镀通孔的制造流程模板.doc

镀通孔
7.1製程目标
　　雙面板以上完成鑽孔後即進行鍍通孔(Plated Through Hole , PTH)步驟，其目标使孔壁上之非導體部份之樹脂及玻纖束進行金屬化( metalization ), 以進行後來之電鍍銅製程,完成足夠導電及焊接之金屬孔壁。
　　1986年，美國有一家化學企业Hunt 宣佈PTH不再需要傳統貴金屬及無電銅金屬化製程,可用碳粉塗佈成為通電媒介，商名為"Black hole"。之後陸續有其它不一样base產品上市, 國內使用者很多. 除傳統PTH外, 直接電鍍(direct plating)本章節也會述及.
7.2製造步骤
　　去毛頭→除膠渣→PTHa一次銅
7.2.1. 去巴里 (deburr)
　　鑽完孔後,若是鑽孔條件不適當,孔邊緣有1.未切斷銅絲2.未切斷玻纖殘留,稱為burr.因其要斷不斷,而且粗糙,若不將之去除,可能造成通孔不良及孔小,所以鑽孔後會有de-burr製程.也有de-burr是放在Desmear之後才作業.通常de-burr是用機器刷磨,且會加入超音波及高壓沖洗應用.可參考表4.1.

7.2.2. 除膠渣 (Desmear)
　　A.目标:
　　　 a. Desmear
　　　 b. Create Micro-rough增加adhesion
　　B. Smear產生原因:
　　　 由於鑽孔時造成高溫Resin超過Tg值，而形成融熔狀，終致產生膠渣。
　　　 此膠渣生於內層銅邊緣及孔壁區，會造成P.I.(Poor lnterconnection)
　　C. Desmear四種方法:
　　　 硫酸法(Sulferic Acid) 、電漿法(Plasma)、鉻酸法(Cromic Acid)、 高錳酸鉀法(Permanganate).
　　　 a. 硫酸法必須保持高濃度，但硫酸本身為脫水劑很難保持高濃度，且咬蝕出孔面光滑無微孔，並不適用。
　　　 b. 電漿法效率慢且多為批次生產，而處理後大多仍必須配合其它濕製程處理，所以除非生產特殊板大多不予採用。
　　　 c. 鉻酸法咬蝕速度快，但微孔產生並不理想，且廢水不易處理又有致癌潛在風險，故漸被淘汰。
　　　 d. 高錳酸鉀法因配合溶劑製程，能够產生微孔。同時由於還原電極推出，使槽液安定性獲得較佳控制，所以现在較被普遍使用。
7.2.2.1 高錳酸鉀法(KMnO4 Process):
　　A.膨鬆劑(Sweller):
　　　 a. 功效:軟化膨鬆Epoxy，降低 Polymer 間鍵結能，使KMnO4 更易咬蝕形成 Micro-rough 速 率 作 用 Concentration
　　　 b. 影響原因: 見圖7.1

　　　 c. 安全:不可和KMnO4 直接混合，以免產生強烈氧化還原，發生火災。
　　　 d. 原了解釋:
　　　　 (1) 見圖7.2

　　　　　　早期溶出可降低較弱鍵結，使其鍵結間有了明顯差異。若浸泡過長，強 鏈結也漸次降低，終致整塊成為低鏈結能表面。假如達到如此狀態，將無法形成不一样強度結面。若浸泡過短，則無法形成低鍵結及鍵結差異，如此 將使KMnO4咬蝕難以形成蜂窩面，終致影響到PTH效果。
　　　　 (2) Surface Tension問題:
　　　　　　 無論大小孔皆有可能有氣泡殘留，而表面力對孔內Wetting也影響頗大。故 採用較高溫操作有助於降低Surface Tension及去除氣泡。至於濃度問題， 為使Drag out降低減少消耗而使用略低濃度，事實上較高濃度也可操作且速 度較快。
　　　　　　 在製程中必須先Wetting孔內壁，以後才能使藥液進入作用，否則有空氣殘 留後續製程更不易進入孔內，其Smear將不可能去除。
　　 B. 除膠劑 (KMnO4 ):
　　　 a. 使用KMnO4原因:選KMnO4而未選NaMnO4是因為KMnO4溶解度較佳,單 價也較低。
　　　 b. 反應原理:
　　　　　　 4MnO4- + C + 4OH- → MnO4= + CO2 + 2H2O (此為主反應式)
　　　　　　 2MnO4- + 2OH- → 2MnO4= + 1/2 O2 + H2O (此為高PH值時自發性分解反應)
　　　　　　 MnO4- + H2O → MnO2 + 2OH- + 1/2 O2 (此為自然反應會造成Mn+4沉澱)
　　　 c. 作業方法:早期採氧化添加劑方法，现在多用電極還原方法操作，不穩 定問題已獲解決。
　　　 d. 過程中其化學成份狀況皆以分析得悉，但Mn+7為紫色, Mn+6為綠色,Mn+4 為黑色，可由直觀色度來直接判斷大略狀態。若有不正常發生，則可能 是電極效率出了問題須注意。
　　　e. 咬蝕速率影響原因: 見圖7.3

