PCB孔塞机理殛有效控制

【摘 要】随着线路板制作精度的不断提高,制作孔径不断缩小,制程中的小孔孔塞问题越来越成为严峻的挑战.本文试图以切片图片、实践经验、现场试验、理论分析相结合的方式,对孔塞产生原因及解决办法进行总结归纳,以期能对新入行者有所启发.

【关 键 词 】小孔径；孔塞

一、问题的起因

随着PCB制作精度的不断提高,PCB上的过孔越来越小.对于机械钻孔量产板来讲,0.3mm直径过孔已是常态,0.25mm甚至0.15mm也是屡见不鲜.伴随孔径缩小而来的,是挥之不去的过孔孔塞.小孔被塞后的板子经孔化电镀后,往往将断而未断,电测不能将基测出,最后流入客户端,经高温焊接热冲击甚至组装后使用中才东窗事发.此时才认真检讨,为时已晚了!

如果能从制作流程入手,对可能产生孔塞的工序逐一控制,防止孔塞不良的发生,将是品质改善的最佳途径.本人即试图从流程上阐述一些孔塞的机理,并给出一些有效的控制手段,以避免或减少孔塞不良的发生.

二、各工序孔塞不良的分析

众所周知,PCB制作与孔处理相关的工序有钻孔、除胶、沉铜、整板电镀、图形转移、图形电镀几大工序,因而决定了产生孔塞也是这几个工序,下面逐一介绍之.

2.1 钻孔

钻孔引起的孔塞主要有以下几类,实物切片图示如下.（见图1、2、3、4、5、6、7）

总结

虽然有人为钻孔鸣不平.但实事求实讲,钻孔仍是孔塞不良的主要产生工序之一,据笔者作的一次统计分析,发现竟有35%的孔无铜来自钻孔导致的孔塞不良.因此钻孔的管控是孔塞不良管控的重点.本人以为,以下几方面是主要管控点：

1. 依据试验结果,而不是以传统的师傅带徒弟式的经验确认合理的钻孔参数（如下刀太快则容易孔塞）；

2. 定期调校钻机；

3. 保证吸尘效果；

4. 要了解是钻刀钻在胶带上才将胶渍带入孔内的,而不是胶带本身沾到孔内的.因此,任何时候都不应将钻刀钻到胶带上；

5. 制订有效的断钻刀检测措施；

6. 不少生产厂商在钻孔后进行一次高压空气除尘机吹孔除尘处理,可以推广使用；

7. 沉铜前去毛刺工序应有超声波水洗及高压水洗（压力50KG/CM2以上）,等等.

2.2 除胶

有人担心除胶工序沉淀的泥渣会导致孔塞,但依本人的经验,除胶本身几乎不会导致孔塞,为证明这一点,笔者做了如下小试验. （见图8、9）

总结

除胶工序本身不会导致孔塞,就算有除胶沉淀物带入孔内,中和流程也能将其快速反应掉.也不用担心钻孔板屑掉缸问题.因为理论上讲,掉入除胶缸的以树脂为主要成份的钻孔粉尘在药水作用下,能完全被反应掉,剩下的玻纤丝最多也只能形成孔内毛刺而已.事实上,本人在多年的工作中,几乎没有发现证明是除胶工序形成的孔塞问题.

2.3 沉铜

沉铜工序流程冗长,是孔塞不良的多发工序,各流程都有可能对孔塞产生影响,但重点仍是对沉铜缸的管控.沉铜孔塞明显特点是铜层颜色较深,结构松散.（见图10、11、12）

沉铜工序另一容易形成孔塞的问题点是在生产聚四氟乙烯板时,一般生产厂家都是采用化学方式的聚四氟乙烯板整孔剂进行浸泡处理,而如果浸泡后水洗不及时或水洗不彻底,也会形成孔塞. （见图13、14）

总结

1. 理论上分析,从第一道流程除油开始,任何微小的金属或非金属颗粒一旦被小孔捕获,都有可能被催化调整而成为晶核并沉积上铜（当沉铜缸药水使用时间长,缸内积累的副产物增加时更是如此）,进而进入孔内形成铜粒导致孔塞,因此沉铜工序的环境维护就相当重要.

