镀覆孔的质量控制和检测方法.docx

1、镀覆孔的质量控制和检测方法镀覆孔的质量控制和检测方法镀覆孔的质量控制和检测方法 随着微电子技术的飞速发展,多层和积层印制电路板在电子工业中获得广泛的应用,而且对可靠性的要求越来越高。而镀覆孔作为贯穿连接多层与积层式印制电路板各层电路的导体,其质量的优劣对印制电路板的可靠性有着很大的影响。因此,在印制电路板生产过程中对镀覆孔的质量控制和质量检测,对镀覆孔的质量保证起着非常重要的作用。 在印制电路板制造程序中,对镀覆孔质量影响较大的工序主要是数控钻孔、化学沉铜和电镀等。要实行质量跟踪与检测,就必须根据不同的工序的特点,制定与建立控制要点和设立控制点,并采取不同的工艺方法和检测手段,实现随机质量控制

2、。为更加深刻地了解各工序的工艺特性,就需分别加以研究与讨论。 一钻孔质量的控制 钻孔是印制电路板制造的关键工序之一。对于钻孔工序而言,影响孔壁质量的主要因素是钻头的转速和进刀速度。要设定正确的钻孔工艺参数,就必须了解所采用的基板材料的性质和特点。否则所设定的工艺参数:转速、进刀速度等所钻的孔就达不到技术要求,严重的就会造成孔壁环氧钻污或拉伤,以致在后工序沉铜或电镀过程中产生空洞、镀瘤等缺陷。根据这种情况,就必须采用工艺试验法,也就是将进厂的基板材料进行实验,设定不同的进刀速度和转速进行组合钻孔,再经化学沉铜后,采用金相剖切法对切片呈现的孔镀层图像与实物进行评估,确定最隹的工艺参数范围,以便 在

3、生产过程中根据不同厂家供应的基板材料调整工艺参数。 当然,在钻孔工序中其它影响孔壁质量有因素也必须予以重视和控制。如钻头的质量及钻孔过程所使用的上盖板下垫板材料、钻孔过程的吸尘系统和叠层的数量等。 二沉铜工序的质量控制 化学沉铜是镀覆孔过程的第一步,它的质量优劣直接影响电镀的质量。因此确保化学沉铜层的质量,是保证通孔电镀质量的基础。为此,必须严格地对化学沉铜槽液进行有效的控制和检测。这因为化学沉铜溶液在生产过程中溶液的各种成份会有很大的变化,除了实现自动控制系统的作用外,还应采取定期定时的抽查分析溶液中各种成份的含量是否符合工艺规范要求,以确保溶液正常工作。根据化学沉铜机理主要控制其沉积速率及

4、沉积层的密实性。化学沉铜的沉积效果检测的主要项目是沉积速率和背光试验来进行。(1)沉铜速率的控制和检测 根据化学沉铜的反应化学原理,对化学沉铜速率的主要影响因素有二价铜离子浓度、甲醛浓度、PH值、添加剂、温度和溶液搅拌等。因此,每当溶液工作一段时间(时间的长短由溶液的负载量来决定),就采用一块试验板(带有孔)随产品流过沉铜生产线,以测试其沉铜速度是否符合工艺技术指标与要求。如符合工艺要求,产品板还必须使用检孔镜对产品板进行检查后转入下道工序。如未符合工艺要求,就必须进行背光实验作进一步的测试与判断。测试沉铜沉积速率和背光试验的具体工艺方法如下:1沉积速率的测定: 首先将剥掉铜的基板,剪裁成尺寸

5、为100100mm(即1dm2)在试验板上一排小孔,留着背光试验用。测定沉积速率的板沉铜前后均在120下烘1小时再称重。沉铜速率可经过下式计算: S(W2W1)/t5.580式中:S沉铜速率(m/min) W1沉铜前试验板重量(g) W2沉铜后试验板重量(g) T沉铜时间(min) 5.580每沉积1克铜新增加铜层厚度(m)2背光实验的检测: 主要检测沉铜层的致密度。评定的标准要根据所采用的供应商提供的标准而定。德国先灵公司将沉铜层的致密度分为12个背光等级,最高为5 级,最低为0.5级;其它公司所提供的等级标准各有不同,都有评定的合格标准,如背光等级低于合格标准,就说明沉铜层的致密度差,其最

6、终的电镀质量也就无法保证。其具体的方法就是将试验板切一块带有孔的基板材料作试样,经过锯切或磨制到孔中心位置(即中心线上)。测试时利用光从底面射入,然后使用100倍放大镜进行检查即可。 经过上述两种控制沉铜质量的工艺方法,就能够进一步确定孔壁质量的可靠性,当转入下道工序进行电镀铜时,只要能够严格的控制电镀工艺参数就能够达到最终的技术标准和技术要求。 三电镀铜层质量的控制 通孔电镀铜层质量控制是非常重要的,因为多层或积层板向高密度、高精度、多功能化方向的发展,对镀铜层的结合力、均匀细致性、抗张强度及延伸率等要求越来越严,也越来越高,因此对通孔电镀的质量控制就显得特别重要。为确保通孔电镀铜层的均匀性

