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1、七 镀通孔 七 镀通孔 7.1 制程目的 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
2、 制造流程 7.2 制造流程 去毛头除胶渣PTHa 一次铜 7.2.1. 去巴里 (deburr) 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) 7.2.2. 除胶渣 (Desmear) A.目的: a. Desmear b. Cr
3、eate 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
4、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): 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:
5、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。
6、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
7、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).质量稳定且无 By-product，其两者比较如图 7.4: g. KMnO4 形成 Micro-
8、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 Pi
9、nk 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: 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)
10、*(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 23 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: 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
11、+ 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
12、 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 Man
13、ganese Dioxide 7.2.2.4.7.2.2.4.典型的 Desmear Process典型的 Desmear Process: 见表 : 见表 7.2.2.5. Pocket Void 的解释: 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
14、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) 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： 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 Conditio
15、ner： 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. Micr
16、oetching 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 Roug
17、hness 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(O
18、H)- Pd(OH)2 PH4 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
19、 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
20、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： 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
21、 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
22、+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
23、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
24、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)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 200500 微英吋以保护仅有 2040 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.
25、7.3. 厚化铜 7.3. 厚化铜 传统金属化之化学铜的厚度仅约 2030 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.
26、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 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
27、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
28、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，终必成为板子质量上极大的隐忧。 7.4 直接电镀(Direct plating) 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
29、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 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: 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 7.4.37.4.3 表归纳目前国内己使用中的直接电镀各商品之分析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。，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.
