高多层PCB非金属化孔粘金的原因分析与改善方案.pdf

2023年7月第4期78付艺 向铖（珠海方正电路板发展有限公司-研究院，广东 珠海 5 1 9 1 7 5）通过置换反应在镍的表面镀上一层金，通常化学镍金反应只发生在表面焊盘和金属化孔(PTH)内壁，而非金属化孔(Non-Plating Through Hole，NPTH)因孔壁无铜而不发生反应。但是，高多层 PCB 的设计和制造流程非常复杂，前后流程相互影响，存在各种各样的因素引起 NPTH 粘金。NPTH 一般是定位孔及螺丝孔，NPTH 粘金可能引起 PCB 层间短路或漏电，从而影响装配后组件的性能(图 1)，因此，业界对 NPTH 粘金问题的处理一般都较为谨慎。目前，PCB 行业对于印刷电路板(Printed circuit board,PCB)是由许多复杂的工艺流程加工而成，其中，表面化学镍金处理是 PCB 加工的关键流程之一。化学镍金流程是通过化学反应在铜的表面置换钯，再在钯核的基础上化学镀上一层镍磷合金层，然后再高多层 PCB 非金属化孔粘金的原因分析与改善方案Root Cause Analysis and Improvement Action for Excessive Metal in NPTH of High Layer Count PCBFu Yi，Xiang Cheng【摘要】非金属化孔粘金是化学镍金或镍钯金工艺的常见缺陷之一，会引起电路板可靠性风险。高多层 P C B非金属化孔粘金的失效模式可分为 4大类，包括孔壁铜蚀刻不净、钻孔孔壁粗糙、活化剂残留和除钯不净。高多层板的制作流程复杂多样，需要根据不同的失效模式结合制作流程制定相应的改善方案。本文总结了非金属化孔粘金的各种原因和改善措施，为 P C B制造同行解决类似问题提供参考。A b s t r a c t E x c e s s i v e me t a l i n N P T H i s o n e o f t h e f a mi l i a r d e f e c t s i n E N I G a n d E N I P I G p r o c e s s e s,wh i c h wi l l b r i n g P C B r e l i a b i l i t y r i s k.T h e r e a r e 4 t y p e o f f a i l u r e mo d e l s wi t h E x c e s s i v e me t a l i n N P T H o f h i g h l a y e r c o u n t P C B i n c l u d i n g r o u g h d r i l l i n g h o l e wa l l,u n d e r e t c h i n g i n h o l e wa l l,c a t a l y s t r e s i d u e a n d p o o r a n t i-p a l l a d i u m.S i n c e t h e f a b r i c a t i n g p r o c e s s o f h i g h l a y e r c o u n t P C B i s c o mp l e x a n d d i f f e r e n t,i t n e e d s t o t a k e c o r r e s p o n d i n g i mp r o v e me n t a c t i o n s b a s e d o n t h e d e t a i l f a i l u r e mo d e l s a n d ma n u f a c t u r i n g p r o c e s s.T h i s a r t i c l e s u mma r i z e s t h e r o o t c a u s e s a n d a c t i o n s o f v a r i o u s k i n d s o f e x c e s s i v e me t a l i n N P T H,a n d p r o v i d e s r e f e r e n c e f o r P C B ma n u f a c t u r i n g p e e r s t o i mp r o v e t h e s a me p r o b l e m.