7、和一致性,在高纵横比印制电路板电镀铜工艺中,大多都是在优质的添加剂的辅助作用下,配合适度的空气搅拌和阴极移动,在相对较低的电流密度条件下进行的,使孔内的电极反应控制区加大,电镀添加剂的作用才能显示出来,再加上阴极移动非常有利于镀液的深镀能力的提高,镀件的极化度加大,镀层电结晶过程中晶核的形成速度与晶粒长大速度相互补偿,从而获得高韧性铜层。 当然,电流密度的设定是根据被镀印制电路板的实际电镀面积而定。从电镀原理解度分析,电流密度的取值还必须依据高酸低铜电解液的主盐浓度、溶液温度、添加剂含量、搅拌程度等因素有关。总之,要严格控制电镀铜的工艺参数和工艺条件,才能更能确保孔内镀铜层的厚度符合技术标准的

8、规定。但必须经过评定,做法如下:(1)孔壁镀铜层厚度的测定 根据标准规定,孔壁镀铜层的厚度应(25微米。镀铜层过薄会导致孔电阻超标,而且还有可能经红外热熔或热风整平过程中出现孔壁铜层的破裂。 具体的测定方法就是利用金相切片,选择孔壁镀层内最薄的部位不同位置三个测点,进行测试,将其测试结果取平均值。(2)孔壁铜层热应力的测试 孔壁在电镀过程中,镀层会有应力产生。特别当电镀液洁净度不高的情况下,孔壁镀铜层的应力就大,经过热应力的试验 ,孔口处会因为应力集中而产生开裂;如果电镀质量高的话,其产生的应力就很小,经过热应力试验后,其金相部切的结果,孔口未开裂。经过测试结果就能够确定其生产还是停产。 上述

9、所谈及的有关镀覆孔质量的控制问题,是最普遍采用的工艺措施和方法。随着高科技的发展,新的控制系统就会出现,特别全封闭式水平生产流水线上采用”反脉冲技术” 的供电方式逐步取代直流供电形式,达到解决深导通孔与深盲孔电镀问题已取得更加明显的经济和技术效果。 高纵横比导通孔电镀技术 印制电路板制造业越来越需要高纵横比、小孔印制电路板的电镀工艺。它是推动高层数多层印制电路板制造技术发展的动力。因为孔镀层的可靠性,对印制电路板的运用起到了关键性的作用。如何确保高纵横比深孔电镀问题,是所有印制电路工作者的科技任务,是必须面临的最重要问题。为此,很多研究部门着手进行有计划的研制和开发。从当前的科技资料报导推芨的

10、方法很多,其中有脉冲电镀技术、化学气相沉积技术、溶液冲击电镀技术、全化学镀铜技术和改进型(高酸低铜)的空气搅拌技术等。现将这部分技术分别简介如下: 一脉冲电镀工艺技术 脉冲电镀技术,早已运用于电铸成型工艺中,是比较成熟的技术。但运用在高纵横比小孔电镀还必须进行大量的工艺试验。因脉冲电源不同于一般的直流电源,它是经过一个开关元件使整流器以US的速度开/关,向阴极提供脉冲信号,当整流器处于关的状态时,它比直流电更有效地向孔内的边界层补充铜离子,从而使高纵横比的印制电路板沉积层更加均匀。当前已研制的脉冲整流器运用在全封闭式水平电镀生产流水线上,使用的效果取得极为明显的经济和技术成效。 采用了”定时反

11、脉冲”按照时间使电流在供电方式上忽而正镀忽而反镀(即阳极溶解)按照时间比例交替进行,使电度铜的沉积很难在常规供电方式取得相应的铜层厚度而得以解决。当阴极上的印制电路板处于反电流时,就能够将孔口高电流密度区铜层迅速得到迅速的溶解,由于添加剂的作用,对低电流密度区影响却很微,因而将逐渐使得孔内铜层厚度与板面铜的厚度趋向于均等。 反脉冲技术应用到印制电路板生产中,很好的解决了多层板与积层板上面的深孔或深盲孔(纵横比为1:1以上指盲孔而言)电镀的难题。它与常规的供电方式电镀铜进行比较,其数据列表如下: 表4 直流与脉冲对深孔镀铜的比较样板孔长(板厚)(mm)孔径(mm)纵横比电流密 度ASD 脉 冲

