孔无铜原因分析

1、详述除胶渣、PTH工序流程（包括几级水洗）以及各药水缸的作用，列出各缸的化学反应方程式。流程：膨松→二级水系→除胶渣→预中和→二级水洗→中和→二级水洗→除油→三级水洗→微蚀→二级水洗→预浸→活化→二级水洗→加速→二级水洗→沉铜→三级水洗。各药水缸作用及化学反应方程式：膨胀：因基材树脂为高分子化合物，分子间结合力很强，为了使钻污树脂被有效地除去，通过膨胀处理使其膨松软化，从而便于MnO4-离子的浸入，使长碳链裂解而达到除胶的目的。除胶：使孔壁环氧树脂表面产生微观上的粗糙，以提高孔壁与化学铜之间的接合力，并可提高孔壁对活化液的吸附量，其原理是利用KMnO4在碱性环境中强氧化性的特性将孔壁表面树脂氧化分解。反应机理：4MnO4-+C（树脂）+4OH-→MnO42- +CO2↑+2H2O 副反应：2MnO4-+2OH-→2MnO42 -+1/2O2+H2O MnO4-+H2O→MnO2↓+2OH-+1/2O2 再生机理为：MnO42-+e→MnO4-。中和：经碱性KMnO4处理后的板，在板面及孔内带有大量的MnO4-、MnO42-、MnO2等药水残留物，因MnO4-本身具有极强的氧化性，对后工序的除油剂及活化性是一种毒物，故除胶后的板必须经中和处理将MnO4-进行还原，以消除它的强氧化性。还原中和常用H2O2-H2SO4还原体等或其它还原剂的酸性溶液： MnO4-+H2O2+H+→MnO42-+O2↑+H2O MnO4-+R+H+→MnO42-+H2O 除油：化学镀铜时，在孔壁和铜箔表面同时发生化学镀铜反应，若孔壁和铜箔表面有油污、指纹或氧化物则会影响化学铜与基铜之间的结合力；同时直接影响到微蚀效果，随之而来的是化学铜与基铜的结合差，甚至沉积不上铜，所以必须进行除油处理，调整处理是为了调整孔壁基材表面因钻孔而附着的负电荷，由于此负电荷的存在，会影响对催化剂胶体钯的吸附，生产中通常用阳离子型表面活性剂作为调整剂。微蚀：使铜面在微观上表现为凹凸不平的粗糙面，一方面可以使基体铜吸附更多的活化钯胶体，另一主要作用是提高基铜与化学铜的结合力。预浸：若生产中的板不经过预浸处理而直接进入活化缸，活化缸会因为板面所附着的水使活化液的PH值发生变化，活化液的有效成份发生水解，影响活化效果。活化：在绝缘的基体上吸附一层具有催化能力的金属，使经过活化的基体表面具有催化还原金属的能力。活化液的有效成份为Sn2+、Pd2+等胶体离子，在活化液中发生如下反应： Pd2++2Sn2+→（PdSn2）2+→Pd+Sn4++Sn2+，当完成活化处理后进入水洗缸，Sn2+会和活化液中Cl和H2O发生反应：SnCl2+H2O→Sn （OH）Cl↓+HCl，在SnCl2沉淀的同时，连同Pd核一起沉积在被活化的基体表面。加速：活化之后在基体表面上吸附的是以金属钯为核心的胶团，在胶团的周围包围着碱式锡酸盐，而真正起催化作用的钯并没有充分露出，所以在化学沉铜前除去一部分包在钯核周围的锡化合物使钯核露出，以增强钯的活性，也增加了基体化铜的结合力。沉铜：沉铜液中Cu2+ 与还原剂在催化剂金属钯及新沉积上的铜的作用下发生氧化还原反应，在基体表面沉积一层0.3-0.5um的薄铜，使本身绝缘的孔壁产生导电性，使后续的板面电镀得以顺利进行。反应机理：Cu2++2HCHO+4OH-→Cu+2HCOO-+2H2O+H2↑

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2、描述沉厚铜、沉薄铜、黑孔各有优缺点？优点缺点沉厚铜代替了板电，节省人力物力不适用于密线路的生产，对干膜返工次数少沉薄铜适用于密线路板的生产药水排放污染大，人力物力大黑孔环境污染小成本高

