PCB大講堂：HDI板盲孔電鍍“螃蟹腳”改善研究

　摘　要：針對HDI板盲孔電鍍過程中出現(xiàn)“螃蟹腳”問題，通過試驗(yàn)，找出了產(chǎn)生“螃蟹腳”問題的原因，從而采取有效措施，為改善盲孔鍍銅品質(zhì)提供了方向和依據(jù)。
　　關(guān)鍵詞：HDI板 盲孔電鍍 螃蟹腳
　　一、背景
　　隨著電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，其可靠度要求越來越高，為了使盲孔鍍銅達(dá)到良好的耐熱性能及孔銅導(dǎo)通性，因此對盲孔鍍銅品質(zhì)要求也非常嚴(yán)格。07 年一季度前A 公司HDI板盲孔鍍銅一直存在盲孔螃蟹腳問題，不良率高達(dá)2.0%，此問題也曾一直困擾著PCB行業(yè)盲孔電鍍可靠性能,在電測很難被檢測出來，而往往在產(chǎn)品終端裝機(jī)后會(huì)出現(xiàn)信號(hào)中斷、突然死機(jī)等問題，導(dǎo)致客戶退貨、索賠巨款事故。給PCB生產(chǎn)公司帶來了較大的經(jīng)濟(jì)損失。為了改善此不良問題,提高盲孔電鍍可靠度，特對盲孔鍍銅異常問題進(jìn)行系統(tǒng)的分析﹑跟進(jìn)﹑改善異常問題，提高HDI 板的可靠性。
　　二、問題產(chǎn)生原因分析
　　不良切片歸類分析
　　經(jīng)過對大量問題切片進(jìn)行二次灌膠，精磨后將問題切片從表觀上分析，大概分成表中三類，針對此三種異常問題進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，達(dá)到找出問題正真原因，加以改善及預(yù)防。
　　三、設(shè)備改造及工藝優(yōu)化
　　以下探討的改善方向主要是，針對普通垂直龍門吊鍍線及MCP 線產(chǎn)生的品質(zhì)問題（不含水平電鍍線）；工藝方法是先采用整板電鍍，再走酸蝕流程，針對上述缺陷逐步展開排查
　　盲孔銅整體偏薄改善
　　對MCP 鍍線與普通垂直鍍龍門吊線生產(chǎn)的異常切片進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)MCP 鍍線并無類似上表中第一類現(xiàn)象切片，而普通垂直龍門吊鍍線較多，從而表明MCP 鍍線側(cè)噴形式能有效改善盲孔內(nèi)藥水交換問題，那么要解決普通垂直龍門吊鍍線盲孔整體鍍銅薄的問題，首要任務(wù)是提高盲孔孔內(nèi)藥水交換速度，繼而對設(shè)備導(dǎo)電性、振動(dòng)、攪拌、藥水參數(shù)作了全面檢查，
　?、?振動(dòng)檢測（測四條飛巴）
振幅要求 振動(dòng)幅度：≥20mm/s
飛巴上分布位置 左 中 右
實(shí)測值  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 振副平均為：11.19mm/s
　　傳遞到飛巴上的振力較小，平均振幅只有11.19mm/s ，而檢測振動(dòng)器上幅均達(dá)到40 mm/s以上，搖擺架上振幅竟然也達(dá)到15-18mm/s，很顯然，振動(dòng)器所產(chǎn)生的振力未能有效的傳遞到飛巴上，根據(jù)振動(dòng)電機(jī)工作原理與特點(diǎn):
