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不同的闆厚孔徑比下印制電路闆通孔導電膜直接電鍍銅的可靠性

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不同的闆厚孔徑比下印制電路闆通孔導電膜直接電鍍銅的可靠性

發布日期:2018-09-06 作者:admin 點擊:

摘要:文章主要研究了在不同的闆厚孔徑比下印制電路闆通孔導電膜直接電鍍銅的可靠性。利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察在導電膜上電鍍銅的微觀形貌,背光測試檢測在導電膜上短暫電鍍銅的效果,熱應力測試檢測孔銅的耐熱性能,并打切片分析直接電鍍所得孔銅厚度及電鍍均鍍能力(Throwing Power)。

引言

金屬化孔(PTH)提供多層印制電路闆(MLB)中的導電層之間的電氣互聯。半導體集成化的發展和對更高系統功能化的要求推動了PCB設計向更高密度和更輕的重量發展。因此,增加多層闆層數和表面貼裝技術(SMT)被廣泛應用于整個電子行業。由于PTH元器件的更疊換代,PTH的直徑必須縮小,以便為導體布線留出更多的空間,但是這會使鍍銅更加困難,PTH的可靠性成為一個主要問題。

傳統金屬化孔的方式是采用化學鍍銅,但化學鍍銅存在成本大和污染嚴重的問題,化學鍍銅溶液中的甲醛不僅對生态環境有危害,還對人體有害。不僅如此,化學鍍銅還需要對溶液進行嚴格的管理,工藝流程複雜,并且在化學鍍銅過程中由于有打氣攪拌鍍液,容易造成孔内殘留氣泡,從而導緻孔内無銅。因此,新的直接電鍍技術得到不斷發展。直接電鍍技術主要有三大系列:钯系列;碳系列;導電性高分子系列。其中導電性高分子系列直接電鍍技術又稱為導電膜直接電鍍技術,它是在非導體孔壁表面上沉積不溶性導電聚合物膜層,不需要整闆電鍍銅加厚就可直接進行圖形電鍍。導電膜直接電鍍技術具有流程短、排污少、無甲醛且節水節電的優點,适合在水平線上加工,設備占地面積少,操作人手少,降低了人工成本。而且生産周期短,傳統化學鍍銅流程需要一個多小時,而導電膜的成膜步驟隻需五分鐘,因而效率大為提高。

目前導電膜工藝大多用于生産厚度在2.0 mm以下的薄闆,且闆厚孔徑比在7以下,而随着高多層PCB向層數更多、孔徑更小、布線更密的方向發展,以導電膜為基礎的直接電鍍技術就必須适應不同的厚徑比。

文章就導電膜直接電鍍技術在不同厚徑比AR(Aspect Rao)(厚徑比從6.7:1到15:1)通孔下的可靠性進行了一系列的研究,包括對在導電膜上電鍍銅的形貌的分析,短暫電鍍銅後背光測試,對孔内均鍍能力的影響以及熱應力沖擊測試等。

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實驗

1.1  實驗儀器設備及所需藥品

實驗儀器設備包括導電膜生産線,标準1.5L的哈林槽,陰極(雙面覆銅闆,通孔實驗闆),金相顯微鏡,掃描電子顯微鏡及無鉛熔錫爐。

電鍍所用藥品及含量為65 g/L CuSO4·5H2O、120 ml/LH2SO4,1.64 ml/LHCl,10 ml/L電鍍銅光劑。

1.2  實驗方法

實驗闆分為兩種:雙面覆銅闆(長100 mm,寬50 mm)用于測試銅層結晶形貌,通孔實驗闆(長150 mm,寬50 mm,闆厚為2.0 mm、2.3 mm、3.0 mm三種規格,鑽有直徑0.2 mm、0.25 mm、0.3 mm的通孔)用于測試背光、孔内電鍍均鍍能力和熱應力沖擊測試。實驗闆預先經過導電膜生産線,其流程為微蝕→三級水洗→整孔→三級水洗→氧化→水刀清洗→催化→三級水洗→烘幹,主要流程工藝參數如表1所示。接着在10%硫酸溶液中預浸1min後在哈林槽中電鍍,電流參數設置為2 A/dm2 ,用于背光測試的實驗闆電鍍時間為5 min,其餘實驗闆電鍍時間為70 min,并采用底部打氣的方式攪拌鍍液。

