PCB孔金属化问题的改善措施

背景

通常，多层印制电路板孔金属化缺陷产生是由不同工序、各种工艺条件相互影响而产生。所以， 在面对孔金属化缺陷时，沿工艺流程分析，找出影响因素，通过金相切片确认最终影响因素，通过改进工艺参数，提高生产管理能力，实现提高孔金属化质量的目的。

钻孔工序

钻孔质量差引起的孔口毛刺、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，从而提高钻孔质量，实现提高孔金属化质量的目标。

钻头本身的质量，对钻孔的质量起着极为关键的作用。由形状上区别，钻头一般可分为普通型及锥斜型、铲型和特殊型。后三种较普通型的优点是刃带的长度比较短，一般为0.5mm 左右，明显减少钻孔的发热量，进而减少环氧树脂腻污。

钻头寿命与研磨次数是钻孔质量的主要影响因素之一。钻头寿命过高时，在钻孔后期会出现钻孔质量差，严重时会发生钻头折断现象。当孔的质量指标中，有一项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。研磨次数过多的钻头常引起孔壁粗糙、环氧树脂腻污等钻孔缺陷。

沉铜工序

沉铜质量是影响孔金属化最直接、关键因素之一。目前化学沉铜的主要工序流程为溶胀→去钻污→中和还原→条件→微蚀→预浸→活化→加速→ 化学沉铜。

孔壁去树脂钻污及凹蚀处理

凹蚀，是指为了充分暴露多层板的内层导电表面，而控制性地去除孔壁非金属材料至规定深度的工艺。所谓去钻污，是指去除孔壁上的熔融树脂和钻屑的工艺。多层板加工时，在孔金属化处理之前，为进一步提高金属化孔与内层导体的连接可靠性，最好在去钻污的同时，进行凹蚀处理。

经过凹蚀处理的多层板孔，不但去除了孔壁上的环氧树脂钻污层， 而且使内层导线在孔内凸出，确保内层导体与孔壁层得到可靠连接，大幅度提高多层板的可靠性。孔壁去树脂钻污的方法大致有四种，等离子、浓硫酸、铬酸及高锰酸钾去钻污。高锰酸钾去钻污后，孔壁产生微小不平的树脂表面，不像浓硫酸腐蚀树脂产生光滑表面；也不像铬酸易产生树脂过腐蚀而使玻璃纤维凸出于孔壁，且不易产生粉红圈。

所以目前广泛采用高锰酸钾氧化进行去树脂钻污。高锰酸钾是一种强氧化剂，在强酸性溶液中，与还原剂作用，被还原为Mn2+；在中性和弱碱性环境中，被还原为MnO2；在OH-浓度大于2mol/L ，被还原为MnO42-。高锰酸钾在强酸性的环境中具有很强的氧化性，但在碱性条件下氧化有机物的反应速度比在酸性条件下更快。在高温碱性条件下，高锰酸钾使环氧树脂碳链氧化裂解，实现去除环氧树脂钻污的目标。其反应机理如下：4MnO4-+C —环氧树脂+40H-= 4MnO42-+CO2↑+2H2O；

提高搅拌强度、振荡频率

提高搅拌强度、振荡频率，有利于提高孔内药水溶液往复流动，对消除孔内气泡、异物有明显改善效果，并加强了孔内外溶液之间的物质交换，提高深镀能力，防止孔内镀铜空洞的产生。金属化厚径比较大的孔（通孔≥12:1 、盲孔≥1:1 ）时，提高搅拌强度、振荡频率对消除孔内气泡、异物效果明显下降。

此时，孔内外部溶液之间的物质交换主要依赖微观离子扩散作用进行物质交换，常出现孔内镀层薄、镀铜空洞等缺陷。此时建议在溶胀、氧化、中和药槽中添加超声波振荡， 有利于粉碎孔内气泡、异物，加强孔内微观离子交换速率，提高孔金属化质量。

活化

活化的作用是在绝缘基体上吸附一层非连续的重金属颗粒，这些重金属具有吸附还原剂的能力， 使经过活化的基体表面具有催化还原金属的能力，从而使化学镀铜反应在整个催化处理过的基体表面上顺利进行。从活化方法上区分，活化可分为两种方式，一种是鳌合离子钯活化法，另一种是一步胶体钯活化法。目前广泛采用的是胶体钯活化法，与鳌合离子钯活化法相比，活化过程中，在铜基体上不会形成钯置换层，从根本上解决了化学镀铜层与基体铜之间的结合力问题，并节约了大量的贵金属钯， 具有较好的经济效益。由于胶体钯活化性能非常好，消除了以往个别金属化孔沉积不上铜的问题。

胶体钯活化过程中，Sn2+和Pd2+在溶液中反应形成不稳定的络合物[PdSn]2+，其自身发生歧化反应生成Pd0 和Sn2+，其反应机理为：Pd2++2Sn2+→(PdSn)2++ Sn4+ (PdSn)2+ →Pd0+Sn2+；以[Pb0]m 为胶核，活化时在孔内首先吸附Sn2+ ，被吸附的二价锡再吸附Cl-，形成[nSn2+·2(nx)Cl-]2x+吸附层，成为胶体集团。在吸附层外形成2xCl-为扩散层，所以胶团具有负电性，在水溶液中呈布朗运动，而不会聚沉。

活化处理之后在水洗时由于SnCl2 水解形成碱式锡酸盐沉淀：SnCl2+H2O→Sn(OH)Cl +HCl；在SnCl2 沉淀的同时，连同Pd0 核一起沉积在被活化的基体表面上。影响胶体钯活化性能的因素主要包括Sn2+/Pd2+离子浓度比值、反应时间、溶液温度、PH 值三个方面。

Sn2+/Pd2+离子浓度比值是影响活化液活性、稳定性的直接因素，由活化机理可以看出Sn2+/Pd2+ 离子浓度比为2:1 时活化液活性、稳定性最佳；PH 过高，导致活化剂消耗量增加；PH 过低，易引起胶体钯吸附量减少，导致电镀空洞；溶液储存温度过高(高于50℃)时，容易引起溶液分解。

层压工序

层压工序对多层印制板的孔金属化质量的影响主要包含以下两个方面：

(1) 层压材料的固化应完全：在内层板下料后进行预烘处理，层压后进行后烘固化处理，烤料温度控制在层压材料Tg 值附近，烤料时间2～4 小时，有利于层压材料的完全固化。

(2) 粉红圈现象，提高压合前棕化处理能力，可以有效减少粉红圈现象。

电镀工序

目前，电镀工序中常出现的问题包括高厚径比孔内外物质交换困难及电镀的均匀性、分散性能差。

(1) 降低阴极电流密度和延长电镀时间，提高电镀均匀性；

(2) 提高搅拌强度、振荡频率，促进电镀液在小孔中的交换，从而提高镀液的分散性能。

采用上述措施，对镀层的均匀性和深镀能力起到一定改善作用，避免孔壁镀层薄甚至镀层空洞的产生，提高金属化孔质量。






审核编辑：刘清