【关键词】非金属化孔；非金属化孔粘金；电路板；化学镍金；失效模式；改善方案K e y Wo r d s N P T H;E x c e s s i v e me t a l i n N P T H;P C B;E N I G;F a i l u r e mo d e l;I mp r o v e me n t a c t i o n第一作者简介：付艺，珠海方正技术开发经理，从事工艺技术工作21 年，目前主要从事 PCB 新产品、新工艺开发，在 PCB 制造流程规划和工艺技术方面有丰富的经验。0前言79PCB InformationJUL.2023 NO.4化学镍金工序统计了 2021 年 9 月至 2021 年 12 月发生的症状较为明显的 NPTH 粘金的生产板批次共计115 单，经项目组做切片分析，失效模式基本可以分为4 大类，即 NPTH 孔壁铜蚀刻不净、孔壁粗糙、活化剂残留和和除钯不净。其中除钯不净仅占 5.4%，该问题比较容易处理，通常调整碱蚀除钯剂浓度即可解决，因此，本文针对前 3 类失效模式展开论述。NPTH 粘金的研究主要集中在如何解决 PTH 活化钯的残留、怎样优化钻孔参数降低孔壁粗糙度以及提高ENIG 制程稳定性等传统问题点。本文基于处理高多层PCB NPTH 粘金问题的实践，分析、总结了不同制程引起的 NPTH 粘金问题,并研究出有效的改善方案，为 PCB 制造同行解决类似问题提供参考。1非金属化孔粘金的失效模式分类图 2 N P T H粘金失效模式分类像(碱性蚀刻)和负像(酸性蚀刻)工艺，这两种工艺产生的 NPTH 孔铜蚀刻不净的原因存在差异。2.1.1 酸性蚀刻不净酸性蚀刻不干净导致的 NPTH 孔壁残铜主要有两类，一类是 PCB 经过树脂塞孔流程，由于 NPTH 与树脂塞孔之间的距离偏小(一般小于 0.35mm)，树脂油墨渗入 NPTH 孔壁，导致铜层抗蚀而出现局部残铜(图 3)；另一种是 POFV 产品设计有树脂塞孔之后减铜流程，通常将板面镀铜减薄(1030m)，然后再进行 POFV 电镀，导致了孔壁铜厚超过表面铜厚。传统蚀刻机的药水在喷淋和重力作用下能够大量的流过非金属化孔，孔壁的蚀铜能力达到表面的 1.52 倍，一般孔粗小于 0.075mm 的孔内镀铜都能蚀刻干净。然而真空蚀刻机的上喷设计有真空吸引装置，将喷洒到铜面的药液快速的吸走，导致流过孔的蚀刻液的量不足以将孔粗凹陷内的镀铜充分地蚀刻干净，甚至孔壁铜层也会出现蚀刻不净(图 4)。图 1 N P T H粘金导致的 P C B A组件失效图 3树脂油墨入孔导致的 N P T H蚀刻不净图 4 P O F V板的 N P T H蚀刻不净2.1.2 碱蚀不净碱性蚀刻不净导致的 NPTH 残铜按照工艺流程分为两种，一种是图形电镀铜锡流程因封孔干膜破损导致 NPTH 局部镀上锡层，在其后的碱性蚀刻过程产生抗蚀而形成局部残铜(图 5)。智能化的 PCB 工厂一般2.1 蚀刻不净高多层 PCB 工艺流程复杂，图形转移加工分为正2 非金属化孔粘金的原因分析2023年7月第4期80都引进了撕膜机，与自动投板机和显影线联机作业，代替人工撕膜。然而，撕膜机的应用还不十分成熟，撕膜胶轮会压到板边或板角附近的单元图形，造成 3.0mm以上的非金属化孔上面的干膜破裂。针对不同设计的PCB，撕膜机构的设计和参数设置还在不断优化之中。另一种是光模块产品在电镀镍金过程中出现的非金属化槽孔干膜破裂，导致槽壁局部镀上镍金而形成抗蚀层，碱性蚀刻之后形成 NPTH 槽壁残铜(镍金)(图6)。这类光模块板工艺流程复杂，外层图形转移之后需要经过图形电镀铜、电镀镍金、清洗烘干、前处理、二次干膜、显影、电镀厚金等流程，槽孔覆盖的干膜经受多次流程加工而出现局部破裂，从而镀上了镍金。2.3镍钯金活化剂残留有一类光模块 PCB 使用 EM-888 或 IT-170GRA材料，表面处理为化学镍钯金工艺，频繁出现 NPTH槽孔和邮票孔粘金现象(图 8)。此类板的槽孔采用钻孔后一次铣加工而成，孔壁粗糙度通常小于0.025mm，蚀刻后槽壁很干净，看不见残铜；但是经过镍钯金流程之后，槽壁附着成片的、类似玻璃纤维束形状的金层。切片分析发现玻璃纤维表面吸附一层黑色物质，EDS 分析元素成分为钯(Pd)。经检查，酸性蚀刻之后的 NPTH 槽壁颜色与板材一致，没有黑色物质残留，因此判断 NPTH 槽壁吸附的钯来源于镍钯金流程的活化药水。