金属化槽孔孔壁分离改善探讨
2021-01-11齐国栋李望德张良昌
齐国栋 李望德 张良昌
（广州杰赛科技股份有限公司，广东 广州 510310）
0 前言
在印制电路板加工过程中，金属化槽孔在经过热风整平后，出现较大比例孔壁分离/起泡，导致印制板互连失效问题，直接影响到PCB板可靠性。一旦流出至PCB下游，将会导致客户投诉及巨额索赔。本文从金属化槽孔内、外层图形资料设计、槽孔粗糙度、沉铜前烘板进行DOE试验，验证出导致金属化槽孔孔壁分离影响因子，并制定相应改善措施。
1 原因分析
1.1 金属化槽孔孔壁分离不良特征
通过收集金属化槽孔孔壁分离不良案例发现，孔壁分离集中在板厚≥2.0 mm，且均为独立金属化槽孔，见图1所示。
图1 槽孔与孔壁分离不良
1.2 原因分析
金属化槽孔孔壁分离是孔壁铜与基材产生分离，分析产生原因：
在热风整平过程中（热处理），由于孔铜壁与基材的热膨胀系数不一致而产生拉扯力，加上基材内存在的水气/树脂溶剂挥发物，热涨后对孔壁产生膨胀应力，而孔壁铜与基材间的结合力无法抵抗以上两种力，从而导致孔壁铜与基材分离。要达到改善金属化槽孔孔壁分离，主要是从增加槽孔孔壁铜与基材间结合力及去除基材内存在的水气/树脂溶剂挥发物方面去调整。分析影响槽孔孔壁铜与基材分离原因在生产制程中的因素有：基材粗糙度、沉铜前烘板、内层环宽大小、外层槽孔环宽大小。
2 试验板设计
2.1 试验板加工流程
设计出四层板加工流程，具体加工流程如下：
开料→内层→层压→钻孔（定位孔）→铣槽→烘板→除胶沉铜→板镀→外图→镀铜锡→蚀刻→阻焊后烘→热风整平
2.2 试验板材料
此次试验内层芯板选用常规板材（FR-418 μm S1141Tg140）；生产中出现金属化槽孔孔壁分离的板厚集中在2.0 mm～3.0 mm，此次试验板板厚分别按：0.8 mm、1.6 mm、3.5 mm来设计试验板图形：
（1）试验板内依次铣出槽孔：
1.0×2.0～7.0 mm、2.0×4.0～9.0 mm、3.0×6.0～11.0 mm、4.0 ×8.0～13.0 mm槽孔，X方向每个槽孔分布有50个，每个槽孔排2排。
（2）内层文件：内层资料按5个槽孔为一组，每组按相应槽孔大小和环宽设计。
（3）外层文件：外层资料按相应槽孔大小和环宽设计，5组不同大小焊环为一组（1块板共计2400个槽孔）。内外层环宽匹配如表1。
3 试验方案
3.1 试验因子与水平
3.2 试验方案
根据试验因子与水平搭配（见表2所示），共有24种方案（见表3所示），每个方案1块试板。
3.3 试验板判定标准
试验板完成热风整平后，交由质量工程师确认槽孔有无孔壁分离（见表4所示）。
4 试验结果
4.1 沉铜前不同除胶与除胶后基材粗糙对比
从图2来看，等离子除胶表面均匀、干净光洁；浓硫酸除胶后基材较粗糙，且表面粗糙度不一致。浓硫酸除胶5 min、10 min后玻璃纤维束间出现明显空洞，存在除胶过度。
表1 试验板槽孔方案
表2 试验因子与水平
表3 试验板结果
表4 试验板判定标准
图2 不同除胶后基材粗糙状况
4.2 试验板结果
试验板完成热风整平后，由质量工程师对试验板结果进行分类统计。
4.2.1 DOE（正交试验设计）试验结果分析
（1）从DOE主效应图及交互作用图可以确定，影响金属化槽孔孔壁分离显著因子为是否烘板；
（2）沉铜前不同除胶方式对金属化槽孔孔壁分离影响不大，且沉铜前使用浓硫酸除胶存在除胶过度，故不建议使用浓硫酸除胶。
4.2.2 对出现孔壁分离的试验板进行了分类统计
（1）“沉铜”前烘板与不烘板结果对比见表5所示；
（2）按板厚来分类见表6所示；
（3）不同板厚、不同槽孔直径不良比例见表7所示；
（4）内、外层资料制作不同环宽对金属化槽孔孔壁分离结果的影响（表8统计槽孔分离百分比）。
表5 烘板与不烘板对比
表6 板厚的区别
表7 不同板厚、槽孔直径比较
表8 不同板厚、环宽的比较
5 试验结果
（1）在“沉铜”前增加“烘板”流程可以改善槽孔孔壁分离缺陷；
（2）从不良数据可以看出，板厚对金属化槽孔孔壁分离影响较大，与槽孔直径并无明显规律；
（3）在板厚在3.5 mm条件下，内、外层环宽大小对改善金属化槽孔孔壁分离不明显；在板厚≤1.6 mm条件下，内、外层环宽对金属化槽孔孔壁分离一定有影响。在未经过“烘板”的条件下，要达到改善金属化槽孔孔壁分离，最佳内、外层环宽要求：内层单边环宽≥0.38 mm、外层单边环宽≥0.25 mm。
从试验结果可以得出，金属化槽孔孔壁分离产生主要原因是基材内存在水气/树脂溶剂挥发物热涨后对孔壁产生膨胀应力，而孔壁铜与基材结合力不足抵抗相应膨胀应力，导致产生槽孔孔壁分离。
通过试验验证出金属化槽孔、表面处理为热风整平工艺时，在“沉铜”工序前增加“烘板”流程，对孔壁分离可以起到改善作用。
