PCB孔壁分離的影響因素分析及改善措施

楊 波 溫東華 吳小連

（廣東生益科技股份有限公司，廣東 東莞 523039）

1 前言

孔壁分離是PCB及PCBA熱處理（熱風整平錫、熱沖擊、回流焊）過程中，電鍍通孔的孔壁銅與基材出現分離的一種缺陷，一旦出現將給PCB下游埋下可靠性隱患，如在PCB下游客戶或終端因此缺陷出現可靠性問題，將給PCB生產廠家帶來不利影響并伴隨著巨額索賠。所以孔壁分離問題一直困擾著PCB廠家及相關供應商并倍受關注。

孔壁分離出現最直接的原因為：在熱處理過程中，隨著熱脹冷縮，基材與孔壁銅的熱膨脹系數存在差異而產生的拉扯力，外加基材內可能存在的濕氣對孔壁銅的膨脹力，而孔壁銅與基材之間的結合力無法對抗以上兩種力，從而導致孔壁與基材分離，形成所謂的“hole wall pull away”（孔壁分離）現象。而且隨著無鉛化的到來，各種多功能高耐熱性的無鉛材料的出現，孔壁分離的現象出現越來越頻繁，在厚板、大通孔表現尤為突出。

文章從PCB設計、加工、原材料等方面，分析了導致孔壁分離的影響因素，并指出相應的改善方向。

2 影響因素分析及改善措施

2.1 PCB設計

經過收集大量的孔銅分離的實際案例發現，孔銅分離絕大部分都表現在大的通孔，而且以厚板居多。其實對孔壁處進行一個受力分析（通孔俯視圖，如圖1所示），就可以知道答案。

從圖1的受力分析可以看出，隨著孔徑的減小，孔壁的曲度越來越大，這樣對抗孔壁分離的孔壁銅自身的支撐力越大，出現孔銅分離的幾率將越來越小。這也是為什么孔壁分離大都出現在大孔的孔壁的緣故。從這一角度來講，槽型孔的長邊，由于沒有孔壁自身的支撐作用，則更容易出現孔壁分離的現象。

圖1

另外，針對厚的多層板，孔壁與各內層銅有連接時（圖1左），則出現pull away（分離、拉離）的幾率較低，而孔壁銅與內層銅基本不連接，則出現幾率較高（圖1右），因為孔壁銅與內層銅連接，相當于將孔壁壁銅用一個“釘子”鉚住，對孔壁分離有一定的對抗作用。而對于厚的雙面板，不可能在內部設計“鉚釘”，所以出現pull away的幾率也較高。

圖2

由此可見，PCB的設計對孔銅分離是有一定的影響的，孔的大小因為設計的需要，不可能改變，但是大通孔將是我們關注孔銅分離的焦點。同時針對多層厚板，盡量在無需連接的層次，設計無功用的孤立焊盤，將孔壁銅鉚住，有助于改善孔壁分離。

2.2 PCB加工

2.2.1 鉆孔的影響

鉆孔質量的好壞對孔壁分離有著較大的影響。主要表現在兩個方面：

（1）孔粗：鉆孔孔壁粗糙，基材凹坑，則在后續的化學沉銅工序中，易形成連續性差的化學鍍銅層，進而在接下來的電鍍工序中得到連續性差、不平整的電鍍銅層[4]。這樣在受到熱沖擊時，很容易引起孔壁銅與基材分離。

（2）對基材損傷：在鉆孔過程中，由于鉆孔參數的不合適或鉆刀的磨損過大，很容易對基材造成較大的“內傷”，表現為孔壁基材微裂痕多，孔的暈圈大（后續的PTH會表現出較大的wicking），這樣濕氣很容易在后續的濕流程中滲入孔壁基材并被包覆其中，在熱處理過程中，濕氣的劇烈膨脹破壞孔壁銅與基材的結合，形成孔壁分離。

所以，提高鉆孔質量對改善孔銅分離有較大的幫助，這需要鉆孔工藝在工藝參數、刀具的選擇及壽命、翻磨次數、蓋板以及墊板等多方面進行考究和優化[3]，保證鉆孔的質量。

2.2.2 去鉆污（Desmear）的影響

隨著PCB的發展，去鉆污的方法大致有4種：等離子、濃硫酸、鉻酸及高錳酸鉀法[2]，其中高錳酸鉀法去鉆污被廣泛應用。去鉆污的目的主要有兩個：一為除去因鉆孔殘留在內層銅上鉆污，清潔孔壁，防止“ICD”的產生；二是為了在基材表面形成微觀上的粗糙表面，得到較大的“比表面積”，以上兩點都將有助于化學銅與基材的緊密結合。