曾经有一段时间,笔者发现沉铜孔塞特别多,追查原因,发现沉铜线的天车油漆被腐蚀脱落,而天车臂上生锈严重.将此问题处理后,孔塞少了许多,分析是脱落的油漆或铁锈掉入缸中形成孔塞；

2. 与电镀不同,沉铜作业参数不当,本身就会形成铜粒.一般认为,沉铜药水存在以下副反应：

2Cu2+ + CHOH + 5OH- → Cu2O + HCOO+ + 3H2O

反应形成的Cu2O在强碱条件下形成溶于碱的Cu+,存在下面的可逆反应：

Cu2O + H2O ? 2Cu+ + 2OH-

在溶液中,一旦两个 Cu+离子碰在一起则产生以下的歧化反应：

2Cu+ → Cu + Cu2+

反应所形成的铜,是分子量级的铜粉,并且具有催化性.于是这些小颗粒成为晶核,并开始沉积铜,而如果这些小颗粒铜没有及时除去,则会慢慢变大,形成较大的铜粒,最终有可能形成孔塞,改善办法仍是维持沉铜药水适量的稳定剂含量,严格控制合适的温度及溶液PH值,以及保持连续的过滤.

2.4 整板电镀

整板电镀也是孔塞的多发流程.与后工序的图形电镀一样,整板电镀形成的孔塞明显的特点是一般为实心粒子. （见图15、16）

为了查明整板电镀孔塞的原因,笔者进行了如下的哈氏槽试验. （见图17、18、19、20、21）

总结

1. 整板电镀孔塞主要的原因在于铜缸中的铜粉,因此重点是防止铜粉的产生.夹仔退镀效果、阳极钛蓝袋破损、添加铜球时掉缸应是管控的重点,当然连续过滤是非常必要的；

2. 非导电的槽内浮游物（即使是极性的非金属物质）,不会形成孔塞.金属性的导电小颗粒才会形成孔塞.管控重点应是电镀线振动马达支撑架的清洁.长时间振动下,金属性支架在长时间磨擦下,有可能形成能导电小微粒,被小孔捕获后形成孔塞；天车腐蚀生锈产生的小颗粒掉入缸中,也是可能原因之一,应加以预防.

2.5 图形转移

图形转移工序在某些作业参数不当时,会形成一种业界普遍认同的干膜塞孔导致的孔无铜不良,但一般很难看到孔塞的真实状况,我们不妨将之称为“隐性孔塞”.（见图22）

总结

上述图形转移形成的“隐性孔塞”,很难逮到真正的实物.但此种不良的成因,已为大多数业者认同,改善之途仍是控制好贴膜参数,做好显影机的保养工作,防止显影机内的干膜屑进入孔内.

2.6 图形电镀

图形电镀（以下简称二铜）很容易形成板面铜粒,而较少发现二铜导致的孔塞,分析原因有二：

其一,二次铜的电镀时间一般较长,厚度较厚,即使有夹仔上铜,也已紧紧固着在夹仔上,很难掉入缸中形成孔塞.而时下电镀一般为自动线作业,板子带电下缸,因此夹仔上铜也没有机会溶入缸中形成铜粉.对比一次铜,相当于少了一个铜粉来源,下图切片清楚表明了这一点.（见图23）

其二,要形成孔塞,电镀液中的导电微粒要比孔小才有机会被吸附进入孔内.即使吸附进入孔内,在缺少一铜的增大情形下,孔内仍有间隙,药水仍可交换,因此孔内可正常镀上二铜和锡,此时即使有孔塞,也没有完全塞满,对性能无大影响,通常仍能过关,因此较少被人注意.只有二铜将孔镀满,镀不上锡时,才会形成不良.

二铜孔塞的改善大体与一铜相类似,此处不再赘述.

而一铜和二铜缸中外来导电微粒形成的孔塞,已有很多相关的论述,此文中也不多加赘述.

三、结束语

众所周知,PCB制作过程中,牵涉到孔加工的工艺流程冗长,形成孔塞的原因多种多样,非常复杂,本文不可能一一列举并加以说明.本文的目的在于总结笔者工作中积累的点点滴滴,以多样切片图片的形式,力求真切生动地予以呈现,如能达到增强读者的感性认识、厘清似是而非的观念之目的,则本人倍感欣慰了.无奈笔者学识水平所限,不足及错误在所难免,还望高明指教.

第一作者简介：

谭年明；深圳市星河电路有限公司工艺部高级工程师；多年线路板工艺从业经验； 长期致力于新工艺技术的攻克、研究工作.