印制電路板電鍍銅顆粒缺陷的成因分析

詹世敬*，鄭凡，江杰猛

（廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510310）

在印制線路板(PCB)中，全板電鍍的表面缺陷主要有銅粒、凹痕﹑凹點(diǎn)﹑板面燒焦﹑層次電鍍﹑表面氧化等。其中銅粒主要在沉銅全板鍍銅/圖鍍工序產(chǎn)生，其影響極為嚴(yán)重，不僅會(huì)引起線路短路、開(kāi)路，表觀不良，貼膜不牢，金手指粗糙等缺陷，而且難以修理和返工，漏檢后大多會(huì)造成報(bào)廢。但有關(guān)PCB 電鍍銅顆粒的成因研究鮮見(jiàn)報(bào)道[1]。

常用的硫酸銅電鍍?cè)赑CB 電鍍中占有極為重要的地位，酸銅電鍍的好壞直接影響電鍍銅層的質(zhì)量和機(jī)械性能，并對(duì)后續(xù)加工產(chǎn)生一定的影響。因此如何控制好酸銅電鍍的質(zhì)量是PCB 電鍍中的重要一環(huán)，也是很多印制線路板廠工藝控制較難的工序之一。

本文針對(duì)全板電鍍后出現(xiàn)的一種有規(guī)律的板面銅顆粒進(jìn)行深入分析，找到銅顆粒產(chǎn)生的根本原因，并簡(jiǎn)單分析了其反應(yīng)機(jī)理，為此類問(wèn)題的預(yù)防與控制提供理論依據(jù)。

1 問(wèn)題描述

圖1為含有銅粒缺陷鍍銅板的照片。從圖1 缺陷處看，銅顆粒并非整板隨機(jī)分布，而是呈一定規(guī)律的條狀分布；不良率約為50%，并非所有的生產(chǎn)板都存在此類問(wèn)題。

圖1 鍍銅后含銅粒缺陷的PCB 照片F(xiàn)igure 1 Photo of PCB with copper particle defect after copper plating

2 銅顆粒影響因素

通過(guò)頭腦風(fēng)暴法，從人、機(jī)、料、法、環(huán)這5 個(gè)方面繪制出可能造成PCB 電鍍銅顆粒的魚(yú)骨原因分析圖，見(jiàn)圖2。結(jié)合圖2和現(xiàn)場(chǎng)排查，將缺陷定位在設(shè)備治具和生產(chǎn)方法上。

2.1 化學(xué)沉銅工藝方面的因素

PCB 板沉銅的工藝流程為：除油─微蝕─活化─加速─化學(xué)沉銅。

圖2 板鍍銅顆粒產(chǎn)生原因的魚(yú)骨分析圖Figure 2 Fishbone diagram for analysis of the formation of copper particle defect during plating process of PCB

以上任一工序中的任一參數(shù)出現(xiàn)偏差都有可能導(dǎo)致銅顆粒缺陷。除板面氧化造成的銅粒以外，沉銅工序引起的板面銅粒在板面上的分布一般較為均勻，規(guī)律性較強(qiáng)，并且無(wú)論導(dǎo)電與否，在某一部位產(chǎn)生的污染都會(huì)導(dǎo)致電鍍銅板面生成銅粒。

2.2 板鍍工藝方面的因素

酸銅電鍍槽本身一般不會(huì)造成板面銅粒，因?yàn)榉菍?dǎo)電性顆粒最多造成板面漏鍍或凹坑。銅缸造成板面銅粒的原因大致歸結(jié)為槽液參數(shù)維護(hù)、生產(chǎn)操作、物料和工藝維護(hù)幾個(gè)方面。

槽液參數(shù)維護(hù)方面包括硫酸含量過(guò)高，銅含量過(guò)低，槽液溫度低或過(guò)高。特別是沒(méi)有溫控冷卻系統(tǒng)的工廠，溫度過(guò)高會(huì)造成槽液的電流密度范圍下降，按照正常的生產(chǎn)工藝操作可能會(huì)在槽液中產(chǎn)生銅粉。

生產(chǎn)操作方面主要是設(shè)定電流過(guò)大，夾板不良，空夾點(diǎn)，槽中掉板靠著陽(yáng)極溶解等，同樣會(huì)造成部分生產(chǎn)板電流過(guò)大，產(chǎn)生銅粉掉入槽液，逐漸形成銅粒缺陷。

物料方面主要是磷銅球的磷含量和磷分布均勻性問(wèn)題。

生產(chǎn)維護(hù)方面主要是大處理，銅球添加時(shí)掉入槽中，特別是碳處理時(shí)陽(yáng)極和陽(yáng)極袋的清洗，很多工廠都處理不好，存在一些隱患。碳處理時(shí)應(yīng)將銅球表面清洗干凈，并用雙氧水微蝕出新鮮銅面。陽(yáng)極袋應(yīng)先后用硫酸加雙氧水混合液浸泡，再用堿液浸泡，并清洗干凈。陽(yáng)極袋則要用間隙為5～10 μm 的PP 濾袋[1]。

另外，由于此缺陷有一定的規(guī)律性，可能與生產(chǎn)治具有關(guān)。

從以上影響因素看，此類缺陷與沉銅過(guò)程和電鍍銅缸前處理等的異常關(guān)系較大，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)沉銅以及電鍍工藝的梳理，初步判定沉銅沉積速率、加速、板鍍的前處理以及沉銅治具為主要影響因素，需要設(shè)計(jì)試驗(yàn)重點(diǎn)進(jìn)行層別。

3 試驗(yàn)

3.1 流程設(shè)計(jì)

