PCB基板常识

七　镀通孔

7.1制程目的

　　双面板以上完成钻孔后即进行镀通孔(Plated Through Hole , PTH)步骤，其目的使孔壁上之非导体部份之树脂及玻纤束进行金属化( metalization ), 以进行后来之电镀铜制程,完成足够导电及焊接之金属孔壁。
　　1986年，美国有一家化学公司Hunt 宣布PTH不再需要传统的贵金属及无电铜的金属化制程,可用碳粉的涂布成为通电的媒介，商名为"Black hole"。之后陆续有其它不同base产品上市, 国内使用者非常多. 除传统PTH外, 直接电镀(direct plating)本章节也会述及.

7.2制造流程

　　去毛头→除胶渣→PTHa一次铜

7.2.1. 去巴里 (deburr)

　　钻完孔后,若是钻孔条件不适当,孔边缘有1.未切断铜丝2.未切断玻纤的残留,称为burr.因其要断不断,而且粗糙,若不将之去除,可能造成通孔不良及孔小,因此钻孔后会有de-burr制程.也有de-burr是放在Desmear之后才作业.一般de-burr是用机器刷磨,且会加入超音波及高压冲洗的应用.可参考表4.1.

7.2.2. 除胶渣 (Desmear)

　　A.目的:
　　　 a. Desmear
　　　 b. Create Micro-rough增加adhesion
　　B. Smear产生的原因:
　　　 由于钻孔时造成的高温Resin超过Tg值，而形成融熔状，终致产生胶渣。
　　　 此胶渣生于内层铜边缘及孔壁区，会造成P.I.(Poor lnterconnection)
　　C. Desmear的四种方法:
　　　 硫酸法(Sulferic Acid) 、电浆法(Plasma)、铬酸法(Cromic Acid)、 高锰酸钾法(Permanganate).
　　　 a. 硫酸法必须保持高浓度，但硫酸本身为脱水剂很难保持高浓度，且咬蚀出的孔面光滑无微孔，并不适用。
　　　 b. 电浆法效率慢且多为批次生产，而处理后大多仍必须配合其它湿制程处理，因此除非生产特殊板大多不予采用。
　　　 c. 铬酸法咬蚀速度快，但微孔的产生并不理想，且废水不易处理又有致癌的潜在风险，故渐被淘汰。
　　　 d. 高锰酸钾法因配合溶剂制程，可以产生微孔。同时由于还原电极的推出，使槽液安定性获得较佳控制，因此目前较被普遍使用。

7.2.2.1 高锰酸钾法(KMnO4 Process):

　　A.膨松剂(Sweller):
　　　 a. 功能:软化膨松Epoxy，降低 Polymer 间的键结能，使KMnO4 更易咬蚀形成 Micro-rough 速 率 作 用 Concentration
　　　 b. 影响因素: 见图7.1
　　　 c. 安全:不可和KMnO4 直接混合，以免产生强烈氧化还原，发生火灾。
　　　 d. 原理解释:
　　　　 (1) 见图7.2
　　　　　　初期溶出可降低较弱的键结，使其键结间有了明显的差异。若浸泡过长，强 的链接也渐次降低，终致整块成为低链接能的表面。如果达到如此状态，将无法形成不同强度结面。若浸泡过短，则无法形成低键结及键结差异，如此 将使KMnO4咬蚀难以形成蜂窝面，终致影响到PTH的效果。
　　　　 (2) Surface Tension的问题:
　　　　　　 无论大小孔皆有可能有气泡残留，而表面力对孔内Wetting也影响颇大。故 采用较高温操作有助于降低Surface Tension及去除气泡。至于浓度的问题， 为使Drag out降低减少消耗而使用略低浓度，事实上较高浓度也可操作且速 度较快。
　　　　　　 在制程中必须先Wetting孔内壁，以后才能使药液进入作用，否则有空气残 留后续制程更不易进入孔内，其Smear将不可能去除。
　　 B. 除胶剂 (KMnO4 ):
　　　 a. 使用KMnO4的原因:选KMnO4而未选NaMnO4是因为KMnO4溶解度较佳,单 价也较低。
　　　 b. 反应原理:
　　　　　　 4MnO4- + C + 4OH- → MnO4= + CO2 + 2H2O (此为主反应式)
　　　　　　 2MnO4- + 2OH- → 2MnO4= + 1/2 O2 + H2O (此为高PH值时自发性分解反应)
　　　　　　 MnO4- + H2O → MnO2 + 2OH- + 1/2 O2 (此为自然反应会造成Mn+4沉淀)
　　　 c. 作业方式:早期采氧化添加剂的方式，目前多用电极还原的方式操作，不稳 定的问题已获解决。
　　　 d. 过程中其化学成份状况皆以分析得知，但Mn+7为紫色, Mn+6为绿色,Mn+4 为黑色，可由直观的色度来直接判断大略状态。若有不正常发生，则可能 是电极效率出了问题须注意。
　　　e. 咬蚀速率的影响因素: 见图7.3
　　　f. 电极的好处:
　　　　 (1).使槽液寿命增长
　　　　 (2).品质稳定且无By-product，其两者比较如图7.4:
　　　g. KMnO4形成Micro-rough的原因: 由于Sweller造成膨松，且有结合力之强弱，如此使咬蚀时产生选择性， 而形成所谓的Micro-rough。但如因过度咬蚀，将再度平滑。
　　　h. 咬蚀能力也会随基材之不同而有所改变
　　　i. 电极必须留心保养，电极效率较难定出绝对标准，且也很难确认是否足够 应付实际需要。故平时所得经验及厂商所提供数据，可加一系数做计算， 以为电极需求参考。