　　振動(dòng)電機(jī)是動(dòng)力源與振動(dòng)源結(jié)合為一體的激振源，振動(dòng)電機(jī)是在轉(zhuǎn)子軸兩端各安裝一組可調(diào)偏心塊，利用軸及偏心塊高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力得到激振力。其主要特點(diǎn)是：振動(dòng)力大,機(jī)體重量輕,體積小,機(jī)械噪音低、受電源波動(dòng)的影響非常小、可根據(jù)振動(dòng)電機(jī)的安裝方式改變其振力的方向、只須調(diào)整偏心塊的夾角,就可調(diào)整其振力和振幅。
　　理清思路后，即刻對四組銅缸振動(dòng)進(jìn)行改裝，改裝后測量振幅數(shù)據(jù)如下：
振幅要求 振動(dòng)幅度：≥20mm/s
飛巴上分布位置 左 中 右
實(shí)測值  35  27.5  36.1
37.3  27.6  37.3
47  28  39
41  28.4  39.2
平均振幅 振副平均為：35.28mm/s
　　小結(jié)：
　　經(jīng)更換與氣動(dòng)振動(dòng)器相同功率的電動(dòng)振動(dòng)器，同時(shí)調(diào)整振動(dòng)安裝方式后,振幅有較大提升，此試驗(yàn)的成功為后續(xù)購買新的電鍍設(shè)備，對振動(dòng)器振幅、頻率、振動(dòng)器配件及安裝方式提供有力依據(jù)
　　⑵ 導(dǎo)電性檢測檢查銅缸整流器輸出電流，到達(dá)V 座兩端電流差異不大，均在±5%以內(nèi)，但量測每支夾具， 電流總和，則與輸出電流有較大差異，相差30A 之多。經(jīng)仔細(xì)檢查飛巴頭發(fā)現(xiàn)如下現(xiàn)象。
　　小結(jié)：
　　飛巴頭銅塊間嚴(yán)重氧化，主要是V 座冷卻方式不合理，當(dāng)采用冰水冷卻方式，（冷卻水溫度約在8-12℃）夏天室溫高于冷卻水溫，V 座及飛巴上則有水珠凝聚，電導(dǎo)通性較好，飛巴頭間也不易被氧化，但冬天當(dāng)室溫低于冷卻水是，V 座上將不再有水珠產(chǎn)生，飛巴頭與V座間導(dǎo)通不良且產(chǎn)生高溫，當(dāng)飛巴頭長期處在高溫發(fā)熱狀態(tài)下，飛巴頭銅塊間會(huì)鈍化，生成厚厚一層不易導(dǎo)電之氧化層，目前唯一做法就是定期拆開飛巴頭用砂紙打磨，保證良好的導(dǎo)電性能。最好的做法就是改用水浸泡式V 座，或者用注水式V 座，這一點(diǎn)將對電鍍設(shè)備制造商設(shè)計(jì)是有積極的借鑒指導(dǎo)作用。
　?、?陽極面積及電鍍參數(shù)調(diào)整優(yōu)化
　　在檢查銅球時(shí)發(fā)現(xiàn)1#、2#、3#、4#銅缸銅球陽極膜生成相對較好,5#、6#、7#、8#銅缸銅球陽極膜生成較差.根據(jù)公式：лdlf/2 計(jì)算:1# 、2# 、3# 、4#銅每條陽極桿鈦籃數(shù)為36 個(gè),其陰陽極面積比為: 1:1.8; 5#、6#、7#、8#銅每條陽極桿鈦籃數(shù)為28 個(gè),其陰陽極面積比為: 1:4 。
　　從磷膜生長情況比較,陽極面積大的的要比陽極面小的要好; 另5#、6#、7#、8#銅缸于4月17 號(hào)每根陽極桿鈦籃個(gè)數(shù)增加到36 只,陰陽極比已調(diào)到1.8:1,磷膜生長較好,根據(jù)電鍍反應(yīng)原理：
