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不同的板厚孔径比下印制电路板通孔导电膜直接电镀铜的可靠性

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不同的板厚孔径比下印制电路板通孔导电膜直接电镀铜的可靠性

发布日期:2018-09-06 作者:admin 点击:

摘要:文章主要研究了在不同的板厚孔径比下印制电路板通孔导电膜直接电镀铜的可靠性。利用扫描电子显微镜(SEM)观察在导电膜上电镀铜的微观形貌,背光测试检测在导电膜上短暂电镀铜的效果,热应力测试检测孔铜的耐热性能,并打切片分析直接电镀所得孔铜厚度及电镀均镀能力(Throwing Power)。

引言

金属化孔(PTH)提供多层印制电路板(MLB)中的导电层之间的电气互联。半导体集成化的发展和对更高系统功能化的要求推动了PCB设计向更高密度和更轻的重量发展。因此,增加多层板层数和表面贴装技术(SMT)被广泛应用于整个电子行业。由于PTH元器件的更迭换代,PTH的直径必须缩小,以便为导体布线留出更多的空间,但是这会使镀铜更加困难,PTH的可靠性成为一个主要问题。

传统金属化孔的方式是采用化学镀铜,但化学镀铜存在成本大和污染严重的问题,化学镀铜溶液中的甲醛不仅对生态环境有危害,还对人体有害。不仅如此,化学镀铜还需要对溶液进行严格的管理,工艺流程复杂,并且在化学镀铜过程中由于有打气搅拌镀液,容易造成孔内残留气泡,从而导致孔内无铜。因此,新的直接电镀技术得到不断发展。直接电镀技术主要有三大系列:钯系列;碳系列;导电性高分子系列。其中导电性高分子系列直接电镀技术又称为导电膜直接电镀技术,它是在非导体孔壁表面上沉积不溶性导电聚合物膜层,不需要整板电镀铜加厚就可直接进行图形电镀。导电膜直接电镀技术具有流程短、排污少、无甲醛且节水节电的优点,适合在水平线上加工,设备占地面积少,操作人手少,降低了人工成本。而且生产周期短,传统化学镀铜流程需要一个多小时,而导电膜的成膜步骤只需五分钟,因而效率大为提高。

目前导电膜工艺大多用于生产厚度在2.0 mm以下的薄板,且板厚孔径比在7以下,而随着高多层PCB向层数更多、孔径更小、布线更密的方向发展,以导电膜为基础的直接电镀技术就必须适应不同的厚径比。

文章就导电膜直接电镀技术在不同厚径比AR(Aspect Ratio)(厚径比从6.7:1到15:1)通孔下的可靠性进行了一系列的研究,包括对在导电膜上电镀铜的形貌的分析,短暂电镀铜后背光测试,对孔内均镀能力的影响以及热应力冲击测试等。

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实验

1.1  实验仪器设备及所需药品

实验仪器设备包括导电膜生产线,标准1.5L的哈林槽,阴极(双面覆铜板,通孔实验板),金相显微镜,扫描电子显微镜及无铅熔锡炉。

电镀所用药品及含量为65 g/L CuSO4·5H2O、120 ml/LH2SO4,1.64 ml/LHCl,10 ml/L电镀铜光剂。

1.2  实验方法

实验板分为两种:双面覆铜板(长100 mm,宽50 mm)用于测试铜层结晶形貌,通孔实验板(长150 mm,宽50 mm,板厚为2.0 mm、2.3 mm、3.0 mm三种规格,钻有直径0.2 mm、0.25 mm、0.3 mm的通孔)用于测试背光、孔内电镀均镀能力和热应力冲击测试。实验板预先经过导电膜生产线,其流程为微蚀→三级水洗→整孔→三级水洗→氧化→水刀清洗→催化→三级水洗→烘干,主要流程工艺参数如表1所示。接着在10%硫酸溶液中预浸1min后在哈林槽中电镀,电流参数设置为2 A/dm2 ,用于背光测试的实验板电镀时间为5 min,其余实验板电镀时间为70 min,并采用底部打气的方式搅拌镀液。