　　C. 中和剂(Neutralizer):
　　 　a. NaHSO3是可用的Neutralizer之一，其原理皆类似Mn+7 or Mm+6 or Mn+4(Neutralizer)->Mn+2 (Soluable)
　　　 b. 为免于Pink Ring，在选择Acid base必须考虑。HCl及 H2SO4系列都 有，但Cl易攻击 Oxide Layer，所以用H2SO4为Base 的酸较佳。
　　　 c .药液使用消耗分别以H2SO4及Neutralizer，用Auto-dosing 来补充，维 护。

7.2.2.2 .整条生产线的考虑:

　　 A.Cycle time：每Rack(Basket)进出某类槽的频率(时间)
　　 B.产能计算:
　　　　 (Working hours / Cycle time)*( FIight Bar / Hoist)*(Racks/Flight Bar)*(SF/Rack)= SF/Mon
　　 C.除胶渣前Pre-baking对板子的影响:见图7.5
　　　 a.由于2.在压合后己经过两次Cure，结构会比1,3 Cure更完全，故Baking 会使结构均一，压板不足处得以补偿。
　　　 b.多量的氧，氧化了Resin间的Bonding，使咬蚀速率加剧2~3倍。且使1,2,3 区较均一。
　　　 c.释放Stress，减少产生Void的机会.

7.2.2.3. 制程内主要反应及化学名称:

　　A．化学反应:
　　　 a .主要反应
　　　　　 4MnO4- + 4OH- + Epoxy→ 4MnO4= + CO2↑ + 2H2O
　　　 b. 副反应：
　　　　　 2MnO4- + 2OH- ←→ 2MnO4= + 1/2O2 + H2O (Side reaction)
　　　　　 MnO4= + H2O (CI-/SO4= /Catalize Rx.) → MnO2↓ + 2OH- + 1/2 O2
　　　　　 (Precipitation formation)
　　　　　 2MnO4= + NaOCI + H2O → 2MnO4- + 2OH- + NaCI
　　　　　 4MnO4= + NaS2O8 + H2SO4 → 4MnO4- + 2OH- + 2Na2SO4
　　　　　 4MnO4= + K2S2O8 + H2SO4 → 4MnO4- + 2OH- + 2K2SO4
　　　　　 (For Chemical regeneration type process reaction)
　　　　　 2MnO4= + 1/2 O2 + H2O ←→2MnO4- + 2 OH-
　　　　　 (Electrolytic reaction: Need replenish air for Oxgen consumption)
　　 B.化学品名称：
　　　　　 MnO4-　　Permanganate 　　　　　 NaS2O8 　　　Sodium Persulfate
　　　　　 MnO4=　　Manganate 　　　　　　 S2O4- 　　 　 Sulfate
　　　　　 OH- 　　　Hydroxide(Caustic) 　　　CO2 　　　　Carbon Dioxide
　　　　　 NaOCI 　　Sodium Hydrochloride 　　MnO2 　　　Manganese Dioxide

