镀通孔制程.doc

镀 通 孔 制 程一、 前言有通孔的电路板,其湿式制程是自镀通孔(Plated Through Hole,PTH)开始的镀通孔PTH本身的制程也相当长,其全部目的就是要在非导体的孔壁上,建立一层密实牢固的铜金属层(目前的标准制程为铜导体,其它镍或非金属导体之商业化还在努力中),作为导体成为后来电镀铜的基地,故良好的PTH不尽是只做上能导电的薄铜层,而且要做上好品质的铜层,才能因应要求日严的SMT到来本刊曾在16期已将多层板必须的“除胶渣”(Desmear)制程,以标准制程(SOP)的方式介绍过,现再将PTH制程中其余的部分叙述于后希望对于初学者有所助益 镀通孔目前的标准制程应为: 双面板 高品级者 上接钻孔、 也应除胶渣磨损及去毛头 整孔→清洗→微蚀→清洗 多层板→ 除胶渣 活化 → 清洗 → 速化 → 清洗 → 化学铜 → 酸液中和 → 清洗 → 干燥 现将各制程站以原理、操作及讨论的方式叙述于后。

二、 整孔(Hole Conditioning)电路板在PTH制程之前,可说都是干式制程,至于内层板蚀刻及黑化后,还是要回到干式压板的,之后的钻孔及去毛头也与双面板无异故整孔这一站将是干湿之分野,居品质的重要关键双面板完成钻孔后进入湿式这是第一站,多层板则是要先经除胶渣此制程一直被视为电镀制程中之前处理清洁作用,其实除了清洁作用外还有把非金属不导电的孔壁作初步情况之整理,与安排使更牢固的接受金属化反应(metallization),这才是更重要的目的,故与电镀前之纯清洁,脱脂,及除锈作用有所不同虽然也有的原文文章是用soak cleaning叙述这一站,但此站实在不能译为”脱脂”此种使胶面及玻璃束断面进入良好金属化反应状况的”适况”(Conditioning)处理,主要是对孔壁预先做整理,以增加铜层的覆盖性及其附着力,故知此站对于后来的电镀铜层及焊锡性都有莫大的影响1. 原理此一整孔适况处理窍门的被发现也是非常偶然的,早期的业者仍秉持着电镀前处理的观念,认为要将板子做好彻底清洁及活化后,才能去做金属化处理但不管如何小心去做好此一孔壁的清洁前处理,总是不断的发生孔破(Voids),无法得到完整无缺的铜孔壁,但却在偶然中发现凡做过三氯乙烯蒸气蒸洗的板子,其镀铜情形就会好的很多,且又发现必须加有添加助剂的有机溶剂才有效,而这种添加剂多为阳离子性界面活化剂(Cationic Surfacants如第一代可溶于酸性常用之Certyl pyridinium bromide),于是才揭开了其中的奥妙。

而且早期的操作是把清洁及整孔适况分成两道流程来做,现都已合并成一个槽液,作浸泡处理而方便很多了环氧树脂基材本身微带负电性之静电,经钻孔后其电荷又转为静电之微正电性,但经PTH制程之前处理除胶渣后又再变成负电性若以此孔壁直接进行后来带负电的钯胶体的活化反应时,负负相斥当然就得不到附着力良好的处理层而此整孔的制程恰能将负电性的孔壁又改变回正电性,以下即为其中的道理之所在在微碱性的槽液中,加有一种刻意选出的第二代可溶于碱性的特殊表面润湿剂,此种润湿剂在高温下的除油除污的效果比第一代更好此种界面活化剂在水中会形成两极性(Bipolar)的分子,带正电的一端要恰好为亲水端(Hydrophilic end),带负电的另一端则为不亲水的疏水端(Hydrophobic end),于是当线路板浸入此种槽液中时,上述众多的界面活化剂分子,其每一疏水端就拼命的避开水,往无水的死角亲近并钻入,若板面上有任何污点外物附着时,都会被此等分子,由根部挤入而将污物及附着物自板子基材上除掉,而只剩下坚实良好的底材面,以达到清洁的目的此种在微视( microscopical)下的动作可以说是无所不至无所不在的,且因此也使溶液表面张力已大副降低(纯水为73 dyne/cm,此时可能降到30 达因/公分 以下),故只要浸入在液中,各处死角所藏纳的污点外物都会被清除掉,使原来不亲水的地方也都能亲水了。

