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摘要

航天印製板金屬化孔的要求集中於孔內凹蝕量、孔銅微觀結構、塞孔的可靠性等。文章分析了不同的凹蝕條件、不同的塞孔保護材料、不同孔銅微觀結晶結構對金屬化孔可靠性的影響，也探究了電測時不同開路判定電阻對孔銅裂紋檢出情況的影響。確定了孔徑大小對孔內凹蝕量的影響，界定了可靠的塞孔材料、孔銅微觀結晶結構及最適的開路判定電阻值。本研究可為航天PCB的設計和製造提供依據。

關鍵詞： 金屬化孔；可靠性；凹蝕；塞孔材料；判定電阻

0前言

隨著電子行業的發展，航天印製板趨於高密化和高多層化發展，這對PCB的加工製造可靠性帶來了挑戰，如使用更小節距的BGA就需要製造和檢測更小孔徑的金屬化孔。為了滿足航天標準對於金屬化孔在微觀結構、物理性能和電氣性能上的接收標準，需要對相關工藝展開一系列的研究。孔的微觀結構主要觀察是否有凹蝕、鍍層分離、鍍層空洞、孔粗、芯吸等，物理性能主要為耐熱性，電氣性能主要表現在互連電阻變化上。而影響金屬化孔的微觀結構、耐熱性、互連電阻變化的因素主要為凹蝕量、塞孔保護材料和孔銅結晶形貌。

首先是孔內的凹蝕，為了實現航天多層印製板各內外層之間電氣連接的高可靠性[1]，航天標準中對凹蝕有明確的規定（5~80μm）。但凹蝕量越大時，蝕刻玻纖和樹脂造成的孔壁粗糙度也越大，反而造成金屬化孔的可靠性降低。因此有必要對比不同的凹蝕量的可靠性差異以界定匹配凹蝕工藝的最佳凹蝕量。

其次為塞孔保護材料，PCB常用的導通孔保護方式有2種：樹脂塞孔和綠油塞孔[2]。樹脂塞孔材料和綠油塞孔材料的主要成分均為環氧樹脂，但在成分上有較大的差別，可靠性也會有差異。設計者在選擇塞孔材料時，往往不確定綠油塞孔是否具備高度的可靠性，因此有必要界定樹脂塞孔和綠油塞孔的可靠性差異。

再次是孔銅結晶形貌，印製板導通孔的電鍍過程中，因電鍍參數或藥水活性不一樣而呈現出電鍍銅的微觀結晶形貌主要分為塊狀結晶（正常）和柱狀結晶（異常）兩種[3]，結晶形貌是一種微觀結構，不易被觀察到，一些孔壁質量良好的孔在測試過程中出現可靠性下降，其中原因就是孔銅結晶形貌為柱狀，因此，柱狀結晶和塊狀結晶的孔銅可靠性需要被界定。

另外，電子測試時，不同開路判定電阻的設定對缺陷檢出情況有重要的影響，開路電阻設置過小，出現將正常的電路誤報為開路，開路阻值設置過大，孔銅裂紋、導體缺損的線路無法檢出，因此需找到合適的開路判定電阻。

1實驗設計

1.1 試驗內容

1.2 可靠性測試項目&測試方法

2結果 分析

2.1 凹蝕對孔銅可靠性的影響

2.1.1 不同孔徑的凹蝕量差異

圖1為兩種不同凹蝕狀態下，不同孔徑的凹蝕量大小。由圖1可看出，在較小的凹蝕量下，凹蝕量隨孔徑的增大而增大，但增加幅度較為緩和，孔徑0.2mm~2.0mm，凹蝕量在6~13μm；較大的凹蝕量下，凹蝕量雖呈現有減有增，但整體隨孔徑的增加而增大，增加幅度同樣較為緩和，孔徑為0.2mm~0.6mm，凹蝕量維持在19~21μm之間，變動幅度較小，可以認為，較大的凹蝕量下，隨著凹蝕時間的延長，等離子體在不同孔徑的孔內已達到飽和狀態，凹蝕量隨孔徑變化不大。

2.1.2 不同凹蝕量對孔銅可靠性的影響

（1）孔壁質量

孔壁粗糙度是孔壁質量主要的一項指標，也影響孔銅的可靠性。表1顯示了不同凹蝕量狀態下的孔壁的對比。由表1可知，未凹蝕的孔孔壁粗糙小，孔壁質量好；較小的凹蝕量的出現一定的孔壁粗糙度，但孔壁質量良好；較大的凹蝕量孔內壁、外壁均出現較明顯的孔銅凸起的現象，孔銅結瘤明顯，孔壁質量差。因此，凹蝕量越大，孔壁粗糙度越大，其原因應當為凹蝕量越大，玻纖及樹脂的蝕刻時間越長，孔壁也越粗糙。