7.2.2.4.典型的Desmear Process: 见表

7.2.2.5. Pocket Void的解释:

　　A.说法一:Sweller残留在Glass fiber中，在Thermal cycle时爆开。
　　B.说法二: 见图7.6
　　　 a．压板过程不良Stress积存，上钖过程中力量释出所致
　　　 b．在膨涨中如果铜结合力强，而Resin释出Stress方向呈Z轴方向，当Curing 不良而Stress过大时则易形成a之断裂，如果孔铜结合力弱则易形成B 之Resin　recession，结合力好而内部树脂不够强轫则出现c之Pocket void
　　　C﹒如果爆开而形成铜凸出者称为Pull away

7.2.3 化学铜(PTH)

　　PTH系统概分为酸性及碱性系统，特性依基本观念而有不同。

7.2.3.1 酸性系统：

　　A.基本制程：
　　　 Conditioner → Microetch→ Catalpretreatment→ Cataldeposit→ Accelerator→ Electroless Deposit
　　B.单一步骤功能说明：
　　　 a. 整孔 Conditioner：
　　　　 1. Desmear后孔内呈现Bipolar现象，其中Cu呈现高电位正电，Glass fiber、Epoxy呈负电
　　　　 2. 为使孔内呈现适当状态，Conditioner具有两种基本功能
　　　　　 (1)Cleaner： 清洁表面
　　　　　 (2)Conditioner： 使孔壁呈正电性，以利Pd/Sn Colloid负电离子团吸附
　　　　 3. 一般而言粒子间作用力大小如表
　　　　　因而此类药液系统会有吸附过多或Colloid过多的吸附是否可洗去之顾虑
　　　　 4. Conditioner若Drag In 至 Activator槽，会使Pd+离子团降低
　　　 b. 微蚀 Microetch
　　　　 1. Microetching旨在清除表面之Conditioner所形成的Film
　　　　 2. 此同时亦可清洗铜面残留的氧化物
　　　 c. 预活化 Catalpretreatment
　　　　 1. 为避免Microetch形成的铜离子带入Pd/Sn槽，预浸以减少带入
　　　　 2. 降低孔壁的Surface Tension
　　　 d. 活化 Cataldeposit
　　　　 1. 一般Pd胶体皆以以下结构存在： 见图7.7
　　　　 2. Pd2+：Sn2+：Cl- = 1：6：12较安定
　　　　 3. 一般胶体的架构方式是以以下方式结合：见图7.8 当吸附时由于Cl会产生架桥作用，且其半径较大使其吸附不易良好，尤其如果孔内的Roughness不适当更可能造成问题。
　　　　 4. 孔壁吸附了负离子团，即中和形成中和电性
　　　 e. 速化 Accelerator
　　　　 1. Pd胶体吸附后必须去除Sn，使Pd2+曝露，如此才能在未来无电解铜中产生催化作用形成化学铜
　　　　 2. 基本化学反应为：
　　　　　　 Pd+2/Sn+2 (HF)→Pd+2(ad) + Sn+2 (aq)
　　　　　　 Pd+2(ad) (HCHO)→Pd(s)
　　　　 3. 一般而言Sn与Pd特性不同，Pd为贵金属而Sn则不然，因此其主反应可如下：
　　　　　 　Sn+2a Sn+4 + 6F- → SnF6-2 or Sn+2 + 4F- →SnF4-2
　　　　　 而Pd则有两种情形：
　　　　　　PH>=4 Pd+2 + 2(OH)- → Pd(OH)2
　　　　　　PH<4 Pd+2 + 6F- → PdF6-4
　　　　 4. Pd吸附在本系统中本身就不易均匀，故速化所能发挥的效果就极受限制。除去不足时会产生P.I.，而过长时则可能因为过份去除产生破洞，这也是何以Back_light观察时会有缺点的原因
　　　　 5. 活化后水洗不足或浸泡太久会形成Sn+2 a Sn(OH)2 或 Sn(OH)4，此易形成胶体膜. 而Sn+4过高也会形成Sn(OH)4，尤其在Pd吸太多时易呈PTH粗糙
　　　　 6. 液中悬浮粒子多，易形成PTH粗糙
　　　 f. 化学铜沉积Electroless Deposit
　　　　 1. 利用孔内沉积的Pd催化无电解铜与HCHO作用, 使化学铜沉积
　　　　 2. Pd在化学铜槽的功能有二：
　　　　　　 (1) 作为Catalyst吸附 H- 之主体，加速HCHO的反应
　　　　　　 (2) 作为Conductor，以利e-转移至Cu+2上形成Cu沉积
　　　　 3. 其基本反应及Mechanism见图7.9a ; 7.9b ：
　　　　 4. 由于槽液在操作开始时缺少H2含量，故其活性可能不够，而且改变温度也易使槽液不稳定。故在操作前一般先以Dummy boards先行提升活性再作生产，才能达到操作要求
　　　　 5. Bath loading也因上述要求而有极大的影响，太高的Bath loading会造成过度的活化而使槽液不安定。相反若太低则会因H2的流失而形成沉积速率过低。故其Max与Min值应与厂商确认做出建议值
　　　　 6. 如果温度过高，[NaOH], [HCHO]浓度不当或者Pd+2累积过高都可能造成P.I.或PTH粗糙的问题
　　　 g. 整个反应状态见图7.10所示