3、列出孔内无铜的可能原因？（至少10种以上，包括PTH、电镀、干膜、图电、蚀刻、表面处理）背光不良、气泡（沉铜、板电、图电）、散架（沉铜）、叠板（沉铜、电镀）、图电微蚀过度、流胶入孔、膜碎入孔、蚀刻返工过度、喷锡返工次数过多、

4、背光不良有几种产生原因，各可能原因在半切片上如何分辨？产线上如何取证进一步判别？玻璃纤维沉铜层偏薄：玻璃纤维处特别是纵向纤维处，沉铜层太薄，背光观察时，部分光线穿过出现轻微透光现象。主要是化学铜制程沉积速率过慢造成。出现这种问题的主要原因：化学铜拖缸时间不够，活性不足或者槽液活

性尚未起来（通过沉积速率测试判别）；化学铜槽液管控不当，前处理碱性除油调整不足或者活化不良（通过化验药水、测量温度判别），除油后或者活化后水洗过度，除油后微蚀处理时间过长等（测量时间判别）；环氧树脂沉铜过薄：孔内环氧树脂处出现这种问题原因类似上述玻璃纤维处。一些高Tg树脂或者填充材料或者复合材料的基材是比较难于调整和活化，也经常会发生上述情况；珍珠环：这种缺陷一般发生在非导电基材和铜层之间，最常见树脂或者内层铜层和 B 阶树脂之间。严重情况下，C 阶树脂也会发生。珍珠环出现时，可能在上述区域是不连续透光，有时也可能会出现轻微连续的圆环状透光。当这种孔无铜区域发生在外层铜箔和树脂结合处，称之为外缘空隙。这种缺陷主要是因为钻孔不良或者钻孔工艺参数不应当，造成基材2 种不同基材受损；B阶树脂和内层铜箔之间出现撕裂；这种情况，在后续除胶渣过程中造成撕裂加大，造成后续沉铜困难；化学铜沉积速率越慢，珍珠环出现的几率越大；钉头（孔内毛刺）的产生：内层铜层被挤压变形成钉头形状，延伸到孔内非导电基材内。经过微蚀粗化处理后，一圈环状未经过除油调整的基材暴露出来，因为未经过除油调整处理，所以后续活化不良，造成沉铜不良，偏薄，甚至沉铜不上；5、列出板电、图电缸顺序流程图，列出电镀化学反应方程式？阴极：Cu2++2e→Cu (主反应) 2H++e→H2↑ (副反应) 阳极：Cu－2e→Cu2+ (主反应) 4OH-－4e→2H2O+O2+4e (副反应) 6、列出铜厚与电流、时间、药水浓度等的计算公式？7、如何测试电镀均匀性（分板电、图电）？不合格的调整那些方面一达标（至少描述10 种以上），列出电镀均匀性计算公式。钛篮摆放、阳极挡板大小、浮桥V的深浅、夹子分布、喷流分布、打气分布、8、抗镀的原因及改善措施？粗糙的原因及改善措施？（图电）针孔的原因及改善措施针孔的原因及改善措施：1.有机污染,其实,有机污染会导致溶液润湿性,或者表面张力改变.从而导致微小气泡吸附在表面不溶液下来.具体原理可以研读大学<物理化学>或表面化学. 2.漏气,这所说漏气,应该是特指过滤泵进口处漏气,空气被泵吸入形成了过饱和溶液.原理我也一下说不清楚.我记得化工原理上应该有比较详细介绍； 3.震动不够,其实你不就是想把吸附在板面气泡震下来嘛!

4.氯离子含量过低，温度太高，光剂不够；粗糙的原因及改善措施：1、铜面前处理不良，铜面有脏物; 2、除油剂污染 3、微蚀剂铜含量偏高或者酸含量低;4、镀铜前浸酸槽铜含量高或者污染 5、铜缸阳极含磷量不当；6、阳极生膜不良 7、阳极泥过多；8、阳极袋破裂 9、阳极部分导电不良;10、空气搅拌的空气太脏，有灰尘或油污； 11、槽液温度过高;12、阴极电流密度过大 13、槽液有机污染太多，电流密度范围下降 14、过滤系统不良;15、电镀夹板不良 16、夹具导电不良;17、加板时有空夹点现象 18、光剂含量不足;19、酸铜比过高大于25：1 20、酸含量过高;21、铜含量偏低;22、阳极钝化

