鍍覆孔的質(zhì)量控制和檢測方法11

1、鍍覆孔的質(zhì)量控制和檢測方法隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，多層和積層印制電路板在電子工業(yè)中獲得廣泛的應(yīng)用，并且對可靠 性的要求越來越高。而鍍覆孔作為貫穿連接多層與積層式印制電路板各層電 路的導(dǎo)體，其質(zhì)量的優(yōu)劣對印制電路板的可靠性有著很大的影響。因此，在 印制電路板生產(chǎn)過程中對鍍覆孔的質(zhì)量控制和質(zhì)量檢測，對鍍覆孔的質(zhì)量保 證起著非常重要的作用。在印制電路板制造程序中，對鍍覆孔質(zhì)量影響較大的工序主要是數(shù)控鉆 孔、化學(xué)沉銅和電鍍等。要實(shí)行質(zhì)量跟蹤與檢測，就必須根據(jù)不同的工序的 特點(diǎn)，制定與建立控制要點(diǎn)和設(shè)立控制點(diǎn)，并采取不同的工藝方法和檢測手 段，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)質(zhì)量控制。為更加深刻地了解各工序的工藝特性，就需分

2、別加 以研究與討論。一鉆孔質(zhì)量的控制鉆孔是印制電路板制造的關(guān)鍵工序之一。對于鉆孔工序而言， 影響孔壁質(zhì) 量的主要因素是鉆頭的轉(zhuǎn)速和進(jìn)刀速度。要設(shè)定正確的鉆孔工藝參數(shù)，就必 須了解所采用的基板材料的性質(zhì)和特點(diǎn)。否則所設(shè)定的工藝參數(shù)：轉(zhuǎn)速、進(jìn) 刀速度等所鉆的孔就達(dá)不到技術(shù)要求， 嚴(yán)重的就會造成孔壁環(huán)氧鉆污或拉傷， 以致在后工序沉銅或電鍍過程中產(chǎn)生空洞、鍍瘤等缺陷。根據(jù)這種情況，就 必須采用工藝試驗(yàn)法，也就是將進(jìn)廠的基板材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，設(shè)定不同的進(jìn)刀 速度和轉(zhuǎn)速進(jìn)行組合鉆孔，再經(jīng)化學(xué)沉銅后，采用金相剖切法對切片呈現(xiàn)的 孔鍍層圖像與實(shí)物進(jìn)行評估， 確定最隹的工藝參數(shù)范圍， 以便 在生產(chǎn)過程中 根據(jù)不同廠

3、家供應(yīng)的基板材料調(diào)整工藝參數(shù)。當(dāng)然，在鉆孔工序中其它影響孔壁質(zhì)量有因素也必須予以重視和控制。 如 鉆頭的質(zhì)量及鉆孔過程所使用的上蓋板下墊板材料、鉆孔過程的吸塵系統(tǒng)和 疊層的數(shù)量等。二沉銅工序的質(zhì)量控制化學(xué)沉銅是鍍覆孔過程的第一步， 它的質(zhì)量優(yōu)劣直接影響電鍍的質(zhì)量。 因 此確保化學(xué)沉銅層的質(zhì)量，是保證通孔電鍍質(zhì)量的基礎(chǔ)。為此，必須嚴(yán)格地 對化學(xué)沉銅槽液進(jìn)行有效的控制和檢測。這因?yàn)榛瘜W(xué)沉銅溶液在生產(chǎn)過程中 溶液的各種成份會有很大的變化，除了實(shí)現(xiàn)自動控制系統(tǒng)的作用外，還應(yīng)采 取定期定時(shí)的抽查分析溶液中各種成份的含量是否符合工藝規(guī)范要求，以確 保溶液正常工作。 根據(jù)化學(xué)沉銅機(jī)理主要控制其沉積速率及沉積