鍍銅層的形貌采用掃描電子顯微鏡(SEM)進行觀察。

孔内均鍍能力的測試方法是先測量孔内鍍層厚度,然後按照式(1)計算TP( 鍍能力)值。由于測試目的是計算在導電膜上的鍍層厚度,而闆面隻有銅層,沒有導電膜,所以均鍍能力的測試是采用孔内6點法來計算,通孔模型見圖1。鍍層厚度測量采用金相切片法,它是利用光學原理,對物體進行放大,可以觀察到物體表面并測量鍍層厚度。将電鍍好的通孔實驗闆制成切片大小(5×12 mm),切片經灌膠鑲嵌、打磨、抛光後在金相顯微鏡下觀察,測量好鍍層厚度後拍照保存。

式(1)

式中:δa~δf表示圖1所示的通孔孔内a~f各點的鍍銅層厚度。

短暫電鍍銅後背光測試,用以檢測導電膜是否均勻塗覆在孔内,也可以觀察在導電膜上電鍍銅的效果。将已完成導電膜流程的通孔實驗闆,在10%硫酸溶液中預浸1 min,然後在哈林槽中電鍍5 min,電流參數設置為2 A/dm2。取出水洗,觀察通孔透光情況。

熱應力沖擊測試(Thermal Stress),是檢測銅鍍層可靠性的常用方法,測試的目的是為了保證其在組裝,返工和修理的過程中不會出現任何撕裂。熱沖擊實驗按照TM-650規範,預浸助焊劑10 s後,在288 ℃無鉛錫爐中進行10 s×5次浮錫。完成浮錫後打磨切片并在金相顯微鏡下觀察孔口是否有斷裂,孔内是否有銅層分離的現象。

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結果與分析

2.1  鍍銅層形貌分析

在導電膜上電鍍銅層的表面形貌如圖2所示,由圖2可以看出,電鍍銅結晶細緻,沒有出現凹坑的現象。這表明導電膜直接電鍍銅可以形成整平的銅鍍層,不易因為形成凹坑或者凸起而造成開路或短路的現象。

2.2  均鍍能力

圖3是均鍍能力TP與厚徑比(AR)的關系,其中每種厚徑比測量5個數值,求其平均值。從圖3可以看出,随着厚徑比增大,均鍍能力值越來越小,最小厚徑比6.67的TP值為72.4%,而厚徑比15的TP值隻有46.26%,圖4為相應的金相切片圖。圖3中第一個AR為10的數值63.16%是在闆厚2.0 mm,孔徑0.2 mm的情況下的TP值,第二個AR為10的數值59.99%是在闆厚3.0 mm,孔徑0.3 mm的情況下的TP值,說明相同的厚徑比,雖然孔徑較大,但是闆的厚度越大,均鍍能力越低。

2.3  背光測試

圖5是通孔塗覆導電膜後短暫電鍍銅的背光圖。圖5(a)是闆厚2.3 mm,孔徑0.2 mm,厚徑比為11.5的通孔背光圖,無透光現象,表明導電膜上完整覆蓋銅層;圖5(b)是闆厚3.0 mm,孔徑0.25 mm,厚徑比為12的通孔背光圖,從圖中可以看到孔中心部位有透光現象,而孔口不透光,這是由于随着厚徑比的增大,鍍液灌孔能力下降,導緻短暫電鍍不上銅的現象。實驗闆上其它厚徑比在11.5以下的通孔,孔内背光測試無透光點。

2.4  熱應力沖擊測試

熱應力沖擊測試可用來觀察孔内結構的完整性。潛在的問題包括由于除膠渣不适當、氣孔等而造成的孔壁銅層分離和孔口銅層斷裂。圖6為三種通孔實驗闆最小孔徑的熱應力沖擊金相切片圖,厚徑比分别為10、11.5、15。可以看出經過在288 ℃無鉛錫爐浮錫5次,孔内銅鍍層沒有任何縫隙和斷裂。實驗闆上其他孔徑經5次浮錫後的金相切片圖如圖6一樣,孔内鍍層沒有出現缺陷。

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結論

文章從鍍層形貌、均鍍能力、背光測試、熱應力測試等方面研究了在不同厚徑比下通孔塗覆導電膜直接電鍍銅的可靠性。由實驗發現,随着厚徑比的增加,通孔内在導電膜上電鍍的均鍍能力值越來越小,孔中心的銅越來越薄,通孔互聯可靠性将降低。對于厚徑比在12以下的通孔,其背光測試良好,能耐熱沖擊,而厚徑比在12以上的通孔,由于實驗闆較厚,背光測試顯示孔中心透光,因此可考慮增加電鍍時間,達到完整鍍上銅的效果。


相關标簽:印制電路闆

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