　　　f. 電極好處:
　　　　 (1).使槽液壽命增長
　　　　 (2).品質穩定且無By-product，其兩者比較如圖7.4:

　　　g. KMnO4形成Micro-rough原因: 由於Sweller造成膨鬆，且有結协力之強弱，如此使咬蝕時產生選擇性， 而形成所謂Micro-rough。但如因過度咬蝕，將再度平滑。
　　　h. 咬蝕能力也會隨基材之不一样而有所改變
　　　i. 電極必須留心保養，電極效率較難定出絕對標準，且也很難確認是否足夠 應付實際需要。故平時所得經驗及廠商所提供資料，可加一係數做計算， 以為電極需求參考。
　　C. 中和劑(Neutralizer):
　　 　a. NaHSO3是可用Neutralizer之一，其原理皆類似Mn+7 or Mm+6 or Mn+4(Neutralizer)->Mn+2 (Soluable)
　　　 b. 為免於Pink Ring，在選擇Acid base必須考慮。HCl及 H2SO4系列全部 有，但Cl易攻擊 Oxide Layer，所以用H2SO4為Base 酸較佳。
　　　 c .藥液使用消耗分別以H2SO4及Neutralizer，用Auto-dosing 來補充，維 護。
7.2.2.2 .整條生產線考慮:
　　 A.Cycle time：每Rack(Basket)進出某類槽頻率(時間)
　　 B.產能計算:
　　　　 (Working hours / Cycle time)*( FIight Bar / Hoist)*(Racks/Flight Bar)*(SF/Rack)= SF/Mon
　　 C.除膠渣前Pre-baking對板子影響:見圖7.5

　　　 a.由於2.在壓合後己經過兩次Cure，結構會比1,3 Cure更完全，故Baking 會使結構均一，壓板不足處得以補償。
　　　 b.多量氧，氧化了Resin間Bonding，使咬蝕速率加劇2~3倍。且使1,2,3 區較均一。
　　　 c.釋放Stress，減少產生Void機會.
7.2.2.3. 製程內关键反應及化學名稱:
　　A．化學反應:
　　　 a .关键反應
　　　　　 4MnO4- + 4OH- + Epoxy→ 4MnO4= + CO2↑ + 2H2O
　　　 b. 副反應：
　　　　　 2MnO4- + 2OH- ←→ 2MnO4= + 1/2O2 + H2O (Side reaction)
　　　　　 MnO4= + H2O (CI-/SO4= /Catalize Rx.) → MnO2↓ + 2OH- + 1/2 O2
　　　　　 (Precipitation formation)
　　　　　 2MnO4= + NaOCI + H2O → 2MnO4- + 2OH- + NaCI
　　　　　 4MnO4= + NaS2O8 + H2SO4 → 4MnO4- + 2OH- + 2Na2SO4
　　　　　 4MnO4= + K2S2O8 + H2SO4 → 4MnO4- + 2OH- + 2K2SO4
　　　　　 (For Chemical regeneration type process reaction)
　　　　　 2MnO4= + 1/2 O2 + H2O ←→2MnO4- + 2 OH-
　　　　　 (Electrolytic reaction: Need replenish air for Oxgen consumption)
　　 B.化學品名稱：
　　　　　 MnO4-　　Permanganate 　　　　　 NaS2O8 　　　Sodium Persulfate
　　　　　 MnO4=　　Manganate 　　　　　　 S2O4- 　　 　 Sulfate
　　　　　 OH- 　　　Hydroxide(Caustic) 　　　CO2 　　　　Carbon Dioxide
　　　　　 NaOCI 　　Sodium Hydrochloride 　　MnO2 　　　Manganese Dioxide
7.2.2.4.经典Desmear Process: 見表