4、層的密實(shí)性。 化學(xué)沉銅的沉積效果檢測的主要項(xiàng)目是沉積速率和背光試驗(yàn)來進(jìn)行。（1）沉銅速率的控制和檢測根據(jù)化學(xué)沉銅的反應(yīng)化學(xué)原理， 對化學(xué)沉銅速率的主要影響因素有二價(jià)銅 離子濃度、甲醛濃度、 PH值、添加劑、溫度和溶液攪拌等。所以，每當(dāng)溶液 工作一段時(shí)間（時(shí)間的長短由溶液的負(fù)載量來決定） ，就采用一塊試驗(yàn)板 （帶 有孔）隨產(chǎn)品流過沉銅生產(chǎn)線，以測試其沉銅速度是否符合工藝技術(shù)指標(biāo)與 要求。如符合工藝要求，產(chǎn)品板還必須使用檢孔鏡對產(chǎn)品板進(jìn)行檢查后轉(zhuǎn)入 下道工序。 如未符合工藝要求， 就必須進(jìn)行背光實(shí)驗(yàn)作進(jìn)一步的測試與判斷。 測試沉銅沉積速率和背光試驗(yàn)的具體工藝方法如下：1沉積速率的測定：首先將剝掉銅

5、的基板，剪裁成尺寸為 100100mm（即 1dm2）在試驗(yàn)板上 一排小孔，留著背光試驗(yàn)用。測定沉積速率的板沉銅前后均在120下烘 1小時(shí)再稱重。沉銅速率可通過下式計(jì)算：S（ W2W1）/t 5.580式中： S沉銅速率（ （m/min ）W1沉銅前試驗(yàn)板重量（ g）W2沉銅后試驗(yàn)板重量（ g）T 沉銅時(shí)間（ min ）5.580 每沉積 1 克銅新增加銅層厚度（ （m）2背光實(shí)驗(yàn)的檢測：主要檢測沉銅層的致密度。 評定的標(biāo)準(zhǔn)要根據(jù)所采用的供應(yīng)商提供的標(biāo)準(zhǔn) 而定。德國先靈公司將沉銅層的致密度分為 12 個(gè)背光等級，最高為 5 級，最 低為 0.5 級；其它公司所提供的等級標(biāo)準(zhǔn)各有不同，都有評定的

6、合格標(biāo)準(zhǔn)， 如背光等級低于合格標(biāo)準(zhǔn)，就說明沉銅層的致密度差，其最終的電鍍質(zhì)量也 就無法保證。其具體的方法就是將試驗(yàn)板切一塊帶有孔的基板材料作試樣， 經(jīng)過鋸切或磨制到孔中心位置（即中心線上）。測試時(shí)利用光從底面射入， 然后使用 100 倍放大鏡進(jìn)行檢查即可。通過上述兩種控制沉銅質(zhì)量的工藝方法， 就可以進(jìn)一步確定孔壁質(zhì)量的可 靠性，當(dāng)轉(zhuǎn)入下道工序進(jìn)行電鍍銅時(shí)，只要能夠嚴(yán)格的控制電鍍工藝參數(shù) 就可以達(dá)到最終的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求。三電鍍銅層質(zhì)量的控制通孔電鍍銅層質(zhì)量控制是非常重要的， 因?yàn)槎鄬踊蚍e層板向高密度、 高精 度、多功能化方向的發(fā)展，對鍍銅層的結(jié)合力、均勻細(xì)致性、抗張強(qiáng)度及延 伸率等要求越來越

7、嚴(yán)，也越來越高，因此對通孔電鍍的質(zhì)量控制就顯得特別 重要。為確保通孔電鍍銅層的均勻性和一致性，在高縱橫比印制電路板電鍍 銅工藝中，大多都是在優(yōu)質(zhì)的添加劑的輔助作用下，配合適度的空氣攪拌和 陰極移動，在相對較低的電流密度條件下進(jìn)行的，使孔內(nèi)的電極反應(yīng)控制區(qū)加大，電鍍添加劑的作用才能顯示出來，再加上陰極移動非常有利于鍍液的深鍍能力的提高，鍍件的極化度加大，鍍層電結(jié)晶過程中晶核的形成速度與 晶粒長大速度相互補(bǔ)償，從而獲得高韌性銅層。當(dāng)然，電流密度的設(shè)定是根據(jù)被鍍印制電路板的實(shí)際電鍍面積而定。 從電 鍍原理解度分析，電流密度的取值還必須依據(jù)高酸低銅電解液的主鹽濃度、 溶液溫度、添加劑含量、攪拌程度等因