通过背光试验和前光试验评估检测化学铜制程

【来源】：PCB信息网【作者】：陈伟元（译）【发表日期】：2011-10-14

线路板PCB制作是一个复杂的，多级加工的过程，在生产过程中控制不当就可能产生很多的报废和品质缺陷。无论是使用传统的化学铜PTH还是新式的直接电镀制程，电镀前的通孔和盲孔的金属化是一个复杂的操作过程。为保证生产线产量最大化，使用合理的检测方法和手段来使整个流程良好有效运作是必要的。另外，控制流程中每个处理处理步骤的参数和每个部分处理后的处理效果的确认评估是一样重要。这需要对生产线现场有清晰直接的了解：包括对现场制程难以想象的多次仔细检查，现场的原材料的不断变化和提供经过确认的各个制程的控制方法。

对PTH制程镀通孔的沉积覆盖率的评估和监控(PTH process)是一个十分重要的质量控

制的检查，这样可以确保化学铜沉积处理后的镀层可以有效的提供后续镀通孔的导电和其他性能要求，也可以及时发现生产线的一些无法预知的问题及时地在该环节流程进行必要的或者可能返工处理。

定期的进行背光和前光检测来监控化学铜沉积质量和覆盖率，是预防和有效减少化学铜制程镀层不良缺陷的最佳方法。背光测试可以检查出生产线上化学铜的沉积不良或者不完整的镀层（背光不良，化学铜沉积不连续），前光测试可以看到化学铜沉积覆盖不良区域的位置（如环氧树脂或者玻璃纤维）和化学铜的沉积状况，亦即环氧树脂，玻璃纤维和内层铜环处的化学铜结合状况。使用合理有效地背光测试方法，可以有效监控和检测来自PTH生产线的产品的整个沉铜覆盖率/背光状况的变化，可以使用相对较少检测频率检查出生产线上少量，不确定的孔无铜问题，例如可能因为钻孔不良，钻孔毛刺/披锋，钻污等造成的。

取样频率Sampling Frequency

虽然对生产过程中的每个挂具/挂篮都取样来监控化学铜镀层质量是最好，但是这也是不太现实的。每个客户需要根据他们的品质要求来建立一个合理适当的取样频率，既可以确保生产线在客户的品质要求的制程控制范围，也可以在使用较少的取样频率和必须的检测成本之间取得平衡。

一种常见方法是从生产线上沉铜后的每个挂具或者挂篮上抽取一块板进行取样检查，但是一般每四个样品检查一次背光和前光。如果发现问题，再检查取样挂篮/挂具的其他生产板。另外，如果发现在同一挂具或者挂篮不同位置的生产板背光出现差异，最好从从挂具或者挂篮不同位置进行取样检测。

背光或前光测试一般使用生产板板边科邦孔（样品孔，样孔列）作为检测。一般是不同孔径，孔中心在同一轴线上的5-10个孔。根据生产板类型选择不同孔径的孔进行检测评估。生产上，我们一般多倾向于选择孔径在0.016 "-0.043之间的孔(0.4 mm-1.1mm)。一般小于0.016 "(0.4 mm）的孔一般比较难于取样，相对较少；孔径大于0.043（1.1mm)的孔一般作为插件装配孔，很少要求电气互连功能。背光测试孔最好选择生产板上下板边位置至少有0.5 "（6.0毫米），这样，测试孔上下位置的其他孔才可能保证在背光检测过程与测试样孔背光的稳定均一性。下面有几种常用的背光检测样品取样方法：

首选方法：一般把背光测试样孔合并设计到生产板的空白区域或者板边边缘区域，多数在板边外缘。可以从挂具/挂篮的生产板上取一些板边科邦孔，而不需损坏成品线路图形。这种方法同时也受一些相关的生产批量和其他具体参数，譬如钻孔或者基板材料等因素影响。其他两种方法也许会用到：

