PCB填铜空洞盲孔失效分析

近年来，随着数字视频、数字移动通信等电子产品的快速发展，这类产品的发展正推动PCB向轻、薄、微型、多功能、高密度、高可靠性等方向发展。 PCB上有限的布线空间导致过孔、线、线和过孔之间的紧密限制以及过孔填铜工艺的出现，使得PCB的密度提高了大约10%到30%。图1显示了一个基于通孔铜填充的HDI（高密度互连）板。

由于过孔设计能够在很大程度上节省走线空间，而且填铜盲孔可靠性高，所以镀铜盲孔具有很多优势。另外，该工艺比较简单，节省成本，操作简单。由于上述优点，镀铜盲孔将大量应用于HDI PCB制造，被认为是PCB领域的未来趋势。然而，填铜盲孔在应用中仍存在一些问题，包括过孔内凹坑过大、漏电和空洞。令 PCB 制造商头疼的是，许多复杂的元素导致过孔内出现空洞。本文将对过孔空洞产生的原因进行探讨，并提出相应的处理措施，以解决故障，提高产品良率。

故障分析

大量元素导致填铜盲孔空洞，必须从特性和形成机制的角度分析每个元素，以优化效果。

• 盲孔中的气泡

泡沫的来源是外在的引入和自身的反应。通常，PCB上需要在镀铜之前进行闪镀，以增强过孔的导电性并便于存放。板子长时间暴露在空气中容易引起严重的过孔氧化，所以停留时间不宜过长。或者说，不好的预处理会导致过孔和氧化层气泡无法消除，大大增加盲孔空洞率，如图2所示。

气泡的出现也在于铜槽的阳极反应和H2O→1/2O2+2e的反应 ^- + 2H ⁺ 当使用不溶性阳极时，将在阳极上发生。基于该反应，可以得出结论，氧气会从不溶性阳极中逸出，导致高添加剂补偿和阳极寿命延长甚至阳极钝化和PCB缺陷。因此，为了解决这个问题，在镀液中加入适量的硫酸亚铁，以消除阳极反应遵循这两个反应时从阳极逸出的氧气：Fe ²⁺ → 铁 ³⁺ + e ^- , Fe ³⁺ + 铜 → 铁 ²⁺ + e ^- .

为保证反应顺利进行，镀液中必须不断加入Cu，一般为氧化铜粉。同时，为了减少阴极上的寄生反应，对电镀液的流动性提出了更高的要求，阴极材料也有待改进。

这类空洞引起的故障多发生在盲孔底部，呈对称规则的形状。针对这一问题的改善，可以从以下几个方面进行措施：

一个。镀铜前必须控制好停留时间和储存环境。通常，没有闪镀的板子，填铜需要在4小时内完成，而完成闪镀的板子需要在12小时内完成。板材应远离酸性环境存放，如果可能的话，最好存放在有空调的房间，可以控制房间的温度和湿度。

湾。应提高预处理效果，增加必要的消泡装置。预处理是极其重要的，因为预处理铜填充电镀直接关系到填充效果。为保证预处理效果，建议使用酸性脱脂剂，并适当增加水流量。此外，在冬季水温较低（15℃以下）时，应在应用脱脂或加温装置后加少许硫酸进行水洗，以保证洗涤效果。此外，在预处理槽上还可以安装振动和空气提升阀，以消除过孔中的气泡。

C。铜槽阳极材料的选择及电流参数的控制。基于气泡的第二个来源，选择合适的铜槽阳极材料非常重要。负极材料应有助于提高负极性能，降低添加剂消耗。当电流参数过大时，会加速阳极反应，从而增加气泡数量。在这种情况下，气泡在流出时会进入盲孔，无法从孔中消除。因此，除了阳极材料的选择和电流参数的控制外，还需要在阳极网外加装阳极袋或保护层，以防止阳极产生的气泡直接进入镀液。

• 添加剂成分不平衡

铜填充镀液的成分包括硫酸铜、硫酸、氯离子和添加剂，盲孔内的填充作用是通过镀液中各组分之间的作用机制来实现的。添加剂在电镀过程中相互独立发挥各自的作用。光亮剂的作用是吸收电极界面的特性或电特性，改变沉积物的形态和性质，以获得所需的预期镀层。输送剂能够推动光亮剂向前移动阴极凹坑的每个分布。但是，除非氯离子有帮助，否则它不会起作用。输送剂由于其流平能力和均匀电镀能力，负责使分布不均变得均匀。流平剂由于在酸性溶液中具有较强的正电性，容易被电负性较强的部位吸收。然后，由于与带正电的铜离子竞争，使铜离子在低浓度区域不受铜沉积的影响，难以沉积。

控制元件和添加量非常重要，元件控制失败会导致盲孔填铜不良或空洞，如图3所示。

此原因造成的空洞失效的解决办法在于对添加成分和添加量的控制，包括：
a．添加剂流量应定期标定，确保流量准确，从而获得有效控制。
b．应根据镀液污染情况，定期对溶液进行碳处理。
c．定期对药剂成分进行分析，并通过Hull Cell实验评估添加剂含量和电镀效果，验证电镀效果是否在正常范围内，并及时进行相应调整。

• 异物原因

填铜电镀工艺线的环境、应用用品和日常生产活动都会导致不同程度的污染。各种异物或污染物在所难免。对于微小的异物，肉眼是看不见的，消除起来极其困难。一旦进入盲孔，往往会形成空洞，如下图4所示。

对于这种盲孔空洞故障，原因很容易找到。通过SEM，可以观察到盲孔中空洞的形状。因此，查明异物来源的措施包括：
a．防止外来异物进入镀液，建议采用封闭工艺线。
b．评估应用材料或药剂纯度是否达标，是否符合PCB制造要求。
c．电镀剂应定期过滤和提纯，以保证颜色的鲜艳度和清晰。

结论

当然，盲孔空洞失效的原因远不止这些，其原因有很多，包括介电常数材料分类、厚度、盲孔类型和电镀电流参数等。

综上所述，关键是要找出盲孔空洞失效的原因。同时，观察空洞破坏形态，总结经验，寻找相关规律，运用各种分析方法进行研究。此外，要根据空洞失效的机理，制定科学的操作指南，严格执行改进和预防措施，解决问题，不断提高产品的良率和可靠性。

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