7.2.3.2、碱性系统：

　　A. 基本制程：
　　　　 Conditioner→ Etch Cleaner→ Catalpretreatment→ Activator→ Reducer→ Electroless Copper
　　B. 单一步骤功能说明
　　　　 a. Conditioner：Wetting agent + 10 g/l NaOH (A)
　　　　　 1. 以Wetting agent的观念，而非电性中和，如此可形成较薄的Film约300A，且均匀而不致有附着不上或太厚之虞
　　　　　 2. 基本方式系以亲水基与疏水基之特有Dipol特性使Wetting agent被水排挤，快速吸附至孔壁。因其形成之单层膜不易再附上其它Conditioner而与Cleaner共同作用洗去多余杂质
　　　　　 3. 其设计是一道酸一道碱的药液浸泡，使各种不同来源的板子皆有良好的wetting作用,其Formula：Wetting agent + 10 ml/l H2SO4
　　　　　 4. 若水质不洁而含M+2(如：Ca+2、Mg+2、Fe+2等)则Amine及Wetting agent易与之结合而形成沉淀，故水质硬度应特别留意
　　　　　 5. 当板子浸入水中，Cu正电迅速与OH-中和而呈负电。而Dipol静电力有限，不致形成多层覆盖，故无Over condition的顾虑
　　　　 b. Etch cleaner：(SPS 与 H2SO4/H2O2两种 )
　　　　　 基本功能与酸性系列相似(SPS：10g/l)
　　　　 c. Catalpretreatmen)：同Activator但少Complex
　　　　 d. Activator：Activator + Pd(Amine) complex
　　　　　 1. 基本上此系列的Pd，是由Amine类形成的Complex，
　　　　　 2. 其特点如下：
　　　　　　 (1) Pd(Amine)+2呈正电荷，可吸附在Conditioner上而甚少吸附在铜上，少有P.I.问题
　　　　　　 (2) 没有Sn形成的Colloid，其粒子较小，结晶较密且少有Sn(OH)2、Sn(OH)4析出问题。也没有Sn+2 + Fe+2 a Sn+4 +Cu作用。
　　　　　　 (3) 无Cl-在外围，由于Cl-会与Polyimide材料产生作用，故无Cl-会有较广的适用性
　　　　　　 (4) 由于Pd(Amine)+2 asPd+2+Amine为一平衡反应，吸附反应十分快，且由于粒子小空隙低因而致密性佳。
　　　　　　 (5) Impurity少有残留，且吸附Pd+2少，故能有较少P.I.机会
　　　　　　 (6) 由于无Cl-, 对Black-Oxide的attack相对减少，故Pink Ring较轻微
　　　　　　 (7) 由于吸附较密，将来作无电解铜时Coverage也会较密较好
　　　　 e. 整个反应状态见图7.11所示

7.2.4一次铜(Panel plating)

　　非导体的孔壁经PTH金属化后，立即进行电镀铜制程, 其目的是镀上200~500微英吋以保护仅有20~40微英吋厚的化学铜被后制程破坏而造成孔破(Void)。有关铜电镀基本理论及实际作业请参看二次铜更详细的解说.

