问题排除之故障检测晶塔PCB系列—孔壁脱离
by Michael Carano
August 1, 2007
与金属化工艺相关的最严重的问题中（除空洞外）有一个是孔壁脱离（HWPA）问题。简单说来，HWPA是一个存在化学镀铜沉积粘合力不足的区域或PTH内的区域。该缺陷小到为很微小的起泡现象，大到大面积的粘接力不足。 图1所示为HWPA的一个例子图1中，孔壁脱离（HWPA）相当严重，表现为大面积镀层不粘合。
图2显示出经过一次焊接后的起泡，该缺陷比图1所示的缺陷程度更普遍。
该文章将对各类的HWPA及起因进行讨论。自树脂回缩后，电镀槽中的另一个小恶魔通常与HWPA混淆，我们此处也将讨论对其起因和与孔壁脱离（HWPA）的分别。并且将与您 一起来看一下一些解决这些问题的常用方法。孔壁脱离（HWPA）起因与其他PCB或组装上的任何缺陷一样，可能性的起因是多方面的，HWPA的起因也一样。以下是孔壁脱离（HWPA）的最常见的起因。化学镀铜工艺过分活跃孔壁脱离的一个重要起因是铜沉积太快，导致了受应力的条件。沉积中固有的应力导致了铜从基材上脱离。如果这是起因，以下是一些可能到原因的地方： ·检查化学镀铜沉积率面板上沉积率，检查是否由于化学镀铜溶液的过温情况而引起沉积率增加。 ·查看溶剂中甲醛、碱、铜成分的比例，尤其是如果该工艺由这些外加剂操作窗控制时。碱浓度偏高将导致沉积率升高。 ·检查化学镀铜沉积的晶格结构（grain structure）。当不锈钢液压管接头
HWPA不存在时与以上结果比较。 去钻污操作使在树脂上遗留的表面形貌结构偏少 表面形貌结构差通常与过锰酸盐工艺相关。较高Tg树脂抗去钻污化学液能力较强，因此表面形貌结构和树脂的去除程度超过了偏好值。使用重量损耗测量法将呈现一些证据，即用一个带相同树脂结构的小样品，经过现有条件下的去钻污工序。在去钻污后对PTH进行SEM，可获得树脂上表面形貌结构较好的画面。图3是树脂表面形貌结构极好的一个清晰图例。该表面提供足够的表面来提高催化剂吸收，并为其后的的铜金属化提供粘接点。很显然，solvent swell（碱性高锰酸盐工序的第一个工艺步骤）不足以减弱树脂中ymer-polymer间的结合力。这将导致树脂去除不足和表面形貌结构不足。
但是，溶液侵入树脂结构中过多也是有害的。高锰酸盐溶液不仅氧化了减弱后的树脂结构中polymer结合，也氧化过量的溶剂。过量的溶剂将导致HWPA和其他问题。需要避免图4中所示的情况。该形貌结构非常光滑，将最小化催化剂吸收和其后最小的均匀金属化。该光滑形貌结构也将减小铜与树脂间的粘接力。光滑形貌结构的通常起因是：
· 与溶剂步骤的接触时间不足 · 溶剂与树脂结构不匹配
· 碱性高锰酸盐溶液中的时间和温度不足 · 高锰酸盐溶剂中锰组成低于20 g/ L
· 高锰酸盐溶剂中碱含量太低
接下来，我们将研究HWPA的其他起因，并提供一些使用碱性高锰酸盐去除各类树脂结构的有效贴士。
孔壁脱离（HWPA）起因研究
一个生产商经历了不规律HWPA的情况。缺陷出现在在FR-4材料上、小孔和大孔上都有、6-8层板上明显。制造商引进了EDTA的化学镀铜（中等沉积）24个月，用于在30分钟内沉积50-60微英寸的铜。操作温度定为75 到5 °F。