12、电 镀 铜 直流电镀铜 反波/正波电流比(%)正反时间比(ms)分布力(%)全程时 间(分)分布力(%)全程时 间(分) A 2.4 0.3 8:13.331020/1.0 925875113 D 3.2 0.310.7:13.025020/1.0 784570-75 70 二化学气相沉积技术 化学气相沉积是沉铜工艺方法之,它是将气相中的一种组份或多种组份聚积于基体上,并在基体上发生反应,产生固相沉积层。而化学气相沉积属于原子沉积类,其基本原理是沉积物以原子、离子、分子等原子尺度的形态在材料表面沉积,形成外加覆盖层,如果覆盖层是经过化学反应形成的,则称为化学气相沉积(CVD),其过程包括三个阶

13、段即:物料气化、运到基材附近的空间和在基体上形成覆盖层。该技术发展很快,它所得以迅速发展,是和它的本身的特点分不开的,其特点是:沉积物众多,它能够沉积金属;能均匀涂覆几何形状复杂的零件,这是它具有高度的分散性;涂层与基体结合牢固;设备简单操作方便。采用CVD新技术的目的在于解决高纵横比小孔电镀问题,提高生产效率和镀层的均匀性和物化性能及使用帮命。最常见CVD的新技术有脉冲CVD法、超声波CVD等。 化学气相法沉积技术的应用,还必须做大量的工艺试验,使该项新技术,能在解决高纵横比深孔或积层式的深盲孔电镀上起到应有的作用。 三溶液冲击电镀铜工艺技术 它是和电镀金生产线高速流动的金液冲击印制电路板插

14、头的表面进行电镀的原理同样的工艺方法。其具体的实施方法就是在电镀槽中安装2个5马力的的马达,迫使阴极附近的溶液以0.561.12kg/cm2的压力喷出管道上孔径为12.7mm的孔,射向印制电路板的一边,然后从印制电路板的另一边流出,电镀通孔的进出口压力不同,两管道平行放置,溶液以150250克/分钟的流速循环经过管道,这提高板面镀层的均匀性,阴极并以50.8MM的半径旋转,而不是平行来回移动,冲击电镀与常规的空气搅拌电镀相类似,都依赖于化学特性和电气特性。这一种类型的工艺方法,给槽体系统的制造带来一些系列的因难,因为要适应这种工艺方法的需要,还必须设计一套复杂的专用泵、特殊的夹具和电镀槽的结构

15、形式,能否很快地运用到解决高纵横比小孔电镀铜问题,这需很长一段时间,但从原理分析,应是可行的,但需要作很大的改进。 四全化学镀铜工艺技术 全化学镀铜工艺方法解决深孔电镀问题以是一种途径,它是利用化学催化作用,而不是电气作用来沉积铜,由于不需要施加电流,因而也就不存在由于电流分布不均匀而导致的镀层分布不均匀的问题。全化学镀铜的沉积速率为1.782.03(m/hr,按照这个速率沉积30(m的铜层需要18小时以上,生产效率很低,但它的工作负载高达0.250.5平方英尺/4.5升(0.050.10平方米/升)而电化学方法的工作负载只有0.002平方米/升,其化学组份采用自动分析仪来控制,在生产过程中沉

16、积速度能够采用沉积速度试验板来定期监控。如把此种类型的工艺技术用生产自动流水线上,仅需要在现有的化学沉铜线上增加一个10弱腐蚀槽和一个全化学沉铜槽就能够了。但从试验报告中获知,此种类型的工艺方法,对通孔电镀能力很强,表面与孔镀层厚度比接近1:1,但它的最大缺陷就铜层的最重要的物性延伸率只有23,离标准差距较大,而且镀层脆,特别是经热冲击后铜镀层容易产生破裂。 五改进型空气搅拌电镀技术 空气搅拌电镀体系,此种类型的工艺方法已被诸多厂家运用于生产流水线上,取得较明显的技术效果。该工艺体系是采用印制电路板来回移动搅拌溶液,使孔内的溶液得到及时交换,同时又采用高酸低铜的电解液,经过提高酸浓度增加溶液的

17、电导率,降低铜浓度达到减小孔内溶液的欧姆电阻,并借助优良的添加剂的配合,确保高纵横比印制电路板电镀的可靠性和稳定性。根据电解液的特性,要使得深孔电镀达到技术要求,就必限制电流密度的取值,原因是因为欧姆电阻的直接影响,而不是物质的传递。重要的是确保孔内要有足够的电流,使电极反应的控制区扩大到整个孔内表面,使铜离子很快的转化成金属铜,为此应把常规使用的电流密度值降低到50使电镀通孔内的过电位比高电流密度电镀时,孔内能够获得足够的电流。 以上所介绍的工艺方法,其中有些技术现已经运用在生产高纵横比的印制电路板电镀铜上,取得很好的效果。当前较为成熟的脉冲电镀技术,经过研制和开发,采用”定时反脉冲”工艺技

