密集金屬化孔的可靠性影響因素分析

藍春華 范偉名 唐心權

（景旺電子科技（龍川）有限公司，廣東 河源 517373）

（廣東省金屬基印制板工程技術研究開發中心，廣東 河源 517373）

0 前言

印制電路板（PCB）的金屬化孔，是鉆孔后先磨板去除鉆孔毛刺和板面氧化層，再經除膠渣（去鉆污）處理，利用化學方法在除膠渣處理后的孔壁上沉積一層銅層，并用電鍍銅的方法使孔壁和板面銅層加厚，實現線路層間的導通。現代電子設備功能密集化的發展趨勢，迫使PCB不斷提高互聯密度，金屬化孔密集度越來越高。而密集孔都有孔徑小，孔間距小的特點，孔越密集，孔間距越小，越容易出現可靠性失效問題；尤其是在高溫、高濕和高電壓的惡劣終端使用環境下。本文通過對壓合、鉆孔、除膠和電鍍等金屬化孔制作關鍵工序的失效因素進行分析，總結預防密集金屬化孔可靠性失效的關鍵點，為行業加工制作提供參考。

1 壓合對金屬化孔的影響

PCB壓合是指在高溫高壓條件下，迫使半固化片受熱熔融流動，填充內層線路，并固化成型的制程。半固化片在金屬化孔區域的內層線路填膠是否充分，是影響多層PCB金屬化孔可靠性的關鍵。而壓合填膠的充分與否，則與疊構設計、內層電路設計、壓合參數等方面有關。

通過對出現金屬化孔可靠性失效的產品進行水平切片與垂直切片分析，發現密集孔間有空洞，經過電鍍后，孔間空洞滲鍍形成導通網絡造成孔間短路問題。具體如圖1所示。

小結：因此壓合填膠是確保金屬化孔性能可靠性的關鍵一環，如填膠不充分，孔間就會形成空洞，化學鍍銅與電鍍銅時，藥水進入到空洞內并上銅，造成絕緣孔間導通互連而短路。實際生產中應根據半固化片的凝膠化時間、流膠量和內層圖形設計進行疊構和壓合參數調整，確保內層填膠充分。

2 鉆孔對金屬化孔的影響

鉆頭壽命管控和鉆孔疊數是影響孔壁質量的關鍵因素。鉆頭壽命（鉆孔數）或鉆孔板子的疊數太多都會造成孔壁玻纖在鉆孔時被拉松，形成孔粗等不良問題，對后工序的孔金屬化產生可靠性風險。如在孔徑和鉆孔參數相同的情況下（孔徑：0.3 mm；鉆孔參數：轉速：130 kr/min；下刀速：2.2 m/min；回刀速：20 m/min），對比不同刀具壽命、鉆孔疊數條件加工的金屬化密集孔可靠性。驗證疊數和鉆頭壽命管控對金屬化孔的可靠性影響；對比條件如下表2所列。

孔壁質量檢查：取樣制作切片用金相顯微鏡檢查，檢查是否有玻纖拉傷和孔粗等孔壁質量問題。

耐導電性阻極絲（CAF）方法：參考IPC-TM 650 2.6.25標準設計模塊與測試方法，孔間距設為0.85 mm；

耐CAF測試條件：溫度85 ℃，相對濕度85%RH，偏壓設定為直流電壓50 V，測試時間1000 h，進行在線測試并記錄數據；

耐CAF測試判定標準：最終測試絕緣電阻＜108Ω，或者在測試過程中出現絕緣電阻＜108Ω數值≥3次；即判定樣本失效。

測試結果如表3所列，孔壁切片檢查圖與CAF測試曲線圖如圖2、圖3。

通過對失效點進行水平切片與垂直切片分析，發現失效模塊位置的孔間存在滲銅現象，用SEM放大觀察，確認滲銅位置的玻纖存在疏松問題。密集孔在電鍍制程中，藥水從孔壁向內延伸，形成滲銅網絡從而導致孔間的耐CAF性能降低。如圖4所示。

圖1 失效位置切片圖

表2 鉆孔試驗參數對比表

表3 鉆孔品質對比檢查表

圖2 孔壁切片檢查圖

圖3 CAF測試曲線圖

圖4 切片檢查和SEM檢查圖

小結：鉆孔孔粗會影響孔銅均勻性、孔銅與孔壁結合力，甚至會造成電鍍滲銅問題，給金屬化孔的可靠性帶來巨大隱患；且一般性的玻纖拉傷造成的電鍍滲銅問題，屬于潛藏問題，無法通過常規電測檢測出來，產品一旦流入客戶端會因使用環境的原因而逐漸顯現出來，造成電路板絕緣性能失效而報廢。故嚴格管控密集金屬化孔的鉆孔質量是預防CAF失效的主要方法。