3.1 酸蚀不净改善 树脂油墨污染 NPTH 的改善核对树脂油墨入孔较严重的料号的设计，发现邮票孔和附近的非金属化孔到树脂塞孔的最小距离为 0.30 mm,同一单元内有孔径为 0.15mm、0.20mm 和 0.25mm三种孔需要做树脂塞孔，距离邮票孔最近的树脂塞孔的孔径为 0.20mm，塞孔作业方式为三种孔一起做真空塞孔。工程师现场测试发现小孔很难塞满，而较大的图 5图电板 N P T H干膜破裂导致的蚀刻不净图 6 镀金板 N P T H槽孔干膜破裂导致的蚀刻不净图 7 特殊半固化片叠构导致的 N P T H残铜图 8 化学镍钯金流程出现的槽孔粘金2.2 孔壁粗糙NPTH 孔壁粗糙导致的残铜粘金问题较为常见，因钻孔参数或钻头寿命等因素导致孔壁粗糙度到达0.050.10mm，甚至更高，这类孔粗通过优化钻孔参数、控制钻头寿命可以减轻症状。但是，对于使用特殊材料(主要指低端材料)及单层次使用 3 张及以上 7628半固化片叠构的多层板，在常规钻孔条件下，大孔的孔壁粗糙度超过 0.10mm，蚀刻后非金属化孔有明显的3 非金属化孔粘金的改善措施残铜(图 7)，因而化学镍金时产生粘金。81PCB InformationJUL.2023 NO.4孔能轻易塞饱满，当最小孔塞满时，较大的孔就会冒油很多；冒油越多，油墨扩散到旁边非塞孔的风险就越大(图 9)。针对这个问题点，优化塞孔作业方式，第一次先塞最小的孔，第二次从反面一起塞三种孔，适当控制三种孔的冒油量基本一致，从而解决了部分孔冒油过多导致树脂油墨污染非金属化孔的问题。POFV 板 NPTH 蚀刻不净改善有 POFV 设计的 5G 主板和部分光模块板的外层工艺流程如下：压合钻孔磨披锋等离子除胶渣水平除胶沉铜整板电镀真空塞孔树脂研磨树脂 AOI 减铜干膜减铜退膜树脂研磨 POFV沉铜 POFV 电镀图形转移后工序。由上述流程可知，POFV 板树脂研磨之后需要经过减铜干膜流程，使用干膜覆盖非 POFV 孔(图 10)，然后进行减铜，以保证非 POFV 孔(金属化非塞孔)内镀铜的完整性。由于 NPTH 也被干膜覆盖而减铜之后孔铜保存完好，使得 POFV 电镀(20m)之后 NPTH 铜厚度达到 5070m，提高了蚀刻的难度。针对 POFV板，需要尽可能减少 NPTH 孔壁的镀铜厚度，便于充分蚀净孔粗凹陷处的残铜。因此，通过优化减铜干膜流程的曝光底片设计，取消 NPTH 覆盖干膜(图 11)，减铜时药水流过 NPTH 而减薄镀铜层，再经过 POFV电镀之后，NPTH 孔壁铜厚约为 3040m，这样有利于蚀刻干净。3.2 碱蚀不净改善 图电板 NPTH 干膜破损改善经分析，碱蚀 NPTH 残铜问题发生在板边位置，且为自动撕膜机前进方向，问题板孔径最小为3.5mm，板厚最小为 1.6mm。撕膜机的原理是第一步使用滚花轮将板边干膜保护膜压松后利用气压将保护膜吹起，图 9 三种 P O F V孔同时塞孔冒油量示意图图 1 1改善后取消干膜覆盖 N P T H 图 1 0 改善前减铜干膜覆盖 N P T H 第二步再使用具有粘性的胶辘将保护膜完全撕除。调查发现自动撕膜机第二步前进行程设置为 45，粘膜辘压板距离(板边到图形内)为 46mm，与板面接触宽度为 10mm，由于大部分料号的外层边框仅为1013mm，粘膜辘(压力为 2kg)进入图形且重复拉扯(两次)麦拉膜，导致干膜破裂(经感光聚合反应后的干膜韧性降低)。经过调试，自动撕膜机第二步前进行程最小可设置为 21，粘膜辘压板距离(板边到图形内)为 15mm，这样就可以避开大部分料号的靠近板边的大孔或槽孔，降低了干膜破损的风险。同时，规定板子前进方向板边到图形20mm距离以内如有圆孔孔径、槽孔及异形孔槽长 3.5mm，显影投板前需采用人工撕膜(图 12)。图 1 2 自动撕膜机粘膜辘与人工撕膜安全线示意图2023年7月第4期82图 1 3 N P T H孔粗测试样板图 1 4 不同钻孔参数和不同 N P T H孔粗值 镀金板 NPTH 槽孔干膜破损改善光模块板的卡槽边到镀金插头边的距离设计公差为 0.05mm，普通成型机边到边的加工精度仅为0.10 mm，并且 PCB 流程长，板子容易涨缩变形，因此这类卡槽加工通常设计为机械钻孔后一次铣流程。但是，对于整板镀金的光模块板，槽孔覆盖的干膜难以承受多次电镀及前后处理的冲击而出现破损。针对这类产品，可以引进 5065m 的厚干膜代替普通电镀干膜，可以减少干膜破孔比率，但是不能完全杜绝，并且干膜成本明显上升。