　　硫酸銅的主要作用就是為陰極提供足夠的銅離子及提高導(dǎo)電能力，為了有足夠的銅離子提供給陰極，同時(shí)提高垂直龍門吊鍍線與MCP 鍍線硫酸銅含量，從75g/L 提升到100g/L，嚴(yán)格控制光劑添加比例，同時(shí)調(diào)整鹽酸添加方式及分析頻率，即由以前的12 小時(shí)分析一次，采用人工手動(dòng)補(bǔ)加，調(diào)整為現(xiàn)在的8 小時(shí)分析一次，采用自動(dòng)添加.使之添加更加穩(wěn)定，從而使各藥水參數(shù)達(dá)到最佳狀態(tài)，生產(chǎn)一周后整體盲孔，孔內(nèi)銅薄問題有較大改善。
　　小結(jié)：
　　自4 上旬改善振動(dòng)飛巴頭導(dǎo)電效果、增加陽極面積及提升硫酸銅含量，同時(shí)做到在生產(chǎn)中及時(shí)補(bǔ)加銅球,(3 天補(bǔ)加一次,并電解4-6 小時(shí))以盡量保證最佳陽極面積，連續(xù)生產(chǎn)7天，無一單盲孔鍍銅整體偏薄問題,提高了鍍銅效率。但在此期間MCP 鍍線與垂直龍門吊鍍線“螃蟹腳”問題，仍時(shí)有發(fā)生，說明以上動(dòng)作對改善盲孔整體銅薄問題有一定效果，而對改善“螃蟹腳”問題似乎不夠明顯。故此我們將重點(diǎn)放到鐳射、沉銅、電鍍前處理改善工作上來。
　　盲孔“螃蟹腳”改善
　　在眾多問題切片中，有明顯的一種規(guī)律，凡盲孔孔型錐度較差的或玻纖突出的“螃蟹腳” 問題顯得尤為突出，電鍍后取切片就已經(jīng)斷裂（此類缺陷約占總不良的1.5%左右）而整體錐度較好孔型，孔內(nèi)鍍銅效果較好，但有一定比例盲孔孔角仍可看到清晰的微蝕線呈八字形向兩旁延伸，經(jīng)熱沖擊后斷裂（此類缺陷約占總不良的0.6 %左右）。
　　基于孔內(nèi)玻璃纖維突出及盲孔整體孔型較差類別比例高，首要問題則是改善激光成孔效果，根據(jù)切片分析，當(dāng)激光能量參數(shù)設(shè)定不合適，無法做到有效切削玻纖及好的孔型錐度，那么就將阻礙藥水在孔內(nèi)交換，導(dǎo)致局部鍍銅異常。
　?、?激光工藝及參數(shù)優(yōu)化設(shè)置兩種不同工藝及激光參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)比較，以選出最佳工藝與激光成孔參數(shù)。
　　試驗(yàn)證明，激光采用開大打小，即Largewindow 做法，能有效提高藥水在孔內(nèi)交換效果，且盲電孔電鍍銅效果理想。
　?、?沉銅設(shè)備及參數(shù)優(yōu)化
　　經(jīng)上述試驗(yàn)證明，當(dāng)激光采用開大打小，（1-5 槍）能量促步遞減之做法孔型較好；反之采用開小打大，（1-5 搶）每槍能量一致，孔型則易出現(xiàn)倒錐型或玻纖突出，當(dāng)孔型異常時(shí)錳酸鹽易殘留于孔死角，當(dāng)中和與錳酸鹽反應(yīng)不充分，則在孔死角處錳酸鹽必定破壞除油劑中的表面活性劑，造成孔角部位無法吸附鈀離子，從而產(chǎn)生孔破缺陷。要使中和反應(yīng)充分，必須提高藥水灌孔清洗效果， 唯一的方法就是在中和缸與中和后水洗缸增加振動(dòng)及超聲波裝置，方向確定后即著手對中和缸與后水洗缸進(jìn)行改造動(dòng)作。
　　1、垂直沉銅線，中和缸、后水洗缸各增加一組超聲波及振動(dòng)，安裝要求如下：
　　振動(dòng)：振幅≥20mm/s　　振頻：振8S 停8S　　超聲波：超音波功率按8-10W/L 配置
　　2、水平沉銅線，中和缸、后水洗缸各增加一組超聲波安裝要求如下：