7.2.2.5. Pocket Void解釋:
　　A.說法一:Sweller殘留在Glass fiber中，在Thermal cycle時爆開。
　　B.說法二: 見圖7.6

　　　 a．壓板過程不良Stress積存，上鍚過程中力量釋出所致
　　　 b．在膨漲中假如銅結协力強，而Resin釋出Stress方向呈Z軸方向，當Curing 不良而Stress過大時則易形成a之斷裂，假如孔銅結协力弱則易形成B 之Resin　recession，結协力好而內部樹脂不夠強軔則出現c之Pocket void
　　　C﹒假如爆開而形成銅凸出者稱為Pull away
7.2.3 化學銅(PTH)
　　PTH系統概分為酸性及鹼性系統，特征依基础觀念而有不一样。
7.2.3.1 酸性系統：
　　A.基础製程：
　　　 Conditioner → Microetch→ Catalpretreatment→ Cataldeposit→ Accelerator→ Electroless Deposit
　　B.單一步驟功效說明：
　　　 a. 整孔 Conditioner：
　　　　 1. Desmear後孔內呈現Bipolar現象，其中Cu呈現高電位正電，Glass fiber、Epoxy呈負電
　　　　 2. 為使孔內呈現適當狀態，Conditioner含有兩種基础功效
　　　　　 (1)Cleaner： 清潔表面
　　　　　 (2)Conditioner： 使孔壁呈正電性，以利Pd/Sn Colloid負電離子團吸附
　　　　 3. 通常而言粒子間作用力大小如表

　　　　　所以此類藥液系統會有吸附過多或Colloid過多吸附是否可洗去之顧慮
　　　　 4. Conditioner若Drag In 至 Activator槽，會使Pd+離子團降低
　　　 b. 微蝕 Microetch
　　　　 1. Microetching意在清除表面之Conditioner所形成Film
　　　　 2. 此同時亦可清洗銅面殘留氧化物
　　　 c. 預活化 Catalpretreatment
　　　　 1. 為避免Microetch形成銅離子帶入Pd/Sn槽，預浸以減少帶入
　　　　 2. 降低孔壁Surface Tension
　　　 d. 活化 Cataldeposit
　　　　 1. 通常Pd膠體皆以以下結構存在： 見圖7.7

　　　　 2. Pd2+：Sn2+：Cl- = 1：6：12較安定
　　　　 3. 通常膠體架構方法是以以下方法結合：見圖7.8
當吸附時由於Cl會產生架橋作用，且其半徑較大使其吸附不易良好，尤其假如孔內Roughness不適當更可能造成問題。
　　　　 4. 孔壁吸附了負離子團，即中和形成中和電性
　　　 e. 速化 Accelerator
　　　　 1. Pd膠體吸附後必須去除Sn，使Pd2+曝露，如此才能在未來無電解銅中產生催化作用形成化學銅
　　　　 2. 基础化學反應為：
　　　　　　 Pd+2/Sn+2 (HF)→Pd+2(ad) + Sn+2 (aq)
　　　　　　 Pd+2(ad) (HCHO)→Pd(s)
　　　　 3. 通常而言Sn與Pd特征不一样，Pd為貴金屬而Sn則不然，所以其主反應能够下：
　　　　　 　Sn+2a Sn+4 + 6F- → SnF6-2 or Sn+2 + 4F- →SnF4-2
　　　　　 而Pd則有兩種情形：
　　　　　　PH>=4 Pd+2 + 2(OH)- → Pd(OH)2
　　　　　　PH<4 Pd+2 + 6F- → PdF6-4
　　　　 4. Pd吸附在本系統中本身就不易均勻，故速化所能發揮效果就極受限制。除去不足時會產生P.I.，而過長時則可能因為過份去除產生破洞，這也是何以Back_light觀察時會有缺點原因
　　　　 5. 活化後水洗不足或浸泡太久會形成Sn+2 a Sn(OH)2 或 Sn(OH)4，此易形成膠體膜. 而Sn+4過高也會形成Sn(OH)4，尤其在Pd吸太多時易呈PTH粗糙
　　　　 6. 液中懸浮粒子多，易形成PTH粗糙
　　　 f. 化學銅沉積Electroless Deposit
　　　　 1. 利用孔內沉積Pd催化無電解銅與HCHO作用, 使化學銅沉積
　　　　 2. Pd在化學銅槽功效有二：
　　　　　　 (1) 作為Catalyst吸附 H- 之主體，加速HCHO反應
　　　　　　 (2) 作為Conductor，以利e-轉移至Cu+2上形成Cu沉積
　　　　 3. 其基础反應及Mechanism見圖7.9a ; 7.9b ：