1.从生产线最常见的板料取样，最好从一个生产板件上取样时可以或者尽可能抽取不同孔径的孔；

2.使用钻孔报废板作为检测板；

使用上述两种取样方法，沉铜挂板方式是一个外来重要影响；因为它们可能会和生产板一起在槽液中经过槽液流动搅拌，空气搅拌和机械摇摆过程暴露在液位上；然而上述两种方法的缺陷是会有很多特定因素影响，如试验板板材类型，钻孔参数等一些不能检测的因素。把背光测试样品直接拼到生产线的生产板上是唯一可以实际监控现场生产状况的直接方法。取样：

取样板一旦经过PTH处理后，可以使用铣床，锯子，冲床等工具取样。为方便后续处理，取样时最好冲切边缘和测试孔保持足够距离（一般是3-5mm）。进行背光或者前光测试，样品一般通过剪切或者研磨到测试排孔的中央轴线，要保证孔内没有毛刺和脏物粉尘等，然后从测试孔背后研磨到孔边（一般是1-3mm），这样可以保证背光测试的光线可以顺利穿过测试样。另外，样品制作过程不可以人为损坏测试孔表面。取样后，不管使用金刚石刀片切开测试孔或者通过抛光盘研磨抛光到孔中部附近，先用120或者240砂纸去除样品切片板边

或孔边毛刺，然后再用400或者600号砂纸进行研磨抛光。抛光研磨时，最好使用小镊子夹紧测试样进行研磨。如图一所示。首先从测试样孔后面研磨1-2mm，然后翻转，用镊子夹紧这1-2mm区域研磨正面。研磨后水洗烘干即可。注意镊子不可以损伤测试孔。

备注：取样后，样品要保持干燥，减少试样周围空气流通，特别是对于这样一些测试样情况：在除胶渣过程中难于除胶和调整的板料，化学铜和基材之间结合程度不好，在外层铜箔和非导电基材之间的化学铜容易发生部分氧化

图1样品制作

图2 ：样品外观

测试样检查

样品可以使用50-200倍放大镜或者金相显微镜观察。先使用上光聚焦，然后使用下光观察背光状况。透光区域则是化学铜沉积覆盖不良区域。要检测样品的每一个测试孔。评估标准有很多，我们喜欢使用0,5-5.0的测试标准级数（实际上大陆更多的是使用原希普列10级标准级数表）。5.0代表完全的化学铜覆盖率。我们使用一系列的标准图，可以有效保证在不同员工之间进行背光操作的一致性和稳定性，这些图片通常作为背光检查评估标准和操作指南。

图3：背光级数表

背光检测的验收标准不同客户要求不同，通常要求生产线沉铜背光在4.25级（或者8级）以上，这样就可以保证后续电镀孔铜覆盖率和均匀性，满足客户品质要求。

结果说明：

通过下光检查背光效果，通过前光，检查确定孔无铜区域的位置（树脂或者玻璃纤维），孔内微空洞类型，化学铜沉积状况和沉积镀层质量。为了保证沉铜评估检测的客观性，减少人为因素，我们使用下面一些术语来更加准确的判定通过背光和前光测试检测到的沉铜覆盖率，沉铜层沉积状况。

1.TOG玻璃纤维沉铜层偏薄（Thin Plating on Glass）：玻璃纤维处特别是纵向纤维处，沉铜层太薄，背光观察时，部分光线穿过出现轻微透光现象。主要是化学铜制程沉积速率过慢造成。出现这种问题的主要原因化学铜拖缸时间不够，活性不足或者槽液活性尚未起来，化学铜槽液管控不当，前处理碱性除油调整不足或者活化不良，除油后或者活化后水洗过度，除油后微蚀处理时间过长等；

2.TOE环氧树脂沉铜过薄（Thin Plating on Epoxy）：孔内环氧树脂处出现这种问题原因类似上述玻璃纤维处。一些高Tg树脂或者填充材料或者复合材料的基材是比较难于调整和活化，也经常会发生上述情况。

