PCB镀通孔发生“空洞”的根本原因和对策
林金堵 吴梅珠
摘 要 文章概述了多层板镀通孔发生“空洞”的根本原因与对策。基材、钻孔、孔壁粗糙度、孔尺寸、化学镀铜和电镀铜等都会影响PTH的“空洞”问题。
关键词 镀通孔；镀层“空洞”；镀层附着力；高性能基材；孔壁表面状态；化学镀铜中图分类号：TN41 文献标识码：A 文章编号：1009-0096（2010）4-0031-06
The Basic and Countermeasure
of the Plated Through Hole Voiding in PCB
LIN Jin-du WU Mei-zhu
Abstract The paper describes the basic and countermeasure of the plated through hole voiding in PCB. The substrate material, drilling hole, hole-wall topography, hole size, electroless copper, and plated copper can signi fi cantly impact the hole-wall voids, adhesion, and reliability of the PTH.
Key words PTH(Plated Through-Hole); hole-wall voids; hole-wall adhesion; high-performance substrate; hole-wall topography; electroless copper
目前，多层板随着高密度化发展和无铅化焊接要求等条件下，层间连接的导通孔面临着产生“空洞”等缺陷，其可靠性方面面临着严厉而复杂的挑战。这些挑战：（1）是导通孔高厚径比（孔微小化和高多层化）化和盲孔化等带来孔金属化与电镀的复杂困难度；（2）是无铅化要采用更高的T d 、T g 温度的CCL （高性能）材料所带来“导通孔”的加工新问题；（3）由于无铅化焊接要求有耐更高的焊接温度、更长的高温焊接时间和快速的冷却速度，因此，导通孔内的铜镀层，不仅要有更好的延展性，而且更重要地是要与孔壁有更好的结合力，才能经得起更高的焊接条件的考验；（4）是所制造的成品要经得起更高幅度的多次“热循环”、“热冲击”（更高温度和更长的高温停留时间）等的“老化（可靠性）”考验。这些因素正是镀通孔易于发生“分层”、“起泡”、“空洞”等缺陷的主要原
因。要掌握这些因素和分析这些现象与原因，应针对多层板的新情况与新变化，分析原因与因素，抓主要矛盾（问题），逐一采取新的有效措施来消除镀铜层的“空洞”、提高铜镀层的延展性及其与孔壁的结合力。
导通孔产生“空洞”是指孔内镀铜层与孔壁的界面之间、或者铜镀层中存在着“无镀铜”的“空洞”。 随着PCB 实施无铅化焊接技术和PCB 高密度化的发展，使PCB 中的导通孔更易于发生“空洞”、裂缝、“剥离”等现象，特别是“空洞”问题更为突出。因此，很有必要对产生“空洞”等原因进行探讨、分析和了解，然后采取措施加以克服。
1 基材（CCL）对导通孔质量的影响
基材（CCL ）的类型将明显地关系到导通孔的“空洞”和可靠性问题。
1.1 采用高T g和低CTE的基材
