印制电路板电镀铜颗粒缺陷的成因分析

2014-11-25詹世敬郑凡江杰猛

电镀与涂饰 2014年21期

詹世敬*，郑凡，江杰猛

（广州杰赛科技股份有限公司，广东广州 510310）

在印制线路板(PCB)中，全板电镀的表面缺陷主要有铜粒、凹痕﹑凹点﹑板面烧焦﹑层次电镀﹑表面氧化等。其中铜粒主要在沉铜全板镀铜/图镀工序产生，其影响极为严重，不仅会引起线路短路、开路，表观不良，贴膜不牢，金手指粗糙等缺陷，而且难以修理和返工，漏检后大多会造成报废。但有关PCB 电镀铜颗粒的成因研究鲜见报道[1]。

常用的硫酸铜电镀在PCB 电镀中占有极为重要的地位，酸铜电镀的好坏直接影响电镀铜层的质量和机械性能，并对后续加工产生一定的影响。因此如何控制好酸铜电镀的质量是PCB 电镀中的重要一环，也是很多印制线路板厂工艺控制较难的工序之一。

本文针对全板电镀后出现的一种有规律的板面铜颗粒进行深入分析，找到铜颗粒产生的根本原因，并简单分析了其反应机理，为此类问题的预防与控制提供理论依据。

1 问题描述

图1为含有铜粒缺陷镀铜板的照片。从图1 缺陷处看，铜颗粒并非整板随机分布，而是呈一定规律的条状分布；不良率约为50%，并非所有的生产板都存在此类问题。

图1 镀铜后含铜粒缺陷的PCB 照片Figure 1 Photo of PCB with copper particle defect after copper plating

2 铜颗粒影响因素

通过头脑风暴法，从人、机、料、法、环这5 个方面绘制出可能造成PCB 电镀铜颗粒的鱼骨原因分析图，见图2。结合图2和现场排查，将缺陷定位在设备治具和生产方法上。

2.1 化学沉铜工艺方面的因素

PCB 板沉铜的工艺流程为：除油─微蚀─活化─加速─化学沉铜。

图2 板镀铜颗粒产生原因的鱼骨分析图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一参数出现偏差都有可能导致铜颗粒缺陷。除板面氧化造成的铜粒以外，沉铜工序引起的板面铜粒在板面上的分布一般较为均匀，规律性较强，并且无论导电与否，在某一部位产生的污染都会导致电镀铜板面生成铜粒。

2.2 板镀工艺方面的因素

酸铜电镀槽本身一般不会造成板面铜粒，因为非导电性颗粒最多造成板面漏镀或凹坑。铜缸造成板面铜粒的原因大致归结为槽液参数维护、生产操作、物料和工艺维护几个方面。

槽液参数维护方面包括硫酸含量过高，铜含量过低，槽液温度低或过高。特别是没有温控冷却系统的工厂，温度过高会造成槽液的电流密度范围下降，按照正常的生产工艺操作可能会在槽液中产生铜粉。

生产操作方面主要是设定电流过大，夹板不良，空夹点，槽中掉板靠着阳极溶解等，同样会造成部分生产板电流过大，产生铜粉掉入槽液，逐渐形成铜粒缺陷。

物料方面主要是磷铜球的磷含量和磷分布均匀性问题。

生产维护方面主要是大处理，铜球添加时掉入槽中，特别是碳处理时阳极和阳极袋的清洗，很多工厂都处理不好，存在一些隐患。碳处理时应将铜球表面清洗干净，并用双氧水微蚀出新鲜铜面。阳极袋应先后用硫酸加双氧水混合液浸泡，再用碱液浸泡，并清洗干净。阳极袋则要用间隙为5～10 μm 的PP 滤袋[1]。

另外，由于此缺陷有一定的规律性，可能与生产治具有关。

从以上影响因素看，此类缺陷与沉铜过程和电镀铜缸前处理等的异常关系较大，通过对现场沉铜以及电镀工艺的梳理，初步判定沉铜沉积速率、加速、板镀的前处理以及沉铜治具为主要影响因素，需要设计试验重点进行层别。

3 试验

3.1 流程设计

PCB 从沉铜到板镀之间的主要流程为：薄板架上板─沉铜─水洗─除油─水洗─酸浸─板镀。

板镀有2种电镀方式，即一次镀够和正常板电镀。一次镀够板和正常板在流程上的主要区别是一次镀够板采用电镀薄板架方式上板(如图3 所示)。

图3 薄板挂具上板示意图Figure 3 Schematic diagram for thin board hanging on rack

3.2 根据流程设计对比试验

根据沉铜板镀的工艺流程，设计相应的再现性试验，找到造成板面粗糙的主要原因。试验后采用金相显微镜观察铜面的表观状况，观察铜颗粒的结晶大小和颗粒的严重程度。通过水晶胶切片在高倍显微镜下观察铜颗粒的内部形态和形成时间，试验方案和结果见表1和表2。

表1 不同生产线工艺流程的影响Table 1 Effects of different process flows of different production lines

表2 PCB 电镀铜挂具层别试验结果Table 2 Results of stratification test for racks of copper plating on PCB

从表1 可知，通过异常放大后的实验都有铜颗粒产生，但从铜颗粒的分布来看，呈无规律分布，与本文所要阐述的问题不一致，而从影响程度上看，沉铜的影响较大。

从表2 可知，连续使用的薄板挂篮生产的一次镀够板有铜颗粒缺陷，观察发现其铜颗粒分布与本文的相同。

4 讨论

综合以上分析，将生产控制点全面排查后，发现生产薄板(一次镀够板)所用的沉铜挂篮和板镀的挂架没有明确的保养方式和频率，结合实际生产中出现铜粒的问题板的切片(图1)和规律分析可知，挂篮上隔离线对应的板面都有挂篮印，板镀后板面的铜粒也基本上是呈条状分布，与图3 划圈处一致。另外，从颗粒的微观形貌(图4)可看出铜颗粒中无任何杂质。

图4 铜颗粒的内部状况Figure 4 Internal state of copper particle

综上可知，板表面的铜颗粒具有以下特点：

(1)铜粒形态基本都呈条状，有规律性。

(2)铜粒未包裹杂质、碳粉等污染物，为实心铜粒。

(3)问题板基本都是由使用薄板挂篮生产所得。

对比试验发现，使用连续运转的薄板挂篮生产出来的板都有铜颗粒，用硝酸剥挂干净的薄板挂篮生产出来的板都没有铜颗粒。据此对铜颗粒的产生机理分析如下：

沉铜槽中会出现化学镀铜浴分解的现象，有时被认为是“触发”作用，由化学镀铜浴快速镀出铜造成。其本质是铜的还原反应已失控，一旦开始就难以停止，最终结果是镀槽表面都镀上铜。配方错误引起的镀铜液触发分解很少见，主要原因是过程控制不当、工艺问题与维护不佳等使过多的活化剂被带入镀液内。其中，冲洗不当和挂具不良是带入活化剂的最主要原因。带入的金属材料与铜末都会触发镀液分解。使用未及时剥挂的沉铜挂篮生产时，由于多次使用，挂篮上特氟龙材质的隔离线上会累积更多的活化液，使线的附近形成一个区域性的“触发”[2]，分解出的铜便附着在对应部位的表面；因为分解过程较为快速，所以对应的铜层松散，并且有细微毛刺和凸起，电镀时就会放大而形成铜粒。

这一反应机理假设可解释以下试验事实：

(1)铜粒形态有规律。

(2)铜粒内未包裹杂质、碳粉等污染物，为实心铜粒。