不同的板厚孔徑比下印制電路板通孔導(dǎo)電膜直接電鍍銅的可靠性

摘要：文章主要研究了在不同的板厚孔徑比下印制電路板通孔導(dǎo)電膜直接電鍍銅的可靠性。利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察在導(dǎo)電膜上電鍍銅的微觀形貌，背光測(cè)試檢測(cè)在導(dǎo)電膜上短暫電鍍銅的效果，熱應(yīng)力測(cè)試檢測(cè)孔銅的耐熱性能，并打切片分析直接電鍍所得孔銅厚度及電鍍均鍍能力（Throwing Power）。

引言

金屬化孔（PTH）提供多層印制電路板（MLB）中的導(dǎo)電層之間的電氣互聯(lián)。半導(dǎo)體集成化的發(fā)展和對(duì)更高系統(tǒng)功能化的要求推動(dòng)了PCB設(shè)計(jì)向更高密度和更輕的重量發(fā)展。因此，增加多層板層數(shù)和表面貼裝技術(shù)（SMT）被廣泛應(yīng)用于整個(gè)電子行業(yè)。由于PTH元器件的更迭換代，PTH的直徑必須縮小，以便為導(dǎo)體布線留出更多的空間，但是這會(huì)使鍍銅更加困難，PTH的可靠性成為一個(gè)主要問(wèn)題。

傳統(tǒng)金屬化孔的方式是采用化學(xué)鍍銅，但化學(xué)鍍銅存在成本大和污染嚴(yán)重的問(wèn)題，化學(xué)鍍銅溶液中的甲醛不僅對(duì)生態(tài)環(huán)境有危害，還對(duì)人體有害。不僅如此，化學(xué)鍍銅還需要對(duì)溶液進(jìn)行嚴(yán)格的管理，工藝流程復(fù)雜，并且在化學(xué)鍍銅過(guò)程中由于有打氣攪拌鍍液，容易造成孔內(nèi)殘留氣泡，從而導(dǎo)致孔內(nèi)無(wú)銅。因此，新的直接電鍍技術(shù)得到不斷發(fā)展。直接電鍍技術(shù)主要有三大系列：鈀系列；碳系列；導(dǎo)電性高分子系列。其中導(dǎo)電性高分子系列直接電鍍技術(shù)又稱(chēng)為導(dǎo)電膜直接電鍍技術(shù)，它是在非導(dǎo)體孔壁表面上沉積不溶性導(dǎo)電聚合物膜層，不需要整板電鍍銅加厚就可直接進(jìn)行圖形電鍍。導(dǎo)電膜直接電鍍技術(shù)具有流程短、排污少、無(wú)甲醛且節(jié)水節(jié)電的優(yōu)點(diǎn)，適合在水平線上加工，設(shè)備占地面積少，操作人手少，降低了人工成本。而且生產(chǎn)周期短，傳統(tǒng)化學(xué)鍍銅流程需要一個(gè)多小時(shí)，而導(dǎo)電膜的成膜步驟只需五分鐘，因而效率大為提高。

目前導(dǎo)電膜工藝大多用于生產(chǎn)厚度在2.0 mm以下的薄板，且板厚孔徑比在7以下，而隨著高多層PCB向?qū)訑?shù)更多、孔徑更小、布線更密的方向發(fā)展，以導(dǎo)電膜為基礎(chǔ)的直接電鍍技術(shù)就必須適應(yīng)不同的厚徑比。

文章就導(dǎo)電膜直接電鍍技術(shù)在不同厚徑比AR（Aspect Ratio）（厚徑比從6.7:1到15:1）通孔下的可靠性進(jìn)行了一系列的研究，包括對(duì)在導(dǎo)電膜上電鍍銅的形貌的分析，短暫電鍍銅后背光測(cè)試，對(duì)孔內(nèi)均鍍能力的影響以及熱應(yīng)力沖擊測(cè)試等。

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實(shí)驗(yàn)

