PCB大讲堂：HDI板盲孔电镀“螃蟹脚”改善研究

　　摘　要：针对HDI板盲孔电镀过程中出现“螃蟹脚”问题，通过试验，找出了产生“螃蟹脚”问题的原因，从而采取有效措施，为改善盲孔镀铜品质提供了方向和依据。

　　关键词：HDI板 盲孔电镀 螃蟹脚

　　一、背景

　　随着电子产品的快速发展，其可靠度要求越来越高，为了使盲孔镀铜达到良好的耐热性能及孔铜导通性，因此对盲孔镀铜品质要求也非常严格。07 年一季度前A 公司HDI板盲孔镀铜一直存在盲孔螃蟹脚问题，不良率高达2.0%，此问题也曾一直困扰着PCB行业盲孔电镀可靠性能,在电测很难被检测出来，而往往在产品终端装机后会出现信号中断、突然死机等问题，导致客户退货、索赔巨款事故。给PCB生产公司带来了较大的经济损失。为了改善此不良问题,提高盲孔电镀可靠度，特对盲孔镀铜异常问题进行系统的分析﹑跟进﹑改善异常问题，提高HDI 板的可靠性。

　　二、问题产生原因分析

　　不良切片归类分析

　　经过对大量问题切片进行二次灌胶，精磨后将问题切片从表观上分析，大概分成表中三类，针对此三种异常问题进行验证试验，达到找出问题正真原因，加以改善及预防。

　　三、设备改造及工艺优化

　　以下探讨的改善方向主要是，针对普通垂直龙门吊镀线及MCP 线产生的品质问题（不含水平电镀线）；工艺方法是先采用整板电镀，再走酸蚀流程，针对上述缺陷逐步展开排查

　　盲孔铜整体偏薄改善

　　对MCP 镀线与普通垂直镀龙门吊线生产的异常切片进行比较，发现MCP 镀线并无类似上表中第一类现象切片，而普通垂直龙门吊镀线较多，从而表明MCP 镀线侧喷形式能有效改善盲孔内药水交换问题，那么要解决普通垂直龙门吊镀线盲孔整体镀铜薄的问题，首要任务是提高盲孔孔内药水交换速度，继而对设备导电性、振动、搅拌、药水参数作了全面检查，

　　⑴ 振动检测（测四条飞巴）

振幅要求 振动幅度：≥20mm/s 

飞巴上分布位置 左 中 右 

实测值  11.9  7.7  13.2 

14.2  8.3  13.5 

10.3  8.6  11.7 

13.4  7.2  14.3 

平均振幅 振副平均为：11.19mm/s 

　　传递到飞巴上的振力较小，平均振幅只有11.19mm/s ，而检测振动器上幅均达到40 mm/s以上，摇摆架上振幅竟然也达到15-18mm/s，很显然，振动器所产生的振力未能有效的传递到飞巴上，根据振动电机工作原理与特点:

　　振动电机是动力源与振动源结合为一体的激振源，振动电机是在转子轴两端各安装一组可调偏心块，利用轴及偏心块高速旋转产生的离心力得到激振力。其主要特点是：振动力大,机体重量轻,体积小,机械噪音低、受电源波动的影响非常小、可根据振动电机的安装方式改变其振力的方向、只须调整偏心块的夹角,就可调整其振力和振幅。

　　理清思路后，即刻对四组铜缸振动进行改装，改装后测量振幅数据如下：

振幅要求 振动幅度：≥20mm/s

飞巴上分布位置 左 中 右 

实测值  35  27.5  36.1 

37.3  27.6  37.3 

47  28  39 

41  28.4  39.2 

平均振幅 振副平均为：35.28mm/s

　　小结：

　　经更换与气动振动器相同功率的电动振动器，同时调整振动安装方式后,振幅有较大提升，此试验的成功为后续购买新的电镀设备，对振动器振幅、频率、振动器配件及安装方式提供有力依据

　　⑵ 导电性检测检查铜缸整流器输出电流，到达V 座两端电流差异不大，均在±5%以内，但量测每支夹具， 电流总和，则与输出电流有较大差异，相差30A 之多。经仔细检查飞巴头发现如下现象。