于是此时板面上各处就会布满了一层界面活化剂的分子,而且全部疏水端都能紧紧的附着在板面上所有的地方,另端带亲水基则全部向外朝向水中,因而在完成清洁使命之余,又使板子表面对外有了一层正静电性,此种带有正性静电的表面,对板子的后续金属化(metallisation)非常重要,因后来在活化槽中存在的钯团胶体分子(pd colloid)的外围,是带有数个氯离子而呈负电性的集团,于是经此正负静电之相吸作用下,使钯团能牢固的落在非导体的玻璃及树脂表面上,而完成了”下种”的反应(Seeding)当然占有极大面积的铜皮板面上,也都附着有上述的界面活化剂的分子层但经过后来故意设计的铜面”微蚀”后,绝大部份的润湿剂的分子层都被剥掉了于是板子上只有在没铜非导体之孔避,及板子侧边上尚存有一层牢固的界面活化剂的分子,使得钯胶体及后来的化学铜,也都在该处沉积的较铜皮表面上更多,而完成一种孔壁多板面少的选择性化学铜镀层,这也就是许多药品供货商宣称他们的化学铜能更多镀在孔壁上,而很少浪费在板面铜皮上,是如何的神奇及经济,其实说穿了并不是那幺回事2. 操作目前市售的各种厂牌的整孔剂,都是以浓缩液出售的配药时是以纯水稀释成为槽液(bath),要注意的是不可用自来水或地下水去配槽,因在碱性高温(60℃左右)中的长时间使用下,水中的杂质可能会与OH- 形成不溶的胶体,一旦沉积物落在孔壁上将会造成孔破或镀层附着力不良的情形,故此处之纯水应不可省。

按供货商之配药指示将原液稀释成糟液,及加温至所订范围后,即可以浸泡方式(Soaking)处理板子为使孔中清洁效果更好起见,应采机械往复式移动板子挂架,不宜用吹气搅拌以防止发生太多泡沫及降低液温,处理的时间以5分钟左右为宜,若能连续过滤则可减少槽底淤泥而能延长槽液的寿命槽液的控制方法,则可用稀酸滴定并按原供应计算公式进行补充(Replenishing)即可,至于何时换槽,即可按原厂建议,或密切注意孔壁的品质,而自定政策3. 讨论3.1 原本鲜红的铜面,经过整孔处理后,铜面会变成明显的土黄色,原本不沾水亲水的板面,也立即在处理后的热水及冷水清洗时,发现亲水性相当不错,一旦发现土黄色不均匀或亲水性不良时,则表示可能有问题了以种土黄色的铜面,只要经过微蚀槽的吃铜赶走所附着的偶极性分子后,铜面就会立即全面回复鲜红色4. 2整孔槽液温度的保持及其后紧接着的热水清洗对孔壁品质都很重要,千万不可掉以轻心尤其在冬天时常因温度不足,造成孔破或孔壁拉离(pull away)的例子比比皆是,这并不是换新槽液就可解决的,必须要用热水先行将高浓度液清洗后,才能用冷水续洗,有时甚至还要用5%的稀硫酸作短时间的中和清洗才行,例如对玻璃处理性甚佳的shiply 231即为一例。

3.3整孔清槽液的好坏如何判断,并无科学化的检查方法,若要等到生产线上板子发生问题时才采取行动时,不免为时太晚此处有一经验方法可供借镜,不但可试出新槽液与旧槽液的好坏,也可试出不同品牌间优劣之差别可取一小张基板所用的玻璃布(可向卖板材的人索取,基板工厂中有很多零碎的玻纤布废品),按PTH 制程,在烧杯中仿真进行,当在化学铜液中作30秒的处理,取出以水洗清洁后,观察玻璃丝端点上铜的情形如何,然后再另做120秒的较长时间处理,此时应全布面都能盖满铜色才对3.4目前PTH制程除了传统钯胶体活化(催化)以进行化学铜的沉殿,需要在清洁整孔时,要进行孔壁的电性由负改正外,其它新发展的碱性钯,铜胶体,以及有机催化法,都无需再做整孔而只做清洁了,使得此整孔液的配方中不必再加偶极性分子而简化了不少,也容易管理多了三、 微蚀(microetch)1.原理能将板子铜面上的氧化物及其它杂物,连同所附着土黄色的整孔适况的界面活化剂一起剥掉,使在此金属化制程中,让昂贵的钯及化学铜尽量的镀在孔中,而不必浪费在广大的板面铜层上,是微蚀的主要目的此种微蚀早期多用自配之过硫酸铵(APS, Ammonium Persulfate),但因新配的APS蚀铜太猛,用旧的含铜量高了时,其蚀刻又不足,甚至在铜面上产生一层不易洗掉的双盐透明膜(CuSO4 • CuSO5),影响铜与铜之间的附着力。