传统的FR-4基材是采用双氰胺为固化剂的环氧树脂系，其树脂分解温度（T d 为310 ℃左右）低，十分接近无铅焊料的焊接温度（可高达280 ℃），玻璃化温度（T g 为125 ℃ ~ 135 ℃之间）也低，加上其热膨胀系数（CTE 为80×10-6
/℃左右）也大，因此，在高温条件下，极易在基材内部（铜箔与介质层之间、介质量内树脂与玻纤之间等）形成“分层”/“微气泡”、“微间隙”等。可以想象到，这些“分层”/“微气泡”和“微间隙”等必然会带来导通孔的“空洞（“楔入空洞”）”问题，如图1所示。
图1 在电镀后见到的“楔入空洞”
当采用高T g （如≥150℃）和低CTE （如50×10-6
/℃左右）的基材，大量试验和应用都证明，在高温条件下处理时，在导通孔与孔壁界面间发生“裂缝”、“空洞”等缺陷就少得多，也就是说，采用高
T g 和低CTE 的FR-4基材比传统FR-4基材，可以减少“空洞”等缺陷、改善导通孔的可靠性。但是，制造加工过程中会带来问题，应注意加工制造的改进。
1.2 采用高T d（热飞机温度）的FR-4材料
在传统的FR-4基材中，用酚醛树脂类取代双氰胺为固化剂的环氧树脂系，其T d 温度可提高到340 ℃左右。比起传统FR-4材料来，可明显地提高耐热性能。实用证明：酚醛树脂类为固化剂的FR-4基材，明显地减少导通孔等的“空洞”、“分层”等缺陷，提高了层间连接的可靠性。但是，由于酚醛树脂类的“极性”很弱，加入量很大，加工较困难（脆性大），要很好地控制。同时，由于T g 温度低、CTE 大，虽然有明显地改善，但是在高温的无铅焊接条件下，仍然会出现各种热缺陷的问题。因此，最好是采用多功能或改性的FR-4环氧树脂系，即具有高T d 的同时，还具有高T g 和低CTE 的基材，这样的基材是可以更好地减少导通孔等的缺陷和结
构残余应力，获得更高的可靠性，然而，其制造成本是较高的。
1.3 无卤的基材
无卤的基材的最大的改变的阻燃剂机理的变化。无卤基材是指基材树脂中的卤素（主要主要是Br 、Cl ）含（总）量规定不得超过900×10-6（或1500×10-6）。目前，无卤的阻燃剂大多采用含磷化学物（Phosphorous ）和无机填料（如Al(OH)3等）。这些新型阻燃剂的加入和形成的结构，在孔金属化过程中，具有更难除去树脂污染（钻污）。因此，在前处理和去钻污（高锰酸钾，KMnO 4）等过程中，必须重新考虑和调整操作参数，才能得到好的孔内镀铜的质量，否则，就会引起孔内镀层与内层接触不良、甚至发生“断路”（绝缘）。
2 层压和半固化片（树脂流动状态）
的影响
把经过处理的多个内层片和半固化片按要求
“叠合”起来，在真空条件下加热加压形成多层板。很显然，这个“压层”质量必然影响到“钻孔”质量、特别是孔金属化与电镀铜的质量。
因为的读音基材和多层板的层压质量，它将影响着“钻孔”和“空金属化的质量。”在“层压”过程中，B-阶段树脂在“热”、“压”作用下产生流动排挤“气体”、完成“填塞”和“粘接”，使多层板内形成完整的“实体”，应无“凹陷”、“微气泡”和“楔入”等缺陷。如果树脂流动性差，就容易发生这些缺陷。那么，在钻孔后必然留下相应的“痕迹”，最后也在孔金属化与电镀中形成“楔入空洞”（如前面的图1所示）。
因此，必须挑选合适地半固化片（类型、树脂含量、凝胶时间和流动度等的控制）和调整适宜的层压操作参数（层压的升温的流变曲线、加高压时间、高温高压时间和冷却速度等），在优化状态下获得最佳的CCL 和多层板的性能。
3 钻孔孔壁质量对导通孔质量的影响