　　小结：

　　飞巴头铜块间严重氧化，主要是V 座冷却方式不合理，当采用冰水冷却方式，（冷却水温度约在8-12℃）夏天室温高于冷却水温，V 座及飞巴上则有水珠凝聚，电导通性较好，飞巴头间也不易被氧化，但冬天当室温低于冷却水是，V 座上将不再有水珠产生，飞巴头与V座间导通不良且产生高温，当飞巴头长期处在高温发热状态下，飞巴头铜块间会钝化，生成厚厚一层不易导电之氧化层，目前唯一做法就是定期拆开飞巴头用砂纸打磨，保证良好的导电性能。最好的做法就是改用水浸泡式V 座，或者用注水式V 座，这一点将对电镀设备制造商设计是有积极的借鉴指导作用。

　　⑶ 阳极面积及电镀参数调整优化

　　在检查铜球时发现1#、2#、3#、4#铜缸铜球阳极膜生成相对较好,5#、6#、7#、8#铜缸铜球阳极膜生成较差.根据公式：лdlf/2 计算:1# 、2# 、3# 、4#铜每条阳极杆钛篮数为36 个,其阴阳极面积比为: 1:1.8; 5#、6#、7#、8#铜每条阳极杆钛篮数为28 个,其阴阳极面积比为: 1:4 。

　　从磷膜生长情况比较,阳极面积大的的要比阳极面小的要好; 另5#、6#、7#、8#铜缸于4月17 号每根阳极杆钛篮个数增加到36 只,阴阳极比已调到1.8:1,磷膜生长较好,根据电镀反应原理：

　　硫酸铜的主要作用就是为阴极提供足够的铜离子及提高导电能力，为了有足够的铜离子提供给阴极，同时提高垂直龙门吊镀线与MCP 镀线硫酸铜含量，从75g/L 提升到100g/L，严格控制光剂添加比例，同时调整盐酸添加方式及分析频率，即由以前的12 小时分析一次，采用人工手动补加，调整为现在的8 小时分析一次，采用自动添加.使之添加更加稳定，从而使各药水参数达到最佳状态，生产一周后整体盲孔，孔内铜薄问题有较大改善。

　　小结：

　　自4 上旬改善振动飞巴头导电效果、增加阳极面积及提升硫酸铜含量，同时做到在生产中及时补加铜球,(3 天补加一次,并电解4-6 小时)以尽量保证最佳阳极面积，连续生产7天，无一单盲孔镀铜整体偏薄问题,提高了镀铜效率。但在此期间MCP 镀线与垂直龙门吊镀线“螃蟹脚”问题，仍时有发生，说明以上动作对改善盲孔整体铜薄问题有一定效果，而对改善“螃蟹脚”问题似乎不够明显。故此我们将重点放到镭射、沉铜、电镀前处理改善工作上来。

　　盲孔“螃蟹脚”改善

　　在众多问题切片中，有明显的一种规律，凡盲孔孔型锥度较差的或玻纤突出的“螃蟹脚” 问题显得尤为突出，电镀后取切片就已经断裂（此类缺陷约占总不良的1.5%左右）而整体锥度较好孔型，孔内镀铜效果较好，但有一定比例盲孔孔角仍可看到清晰的微蚀线呈八字形向两旁延伸，经热冲击后断裂（此类缺陷约占总不良的0.6 %左右）。

　　基于孔内玻璃纤维突出及盲孔整体孔型较差类别比例高，首要问题则是改善激光成孔效果，根据切片分析，当激光能量参数设定不合适，无法做到有效切削玻纤及好的孔型锥度，那么就将阻碍药水在孔内交换，导致局部镀铜异常。