3.ROP珍珠环（Ring of Pearls）：这种缺陷一般发生在非导电基材和铜层之间，最常见树脂或者内层铜层和B阶树脂之间。严重情况下，C阶树脂也会发生。（译者注：在孔内出现圈状圆环状透光）珍珠环出现时，可能在上述区域是不连续透光，有时也可能会出现轻微连续的圆环状透光。当这种孔无铜区域发生在外层铜箔和树脂结合处，称之为外缘空隙。这种缺陷主要是因为钻孔不良或者钻孔工艺参数不应当，造成基材2种不同基材受损；B阶树脂和内层铜箔之间出现撕裂；这种情况，在后续除胶渣过程中造成撕裂加大，造成后续沉铜困难；化学铜沉积速率越慢，珍珠环出现的几率越大；

4.钉头（孔内毛刺）的产生：内层铜层被挤压变形成钉头形状，延伸到孔内非导电基材

内。经过微蚀粗化处理后，一圈环状未经过除油调整的基材暴露出来，因为未经过除油调整处理，所以后续活化不良，造成沉铜不良，偏薄，甚至沉铜不上；

5.GTV: 玻璃纤维尖端空洞(Glass Tip V oids):主要发生在纵向玻璃纤维束垂直于孔壁的玻璃纤维断面处，外形看起来像眼睛，主要是因为此处沉铜覆盖不良造成；这种缺陷一般主要原因是碱除油调整不良或者活化不良造成，也可能因为一些工艺步骤过程如碱除油和化学铜后水洗过度造成。微蚀时间过长，微蚀过度，也可能造成环氧树脂或者玻璃纤维表面的碱性调整剂损失，造成后续活化不良或者无活化。本来玻璃纤维处就是难于调整，过微蚀粗化首先会造成玻纤尖端空洞。

6.TGV: 横向玻璃纤维区域空洞Transverse Glass V oids:横向玻璃纤维束是和孔壁平行。玻璃纤维束的尺寸会因为半固化片（pp材料）和或者所用芯材的不同而不同。再次，这个问题主要是因为沉铜覆盖不良造成。典型的形成原因类似于GTVGlass Tip V oids玻璃纤维尖端空洞。另外，孔内微空洞发生在横向纤维束处也可能因为玻纤处化学桶结合力不良造成。化学铜在玻璃纤维束处沉积时或者在后续生产过程中会出现裂开，甚至爆裂现象，造成孔内微空洞（详细信息请参考pop-off玻璃纤维表面孔铜爆裂和镀层褶皱wrinkles的讨论）。这种情况在玻璃纤维布较厚的基材中较易发生。

图4：显示ROP, GTV, TGV.的背光和前光图片

7.PO: 横向玻璃纤维束化学铜爆裂Pop Off:当化学铜在玻璃纤维处沉积结合不良，最终会出现化学铜镀层剥离起泡分层等现象，最终导致TGV横向玻璃纤维束区域的玻璃纤维尖端空洞现象。引起GTV的原因有以下几个不同的主要原因，通过分析评估化学铜镀层结合不良（镀层剥离）可以提供关于品质缺陷的其他信息。

图5：化学铜在横向玻璃纤维束表面发生镀层剥离（PO）的SEM照片

发生化学铜镀层爆裂的主要原因是因为调整过度或者活化过度，但是，化学铜的沉积厚度和玻璃纤维的厚度也可能是造成这个缺陷的主要原因。化学铜越厚，在玻璃纤维处发生镀层剥离的现象的机会越大，因为化学铜的沉积造成的镀层应力原因。另外，较厚的玻璃纤维布较薄的玻璃纤维布对于化学铜来说，更容易发生镀层玻璃现象，因为厚的玻璃纤维布的表面积较大，相对应力加大。在有些情况下可能发生如下现象，当使用前光观察玻璃纤维时，发现化学铜镀层结合不良或者镀层皱褶，但是背光试验是OK的。化学铜和玻璃纤维束之间的较差的结合力是这块生产板的其他区域发生纵向玻璃纤维束尖端空洞的潜在显示。

8.WR：橘皮状镀层Wrinkles：在某些情况下，虽然试片检测看不到玻璃纤维束微空洞，也没有出现化学铜在玻璃纤维处发生镀层剥离，但是化学铜镀层本身会产生橘皮状镀层。所以橘皮状镀层要引起注意，这显示玻璃纤维处结合力出现异常，结合较差，假如出现这种橘皮状镀层状况，建议最好另外取样检查是否有孔内无铜出现。