18、术运用到多层和积层多层印制电路板的深孔或深盲孔电镀铜上,制造出适应脉冲电镀的反脉冲整流器,使此种类型的工艺方法定会处到普遍应用。 全板镀金镀层起层与色变的原因分析及控制 在型号研制生产过程中,其控制系统中的四层板需全板镀金,该板的特点是密度高,导线细、间距窄(只有0.05mm)导线宽度0.30 mm。为确保金镍铜层的结合力,对所经过的工序都进行分析和处理,使各种类型的处理溶液处于最隹状态,首先排除各类溶液对三者之间结合强度的直接影响。但稍为不慎就会产生镍层从铜层上分离开来或者金镀层从镍镀层表面脱落,其原因经过多次试验,有以下三个方面:(一)镀层分层的原因分析 1经光亮镀铜后,没有进行彻底地的清

19、除表面膜,因此清洗后直接转入镍镀槽内进行电镀作业。因此镀后镍层从铜的表面分离。为什么会产生微薄膜呢?因为光亮镀铜溶液含有一定量的添加剂如光亮剂、整平剂、润湿剂等,也就指少量的添加剂,它在电解液内不会明显地改变镀液的性质,但会显著的改进镀层的性质,但镀层表面会吸附有此类添加剂等有机物质,这些有机物质在经过镀铜的表面吸附的很牢,很难使用一般的流动清洗水除去,必须配有专用的处理溶液进行一定时间的清除处理,方能达到满意的表面效果。就是因为这些看不见的透明薄膜,直接影响镍镀层与铜表面的结合强度。 2铜表面还必须进行微粗化处理,使铜表面形成微粗糙的表面,以增加铜层与镍层的结合强度。因为镍镀层具有一定的应力

20、,这种应力特别在光亮的铜表面就会形成拉应力,而从铜的表面分离,微粗化的目的就是增加与镍镀层的结合力。由于粗化处理不当,造成铜层表面不均匀状态,使镍镀层的分布的一致性受到直接影响,造成局部结合力好,星星点点的部位差,而发生镍层从铜的表面上分层。 3铜的表面经过处理后,清洗的时间不易过长,因为清洗水也含有一定的酸性物质尽管其含量微弱,但对铜的表面影响不能掉以轻心,应严格按照工艺规范规定的时间进行清洗作业。 4金层从镍层表面脱洛的主要原因,就是镍的表面处理的问题。镍金属表面活性差很难取处令人满意的效果。镍镀层表面易在空气中产生钝化膜,如处理不当,就会使金层从镍层表面分离。如活化不当就会在进电镀金时,

21、金层就会从镍层表面脱离即起皮脱落。第二方面的原因是因为活后,清洗的时间过长,造成镍表面从新生成钝化膜层,然后再去进行镀金,必然会产生镀层脱落的疵。 以上分析了三种镀层间产生质量缺陷的主要原因。解决此种类型的质量问题,就必须针对其表面特点,采取不同的工艺方法进行处理。 根据光亮镀铜表面的特性分析,要获得高质量的镀层品质,就必须采取镀后进行弱腐蚀处理,以除去表面由于添加剂造成的表面膜,使用稀硫酸水溶液进行处理,使铜表面呈现激化状态,立即带电转入镍槽内,根据被镀面积选取适当的电流密度进行电镀。镀镍后立即经过新盐酸活化处理,经清洗后立即进行金槽内进行镀金。经过这样的处理后,三者镀层的之间的结合力才能达

22、到规定的工艺技术指标。(二)金层颜色不正或变色的原因分析 酸性镀硬金所使用的电流密度很小,控制不好镀层就会发黑或发红,这就说明使的电流密度不当,当电流的设定值确定后,金层表面依然显示不出金的本色,这主要原因是溶液的温度选择不当。这是控制方面选择不当所造成的镀层颜色不正常。另一方面由于柠檬酸盐镀其溶液的粘度增高,镀金后回收槽清洗后,再用流动水冲洗表面没有冲洗干净,当暴露于空气中而变色。因此,镀金后的表面清洗要严格按照工艺规范进行,以确保镀层质量的可靠性和稳定性。(三)镀金工艺规范中规定的电流密度很窄,因此控制时要非常严格,稍为电流密度控制失灵,金层质量就无法保证。根据这种工艺特性,最好采用”面积测定法”即进行严格而又精确的计算的圆面积,安装导电挂具,将不需要镀的部位用绝缘物保护起来,只留下规定的电流密度抽需的电镀面积,使电流密度保持在规定的工艺范围内。采用此种工艺措施就能确保镀金部位所需要的电流,使金层质量有很大的提高。 因此,无论是全板镀金或局部镀金,首先要确保表面无沾污、金层表面处于激活状态和严格地控制工艺规范所提供的工艺参数及槽液成份正常的情况下,才能镀出高质量的光亮的金黄色金层。