（2）耐熱油可靠性

表2為不同凹蝕狀態下熱油測試的結果。

由表2可知，未凹蝕、較小的凹蝕量和較大的凹蝕量的孔經熱油測試後，孔電阻變化量均小於1%，但切片觀察發現較大凹蝕量的孔出現了樹脂分層的情況，而未凹蝕孔及凹蝕量較小的孔均未出現分層起泡的情況，其原因可能為：在增加玻纖蝕刻和等離子凹蝕的時間以達到較大凹蝕量的過程中，玻纖及樹脂受損嚴重，熱油測試時，孔銅與樹脂膨脹係數不一致加劇了介質層的分離使介質層出現裂紋導致分層，因此較大的凹蝕量會對印製板的耐熱油測試產生影響。

（3）冷熱循環測試

表3為不同凹蝕量的板分別經過100次、200次、300次、400次、500次冷熱循環後電阻變化率測試結果。由表中數據可知：未凹蝕的孔均通過了500次冷熱循環測試，較小凹蝕量和較大凹蝕量的孔均通過了400次冷熱循環測試，而循環次數達到500次後，均有互連電阻變化量＞10%的孔出現，因此凹蝕會對孔銅耐疲勞測試能力有所降低。

對樣品進行失效分析發現（如圖2），較小的凹蝕量和較大的凹蝕量情況下，孔銅電阻異常的樣品中均觀察到孔銅裂紋和孔銅微裂紋，且互連電阻變化越大，孔銅裂紋出現的次數越多。

2.2 塞孔方式對金屬化孔可靠性的影響

（1）熱油測試

由表4可知，塞孔材料為樹脂和綠油的孔經熱油測試後，孔電阻變化量均小於1%。

（2）冷熱循環測試

所有的孔都通過了500次冷熱循環。循環次數200時，互連電阻變化均在2%以內，但到了400次、500次循環後，互連電阻出現較明顯的變化但都在10%以內，說明綠油塞孔和樹脂塞孔表現在孔銅可靠性上的差異不大。從切片圖（圖3）來看，樹脂塞孔和綠油塞孔的板均較難找到孔銅裂紋。

2.3 孔銅結晶形貌對金屬化孔可靠性的影響

（1）熱油測試

表6為兩種不同孔銅結晶的熱油測試結果，由表6可知孔銅結晶形貌為塊狀結晶和柱狀結晶的孔經熱油測試後，孔電阻變化量均小於1%。柱狀結晶和塊狀結晶的孔均未出現分層起泡等缺陷。

（2）冷熱循環測試

由表7可知，柱狀結晶孔銅均未能通過100次冷熱循環。塊狀結晶的孔銅隨著冷熱循環次數的增加，電阻變化率也增加，循環次數到達500時出現了互連電阻大於10%的樣品。從切片來看（圖4），柱狀結晶的孔銅裂縫較為明顯，且出現裂縫的位置較多，塊狀結晶出現的裂縫均為微小裂紋，且出現的位置極少。

2.4 開路判定電阻對缺陷檢出的影響

當開路判定電阻設為1Ω時，12處網路會檢出開路缺陷，但缺陷網路實際為通路，故此缺陷為誤檢。當開路判定電阻設為2Ω、5Ω、10Ω時均未檢出缺陷，與實際情況相符。因此，開路判定電阻應＞1Ω。

為了確定適合的開路判定電阻以檢出因導體缺陷使電阻變大的網路而測試了一些孔銅有裂紋的樣品，如表9所示，不同溫度下孔銅裂縫變現為不同的狀態使得阻值也不同，例如常溫段電阻為8.0Ω和6.5Ω的網路，在低溫段和高溫段會出現阻值劇烈增大甚至電路斷開，對於這種網路的篩選，就需要較低的判定電阻，當判定電阻為10Ω時，明顯不能排除這些缺陷網路，綜合來看，當設計網路通路電阻＜1Ω時，開路判定電阻值小可設為2Ω，最大建議設為5Ω。

3總結

從上述驗證可知，為了滿足航天印製板對金屬化孔的要求，提供以下建議供PCB設計者和製造者參考：

（1）孔內凹蝕量：對剛性板來說，孔內凹蝕量應控制在5~18 μm，凹蝕量過大，反而會降低孔壁質量和耐疲勞測試能力；孔內凹蝕量大小與孔徑大小正相關，觀察孔內凹蝕量可由最小孔入手。

（2）塞孔材料：塞孔樹脂和塞孔綠油在熱油測試和冷熱循環測試表現出的可靠性差異不大，主要差異表現在塞孔效果上，為了得到塞孔更飽滿、孔內無氣泡裂紋的孔建議選用樹脂塞孔。

（3）孔銅結晶形貌：柱狀結晶和塊狀結晶的可靠性差異主要表現在耐冷熱循環能力上，柱狀結晶的孔銅耐冷熱循環次數小於100次，表明其可靠性極差，PCB製作過程中應杜絕柱狀結晶的產生。

（4）開路判定電阻：為了提高缺陷電路的檢出率，開路判定電阻值最小可設為2 Ω，最大建議設為5 Ω。

參考文獻

[1] 王海燕等.《多層印製電路板凹蝕技術研究》,印製電路信息,2017(1):31-35.

[2] 吳江浩.《印製電路板阻焊油墨塞孔對孔銅的影響》,印製電路信息,2016(9):51-55.

[3] 羅斌.《印製電路板孔內電鍍銅層柱狀結晶的研究》,哈爾濱工業大學,2009.

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