　　　　 4. 由於槽液在操作開始時缺乏H2含量，故其活性可能不夠，而且改變溫度也易使槽液不穩定。故在操作前通常先以Dummy boards先行提升活性再作生產，才能達到操作要求
　　　　 5. Bath loading也因上述要求而有極大影響，太高Bath loading會造成過度活化而使槽液不安定。相反若太低則會因H2流失而形成沉積速率過低。故其Max與Min值應與廠商確認做出建議值
　　　　 6. 假如溫度過高，[NaOH], [HCHO]濃度不當或Pd+2累積過高全部可能造成P.I.或PTH粗糙問題
　　　 g. 整個反應狀態見圖7.10所表示

7.2.3.2、鹼性系統：
　　A. 基础製程：
　　　　 Conditioner→ Etch Cleaner→ Catalpretreatment→ Activator→ Reducer→ Electroless Copper
　　B. 單一步驟功效說明
　　　　 a. Conditioner：Wetting agent + 10 g/l NaOH (A)
　　　　　 1. 以Wetting agent觀念，而非電性中和，如此可形成較薄Film約300A，且均勻而不致有附著不上或太厚之虞
　　　　　 2. 基础方法係以親水基與疏水基之特有Dipol特征使Wetting agent被水排擠，快速吸附至孔壁。因其形成之單層膜不易再附上其它Conditioner而與Cleaner共同作用洗去多餘雜質
　　　　　 3. 其設計是一道酸一道鹼藥液浸泡，使各種不一样來源板子皆有良好wetting作用,其Formula：Wetting agent + 10 ml/l H2SO4
　　　　　 4. 若水質不潔而含M+2(如：Ca+2、Mg+2、Fe+2等)則Amine及Wetting agent易與之結合而形成沉澱，故水質硬度應特別留心
　　　　　 5. 當板子浸入水中，Cu正電快速與OH-中和而呈負電。而Dipol靜電力有限，不致形成多層覆蓋，故無Over condition顧慮
　　　　 b. Etch cleaner：(SPS 與 H2SO4/H2O2兩種 )
　　　　　 基础功效與酸性系列相同(SPS：10g/l)
　　　　 c. Catalpretreatmen)：同Activator但少Complex
　　　　 d. Activator：Activator + Pd(Amine) complex
　　　　　 1. 基础上此系列Pd，是由Amine類形成Complex，
　　　　　 2. 其特點以下：
　　　　　　 (1) Pd(Amine)+2呈正電荷，可吸附在Conditioner上而甚少吸附在銅上，少有P.I.問題
　　　　　　 (2) 沒有Sn形成Colloid，其粒子較小，結晶較密且少有Sn(OH)2、Sn(OH)4析出問題。也沒有Sn+2 + Fe+2 a Sn+4 +Cu作用。
　　　　　　 (3) 無Cl-在外圍，由於Cl-會與Polyimide材料產生作用，故無Cl-會有較廣適用性
　　　　　　 (4) 由於Pd(Amine)+2 asPd+2+Amine為一平衡反應，吸附反應十分快，且由於粒子小空隙低所以緻密性佳。
　　　　　　 (5) Impurity少有殘留，且吸附Pd+2少，故能有較少P.I.機會
　　　　　　 (6) 由於無Cl-, 對Black-Oxideattack相對減少，故Pink Ring較輕微
　　　　　　 (7) 由於吸附較密，將來作無電解銅時Coverage也會較密較好
　　　　 e. 整個反應狀態見圖7.11所表示