圖3為同一材料在兩種去鉆污條件下的孔壁微觀效果對比，左圖的孔壁微觀粗糙度（蜂窩狀）非常好，而圖3右要明顯差一些，則出現孔壁分離的幾率要相對高一些。

圖3

由上可知，PCB廠家在評估和優化去鉆污工藝參數時，不能僅僅考察其“咬蝕量”，而更重要的是通過SEM等儀器觀察其去鉆污的效果，看孔壁基材是否得到“比表面積”非常大的微觀粗糙面。

2.2.3 化學銅的影響

雖然化學沉銅工藝是一項比較成熟的工藝，但是隨著電子工業的發展以及無鉛化的到來，特別是高Tg或其他特種材料的廣泛應用，化學沉銅工藝也將面臨挑戰，但怎樣的化學沉銅層將有助于改善化學銅與基材的結合，降低孔壁分離的幾率呢？安美特公司的研發團隊及專家研究表明，能有效提高化學銅與基材的結合力的化學銅層應該具備[1]：

（1）化銅層的內部應力應該足夠??；

（2）化銅層應該具有極好的一性性；

（3）化銅層應該具有堅固而致密的晶體結構。

為使化學銅具有上述品質，PCB廠家應該在控制藥水濃度穩定性、優化工藝參數等方面下功夫，同時

藥水供應商也應進行藥水體系的研發與更新，以適應電子產業的發展需求。安美特公司研發出printoganth P（應用于水平線）和printoganth PV[1]（應用于垂直線）的化學沉銅藥水體系，能夠得到應力小、一致性好且堅固致密的化學銅層，能夠有效降低電鍍氣泡和孔壁分離，而且應用于多款無鉛產品，效果優異。

2.3 材料性能

隨著RoHS和WEEE指令的頒布以及世界環保呼聲高漲，無鉛、無鹵應聲而來，而與此同時，PCB下游或電子終端提出低CTE、低Dk/Df、anti-caf等要求，逼得各板材生產廠家以及相應的供應商使出渾身解數來應對，具體包括：（1）通過采用不同的固化劑或混合固化劑及其比例，提高樹脂交鏈密度，不斷提高板材的Tg或Td；（2）采用或添加各種功能性的樹脂，或對傳統環氧樹脂進行改性“嫁接”以期達到想要的效果；（3）添加一定比例的有機或無機填料，降低板材CTE，提高耐熱性。然而，與傳統FR-4相比，伴隨著這些特殊功能的實現，也付出相應的代價，如板材成本的上升、可加工性能的降低，其中可加工性能包括機械加工性能和化學處理加工性能。

無鉛材料的樹脂大都具有更高交鏈密度和更復雜的化學空間網絡矩陣，因此也具有更高的耐化性，意味著去鉆污將更加困難，即在孔壁得到比表面積大的粗糙面也將更加困難。

而針對某些無鉛高Tg材料，一味的加強去鉆污并不能得到想要的效果，反而適得其反，使孔壁反而變得更加光滑，不利于孔壁銅與基材結合。Neil Patton等人實驗研究表明[1]，普通材料通過加強去鉆污能夠有效增大孔壁的微觀粗糙度，但是針對某些高Tg材料，加強去鉆污只是將鉆孔留下的比較粗糙的孔壁表面“拋光”而不能進一步咬蝕而變得更加光滑（圖4），反而不利于孔壁銅與基材的結合，埋下孔壁分離的隱患。

圖4

所以，PCB廠家在選擇板材時，一定要認真評估材料與自身制程和藥水的匹配與兼容性問題，防止出現“事倍功半”的效果。

3 結論與展望

PCB孔壁分離的影響因素涉及多個方面，包括PCB的設計、加工以及板材的性能等等，具有一定的改善挑戰性，而隨著無鉛材料的普及，更是增加了挑戰的難度。但是隨著PCB設計的優化、PCB加工工藝的成熟以及生產管理水平的提高、板材和藥水供應商的產品更新與進步，改善和杜絕此問題也是指日可待。

[1]Neil patton. assessment and solutions for hole wall pull away in High tg and High technology lamination materials, 2010,10.

[2]Vincent chen. PWB desmear processing: challenges and solutions. PCB007 website, 2009,9.

[3]何建軍. 淺析孔壁分離的幾種常見現象及原因[J].印制電路信息, 2010,3.

[4]吳云鵬. 印制板孔金屬化得影響因素及改善[J].PCB city, 2009,8.