槽，下槽為暫存副槽。主槽通過入口、出口回流和側(cè)邊溢流至副槽，副槽通過循環(huán)泵浦將槽液通過噴淋管打回主槽。另一方面除油后水洗和酸洗設(shè)計(jì)為兩側(cè)噴淋方式，生產(chǎn)板處于滯空狀態(tài)，藥水從循環(huán)泵浦通過縱向排布的密集高壓噴嘴直接作用于板面（如圖7所示）。上下槽回流設(shè)計(jì)由于高落差沖擊時(shí)產(chǎn)生的大量氣泡，除油和酸洗段對板面的強(qiáng)烈對噴以及回流與非浸泡式設(shè)計(jì)導(dǎo)致的長滯空時(shí)間等都可能加劇板子化學(xué)銅層的咬蝕。此外，從化學(xué)反應(yīng)的角度分析，前處理段對化學(xué)銅層有腐蝕作用的主要成分是空氣中的氧、酸和銅離子。

圖7 前處理設(shè)備結(jié)構(gòu)

3 蓋帽位漏鍍機(jī)理分析

塞孔樹脂的主要成分為常規(guī)環(huán)氧樹脂，與基板材料一致，其化學(xué)沉銅過程中的相關(guān)特性此處不再討論，本文主要從化學(xué)銅后銅層的輕微氧化開始，對新型VCP電鍍線前處理過程各槽體對化學(xué)銅層的破壞進(jìn)行分析，給出了蓋帽位漏鍍的失效機(jī)理。

3.1 化學(xué)銅層在空氣中的氧化

正常電鍍過程中化學(xué)銅后有一定的停留時(shí)間，其儲(chǔ)存位置各不相同，但都多為潮濕的電鍍車間，因此極易造成銅層的氧化。新鮮的化學(xué)銅層在鈀活化的基礎(chǔ)上沉積覆蓋，相對于電鍍銅層的致密沉積，化學(xué)銅過程大量的氫氣生成致使化學(xué)銅層相對疏松。因此，化學(xué)銅層易被氧化，形成Cu2O、CuO層，時(shí)間越長氧化程度越嚴(yán)重，具體如圖8（a）所示。

3.2 前處理段除油槽的去氧化

前處理段除油槽為酸性清潔體系，化學(xué)銅表面的氧化層會(huì)被清洗去除，露出新鮮的化學(xué)銅層，經(jīng)過清洗后的化學(xué)銅層第一次變薄，具體見圖8（b）所示。

圖8 前處理段除油槽去氧化圖

3.3 除油槽的持續(xù)氧化破壞化學(xué)銅層

除油槽的高位回流設(shè)計(jì)使槽液中存在大量氣泡，且為保持足夠的上槽液位也造成噴嘴對噴壓力過高，對化學(xué)銅層形成劇烈沖擊。槽液中氣泡的氧氣會(huì)與化學(xué)銅層持續(xù)反應(yīng)生成氧化亞銅和氧化銅，而新形成的氧化層在除油槽持續(xù)被蝕去，銅層進(jìn)一步變薄。此外，相對于常規(guī)的通孔設(shè)計(jì)，POFV蓋帽位的化學(xué)銅層直接與除油噴嘴射流接觸，更容易被氧化和破壞。

3.4 除油后水洗和酸洗的繼續(xù)氧化

前處理段除油后水洗和酸洗設(shè)計(jì)為噴淋式，在清潔過程中存在持續(xù)與空氣的接觸氧化也會(huì)對化學(xué)銅層產(chǎn)生破壞。化學(xué)銅層經(jīng)過多次的氧化逐漸變薄至漏基材，導(dǎo)致蓋帽上部分位置化學(xué)銅層缺失，經(jīng)電鍍后表現(xiàn)為漏鍍，具體如圖9所示。

圖9 除油后水洗和酸洗過程

化學(xué)銅層在VCP電鍍前處理段持續(xù)被氧化破壞：除油槽上槽回流產(chǎn)生的大量氣泡和強(qiáng)烈對噴沖擊掉了大部分的化學(xué)銅層，除油后水洗和酸洗的噴淋過程與空氣持續(xù)接觸氧化造成了進(jìn)一步的破壞，化學(xué)銅層厚度逐漸變薄至露出樹脂，蓋帽上部分位置的化學(xué)銅層缺失在電鍍過程無法有效導(dǎo)通而出現(xiàn)蓋帽位漏鍍。

5 結(jié)論

在使用VCP電鍍線對POFV蓋帽部位樹脂表面進(jìn)行電鍍的過程中，電鍍前處理段藥水槽高落差回流和高壓對噴產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊，以及水洗段和酸洗段在噴淋過程與空氣的持續(xù)接觸，會(huì)對化學(xué)銅層產(chǎn)生很大的破壞，使得樹脂上的化學(xué)銅層逐漸變薄甚至是缺失而露出樹脂，沒有化學(xué)銅層的位置由于無法導(dǎo)通在電鍍后出現(xiàn)蓋帽漏鍍。同時(shí)，考慮到電鍍前處理段對化學(xué)銅層的破壞是無法徹底消除的，降低電鍍前處理過程噴淋強(qiáng)度同步提高化學(xué)銅層厚度可以改善蓋帽部位漏鍍問題。