在存照问题起因的过程中，电镀线操作员报告说没有偏离工序规定，但目检一些面板时发现电镀后的铜上有明显颜较深的情况。另外，重量损耗测量法表明，有一些时候，记录
到的沉积高达0-100微英寸。
使用过度电镀后的板制样后经过浮焊，几个样品显示出了高度HWPA。主要起因很简单：化学镀铜沉积时在受应力条件下。记住这个特定的化学镀铜工序中公式是30分钟内沉积50 到60微英寸，而不是相同时间内90到100微英寸。对更高的沉积率另有公式，但这一情况不是。当化学超过其能力时，异常情况就出现了。
现在让我们看问题的起源。化学镀铜溶液是通过一根单通道控制器监控工作溶液含量来维护的。 根据铜的分析，补充其他的化学物质使达到比例，维持工作范围的工序。这就是说氢氧化钠的含量是根据加铜后的铜来确定加入的。不幸的是，在这个案例中，感铜的感应器没有调零，因此，在溶液中铜含量正常的情况下，“控制器”却认为铜含量偏低。由于误计算，另加的铜和氢氧化钠使得含量偏高。氢氧化物比要求值偏高，使沉积率超过要求的50到60微英寸。请记住，任何可导致超过正常沉积率的工序的变化都可造成HWPA。
树脂回缩
树脂回缩与其说是电镀/金属化缺陷，不如说是材料问题。如果不仔细的话，树脂回缩会与
、也经常与HWPA混淆。树脂回缩是树脂未固化完全的结果。当带未固化完全的树脂和层压板经过锡焊冲击或其他热冲程后，带有未完全固化树脂的区域将容易发生收缩。
一种区分HWPA和树脂回缩的方法是仔细看晶相切片。如果是HWPA， 将会看到基材面的侧壁是直的，而镀层铜向外弯（见图1）。如果是树脂回缩，孔中的镀层铜是直的，而树脂是往回收的。
在未完全固化的层压板中树脂回缩是最常见的。如果你经历过树脂回缩后，请让你的层压板供应商使用热机械分析（TMA）或示差量热扫描仪（DSC）检查固化程度。固化不完全的材料将在热冲程的过程中收缩或退缩。
取决于使用的去钻污化学药剂类型，一些材料的组合也可以增大树脂回缩的程度。如果高锰酸盐前使用的溶剂过分活跃，其渗入到树脂中，树脂回缩将较明显。如果使用百分百有机溶剂做溶剂处理，应考虑使用一种不同的溶剂系统或基于减少的浓度的系统。
高性能树脂结构的去钻污
解决这种由抗化学能力更强的树脂引起的问题，如170-180 Tg 范围内的FR-5、 BT、 和FR-4材料，发展了一种新的方法来敏化（solvent swell）化学药剂。这一专利系统是通过仔细选择一定溶解度参数范围内可生物降解溶剂来设计的。通过仔细匹配溶剂的溶解度参数和树脂的关系，可达到最佳的渗透度。通过最佳溶剂/树脂的相互反应，高锰酸盐在微粗糙化表面形貌结构和去除过量树脂时更有效。标准商用系统不能满足强化表面形貌结构的严格标准。因此，必须研发一种新的系统对高性能树脂进行树脂移除。很显然修改后的solvent swell系统对一些抗化学药剂的材料形成纹理和树脂移除是必要的。表1也显示了使用标准溶剂系统和修改工序后的树脂中重量减少程度。
高Tg FR-4 170 Tg标准溶剂系统
三基荧光粉 Hole Swell 商用或丁基/碱性系统
高锰酸盐 80 g/l KMnO4
溶角蛋白酶45 g/l NaOH
备注：在高Tg 材料上丁基/防止冷凝水碱性系统中重量的减少比理想值偏少。
修改后的溶剂系统—高Tg FR-4材料
0.25 to 0.32 mg/cm2 重量减少
Hole Swell 修改后的溶剂系统 5 分钟/160 °C