7.3. 厚化铜 　　　　

　　传统金属化之化学铜的厚度仅约20~30微吋，无法单独存在于制程 中，必须再做一次全板面的电镀铜始能进行图形的转移如印刷或干膜。但 若能把化学铜层的厚度提高到100微吋左右，则自然可以直接做线路转移的工 作，无需再一道全板的电镀铜步骤而省却了设备，药水、人力、及时间，并达 简化制程减少问题的良好目标。 因此有厚化铜制程出现，此一方式已经实际 生产在线进行十数年，由于镀液管理困难分析添加之设备需要较高层次之技 术，成本居高不下等, 此制程已经势微. 　　
　　厚化铜的领域又可分为 :
　　 A."半加成Semi-Additive"式是完全为了取代全板面电镀铜制程.
　　 B."全加成Fully Additive"式则是用于制造加成法线路板所用的。日本某些商 用消费性电子产品用24小时以上的长时间的全加成镀铜，而且只镀在孔及线 路部份.日本之外尚不多见, 高雄日立化成数年前尚有CC-41制程, 目前已关掉该生产线

7.3.1 厚化铜基本观念

　　a. 厚化铜也仍然采用与传统无电铜相似的配方，即仍以铜离子、强碱、及甲醛做为反应的原动力，但与温度及其所产生的副产物关系较大。
　　b. 无电铜因厚度很薄, 内应力(inner Stress) 影响不大故不需重视，但厚化铜则必须考虑。也就是说厚化铜与板面铜箔间的附着力也为关键 ，应特别注意其镀前活化之过程如整孔及微蚀是否完美。控制不好时可能发生孔壁剥离(pull away)及板面脱皮。
　　c. 厚化铜之外表能接受油墨或干膜之附着，所以印刷前尽少做磨刷或其它化学粗化。在阻剂完成转移后又要能耐得环境的氧化, 而且也要耐得最低起码的活性清洗及活化。
　　d. 厚化铜主要的目的是既能完成非导体的金属化同时又可取代一次镀铜 ，能够发挥大量的设备、人力、物料、及操作时间的节省，但化学铜槽本身比传统的无电铜要贵，管理不易，要利用特定的自动添加设备。
　　e. 前处理之各制程比传统PTH要更谨慎，原因是化学铜的沉积是靠铜离子在板子上之活化生长点(Active sites)还原出铜金属并增厚，当此等生长点被铜覆盖后其它板面上又逐次出现新的生长点再接受铜的沉积，电镀铜的沉积则不但向上发展, 也能横向延伸。故万一底材未能在前处理制程中完成良好的活化时则会造成孔破(Hole Void)，而且经过干膜或印刷后, 可能进一步的恶化，终必成为板子品质上极大的隐忧。

7.4 直接电镀(Direct plating)

　　由于化学铜的制程中，有很多对人体健康有害的成份(如甲醛会致癌)，以及废水处理(如有Chelate)有不良影响的成份，因此早在10多年前就有取代传统PTH所谓Direct Plating(不须靠化学铜的铜当导体)商品出现，至今在台湾量产亦有很多条线。但放眼国外，除欧洲应用者很多以外，美、日(尤其是美国)并不普偏，一些大的电子公司(如制造计算机、大哥大等)并不Approve直接电镀制程，这也是国内此制程普及率尚低的原因之一。

7.4.1直接电镀种类

　　大致上可归为三种替代铜的导体
　　 A. Carbon-碳粉(Graphite同)
　　 B. Conductive Polymer-导体高分子
　　 C. Palladium-钯金属

7.4.2直接电镀后续制程有两种方式:

　　A. 一次镀铜后,再做影像转移及二铜
　　B. 直接做影像转移及线路电镀

7.4.3表归纳目前国内己使用中的直接电镀各商品之分析，供业界参考。

　　本章中介绍了传统薄化铜, 厚化铜以及直接电镀等几种镀通孔方式.未来制程走势:
　　 A. 缩短制程
　　 B. 减少污染
　　 C. 小孔通孔能力
　　 D. 降低成本
　　 E. 底材多样化处理能力
　　 而此制程是PCB制作的基础工程,若处理不好影响良率及信赖度因此要仔细评估与选择何种药水及设备