8、素有關(guān)?？傊?，要嚴(yán)格控制電鍍銅的 工藝參數(shù)和工藝條件， 才能更能確?？變?nèi)鍍銅層的厚度符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。 但必須通過評定，做法如下：（1）孔壁鍍銅層厚度的測定 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，孔壁鍍銅層的厚度應(yīng) （25 微米。鍍銅層過薄會導(dǎo)致孔電阻 超標(biāo)，而且還有可能經(jīng)紅外熱熔或熱風(fēng)整平過程中出現(xiàn)孔壁銅層的破裂。具體的測定方法就是利用金相切片， 選擇孔壁鍍層內(nèi)最薄的部位不同位置 三個(gè)測點(diǎn)，進(jìn)行測試，將其測試結(jié)果取平均值。（2）孔壁銅層熱應(yīng)力的測試孔壁在電鍍過程中， 鍍層會有應(yīng)力產(chǎn)生。 特別當(dāng)電鍍液潔凈度不高的情況 下，孔壁鍍銅層的應(yīng)力就大，通過熱應(yīng)力的試驗(yàn) ，孔口處會因?yàn)閼?yīng)力集中而 產(chǎn)生開裂；如果電鍍質(zhì)量高的話

9、，其產(chǎn)生的應(yīng)力就很小，通過熱應(yīng)力試驗(yàn)后， 其金相部切的結(jié)果， 孔口未開裂。 通過測試結(jié)果就可以確定其生產(chǎn)還是停產(chǎn)。上述所談及的有關(guān)鍍覆孔質(zhì)量的控制問題， 是最普遍采用的工藝措施和方 法。隨著高科技的發(fā)展，新的控制系統(tǒng)就會出現(xiàn)，特別全封閉式水平生產(chǎn)流 水線上采用“反脈沖技術(shù)” 的供電方式逐步取代直流供電形式， 達(dá)到解決深 導(dǎo)通孔與深盲孔電鍍問題已取得更加明顯的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)效果。高縱橫比導(dǎo)通孔電鍍技術(shù)印制電路板制造業(yè)越來越需要高縱橫比、小孔印制電路板的電鍍工藝。 它 是推動高層數(shù)多層印制電路板制造技術(shù)發(fā)展的動力。因?yàn)榭族儗拥目煽啃裕?對印制電路板的運(yùn)用起到了關(guān)鍵性的作用。 如何確保高縱橫比深孔電鍍問

10、題， 是所有印制電路工作者的科技任務(wù)，是必須面臨的最重要問題。為此，很多 研究部門著手進(jìn)行有計(jì)劃的研制和開發(fā)。從當(dāng)前的科技資料報(bào)導(dǎo)推芨的方法 很多，其中有脈沖電鍍技術(shù)、化學(xué)氣相沉積技術(shù)、溶液沖擊電鍍技術(shù)、全化 學(xué)鍍銅技術(shù)和改進(jìn)型（高酸低銅）的空氣攪拌技術(shù)等。現(xiàn)將這部分技術(shù)分別 簡介如下：一脈沖電鍍工藝技術(shù) 脈沖電鍍技術(shù)，早已運(yùn)用于電鑄成型工藝中，是比較成熟的技術(shù)。但運(yùn)用 在高縱橫比小孔電鍍還必須進(jìn)行大量的工藝試驗(yàn)。因脈沖電源不同于一般的 直流電源，它是通過一個(gè)開關(guān)元件使整流器以 US的速度開 / 關(guān)，向陰極提供 脈沖信號，當(dāng)整流器處于關(guān)的狀態(tài)時(shí)，它比直流電更有效地向孔內(nèi)的邊界層 補(bǔ)充銅離子，從