高锰酸盐 80 g/l KmnO4
45 g/l NaOH 15分钟/175 °C
备注：修改后溶剂系统改善了在高Tg材料的渗透度，使高锰酸盐能够增大树脂移除的程度并对树脂进行足够粗糙化，来增强金属化层后来的粘接力。
任何树脂结构的表面形貌结构少于理想程度都代表与后续金属化工序相关的问题。光滑的表面形貌结构与催化剂（来自化学镀铜工序）和直接金属化工序中导电涂层的接触面积偏少。
高Tg 树脂对某些去钻污系统有较高的抗化学性。溶剂处理器必须要有能力渗透到polymer树脂结构中并减弱这些南瓜加工polymer与polymer间的粘接。起作用的氧化对树脂的蜂窝表面负责。但是，随着溶剂相互反应和树脂渗透程度减少，将出现更少的表面形貌结构。请记住，修改后的溶剂系统不会溶解树脂。通过swelling作用，该溶剂实际上防止了溶剂更深度的渗透。
高Tg 材料当然会出现较低的树脂去除率。但是经验告诉我们，实际上树脂移除在表面形貌结构达到一定程度后就不是一个问题。需要表面形貌结构来增强化学镀铜催化剂或直接金
属化中电沉解用导电材料的吸收率和粘接力。当使用高级材料如聚酰亚胺、 PPE、 PPO 和氰酸酯树脂等相似的规则也适用。
无论如何，对树脂去钻污问题有了更好的理解后，工程师也必须对金属化工艺严加注意。
1.化学镀铜沉积率过高将导致受应力的沉积，这一情况将通过把孔壁拉离来应力。（例如）金属化工序定为30分钟沉积50-60微英寸的铜，但实际上沉积的量大大超过（例如90到100微英寸），这是一个危险的信号。速率样品应作为工序控制的部分。什么导致了沉积率的升高？首先，检查化学镀铜溶液的操作温度。比规定温度偏高的的温度将导致比正常沉积率更快的速率。仔细分析化学镀铜溶液。确保所有关键成分—碱含量、铜、螯合剂、稳定剂和还原剂。碱含量比正常偏高将造成沉积率加快。该工序必须一直进行控制。稳定剂可帮助降低沉积率。如果稳定剂太慢，沉积率将比正常值高。另有一些因素会导致HWPA。活化步骤（钯催化剂）停留时间超长和/或效率不高的后续活化将导致这一缺陷。基本上，钯含量超量将导致电镀率偏高，因此导致受应力的沉积。过量的钯可以在化学镀铜和孔壁之间表现为一道壁垒。基材与铜的粘接不强，这里的薄弱的粘接在各种应力条件
下导致了粘接力的损失。
2.清洗/处理步骤是HWPA缺陷的另一个潜在起因。公式中表面活性剂的碱性（帮助改善玻璃上的电镀覆盖）也可以形成壁垒。确保在这个工序步骤后有足够的洗涤。一些表面活性剂比其他的更难洗涤。这一情况会导致HWPA。如果HWPA普遍存在，换不同的清洗剂/处理剂或减少浓度、操作温度、和/或停留时间。一些处理剂比其他处理剂有更高的钯吸收。有额外的钯吸收后，存在的壁垒更多，超多化学镀铜沉积潜在存在更大。
不要忽略这一缺陷的其他起因。图5中，注意这里有一个孔壁脱离缺陷。近看发现一些碎物（有很大可能是从钻孔上残留）是起因。调查钻孔的设置，包括垫板、叠板数、进入垫板的钻孔深度和钻机上是否吸尘差。所有这些因素都可以在孔中遗留碎物。
回顾
当我们讨论HWPA时，生产商绝对有必要深思熟虑。当您看这篇文章时，就有很多相互关联的因素导致HWPA，所有非常有必要（尽快而有方法地）进行适当的调查并到根源或任何缺陷的起因
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