PCB 的孔金属化和电镀的镀通孔质量问题主要是来自于钻孔质量。因此，在检查导通孔的质量问题中，如果孔金属化和电镀的各种参数是正常时，就要很好检测钻孔的质量（特别是孔壁的形貌——
粗糙度、撕裂、钻污等）。在钻孔中主要易出现的问题有以下几个方面。
3.1 钻孔参数设定对孔壁质量（粗糙度等）
的影响
大家知道，随着PCB 高密度化的发展，导通孔的尺寸（孔径）将迅速地减小，因此，为了获得好的孔金属化和镀铜的质量，在钻孔时必须做到：钻孔速度要相应地提高；钻孔的孔壁粗糙要相应地缩小。
3.1.1 钻孔速度要相应地提高
为了保证孔壁保证孔壁质量和生产力，钻孔的速度必须随着孔径的减小而增加。假设钻孔直径由减小一倍时，为了保证原有的孔壁粗糙度和钻孔生产力，则钻速（n 2）要提高一倍。也就是说，必须保持两种钻孔的“线切割速度”相同，才能保证孔壁质量相同，即V 1＝V 2，蟋蟀皇帝
方形丝巾的系法V 1＝2πr 1n 1＝V 2＝2πr 2n 2，n 2＝ r 1n 1/ r 2 ＝2 n 1
式中：r 1n 1分别为直径φ0.6 m m 钻孔及其转速；r 2n 2分别为φ0.3 mm 时的钻孔及其转速。从式中可看出：当钻孔直径由φ0.6 mm 减小到φ0.3 mm 时，数控钻床的转速必须提高一倍，才能保证有相同的孔壁的质量和生产力，或者把进钻（给）速度降低一倍，使生产力下降一倍，来保证有相同的孔壁的质量。
这就是为什么当钻孔的直径减小时，为了保证孔壁质量和生产力，必须把数控钻床的转速提高的根本原因。
我曾遇到这样的问题：某PCB 企业把钻孔直径减小下来，钻床转速没有提高（受钻床转速度限制）而仍保持原来的生产力（即进钻速度不变），结果经常出现孔金属化不良（如“空洞”、“楔形空洞”等）。这是因为钻孔时，进钻速度与钻头转速不匹配，进钻速度过大，钻头在旋转切割的同时，又有明显地冲击（孔）作用，因而在界面处（特别是铜箔与树脂、树脂与玻纤布之间）造成“撕裂”的缝隙等，因此，造成孔金属化带来“空洞”、“楔形空洞”等缺陷，影响导通孔的质量。这就是为什么当钻孔的直径减小时，为了保证孔壁不止和生产力，必须把数控钻床的转速的根本原因。
3.1.2 钻孔的孔壁粗糙要相应地缩小。
为了保证孔金属化的质量。当钻孔直径不断地减小时，钻孔的孔壁粗糙度要相应地减小才行。这是因为孔经越小，处理液、镀液经过越困难，大的粗糙度会引起“驻液”或处理不到等，因而也能形成“空洞”等缺陷。因此，钻孔的孔壁粗糙度要随着孔径的减小而减小，孔壁粗糙度要求一般如表1所示。
3.2 钻头（嘴）质量
除了钻头的结构和组成（特别是碳化钨颗粒度和钴含量等，其规律是随着钻孔直径缩小，其碳化钨颗粒度要减小、钴含量增加）外，钻头的质量——特别是钻头的刃部的锋利和完整的程度。如钻头刃部锋利不足或磨损过大（钻孔过多）、或者刃部缺口（缺陷）等，在钻孔过程中由于钻头刃部缺口、磨损不锋利等造成“撕裂”、“冲切”作用而带来孔壁的缺陷，从而形成孔金属化“空洞”等问题。如有的制造商的钻头钻孔数过多、刃磨次数太多，从而造成孔壁质量下降而影响孔金属化的“空洞”等缺陷，这样的事例也是经常发生过。因此，钻头（嘴）质量的管理（使用前检测、钻孔数和刃磨次数等）必须规范化，同时，要经常或定期检测钻孔后孔壁的“完好性”，才能保证有好的钻孔的质量，这是保证孔金属化无“空洞”等缺陷的前提。
4 化学镀铜
孔金属化的质量，除了有好的钻孔质量为前提的保证外，化学镀铜和电镀铜的质量控制也是密切相关的。
4.1 孔壁清除“钻污”表面预处理4.1.1 孔壁的表面状态（形貌）