11、而使高縱橫比的印制電路板沉積層更加均勻。目前已研制的 脈沖整流器運(yùn)用在全封閉式水平電鍍生產(chǎn)流水線上，使用的效果取得極為明 顯的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)成效。采用了“定時(shí)反脈沖”按照時(shí)間使電流在供電方式上忽而正鍍忽而反鍍 （即陽極溶解）按照時(shí)間比例交替進(jìn)行，使電度銅的沉積很難在常規(guī)供電方 式取得相應(yīng)的銅層厚度而得以解決。當(dāng)陰極上的印制電路板處于反電流時(shí)， 就可以將孔口高電流密度區(qū)銅層迅速得到迅速的溶解，由于添加劑的作用， 對低電流密度區(qū)影響卻很微，因而將逐漸使得孔內(nèi)銅層厚度與板面銅的厚度 趨向于均等。反脈沖技術(shù)應(yīng)用到印制電路板生產(chǎn)中， 很好的解決了多層板與積層板上面 的深孔或深盲孔（縱橫比為 1:1 以上指盲

12、孔而言）電鍍的難題。它與常規(guī) 的供電方式電鍍銅進(jìn)行比較，其數(shù)據(jù)列表如下：表 4 直流與脈沖對深孔鍍銅的比較樣板孔長( 板厚 )(mm)孔徑(mm)縱橫比電流密度ASD 脈沖直流電鍍銅反波/正波電流比 (%) 正反時(shí) 間比(ms)分布力(%)全程時(shí)間(分)分布力(%)全程時(shí)間（分）A2.40.38:13.331020/1.0925875113D3.20.310.7:13.025020/1.0784570-7570二化學(xué)氣相沉積技術(shù)化學(xué)氣相沉積是沉銅工藝方法之， 它是將氣相中的一種組份或多種組份 聚積于基體上，并在基體上發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生固相沉積層。而化學(xué)氣相沉積屬 于原子沉積類，其基本原理是沉積物以

13、原子、離子、分子等原子尺度的形態(tài) 在材料表面沉積，形成外加覆蓋層，如果覆蓋層是通過化學(xué)反應(yīng)形成的，則 稱為化學(xué)氣相沉積（ CVD），其過程包括三個(gè)階段即：物料氣化、運(yùn)到基材附 近的空間和在基體上形成覆蓋層。該技術(shù)發(fā)展很快，它所得以迅速發(fā)展，是 和它的本身的特點(diǎn)分不開的，其特點(diǎn)是：沉積物眾多，它可以沉積金屬；能 均勻涂覆幾何形狀復(fù)雜的零件，這是它具有高度的分散性；涂層與基體結(jié)合 牢固；設(shè)備簡單操作方便。采用 CVD新技術(shù)的目的在于解決高縱橫比小孔電 鍍問題，提高生產(chǎn)效率和鍍層的均勻性和物化性能及使用幫命。最常用 CVD 的新技術(shù)有脈沖 CVD法、超聲波 CVD等?；瘜W(xué)氣相法沉積技術(shù)的應(yīng)用，還必須

14、做大量的工藝試驗(yàn)，使該項(xiàng)新技術(shù)， 能在解決高縱橫比深孔或積層式的深盲孔電鍍上起到應(yīng)有的作用。三溶液沖擊電鍍銅工藝技術(shù) 它是和電鍍金生產(chǎn)線高速流動的金液沖擊印制電路板插頭的表面進(jìn)行電 鍍的原理同樣的工藝方法。其具體的實(shí)施方法就是在電鍍槽中安裝2 個(gè) 5 馬力的的馬達(dá)，迫使陰極附近的溶液以 0.56 1.12kg/cm2 的壓力噴出管道上孔 徑為 12.7mm的孔，射向印制電路板的一邊， 然后從印制電路板的另一邊流出， 電鍍通孔的進(jìn)出口壓力不同，兩管道平行放置，溶液以 150250 克/ 分鐘的 流速循環(huán)通過管道， 這提高板面鍍層的均勻性， 陰極并以 50.8MM的半徑旋轉(zhuǎn)， 而不是平行來回移動，