7.2.4一次銅(Panel plating)
　　非導體孔壁經PTH金屬化後，立即進行電鍍銅製程, 其目标是鍍上200~500微英吋以保護僅有20~40微英吋厚化學銅被後製程破壞而造成孔破(Void)。有關銅電鍍基础理論及實際作業請參看二次銅更詳細解說.
7.3. 厚化銅 　　　　
　　傳統金屬化之化學銅厚度僅約20~30微吋，無法單獨存在於製程 中，必須再做一次全板面電鍍銅始能進行圖形轉移如印刷或乾膜。但 若能把化學銅層厚度提升到100微吋左右，則自然能够直接做線路轉移工 作，無需再一道全板電鍍銅步驟而省卻了設備，藥水、人力、及時間，並達 簡化製程減少問題良好目標。 所以有厚化銅製程出現，此一方法已經實際 生產線上進行十數年，由於鍍液管理困難分析添加之設備需要較高層次之技 術，成本居高不下等, 此製程已經勢微. 　　
　　厚化銅領域又可分為 :
　　 A."半加成Semi-Additive"式是完全為了替换全板面電鍍銅製程.
　　 B."全加成Fully Additive"式則是用於製造加成法線路板所用。日本一些商 用消費性電子產品用24小時以上長時間全加成鍍銅，而且只鍍在孔及線 路部份.日本之外尚不多見, 高雄日立化成數年前还有CC-41製程, 现在已關掉該生產線
7.3.1 厚化銅基础觀念
　　a. 厚化銅也仍然採用與傳統無電銅相同配方，即仍以銅離子、強鹼、及甲醛做為反應原動力，但與溫度及其所產生副產物關係較大。
　　b. 無電銅因厚度很薄, 內應力(inner Stress) 影響不大故不需重視，但厚化銅則必須考慮。也就是說厚化銅與板面銅箔間附著力也為關鍵 ，應特別注意其鍍前活化之過程如整孔及微蝕是否完美。控制不好時可能發生孔壁剝離(pull away)及板面脫皮。
　　c. 厚化銅之外表能接收油墨或乾膜之附著，所以印刷前儘少做磨刷或其它化學粗化。在阻劑完成轉移後又要能耐得環境氧化, 而且也要耐得最低起碼活性清洗及活化。
　　d. 厚化銅关键目标是既能完成非導體金屬化同時又可替换一次鍍銅 ，能夠發揮大量設備、人力、物料、及操作時間節省，但化學銅槽本身比傳統無電銅要貴，管理不易，要利用特定自動添加設備。
　　e. 前處理之各製程比傳統PTH要更謹慎，原因是化學銅沉積是靠銅離子在板子上之活化生長點(Active sites)還原出銅金屬並增厚，當此等生長點被銅覆蓋後其它板面上又逐次出現新生長點再接收銅沉積，電鍍銅沉積則不仅向上發展, 也能橫向延伸。故萬一底材未能在前處理製程中完成良好活化時則會造成孔破(Hole Void)，而且經過乾膜或印刷後, 可能進一步惡化，終必成為板子品質上極大隱憂。
7.4 直接電鍍(Direct plating)
　　由於化學銅製程中，有很多對人體健康有害成份(如甲醛會致癌)，和廢水處理(如有Chelate)有不良影響成份，所以早在10多年前就有替换傳統PTH所謂Direct Plating(不須靠化學銅銅當導體)商品出現，至今在台灣量產亦有很多條線。但放眼國外，除歐洲應用者很多以外，美、日(尤其是美國)並不普偏，部分大電子企业(如製造電腦、大哥大等)並不Approve直接電鍍製程，這也是國內此製程普及率尚低原因之一。
7.4.1直接電鍍種類
　　大致上可歸為三種替换銅導體
　　 A. Carbon-碳粉(Graphite同)
　　 B. Conductive Polymer-導體高分子
　　 C. Palladium-鈀金屬
7.4.2直接電鍍後續製程有兩種方法:
　　A. 一次鍍銅後,再做影像轉移及二銅
　　B. 直接做影像轉移及線路電鍍
7.4.3表歸納现在國內己使用中直接電鍍各商品之分析，供業界參考。

　　本章中介紹了傳統薄化銅, 厚化銅和直接電鍍等幾種鍍通孔方法.未來製程走勢:
　　 A. 縮短製程
　　 B. 減少污染
　　 C. 小孔通孔能力
　　 D. 降低成本
　　 E. 底材多樣化處理能力
　　 而此製程是PCB製作基礎工程,若處理不好影響良率及信賴度所以要仔細評估與選擇何種藥水及設備.