1.1  實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及所需藥品

實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備包括導(dǎo)電膜生產(chǎn)線，標(biāo)準(zhǔn)1.5L的哈林槽，陰極（雙面覆銅板，通孔實(shí)驗(yàn)板），金相顯微鏡，掃描電子顯微鏡及無(wú)鉛熔錫爐。

電鍍所用藥品及含量為65 g/L CuSO4·5H2O、120 ml/LH2SO4，1.64 ml/LHCl，10 ml/L電鍍銅光劑。

1.2  實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)板分為兩種：雙面覆銅板（長(zhǎng)100 mm，寬50 mm）用于測(cè)試銅層結(jié)晶形貌，通孔實(shí)驗(yàn)板（長(zhǎng)150 mm，寬50 mm，板厚為2.0 mm、2.3 mm、3.0 mm三種規(guī)格，鉆有直徑0.2 mm、0.25 mm、0.3 mm的通孔）用于測(cè)試背光、孔內(nèi)電鍍均鍍能力和熱應(yīng)力沖擊測(cè)試。實(shí)驗(yàn)板預(yù)先經(jīng)過(guò)導(dǎo)電膜生產(chǎn)線，其流程為微蝕→三級(jí)水洗→整孔→三級(jí)水洗→氧化→水刀清洗→催化→三級(jí)水洗→烘干，主要流程工藝參數(shù)如表1所示。接著在10%硫酸溶液中預(yù)浸1min后在哈林槽中電鍍，電流參數(shù)設(shè)置為2 A/dm2 ，用于背光測(cè)試的實(shí)驗(yàn)板電鍍時(shí)間為5 min，其余實(shí)驗(yàn)板電鍍時(shí)間為70 min，并采用底部打氣的方式攪拌鍍液。

鍍銅層的形貌采用掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行觀察。

孔內(nèi)均鍍能力的測(cè)試方法是先測(cè)量孔內(nèi)鍍層厚度，然后按照式（1）計(jì)算TP（ 鍍能力）值。由于測(cè)試目的是計(jì)算在導(dǎo)電膜上的鍍層厚度，而板面只有銅層，沒(méi)有導(dǎo)電膜，所以均鍍能力的測(cè)試是采用孔內(nèi)6點(diǎn)法來(lái)計(jì)算，通孔模型見(jiàn)圖1。鍍層厚度測(cè)量采用金相切片法，它是利用光學(xué)原理，對(duì)物體進(jìn)行放大，可以觀察到物體表面并測(cè)量鍍層厚度。將電鍍好的通孔實(shí)驗(yàn)板制成切片大?。?×12 mm），切片經(jīng)灌膠鑲嵌、打磨、拋光后在金相顯微鏡下觀察，測(cè)量好鍍層厚度后拍照保存。

式（1）

式中：δa～δf表示圖1所示的通孔孔內(nèi)a～f各點(diǎn)的鍍銅層厚度。

短暫電鍍銅后背光測(cè)試，用以檢測(cè)導(dǎo)電膜是否均勻涂覆在孔內(nèi)，也可以觀察在導(dǎo)電膜上電鍍銅的效果。將已完成導(dǎo)電膜流程的通孔實(shí)驗(yàn)板，在10%硫酸溶液中預(yù)浸1 min，然后在哈林槽中電鍍5 min，電流參數(shù)設(shè)置為2 A/dm2。取出水洗，觀察通孔透光情況。

熱應(yīng)力沖擊測(cè)試（Thermal Stress），是檢測(cè)銅鍍層可靠性的常用方法，測(cè)試的目的是為了保證其在組裝，返工和修理的過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)任何撕裂。熱沖擊實(shí)驗(yàn)按照TM-650規(guī)范，預(yù)浸助焊劑10 s后，在288 ℃無(wú)鉛錫爐中進(jìn)行10 s×5次浮錫。完成浮錫后打磨切片并在金相顯微鏡下觀察孔口是否有斷裂，孔內(nèi)是否有銅層分離的現(xiàn)象。