在化学镀铜前，对“在制板”的孔壁必须进行处理，其目的有：清除去污染（主要是树脂在钻孔过程中形成的“钻污”）以显露孔内的“铜环”；形成期望的表面形态（适宜的粗糙度和高的表面能量——活性）。学雷锋的故事
表1 孔壁粗糙度随着孔径减小的趋势
目前大多数的表面形态处理是采用碱性高锰酸钾清除铜环上“钻污”、微蚀刻树脂表面形成粗糙度和显露玻纤（头/丝），关键是控制好显露“树脂微蚀刻”程度和表面形态（粗糙度）。
应该注意的是：由于不同基材的树脂是不同的，因此，采用碱性高锰酸钾清除铜环上“钻污”、微蚀刻树脂表面形成粗糙度和显露玻纤（头/丝）的效果也是不同的。特别是要观测孔壁铜环上树脂清除去的完整程度和介质层树脂表面形态（粗糙度等）。
（1）常规的FR-4基材的处理情况。
由于常规的碱性高锰酸钾清除铜环上“钻污”、微蚀刻树脂表面形成粗糙度是针对FR-4材料开发的，所以在FR-4基材上可以获得好的清除“钻污”效果和满意的表面形态结构（粗糙度），见图2。
图2 FR-4材料在硷性高锰酸钾处理的表面形貌（粗糙度等）
由于孔壁树脂上有好的（均匀）表面粗糙度结构，既有利于钯催化剂在树脂表面形成钯“晶核”和均匀覆盖，又有利于化学镀铜与树脂间的结合（粘结）力和完整的吸附（沉铜）。
（2）高性能（高T d 高T g ）基材的处理。由于高性能（高T d 高T g ）材料的树脂具有更高的交链化学反应，因此具有更高的“抗蚀刻”能力。常规FR-4和高性能基材在相同条件下处理的结果如表2所示。
铜与树脂间的结合（粘结）力和完整的覆盖，其结果将导致“空洞”等缺陷的产生（见图3）。
因此，对于高新性能的基材的处理要改变常规硷性高锰酸钾溶液组成与处理方法，特别是要改变高锰酸钾处理前的“溶胀（预浸）”处理溶液的组成/处理时间，或者在硷性高锰酸钾溶液中加入“敏化剂”（ 见表2左边）等，才能获得良好的树脂表面形态和均匀的粗糙度(相当于图2的效果)，消除“空洞”等缺陷的发生。
图3 高T d高T g材料在常规硷性高
锰酸钾处理的表面粗糙度
脸上的痣代表什么
4.1.2 残渣的影响
残渣（它将随着厚径比提高和孔径的缩小而迅速增加）留在孔壁上将会引起空洞的发生。因为留
在孔壁上的残渣是“松散”状态的，一旦孔金属化前处理没有清除去，在化学沉铜或电镀铜过程中或以后，往往会发生“松动”而脱落离去，从而形成“空洞”，或者没有脱落而孔表面形成凸出的“结瘤”等缺陷。这种“残渣”大多是由于钻床的钻孔参数（如钻头进给速度、退出速度等）不匹配、真空吸小力不足或“静电”吸附或者清洗不足等造成的（图4）。因此，要采用措施消除孔壁上残留“渣粒”存在。
4.1.3 足够而均匀的“催化剂”覆盖
如果继续采用常规的硷性高锰酸钾溶液来处理的话，则得到的将是不理想的清除“钻污”和表面形态（不均匀粗糙度），既不利于钯催化剂在树脂表面形成钯“晶核”和均匀覆盖，又不利于化学镀
在进行良好的“清除钻污”并得到均匀“粗糙度”孔壁表面后，在化学沉铜前必须使孔壁表面上获得足够而均匀的钯“催化剂”覆盖，这是取得无“空洞”的镀铜层的关键因素。
表2 常规FR-4和高性能材料在硷性高锰酸钾溶液处理结果
图4 孔壁上遗留的“残渣”
（1）前提。
我眼中的中国作文钯催化剂要有足够的浓度，才能使孔壁表面上获得（吸附）足够而均匀的钯“催化剂”覆盖，经过“加速（或解胶）”形成可化学镀铜的钯晶核覆盖。
（2）钯催化剂覆盖和附着力。