3 除膠對金屬化孔的影響

PCB鉆孔加工產生的高溫會導致孔內膠渣熔融粘附在孔內而無法排出，導通孔的密集設計進一步加劇了鉆孔膠渣的殘留。鉆孔矩陣區域內，因孔間距小，鉆孔熱量無法及時散發而累積進而升溫，孔內膠渣在高溫下更容易熔融粘附在孔內，膠渣堆積更大更厚，甚至出現堵孔現象。常規的高錳酸鉀化學除膠方式因受表面張力的影響，已很難有效浸潤密集孔內的膠渣，除膠效果不理想，影響后續的化學鍍銅和電鍍銅質量。通過實驗發現，不同孔間距其孔內膠渣堆積程度不同，對應選用的除膠方式和效果也不同，利用等離子處理可在去除一部分膠渣的同時還能活化材料表面，降低材料表面張力，有利于提高化學除膠藥水的浸潤性；故使用組合除膠方式，可有效提高孔間距＜0.65 mm的孔內除膠效果，具體如圖5和圖6所示。

小結：從對比圖中可以看出，孔間距≤0.65 mm時，孔內的熱量已經開始無法及時散發，密集孔矩陣的材料溫度升高，排屑能力開始降低，單一化學除膠方式已經開始顯現除膠不凈而造成的金屬化孔良率降低問題；當孔中心間距≤0.50 mm時，即使使用跳鉆工藝，也無法避免因化學除膠不凈而帶來的金屬孔良率急劇下降，而使用等離子和化學的組合除膠方式則無此不良問題。說明孔間距設計越密集越容易造成膠渣堆積，孔間距≤0.65 mm的密集孔設計宜使用等離子和化學的組合除膠方式可有效提升除膠效果，提升金屬化孔可靠性良率。

圖5 不同孔間距除膠良率對比圖

圖6 除膠效果切片

4 電鍍對金屬化孔的影響

PCB電鍍主要作用機理是通過調整CuSO4、H2SO4、Cl-等無機藥水濃度，控制鍍液銅離子，達到提高鍍孔均勻性等作用；而通過調整無機添加劑用量，控制鍍孔深鍍能力與均勻性，同時提高鍍層致密性。但無機添加劑在電鍍過程中會產生有機副產物，鍍液中副產物積累過多，會導致鍍銅致密性降低，同時鍍層也會因有機物質含量偏高，而導致鍍層孔銅變脆，延展性降低，給PCB的金屬化孔可靠性帶來品質隱患。采用活性炭處理電鍍藥水，可以將有機副產物有效去除，延長電鍍藥水使用壽命，鍍層延展性高，提升產品的冷熱沖擊性能。

冷熱沖擊測試方法參照IPC-TM-650 2.6.7.2 的方法進行測試標準設計模塊與測試方法，測試條件，1000個循環，每個循環為低溫-55 ℃維持15 min，高溫125 ℃維持15 min，完成循環測試后測互聯電阻，與測試前阻值對比電阻變化小于10%。碳處理前后的產品各做3組模塊，未碳處理的3組模塊均超出10%的阻值變化率，具體數據如表4所示。

通過試驗發現末期電鍍藥水在未經碳處理所制作的3個測試模塊均熱沖擊不合格，對不合格模塊進行熱發射分析定位及切片觀察，發現孔銅斷裂問題，熱沖擊前后電阻變化極大。而碳處理后電鍍藥水制作的3個測試模塊冷熱沖擊性能均合格。如圖7所示。

表4 冷熱沖擊測試結果

圖7 冷熱沖擊孔銅切片

小結：電鍍藥水使用過程中產生的有機副產物會導致鍍孔銅層致密性降低，孔銅變脆，影響金屬化孔熱沖擊可靠性；需嚴格管控藥水使用壽命，并定期進行碳處理使藥水活化。

5 總結

金屬化孔可靠性涉及壓合、鉆孔、除膠和電鍍等關鍵工序；如何提高密集金屬化孔品質可靠性，本文歸結為以下4點。

（1）壓合填膠充分可以避免藥水滲入孔間導致的短路問題；產品生產前，根據產品所用材料性質、內層銅厚、內層線路分布、孔的密集程度，產品用途等特性，制定壓合參數，先通過FA板制作流程，結合過程品質檢查，確認參數合理后再批量生產。

（2）鉆頭使用壽命和鉆孔疊板數直接影響孔壁質量，使用全新鉆頭和1塊/疊的方法，可以最大限度避免孔粗和玻纖拉傷帶來的孔銅不均和CAF失效問題；實際生產中可以根據產品特性進行鉆頭壽命及疊板數管控，以兼顧生產成本。

（3）密集孔間距設計直接影響鉆孔膠渣殘留的多少；常規的化學除膠方式只能滿足孔間距＞0.65 mm的密集孔除膠；當孔間距設計≤0.65 mm時宜選用等離子和化學組合除膠方式，提高除膠效率。

（4）保持電鍍藥水監測常態化，定期對藥水進行活性炭處理，活化藥水，可以有效保證鍍孔銅層延展性和致密性，有利于規避冷熱沖擊不合格風險。