　　⑴ 激光工艺及参数优化设置两种不同工艺及激光参数进行试验比较，以选出最佳工艺与激光成孔参数。

　　试验证明，激光采用开大打小，即Largewindow 做法，能有效提高药水在孔内交换效果，且盲电孔电镀铜效果理想。

　　⑵ 沉铜设备及参数优化

　　经上述试验证明，当激光采用开大打小，（1-5 枪）能量促步递减之做法孔型较好；反之采用开小打大，（1-5 抢）每枪能量一致，孔型则易出现倒锥型或玻纤突出，当孔型异常时锰酸盐易残留于孔死角，当中和与锰酸盐反应不充分，则在孔死角处锰酸盐必定破坏除油剂中的表面活性剂，造成孔角部位无法吸附钯离子，从而产生孔破缺陷。要使中和反应充分，必须提高药水灌孔清洗效果， 唯一的方法就是在中和缸与中和后水洗缸增加振动及超声波装置，方向确定后即着手对中和缸与后水洗缸进行改造动作。

　　1、垂直沉铜线，中和缸、后水洗缸各增加一组超声波及振动，安装要求如下：

　　振动：振幅≥20mm/s　　振频：振8S 停8S　　超声波：超音波功率按8-10W/L 配置

　　2、水平沉铜线，中和缸、后水洗缸各增加一组超声波安装要求如下：

　　超声波：超音波功率按8-10W/L 配置

　　改造后盲孔板背光状况：

　　自4 月12 号改造完成后，一直未出现背光不良现象达到预期的清洗效果,背光值稳定均达到9 级以上（5 月5 号垂直沉铜线出现一单背光不良问题，后查明，除油缸，药水到期未及时更换）。同时考虑到盲孔沉铜出来，为防止孔内被氧化，故在电镀前用0.2-0.6%的稀硫酸浸泡。

　　四、优化效果确认

　　通过对激光的优化、沉铜线中和清洗效果的提升、电镀振幅的提升、导电部件清洁保养、电镀参数的优化盲孔电镀“螃蟹脚”问题得到了有效控制，自07 年4 月份开始“螃蟹脚”问题持续下降，从异常走势图上可看出盲孔问题整体呈明显下降趋势。

　　五、制程控制重点及问题预防建议

　　对改善盲孔螃蟹脚问题，首要任务就是保证镭射盲孔孔型，其次便是保证沉铜，使孔内有良好的导电性，再次是加强电镀的灌孔能力。换句话说，有较好的孔型锥度及提升沉铜工艺能力是治根，而提升电镀能力则是治标，要使产品有较高的可靠性能，过程控制中必须做到标本兼顾，A 公司自对上述设备及工艺进行全面调整，自07 年6 月份后无一单盲孔电镀品质问题，确保了HDI 板的可靠性能，从而多次受到了客户的好评。

　　激光

　　激光需做好二个方面：

　　1、采用开大打小，铜窗口≧8mil ，镭射孔5mil，保证孔锥度，锥度≧60%

　　2、避免倒梯形孔与腰鼓孔型

　　沉铜

　　中和缸、中和后水洗缸，增加振动与超声波配制，确保清洗达到最佳效果，振幅≥20mm/s，超音波功率按8-10W/L 标准要求配置

　　电镀

　　1、提高振动幅度并确保振动传输有效性，飞巴上每一个点，振动幅度必须≧20mm/S

　　2、增加阳极面积，即：阴阳极比≧1.8：1 以上（而业内目前大多数镀线阴阳极比为1.4：1左右，主要是设备商计算方法不对，对做高端板影响较大）

　　3、提高硫酸铜含量，盲孔镀铜，硫酸铜含量最好是98-110g/L 范围

　　4、做好清洁保养工作，确保导电良好。

　　本文所提到的相关改善参数，只适合该公司特定工艺流程及设备，需根据各公司使用板材、设备、管控方法及工艺要求的不同而需做相应调整，在此跟大家一起分享的更多是改善问题的思路。

　　六、结束语

　　经2个月来,通过大量的实验求证及对设备整改、药水参数的调整优化与及工艺方法的改良,不但使盲孔镀铜异常问题得到了有效改善,提高了品质良率﹑可靠度﹑提高了客户信誉度,还给我们后续改善问题指明了方向.随着电子产品的快速发展，PCB行业的激烈竞争，作为PCB厂家应该不断地提升自己的制作能力，才能更好地满足客户的需求。