经过评估测试，采用光学成型机、并在成型前测量板子涨缩，按 0.05mm 偏差分批加工，可以满足成品卡槽边到镀金插头边的距离公差 0.05mm。因此，通过优化整板镀金光模块板的工艺流程，将钻孔后铣槽改为镀金后光学成型铣槽，改善了槽孔蚀刻不净问题。3.3 特殊板料的孔粗改善测试一：模拟正常生产板，制作非金属化孔，按照 NPTH 粘金料号的流程参数进行电镀、蚀刻生产，确认孔内是否有残铜；针对不同孔径目检有较明显残铜的孔做切片分析，测量孔粗值，比较不同钻孔条件下孔粗的改善情况。(1)测试板料：国产 N 系列 1.5mm 厚度(半固化片7628*7 结构)；(2)测试孔径：11 种大孔(3.0mm,3.2mm,3.5mm,3.8 mm,4.0mm,4.2mm,4.5mm,4.8mm,5.0mm,5.5mm,5.8mm)；(3)测试参数：6 组(全新钻头+4 个预钻孔，全新钻孔+9 个预钻孔；研磨 5 次+4 个预钻孔，研磨 5 次+9 个预钻孔；研磨 5 次+4 个预钻孔+转速提升 20%，研磨 5 次+9 个预钻孔+转速提升 20%)；(4)测试孔数：每种孔径对应每组参数各 300 个孔(图 13)；(5)钻头叠数：国产普通钻头，2 块/叠。(6)测试结果：从蚀刻后的检查和切片数据来看，相同预钻孔条件下，新针钻出的孔粗较研磨 5 次的孔粗总体要小一些；相同钻头条件下，使用 9 个预钻孔方式比 4 个预钻孔的孔粗值更小一些；而提高转速对孔粗值没有明显改善。另外，从切片数据来看，6 组测试参数对于所测试的板料都不能做到孔粗值 50m(图 14)。测试二：针对特殊板料从改善钻头切削力方面进行测试，分别采用国产 D 品牌普通钻头翻包涂层、R品牌涂层钻头和 D 品牌金刚石钻头，选用 4.5mm 孔径，按正常生产参数各试钻 90 块板，然后按正常流程生产，在外层 AOI 和化学镍金之后检查 NPTH 残铜或粘金情况，并对孔粗相对明显的孔做切片分析，测量孔粗值。从表 1 的对比结果来看，普通钻头翻包涂层和涂层钻头加工的 NPTH 孔粗值最大超过了 125m，化金后NPTH 都有星点粘金；而金刚石钻头加工的 NPTH 虽然玻纤灯芯效应到达 66m，但是孔粗值不超过 20m，并且化金后也未见有 NPTH 粘金现象(图 15)，说明金83PCB InformationJUL.2023 NO.43.4 镍钯金活化剂残留改善高速材料镍钯金流程出现的槽孔粘金问题，主要是钯活化剂残留于玻纤束中导致，因此改善对策是解决钯残留问题。首先，优化高速材料的等离子体除胶渣参数，降低槽孔壁的微观粗糙度，也就是减轻玻纤位置的灯芯效应；其次，将镍钯金板设计为碱蚀流程，利用碱性蚀刻的除钯液对玻纤位置进行“封堵”，使得在镍钯金线的活化过程中钯元素难以吸附在玻纤束中；第三，镍钯金工艺的活化液有不同配方，经对比测试氯化钯体系的药水比硫酸钯体系的药水更容易导致槽孔粘金，因此镍钯金流程选择硫酸钯体系的活化液。经过上述一系列的工艺优化，镍钯金表面处理的光模块槽孔粘金问题得到改善。高多层 PCB 非金属化孔粘金的失效模式因工艺流程的不同而多种多样，主要有孔壁铜蚀刻不净、钻孔孔壁粗糙、活化剂残留和除钯不净等四大类，而每一类 NPTH 粘金由于板材、产品设计等方面的差异导致产生的机理存在差异，因此需要针对不同的机理采取相应的改善方案。针对酸蚀不净，通过优化树脂塞孔方法改善树脂污染NPTH和优化减铜曝光底片设计来降低孔壁铜厚，使得 NPTH 镀铜被充分蚀净；针对碱蚀不净，主要是通过更好地利用撕膜机和光学成型机的设备性能改善干膜破损；针对特殊板料结构，应用金刚石钻头可以有效解决大孔的孔壁粗糙度，生产中可根据客户标准选择性地应用，兼顾品质与成本；针对镍钯金流程活化剂残留，则是利用前制程对镍钯金活化的影响进行流程优化来解决 NPTH 粘金问题。(责任编辑 张立煌)表 1 不同类型钻头 NPTH 孔测试结果序号钻头类型测试数量外层 A O I检查沉金检查切片数量孔粗结果测试 1 R品牌涂层9 0块 全检有残铜孔粗星点粘金1 0 1 1 0 1 3 5 m测试 2D品牌翻包涂层9 0块 全检有残铜孔粗星点粘金1 0 1 1 0 1 3 9 m测试 3D品牌金刚石 9 0块 全检无残铜无明显孔粗N P T H无粘金 1 0 2 0 m图 1 5 金刚石钻头加工的 N P T H外观与切片图4 总结刚石钻头对孔粗有显著改善。