15、沖擊電鍍與常規(guī)的空氣攪拌電鍍相類似，都依賴于化 學(xué)特性和電氣特性。這一種類型的工藝方法，給槽體系統(tǒng)的制造帶來一些系 列的因難， 因?yàn)橐m應(yīng)這種工藝方法的需要，還必須設(shè)計(jì)一套復(fù)雜的專用泵、 特殊的夾具和電鍍槽的結(jié)構(gòu)形式，能否很快地運(yùn)用到解決高縱橫比小孔電鍍 銅問題，這需很長一段時(shí)間，但從原理分析，應(yīng)是可行的，但需要作很大的 改進(jìn)。四全化學(xué)鍍銅工藝技術(shù)全化學(xué)鍍銅工藝方法解決深孔電鍍問題以是一種途徑， 它是利用化學(xué)催化 作用，而不是電氣作用來沉積銅，由于不需要施加電流，因而也就不存在由 于電流分布不均勻而導(dǎo)致的鍍層分布不均勻的問題。全化學(xué)鍍銅的沉積速率 為 1.78 2.03(m/hr ，按照這個(gè)速

16、率沉積 30(m的銅層需要 18 小時(shí)以上，生產(chǎn) 效率很低，但它的工作負(fù)載高達(dá) 0.25 0.5 平方英尺/4.5 升(0.050.10 平 方米/升)而電化學(xué)方法的工作負(fù)載只有 0.002 平方米/ 升，其化學(xué)組份采用 自動分析儀來控制，在生產(chǎn)過程中沉積速度可以采用沉積速度試驗(yàn)板來定期 監(jiān)控。如把此種類型的工藝技術(shù)用生產(chǎn)自動流水線上，僅需要在現(xiàn)有的化學(xué) 沉銅線上增加一個(gè) 10弱腐蝕槽和一個(gè)全化學(xué)沉銅槽就可以了。但從試驗(yàn)報(bào) 告中獲知，此種類型的工藝方法，對通孔電鍍能力很強(qiáng)，表面與孔鍍層厚度 比接近 1:1 ，但它的最大缺陷就銅層的最重要的物性延伸率只有 23， 離標(biāo)準(zhǔn)差距較大，而且鍍層脆，特別

17、是經(jīng)熱沖擊后銅鍍層容易產(chǎn)生破裂。五改進(jìn)型空氣攪拌電鍍技術(shù)空氣攪拌電鍍體系， 此種類型的工藝方法已被諸多廠家運(yùn)用于生產(chǎn)流水線 上，取得較明顯的技術(shù)效果。該工藝體系是采用印制電路板來回移動攪拌溶 液，使孔內(nèi)的溶液得到及時(shí)交換，同時(shí)又采用高酸低銅的電解液，通過提高 酸濃度增加溶液的電導(dǎo)率，降低銅濃度達(dá)到減小孔內(nèi)溶液的歐姆電阻，并借 助優(yōu)良的添加劑的配合，確保高縱橫比印制電路板電鍍的可靠性和穩(wěn)定性。 根據(jù)電解液的特性，要使得深孔電鍍達(dá)到技術(shù)要求，就必限制電流密度的取 值，原因是因?yàn)闅W姆電阻的直接影響，而不是物質(zhì)的傳遞。重要的是確?？?內(nèi)要有足夠的電流，使電極反應(yīng)的控制區(qū)擴(kuò)大到整個(gè)孔內(nèi)表面，使銅離子很

18、快的轉(zhuǎn)化成金屬銅，為此應(yīng)把常規(guī)使用的電流密度值降低到 50 使電鍍通 孔內(nèi)的過電位比高電流密度電鍍時(shí)，孔內(nèi)可以獲得足夠的電流以上所介紹的工藝方法， 其中有些技術(shù)現(xiàn)已經(jīng)運(yùn)用在生產(chǎn)高縱橫比的印制電路板電鍍銅上，取得很好的效果。目前較為成熟的脈沖電鍍技術(shù)，經(jīng)過研 制和開發(fā)，采用“定時(shí)反脈沖”工藝技術(shù)運(yùn)用到多層和積層多層印制電路板 的深孔或深盲孔電鍍銅上，制造出適應(yīng)脈沖電鍍的反脈沖整流器，使此種類 型的工藝方法定會處到普遍應(yīng)用。全板鍍金鍍層起層與色變的原因分析及控制在型號研制生產(chǎn)過程中， 其控制系統(tǒng)中的四層板需全板鍍金， 該板的特點(diǎn) 是密度高，導(dǎo)線細(xì)、間距窄（只有 0.05mm）導(dǎo)線寬度 0.30 m