企业债券传统的清洁剂/调整剂是针对传统的FR-4材料开发的，而对于高性能（高T d 高T g ）的材料作用是微弱的、甚至是“不起作用”的，因而不能提供好的钯催化剂的吸附。采用新型清洁剂/调整剂以提高（保证）钯催化剂的良好吸附，特别是对高性能（高T d 高T g ）树脂是必要的。新型清洁剂/调整剂是一种改进型的，促使钯催化剂到孔壁的起更好凝聚作用（Flocculation ）。既提高了吸附“钯催化剂”作用，又不会增加孔壁的厚度，其实质是增加了孔壁表面阳离子聚合物的密度和/或提高了吸附钯催化剂的化学键（Chemical Bonds ）形成更多的晶核作用。同时，这种新型清洁剂/调整剂还可以提高与整个孔壁镀铜层的结合力。
4.2 化学镀铜
大家知道，化学镀铜的目的是在孔内介质层表面为电镀铜提供“导电层”，才能进行铜电镀到所要求的镀铜层厚度。但是，化学镀铜的基本特征是“吸附”沉积“铜原子”或“铜粒子”的，这种“范德华”力的“吸附”带来一些弱点，如沉积铜的结构疏松、结合力低等。因此，必须严格控制化学沉积铜的沉积速度、厚度和监控与检测。
4.2.1 化学镀铜的速度
由于化学镀铜溶液在的铜原子或铜粒子直接吸附在孔壁介质表面上是较困难的，同时，即使能够吸附上铜原子/铜粒子，其与介质层的结合力是很低的。因此，在孔壁介质表面上要先“吸附”上一层钯催化剂形成“钯晶核”后，为化学沉积铜提供了
“吸附”沉积“铜原子”或“铜粒子”的基础。但是，“吸附”沉积“铜原子”或“铜粒子”的速度将关系到沉铜层的质量。
大家知道，化学镀铜是在化学镀铜溶液中由于还原剂（甲醛或非甲醛类）作用而把Cu 2+还原成铜原子的，然后再被吸附到钯催化剂的“钯晶核”上，形成化学镀铜层。可以想象得到：如果Cu 2+还原成Cu
原子的速度太慢，则可能在部分钯催化剂处没有铜沉积现象，当然会形成镀通孔内“空洞”等缺陷；反之，Cu 2+还原成铜原子的速度太快，除了会引起沉铜厚度较厚外，更主要的是会带来新生而大量的铜原子来不及吸附到介质层表面而在化学镀铜溶液中“聚集”成铜颗粒，再吸附到介质表面上。这种“聚集”的铜颗粒与钯晶核结合力是很差的，在沉铜结束或电镀铜前后回发生脱落而形成“空洞”、或者形成“结瘤”等缺陷。因此，在化学镀（沉）铜过程中，必须控制Cu 2+还原成铜原子的速度，既不能太快，又不能太慢一般是采取折中的方案，为了达到这个目的，主要是控制“还原剂”的加入量，应采用自动添加“还原剂”和添加“缓冲剂”等来实现。
4.2.2 化学镀铜的厚度
橄榄油的美容方法由于化学镀铜是溶液中Cu 2+还原成铜原子，再“吸附”到孔内介质层钯“晶核”表面上，属于“范得华力”作用，因此，其结合力是弱的，带来的沉积结构是疏松的。也就是说，化学沉铜层的结构不仅其结合力是差的，而且其延展性也是不好的，因此要求化学镀铜层的厚度要尽量薄些（特别是多层板的通孔镀中，甚至要求采用直接电镀技术来实现），一般为0.3 µm ~ 0.6 µm ，然后，靠酸性电镀铜电镀到所要求的铜厚度。对于多层板来说，化学沉厚铜（4 µm ~10 µm ）是越来越少采用了，特别是从2006年实施无铅化焊接以来，化学沉厚铜（4 µm ~ 10 µm ）是不宜使用的。
4.2.3 通孔直径尺寸的影响
随着钻孔直径的缩小和厚径比（或厚度增加）的增加、由于化学镀铜溶液的Cu 2+还原成铜原子的过程中会产生大量的H 2气与排放，特别是微孔化的发展，大大增加了H 2气排放困难度，减低钯催化剂形成晶核速度与覆盖完整性，进而影响沉铜的分布与覆盖。如果镀液不能在“微孔”中迅速交换流动，