图6：在横向玻璃纤维束表面的橘皮状化学铜镀层的SEM 照片

9.TAG: Thinning Around Glass玻璃纤维处化学铜偏薄:这种缺陷主要出现在玻璃纤维尖端，经常在在后续背光检查中误判为GTV( Glass Tip V oids玻璃纤维尖端空洞).通过前光检查无铜区域，我们可以清楚地看到：玻璃纤维本身没有发生透光，而是玻璃纤维之间或者玻璃纤维束周围出现透光。这种缺陷在低Tg材料中更容易发生，因为环氧树脂更容易在除胶渣过程中被化学腐蚀氧化。除胶渣的攻击性越强，出现TAG的机会越多。另外，化学铜镀层越薄，越容易出现TAG

图7：显示TAG的背光和前光图片

玻璃纤维断面尖端区域化学铜沉积不完全连续（背光不良）

10.PL：铜层剥离pull off：这种缺陷主要发生在孔壁的环氧树脂区域，类似于PO（PO: Pop Off横向玻璃纤维束化学铜爆裂）。发生化学铜剥离现象的主要原因是调整过度和活化过度。虽然有些板料更容易出现这种问题，主要是因为除胶渣制程中的树脂结构受到破坏。高Tg材料相对于低Tg材料更难于除胶渣处理，但并不是所有材料都是如此。一些可能会影响树脂空间结构（交联度）和铜层剥离问题的因素是树脂的类型和基材所使用的填充材料。软板基材更难于除胶渣和调整，更容易出现镀层剥离PL和镀层起泡blisters。

图8：发生孔壁环氧树脂区域的镀层剥离(PL) 的SEM照片

11.EB: 化学铜的镀层起泡Electroless Blister：化学铜镀层起泡不仅可能会生在孔内内层铜环处，也有可能发生在孔壁的环氧树脂区域。无论上述哪种状况，孔壁表面都会出现泡状外观。如果发生上述状况，这种缺陷会在这块板的其他地方都会出现。这种缺陷的主要因为化学铜镀层在孔壁的结合力太差造成的（包括孔内环氧树脂区域和内层铜环部分）。产生镀层起泡EB的主要原因同PL.镀层剥离是一样的。

图9：孔壁内层铜环处化学铜起泡的前光图片

Data Recording记录数据

在背光试验中要根据背光级数表，逐个观察研判和记录测试片上的每个孔的背光级数。一旦对测试孔都做了背光检查，并记录平均背光级数和测试孔中的单个孔的最低背光级数。通过最低背光级数记录数据，可以提供被检查的测试样的化学铜沉积覆盖率的连续稳定性。先使用背光观察孔内化学铜的覆盖率，然后再使用前光检查孔内化学铜的沉积状况和孔内沉铜不良或者无铜存在的区域。要观察化学铜沉积状况，最好是观察孔内表面相对光滑的横向玻璃纤维束部分。表面光滑的横向玻璃纤维速比相对粗糙的环氧树脂表面更好地反应化学铜的沉积状况。通常经常通过背光和前光反复使用，来确定孔内无铜区域。仔细检查孔内无铜区域，很多情况下是光线是通过玻璃纤维周围而不是玻璃纤维本身（TAG）。这也有利于估计测试样中的环氧树脂区域和玻璃纤维区域孔无铜的相对%比率，更好地判定造成孔内无铜的原因。表1是背光记录检查日报表和孔无铜类型的标注。

表1：背光/前光测试结果的样品数据记录格式

Conclusions结论：

如果在PTH制程控制不当，造成后续成品报废，这个代价是昂贵的，这个成本不仅包括材料和加工成本，而且包括可能发生交期延误造成的在客户关系协调方面的费用。

定期抽样检查生产线产品的背光可以及时发现生产线PTH存在潜在质量问题和及时在这个工序进行返工处理。通过监控整个生产线背光覆盖率和随时间变化的覆盖率逐步下降的区域的变化趋势，来及时发现槽液控制问题或者槽液寿命，例如槽液污染和槽液寿命使用过期。

另外，最近使用新的板料的背光记录表明:化学铜制程的化学药水能否达到要求的品质或者如果可能，也需要制程本身做一些必要的调整对质量管理和查明故障及时处理PTH制程问题来说，正确使用背光测试是个非常有用的方法和工具。