王芝贤

（中国航空计算技术研究所，陕西 西安 710068）

1 前言

传统PTH工艺已经在印制板行业广泛使用，但随着行业的发展，传统PTH工艺面临诸多挑战，面对越来越多的新材料，越来越高的质量要求，任何一家印制板企业在这种形势下，都面临着设备转型、工艺改进和配方优化等问题。本文就是在这种形势下，提出一种在不改变设备条件、溶液体系的前提下，通过调整原有工艺和溶液配方来实现转型的方法。实验表明，这是一种有前途的改进方法。

2 背景

2.1 问题

近年来，交付用户的印制板产品在焊接后或高低温试验后出现孔壁拉脱现象，导致报废，造成用户抱怨，产品进度拖延。通过金相切片观察，发现裂纹处都发生在镀铜层和孔内铜环间。

2.2 原因

使用安美特PTH HC系列药水对中Tg（S1141，140 ℃）基板进行孔金属化多年，一直未出现异常状况，近期更换高Tg（S1170，175 ℃）基板后，便频繁发生多层板孔壁微裂问题，在加强除胶条件（两次除胶）后，仍然没有明显改善，我们对缺陷处进行SEM和EDX 分析，没有发现特别异常元素或杂物。

经过统计历史故障发现：发生孔壁微裂的板子都是在新配化铜槽当天到第三天期间生产的，后期所做的板极少发生孔壁微裂。部分板子在热风整平焊锡后的切片分析发现孔壁微裂，部分在热冲击（先烘烤130 ℃，4 h，漂锡一次，288 ℃）后发现孔壁微裂。有部分从用户端反馈信号不通现象，切片分析为内联异常。

从故障现象进行分析，判断为印制板耐热性问题，理论上分析与印制板耐热性有关的过程为：层压、钻孔和孔金属化三个过程，其中孔金属化为关键影响因素。针对这三个过程，设计实验方案加以验证。

3 实验

3.1 层压实验

3.1.1 目的

通过研究印制板不同后固方式对层压后Tg温度变化的影响，得出一种树脂受热后回缩最小的后固方式，并通过实验验证不同后固方式对孔壁裂纹的影响。

3.1.2 过程和结果

用中Tg板（常温材料）和高Tg板（高温材料）分别制作样件，采用不同后固方式，然后将样件在新配化铜槽当天到第三天期间进行生产，在热冲击后观察孔壁切片情况，试验结果见表1。

通过实验结果可知：后固后的Tg变化值均小于10 ℃，都符合要求；常温材料（S1141）未出现孔壁微裂，高温材料（S1170）出现孔壁微裂。

3.2 钻孔实验

3.2.1 目的

通过不同钻孔数量来得到不同的孔壁质量，研究不同孔壁质量对裂纹的影响。

3.2.2 过程和结果

取两个完全相同的新钻头，直径为1.0 mm，分别对20块常温材料（S1141）样件和20块高温材料（S1170）样件同时进行钻孔，每块实验板200个孔，每个钻头累计钻孔数量上限是4000。将不同孔壁质量的实验板在新配化铜槽当天到第三天期间进行生产的，然后在热冲击后观察孔壁切片情况，试验结果见表2。

通过实验结果可知：

表1 不同后固方式实验结果

表2 不同孔壁质量实验结果

图2 钻孔凹坑

（1）钻头累计钻孔数量达到2000个以上，孔壁出现凹坑的概率为100%，累计钻孔数量越多，孔壁凹坑越多，质量越差；

（2）随着孔壁质量的恶化，常温材料S1141存在空洞和裂纹的风险，20个切片样件中有2个样件出现空洞，比例为10%，有1个样件出现裂纹，比例为5%；

（3）随着孔壁质量的恶化，高温材料S1170存在空洞的风险，20个切片样件中有2个样件出现空洞，概率为10%；

（4）高温材料S1170发生裂纹的情况，并未发现和孔壁质量有明显关系，而是呈现普遍性，20个切片样件中，有15个出现裂纹，比例为75%，仅有5个切片未发现裂纹，比例占25%。

3.3 孔金属化实验

3.3.1 实验目的

通过实验研究溶液配方和工艺流程对沉铜质量的影响，进而优化溶液配方，改善设备条件，减小孔壁应力，保证结合力。

3.3.2 实验方式

在不影响生产的情况下，采用烧杯试验、模拟试验两种方式进行，在分析并确定可能原因后，选取试验样件（8层～10层）在线加工，然后在不同的热应力条件下分析金相结果，并以GJB362B-2009为检验依据，判定是否合格。

3.3.3 工艺流程分析

（1）现使用流程：上板→溶胀（420 s）→水洗（35 s）→水洗（240 s）→除胶（1200 s）→水洗（150 s）→水洗（40 s）→水洗（32 s）→中和（300 s）→水 洗（40 s）→碱性除油（363 s）→水洗（62 s）→酸性除油（720 s）→水洗（223 s）→微蚀（120 s）→ 水洗（63 s）→水洗（60 s）→预浸（180 s）→活化（390 s）→水洗（144 s）→水洗（82 s）→还原（270 s）→水洗（60 s）→化学铜（1320 s）→水洗（90 s）→ 水洗（81 s）→酸浸→电镀→水洗→水洗→烘干→出板