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結(jié)果與分析

2.1  鍍銅層形貌分析

在導(dǎo)電膜上電鍍銅層的表面形貌如圖2所示，由圖2可以看出，電鍍銅結(jié)晶細(xì)致，沒(méi)有出現(xiàn)凹坑的現(xiàn)象。這表明導(dǎo)電膜直接電鍍銅可以形成整平的銅鍍層，不易因?yàn)樾纬砂伎踊蛘咄蛊鸲斐砷_(kāi)路或短路的現(xiàn)象。

2.2  均鍍能力

圖3是均鍍能力TP與厚徑比（AR）的關(guān)系，其中每種厚徑比測(cè)量5個(gè)數(shù)值，求其平均值。從圖3可以看出，隨著厚徑比增大，均鍍能力值越來(lái)越小，最小厚徑比6.67的TP值為72.4%，而厚徑比15的TP值只有46.26%，圖4為相應(yīng)的金相切片圖。圖3中第一個(gè)AR為10的數(shù)值63.16%是在板厚2.0 mm，孔徑0.2 mm的情況下的TP值，第二個(gè)AR為10的數(shù)值59.99%是在板厚3.0 mm，孔徑0.3 mm的情況下的TP值，說(shuō)明相同的厚徑比，雖然孔徑較大，但是板的厚度越大，均鍍能力越低。

2.3  背光測(cè)試

圖5是通孔涂覆導(dǎo)電膜后短暫電鍍銅的背光圖。圖5（a）是板厚2.3 mm，孔徑0.2 mm，厚徑比為11.5的通孔背光圖，無(wú)透光現(xiàn)象，表明導(dǎo)電膜上完整覆蓋銅層；圖5（b）是板厚3.0 mm，孔徑0.25 mm，厚徑比為12的通孔背光圖，從圖中可以看到孔中心部位有透光現(xiàn)象，而孔口不透光，這是由于隨著厚徑比的增大，鍍液灌孔能力下降，導(dǎo)致短暫電鍍不上銅的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)板上其它厚徑比在11.5以下的通孔，孔內(nèi)背光測(cè)試無(wú)透光點(diǎn)。

2.4  熱應(yīng)力沖擊測(cè)試

熱應(yīng)力沖擊測(cè)試可用來(lái)觀察孔內(nèi)結(jié)構(gòu)的完整性。潛在的問(wèn)題包括由于除膠渣不適當(dāng)、氣孔等而造成的孔壁銅層分離和孔口銅層斷裂。圖6為三種通孔實(shí)驗(yàn)板最小孔徑的熱應(yīng)力沖擊金相切片圖，厚徑比分別為10、11.5、15?？梢钥闯鼋?jīng)過(guò)在288 ℃無(wú)鉛錫爐浮錫5次，孔內(nèi)銅鍍層沒(méi)有任何縫隙和斷裂。實(shí)驗(yàn)板上其他孔徑經(jīng)5次浮錫后的金相切片圖如圖6一樣，孔內(nèi)鍍層沒(méi)有出現(xiàn)缺陷。

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結(jié)論

文章從鍍層形貌、均鍍能力、背光測(cè)試、熱應(yīng)力測(cè)試等方面研究了在不同厚徑比下通孔涂覆導(dǎo)電膜直接電鍍銅的可靠性。由實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著厚徑比的增加，通孔內(nèi)在導(dǎo)電膜上電鍍的均鍍能力值越來(lái)越小，孔中心的銅越來(lái)越薄，通孔互聯(lián)可靠性將降低。對(duì)于厚徑比在12以下的通孔，其背光測(cè)試良好，能耐熱沖擊，而厚徑比在12以上的通孔，由于實(shí)驗(yàn)板較厚，背光測(cè)試顯示孔中心透光，因此可考慮增加電鍍時(shí)間，達(dá)到完整鍍上銅的效果。