　　超聲波：超音波功率按8-10W/L 配置
　　改造后盲孔板背光狀況：
　　自4 月12 號(hào)改造完成后，一直未出現(xiàn)背光不良現(xiàn)象達(dá)到預(yù)期的清洗效果,背光值穩(wěn)定均達(dá)到9 級(jí)以上（5 月5 號(hào)垂直沉銅線出現(xiàn)一單背光不良問題，后查明，除油缸，藥水到期未及時(shí)更換）。同時(shí)考慮到盲孔沉銅出來，為防止孔內(nèi)被氧化，故在電鍍前用0.2-0.6%的稀硫酸浸泡。
　　四、優(yōu)化效果確認(rèn)
　　通過對激光的優(yōu)化、沉銅線中和清洗效果的提升、電鍍振幅的提升、導(dǎo)電部件清潔保養(yǎng)、電鍍參數(shù)的優(yōu)化盲孔電鍍“螃蟹腳”問題得到了有效控制，自07 年4 月份開始“螃蟹腳”問題持續(xù)下降，從異常走勢圖上可看出盲孔問題整體呈明顯下降趨勢。
　　五、制程控制重點(diǎn)及問題預(yù)防建議
　　對改善盲孔螃蟹腳問題，首要任務(wù)就是保證鐳射盲孔孔型，其次便是保證沉銅，使孔內(nèi)有良好的導(dǎo)電性，再次是加強(qiáng)電鍍的灌孔能力。換句話說，有較好的孔型錐度及提升沉銅工藝能力是治根，而提升電鍍能力則是治標(biāo)，要使產(chǎn)品有較高的可靠性能，過程控制中必須做到標(biāo)本兼顧，A 公司自對上述設(shè)備及工藝進(jìn)行全面調(diào)整，自07 年6 月份后無一單盲孔電鍍品質(zhì)問題，確保了HDI 板的可靠性能，從而多次受到了客戶的好評(píng)。
　　激光
　　激光需做好二個(gè)方面：
　　1、采用開大打小，銅窗口≧8mil ，鐳射孔5mil，保證孔錐度，錐度≧60%
　　2、避免倒梯形孔與腰鼓孔型
　　沉銅
　　中和缸、中和后水洗缸，增加振動(dòng)與超聲波配制，確保清洗達(dá)到最佳效果，振幅≥20mm/s，超音波功率按8-10W/L 標(biāo)準(zhǔn)要求配置
　　電鍍
　　1、提高振動(dòng)幅度并確保振動(dòng)傳輸有效性，飛巴上每一個(gè)點(diǎn)，振動(dòng)幅度必須≧20mm/S
　　2、增加陽極面積，即：陰陽極比≧1.8：1 以上（而業(yè)內(nèi)目前大多數(shù)鍍線陰陽極比為1.4：1左右，主要是設(shè)備商計(jì)算方法不對，對做高端板影響較大）
　　3、提高硫酸銅含量，盲孔鍍銅，硫酸銅含量最好是98-110g/L 范圍
　　4、做好清潔保養(yǎng)工作，確保導(dǎo)電良好。
　　本文所提到的相關(guān)改善參數(shù)，只適合該公司特定工藝流程及設(shè)備，需根據(jù)各公司使用板材、設(shè)備、管控方法及工藝要求的不同而需做相應(yīng)調(diào)整，在此跟大家一起分享的更多是改善問題的思路。
　　六、結(jié)束語
　　經(jīng)2個(gè)月來,通過大量的實(shí)驗(yàn)求證及對設(shè)備整改、藥水參數(shù)的調(diào)整優(yōu)化與及工藝方法的改良,不但使盲孔鍍銅異常問題得到了有效改善,提高了品質(zhì)良率﹑可靠度﹑提高了客戶信譽(yù)度,還給我們后續(xù)改善問題指明了方向.隨著電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，PCB行業(yè)的激烈競爭，作為PCB廠家應(yīng)該不斷地提升自己的制作能力，才能更好地滿足客戶的需求。