（2）风险因素：

中和后水洗仅一道，水洗时间为40 s，时间太短，水洗不充分容易导致孔内和板面受污染；

碱性除油和酸性除油后都只有一道水洗，而且酸性除油时间长达12 min，超长的酸性调整时间和仅有的一道水洗，容易导致孔内清洗不干净，铜面和树脂有有机残留，影响化学铜和孔壁的结合力；

每个生产周期的微蚀量为0.4 mm ～ 0.8 mm，偏低，并且多层板在除胶渣前板面氧化较严重，微蚀量不足容易导致铜面（含内层铜）清洁效果不佳，内层铜粗糙度不够，影响化学铜和内层铜的结合力；

化学沉铜后冷水洗，孔壁可能存在应力。

（3）纠正措施：

中和后的水洗时间延长至4 min；

调整酸性除油的时间为4 min ～ 6 min，同时酸性除油后增加一道水洗，时间为3.5 min；

将微蚀温度从28 ℃提高到33 ℃，微蚀量提到每个生产周期1.0 mm ～ 2.0 mm，保证微蚀效果；

化学沉铜后增加一道热水洗，时间30 s ～ 60 s，温度50 ℃ ～ 60 ℃。

（4）改善后的流程：上板→…→中和（247 s）→水洗（240 s）→碱性除油（363 s）→水洗（62 s）→酸性除油（460 s）→水洗（223 s）→水洗（215 s）→微蚀（120 s）→水洗（63 s）→水洗（60 s）→预浸（300 s）→活化（407 s）→水洗（144 s）→水洗（82 s）→还原（230 s）→水洗（60 s）→化学铜（1440 s）→水洗（90 s）→水洗（81 s）→热水洗（37 s）→酸浸→ 电镀→ … →出板

3.3.4 沉铜配方分析

化学沉铜槽原配方如下：

HC Make up：40 ml/L（该药含稳定剂）

氢氧化钠：9 g/L；还原剂：16 ml/L；稳定剂：0.15 ml/L。

生产线是间断性生产，晚上停产后，化学铜槽停打气，停循环，同时补加200 ml稳定剂，白天生产时稳定剂按HC Add补加体积量的8%～10%进行添加。

风险因素：化学沉铜槽中稳定剂含量太高，沉铜溶液反应活性差。

优化配方：HC Make up：20 ml/L；HC Add：20 ml/L；

氢氧化钠：9 g/L；还原剂：16 ml/L。

配槽时不加稳定剂，停线后停止加热，保持化学铜主副槽循环和打气，不加稳定剂，平时正常生产时稳定剂按HC Add补加体积量的4%～6%进行添加。

3.3.5 实验过程结果

在以上分析结果的基础上制定以下工艺流程优化和沉铜槽配方优化实验方案，实验样件固化方式为两次，使用钻头的累积钻孔数不超过2000。

（1）工艺流程优化对比试验。

将微蚀温度从28 ℃提高到33 ℃，微蚀量提到每个生产周期1.0 mm ～ 2.0 mm，保证微蚀效果；材料选用两种，S1170为高温材料，S1141为常温材料。试验样件采用10层板，每块试验样件取三个切片，每个切片观察6个测试孔。实验方案及结果见表3。

实验结果表明：稳定剂的过量添加容易导致孔壁微裂；优化的工艺流程对孔壁微裂问题有改善；优化的化学沉铜配方未发现孔壁微裂情况。

（2）化学沉铜槽配方优化对比实验。

材料选用两种，S1170为高温材料，S1141为常温材料。试验样件采用10层板，每块试验样件取三个切片，每个切片观察6个测试孔。实验方案及结果见表4。

表3 实验方案及结果

表4 实验方案及结果

续表4

实验结果表明：

改善工艺流程、优化化学铜配方和化学沉铜后加热水洗，对孔壁微裂有改善。

优化化学铜配方对孔壁微裂的改善效果远远大于其它因素。

在优化流程、优化配方后，加工了30000块左右印制板，按GJB362B-2009要求对每块印制板进行287 ℃、10 s的热应力实验，同时抽检部分板作30 s的热应力加严实验，金相结果均未出现孔壁微裂，都符合GJB362B-2009要求。

4 结论

经过层压、钻孔、孔金属化三个过程的大量实验，可以确定沉铜配方是产生孔壁微裂的关键因素。化学沉铜槽的配方直接影响化学铜沉积的晶体结构，相同配方的溶液在不同材料上有不同的沉积效果，调整溶液的配方，改善化学铜晶体结构，消除内部的应力，才是解决孔壁微裂纹的根本措施。

致谢：在本论文的实验过程中，得到了安美特（中国）化学有限公司的刘国平、钱后才两位工程师在技术上的大力帮助，在此表示衷心的感谢。另外，中国航空计算技术研究所的各位同事也提供了诸多的帮助，在此一并表示感谢。

[1]林金堵. 现代印制电路基础[M]. 上海印制电路信息杂志社, 2005.