PCB 從沉銅到板鍍之間的主要流程為：薄板架上板─沉銅─水洗─除油─水洗─酸浸─板鍍。

板鍍有2種電鍍方式，即一次鍍夠和正常板電鍍。一次鍍夠板和正常板在流程上的主要區(qū)別是一次鍍夠板采用電鍍薄板架方式上板(如圖3 所示)。

圖3 薄板掛具上板示意圖Figure 3 Schematic diagram for thin board hanging on rack

3.2 根據(jù)流程設(shè)計(jì)對(duì)比試驗(yàn)

根據(jù)沉銅板鍍的工藝流程，設(shè)計(jì)相應(yīng)的再現(xiàn)性試驗(yàn)，找到造成板面粗糙的主要原因。試驗(yàn)后采用金相顯微鏡觀察銅面的表觀狀況，觀察銅顆粒的結(jié)晶大小和顆粒的嚴(yán)重程度。通過(guò)水晶膠切片在高倍顯微鏡下觀察銅顆粒的內(nèi)部形態(tài)和形成時(shí)間，試驗(yàn)方案和結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1 不同生產(chǎn)線工藝流程的影響Table 1 Effects of different process flows of different production lines

表2 PCB 電鍍銅掛具層別試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of stratification test for racks of copper plating on PCB

從表1 可知，通過(guò)異常放大后的實(shí)驗(yàn)都有銅顆粒產(chǎn)生，但從銅顆粒的分布來(lái)看，呈無(wú)規(guī)律分布，與本文所要闡述的問(wèn)題不一致，而從影響程度上看，沉銅的影響較大。

從表2 可知，連續(xù)使用的薄板掛籃生產(chǎn)的一次鍍夠板有銅顆粒缺陷，觀察發(fā)現(xiàn)其銅顆粒分布與本文的相同。

4 討論

綜合以上分析，將生產(chǎn)控制點(diǎn)全面排查后，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)薄板(一次鍍夠板)所用的沉銅掛籃和板鍍的掛架沒(méi)有明確的保養(yǎng)方式和頻率，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)銅粒的問(wèn)題板的切片(圖1)和規(guī)律分析可知，掛籃上隔離線對(duì)應(yīng)的板面都有掛籃印，板鍍后板面的銅粒也基本上是呈條狀分布，與圖3 劃圈處一致。另外，從顆粒的微觀形貌(圖4)可看出銅顆粒中無(wú)任何雜質(zhì)。

圖4 銅顆粒的內(nèi)部狀況Figure 4 Internal state of copper particle

綜上可知，板表面的銅顆粒具有以下特點(diǎn)：

(1)銅粒形態(tài)基本都呈條狀，有規(guī)律性。

(2)銅粒未包裹雜質(zhì)、碳粉等污染物，為實(shí)心銅粒。

(3)問(wèn)題板基本都是由使用薄板掛籃生產(chǎn)所得。

對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的薄板掛籃生產(chǎn)出來(lái)的板都有銅顆粒，用硝酸剝掛干凈的薄板掛籃生產(chǎn)出來(lái)的板都沒(méi)有銅顆粒。據(jù)此對(duì)銅顆粒的產(chǎn)生機(jī)理分析如下：

沉銅槽中會(huì)出現(xiàn)化學(xué)鍍銅浴分解的現(xiàn)象，有時(shí)被認(rèn)為是“觸發(fā)”作用，由化學(xué)鍍銅浴快速鍍出銅造成。其本質(zhì)是銅的還原反應(yīng)已失控，一旦開(kāi)始就難以停止，最終結(jié)果是鍍槽表面都鍍上銅。配方錯(cuò)誤引起的鍍銅液觸發(fā)分解很少見(jiàn)，主要原因是過(guò)程控制不當(dāng)、工藝問(wèn)題與維護(hù)不佳等使過(guò)多的活化劑被帶入鍍液內(nèi)。其中，沖洗不當(dāng)和掛具不良是帶入活化劑的最主要原因。帶入的金屬材料與銅末都會(huì)觸發(fā)鍍液分解。使用未及時(shí)剝掛的沉銅掛籃生產(chǎn)時(shí)，由于多次使用，掛籃上特氟龍材質(zhì)的隔離線上會(huì)累積更多的活化液，使線的附近形成一個(gè)區(qū)域性的“觸發(fā)”[2]，分解出的銅便附著在對(duì)應(yīng)部位的表面；因?yàn)榉纸膺^(guò)程較為快速，所以對(duì)應(yīng)的銅層松散，并且有細(xì)微毛刺和凸起，電鍍時(shí)就會(huì)放大而形成銅粒。

這一反應(yīng)機(jī)理假設(shè)可解釋以下試驗(yàn)事實(shí)：

(1)銅粒形態(tài)有規(guī)律。

(2)銅粒內(nèi)未包裹雜質(zhì)、碳粉等污染物，為實(shí)心銅粒。

5 結(jié)語(yǔ)

PCB 沉銅時(shí)，若掛籃不剝掛干凈或殘留活化液未去除，板面將會(huì)形成嚴(yán)重的銅顆粒缺陷。因此在實(shí)際生產(chǎn)中，一方面應(yīng)保持沉銅槽藥水的活性，使其維持在正常沉積速率范圍內(nèi)；另一方面，應(yīng)依照使用次數(shù)，規(guī)定掛籃的剝掛(用硝酸浸泡)頻率。

[1]林其水.PCB 電鍍銅工藝和常見(jiàn)問(wèn)題的處理[J].印制電路信息,2009 (4):46-49,62.

[2]郭鶴桐,覃奇賢.電化學(xué)教程[M].天津:天津大學(xué)出版社,2000.