镀铜层的形貌采用扫描电子显微镜(SEM)进行观察。

孔内均镀能力的测试方法是先测量孔内镀层厚度,然后按照式(1)计算TP( 镀能力)值。由于测试目的是计算在导电膜上的镀层厚度,而板面只有铜层,没有导电膜,所以均镀能力的测试是采用孔内6点法来计算,通孔模型见图1。镀层厚度测量采用金相切片法,它是利用光学原理,对物体进行放大,可以观察到物体表面并测量镀层厚度。将电镀好的通孔实验板制成切片大小(5×12 mm),切片经灌胶镶嵌、打磨、抛光后在金相显微镜下观察,测量好镀层厚度后拍照保存。

式(1)

式中:δa~δf表示图1所示的通孔孔内a~f各点的镀铜层厚度。

短暂电镀铜后背光测试,用以检测导电膜是否均匀涂覆在孔内,也可以观察在导电膜上电镀铜的效果。将已完成导电膜流程的通孔实验板,在10%硫酸溶液中预浸1 min,然后在哈林槽中电镀5 min,电流参数设置为2 A/dm2。取出水洗,观察通孔透光情况。

热应力冲击测试(Thermal Stress),是检测铜镀层可靠性的常用方法,测试的目的是为了保证其在组装,返工和修理的过程中不会出现任何撕裂。热冲击实验按照TM-650规范,预浸助焊剂10 s后,在288 ℃无铅锡炉中进行10 s×5次浮锡。完成浮锡后打磨切片并在金相显微镜下观察孔口是否有断裂,孔内是否有铜层分离的现象。

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结果与分析

2.1  镀铜层形貌分析

在导电膜上电镀铜层的表面形貌如图2所示,由图2可以看出,电镀铜结晶细致,没有出现凹坑的现象。这表明导电膜直接电镀铜可以形成整平的铜镀层,不易因为形成凹坑或者凸起而造成开路或短路的现象。

2.2  均镀能力

图3是均镀能力TP与厚径比(AR)的关系,其中每种厚径比测量5个数值,求其平均值。从图3可以看出,随着厚径比增大,均镀能力值越来越小,最小厚径比6.67的TP值为72.4%,而厚径比15的TP值只有46.26%,图4为相应的金相切片图。图3中第一个AR为10的数值63.16%是在板厚2.0 mm,孔径0.2 mm的情况下的TP值,第二个AR为10的数值59.99%是在板厚3.0 mm,孔径0.3 mm的情况下的TP值,说明相同的厚径比,虽然孔径较大,但是板的厚度越大,均镀能力越低。

2.3  背光测试

图5是通孔涂覆导电膜后短暂电镀铜的背光图。图5(a)是板厚2.3 mm,孔径0.2 mm,厚径比为11.5的通孔背光图,无透光现象,表明导电膜上完整覆盖铜层;图5(b)是板厚3.0 mm,孔径0.25 mm,厚径比为12的通孔背光图,从图中可以看到孔中心部位有透光现象,而孔口不透光,这是由于随着厚径比的增大,镀液灌孔能力下降,导致短暂电镀不上铜的现象。实验板上其它厚径比在11.5以下的通孔,孔内背光测试无透光点。

2.4  热应力冲击测试

热应力冲击测试可用来观察孔内结构的完整性。潜在的问题包括由于除胶渣不适当、气孔等而造成的孔壁铜层分离和孔口铜层断裂。图6为三种通孔实验板最小孔径的热应力冲击金相切片图,厚径比分别为10、11.5、15。可以看出经过在288 ℃无铅锡炉浮锡5次,孔内铜镀层没有任何缝隙和断裂。实验板上其他孔径经5次浮锡后的金相切片图如图6一样,孔内镀层没有出现缺陷。

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结论

文章从镀层形貌、均镀能力、背光测试、热应力测试等方面研究了在不同厚径比下通孔涂覆导电膜直接电镀铜的可靠性。由实验发现,随着厚径比的增加,通孔内在导电膜上电镀的均镀能力值越来越小,孔中心的铜越来越薄,通孔互联可靠性将降低。对于厚径比在12以下的通孔,其背光测试良好,能耐热冲击,而厚径比在12以上的通孔,由于实验板较厚,背光测试显示孔中心透光,因此可考虑增加电镀时间,达到完整镀上铜的效果。


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