近年来已多改用专密性的硫酸与双氧化,或过硫酸钠(SPS.Sodium Persulfate)溶液剂之方式了微蚀的另一重要目的,是将广大的铜面在去除整孔剂之后再予以进一步的粗化,使后来的钯及化学铜在粗化表面上有更好的附着力,而不致让电镀层在后续制程中发生浮离的情形2.操作2.1过硫酸盐法为了要把铜皮上的各种夹杂物去掉,应蚀掉2~5微米的厚度,所有的槽液,一般为了节省成本,多用APS 或 SPS自行配,其浓度约为10%~20%(重量比),但因过硫酸盐类为强氧化剂,故在水中很容易被还原,而减低其寿命2S2O8= + 2H2O → 4 SO4= + 4H+ + O2 ↑故在配槽后常发现其水面上有很多小气泡跳出,即为上述之反应过硫酸盐蘱于十多年前,在碱性含氨蚀刻液尚未盛行之前,就是完成线路蚀刻的主力,现在才退居于蚀刻的领域来,其反应进行如下:Cu S2O8= → Cu∥ + 2SO4=配槽时为方便溶解起见,可稍加一点硫酸此槽之操作也是采浸泡方式,只要在室温槽液中往复摆动1~2分钟即可,冬天可稍加温至30℃以保持速率本液无需分析或补充,只要发现铜量太多,颜色太蓝效率太差时,即可准备换槽2.2 硫酸双氧水法 这也是一种广用的微蚀法,一般多采10%(体积比),双氧水2~5%,(体积比)配槽,因双氧水寿命很短,极容易失效,故必须加入双氧水安定剂才能实用、商品有专售厂牌的名称。

操作也采室温浸泡及往复摆动搅拌之方式,其维护及补充可按原厂说明进行,也都很容易其反应式如下:Cu H2SO4+H2O2 → CuSO4(溶液)+2H2OH2O2 → H2O + 1/2O2CuSO4(溶液) + 5H2O → CuSO4•5H2O(结晶) 上述反应前二者为放热反应,第三者必须要在15℃以下才能形成结晶,且温度越低越快本法最大的好处是当液中的部份铜量析出后,还可继续使用,几乎无废水废弃物的产生,是一种非常清洁的制程本法早期虽然也有人以高浓度(20%)高温(50℃)及添加剂的协助下,用成线路的主蚀剂,但因管理不易,经济效益不高之下,而几乎全被碱性氨法所取代3.讨论3.1 硫酸双氧水在微蚀的表上要比过硫酸盐要好,但却因酸性太强,常会自孔壁渗入内层,吃掉黑氧化层,而造成粉红圈(Pink Ring),是多层板品质上的隐忧,过硫酸盐则问题较轻且硫酸双氧水配槽时的水也很讲究,氯离子多了会破坏某种安定剂的功效3.2过硫酸盐中钠盐要比氨盐为佳,且SPS对铜面的粗化效果也比硫酸双氧水要好要注意的是新槽液蚀速快,旧的较慢,故要小心浸泡时间的调整,否则吃的太深会造成内层铜面的缩退,而形成意外的反回蚀”(Negative Etchback)。

3.3过硫酸盐的微蚀后,最好在水洗之前,加一道稀硫酸的速洗,以帮助水洗时能将孔壁中死角处附着的铜盐彻底除去,以露出内层铜平环的洁净断面,否则该处铜盐集附太厚时,可能会造成一次电镀铜层的应力,使在该处的局部处浮起,又被后来镀层包覆之现象,这种铜与铜之间附着力不良的情形称为copper and cop。