19、m。為確保金 鎳銅層的結(jié)合力，對所經(jīng)過的工序都進(jìn)行分析和處理，使各種類型的處理 溶液處于最隹狀態(tài)，首先排除各類溶液對三者之間結(jié)合強(qiáng)度的直接影響。但 稍為不慎就會產(chǎn)生鎳層從銅層上分離開來或者金鍍層從鎳鍍層表面脫落，其 原因經(jīng)過多次試驗(yàn)，有以下三個(gè)方面：（一）鍍層分層的原因分析1 經(jīng)光亮鍍銅后，沒有進(jìn)行徹底地的清除表面膜，因此清洗后直接轉(zhuǎn)入 鎳鍍槽內(nèi)進(jìn)行電鍍作業(yè)。因此鍍后鎳層從銅的表面分離。為什么會產(chǎn)生微薄 膜呢？因?yàn)楣饬铃冦~溶液含有一定量的添加劑如光亮劑、 整平劑、 潤濕劑等， 也就指少量的添加劑，它在電解液內(nèi)不會明顯地改變鍍液的性質(zhì)，但會顯著 的改善鍍層的性質(zhì)，但鍍層表面會吸附有此類添加劑等有

20、機(jī)物質(zhì)，這些有機(jī)物質(zhì)在經(jīng)過鍍銅的表面吸附的很牢，很難使用一般的流動清洗水除去，必須配有專用的處理溶液進(jìn)行一定時(shí)間的清除處理，方能達(dá)到滿意的表面效果。 就是因?yàn)檫@些看不見的透明薄膜，直接影響鎳鍍層與銅表面的結(jié)合強(qiáng)度。2 銅表面還必須進(jìn)行微粗化處理，使銅表面形成微粗糙的表面，以增加 銅層與鎳層的結(jié)合強(qiáng)度。因?yàn)殒囧儗泳哂幸欢ǖ膽?yīng)力，這種應(yīng)力特別在光亮 的銅表面就會形成拉應(yīng)力，而從銅的表面分離，微粗化的目的就是增加與鎳 鍍層的結(jié)合力。由于粗化處理不當(dāng)，造成銅層表面不均勻狀態(tài)，使鎳鍍層的 分布的一致性受到直接影響，造成局部結(jié)合力好，星星點(diǎn)點(diǎn)的部位差，而發(fā) 生鎳層從銅的表面上分層。3 銅的表面經(jīng)過處理后，清洗的時(shí)間不易過長，因?yàn)榍逑此埠幸欢?的酸性物質(zhì)盡管其含量微弱，但對銅的表面影響不能掉以輕心，應(yīng)嚴(yán)格按照 工藝規(guī)范規(guī)定的時(shí)間進(jìn)行清洗作業(yè)。4 金層從鎳層表面脫洛的主要原因，就是鎳的表面處理的問題。鎳金屬 表面活性差很難取處令人滿意的效果。鎳鍍層表面易在空氣中產(chǎn)生鈍化膜， 如處理不當(dāng)，就會使金層從鎳層表面分離。如活化不當(dāng)就會在進(jìn)電鍍金時(shí)， 金層就會從鎳層表面脫離即起皮脫落。第二方面的原因是因?yàn)榛詈螅逑吹?時(shí)間過長，造成鎳表面從新生成鈍化膜層，然后再去進(jìn)行鍍金，必然會產(chǎn)生 鍍層脫落的疵。以上分析了三種鍍層間產(chǎn)生質(zhì)量缺陷的主要原因。 解決此種類型的質(zhì)量問 題，就必須針對其表面特點(diǎn)，采取不同