Анализ причин дефектов «пустая полость» в слепых виа с медной заливкой на печатных платах

В последние годы с быстрым развитием электронных изделий в сфере цифрового видео и мобильной связи развитие таких продуктов толкает печатные платы в сторону легкости, тонкости, миниатюризации, многофункциональности, высокой плотности и надежности. Ограниченное пространство для трассировки на печатных платах приводит к жесткому ограничению между виа, дорожками, дорожками и виа, а появление технологии медной заливки виа позволяет повысить плотность печатных плат примерно на 10–30%. Рисунок 1 показывает HDI-плату (High Density Interconnection) на основе медной заливки виа.

Поскольку проектирование виа позволяет значительно экономить пространство для трассировки, а слепые виа с медной заливкой обладают высокой надежностью, слепые виа с гальванической медной заливкой имеют много преимуществ. Кроме того, эта технология относительно проста, экономит затраты и имеет упрощенную процедуру. Благодаря этим достоинствам слепые виа с медной заливкой будут массово применяться в производстве HDI печатных плат, рассматриваясь как предстоящий тренд в области печатных плат. Однако при применении слепых виа с медной заливкой все еще возникают проблемы: чрезмерно большие впадины, утечки и пустые полости внутри виа. Для производителей печатных плат это головная боль, так как множество сложных факторов способствуют образованию пустых полостей внутри виа. Статья обсуждает причины пустых полостей внутри виа и предлагает соответствующие меры для их устранения, чтобы решить дефект и повысить выход годных изделий.

Анализ дефектов

Много элементов вызывают пустые полости в слепых виа с медной заливкой, и каждый элемент должен быть проанализирован с точки зрения характеристик и механизма образования для оптимизации эффекта.

Пузырьки в слепых виа

Источники пузырьков — внешнее попадание и собственные реакции. Обычно перед медной заливкой на печатных платах требуется вспышка гальваники (flash plating) для усиления проводимости виа и удобства хранения. Если платы долго находятся на воздухе, возникает серьезное окисление виа, поэтому время выдержки не должно быть слишком большим. Иначе говоря, плохая предобработка приведет к неудалению пузырьков в виа и окислительной пленке, что значительно увеличивает процент пустых полостей в слепых виа, как показано на рисунке 2.

Появление пузырьков также связано с анодной реакцией в медной ванне: при использовании нерастворимого анода на аноде происходит реакция H₂O → ½O₂ + 2e⁻ + 2H⁺. Отсюда следует, что кислород выделяется из нерастворимого анода, что ведет к высокой компенсации добавок, увеличению срока службы анода или даже пассивации анода и дефектам печатной платы. Для решения этой проблемы в раствор добавляют умеренное количество сульфата железа для устранения выделяющегося кислорода. Реакции анода при этом идут по схеме: Fe²⁺ → Fe³⁺ + e⁻, Fe³⁺ + Cu → Fe²⁺ + e⁻.

Для обеспечения плавного течения реакции медь должна постоянно добавляться в раствор, обычно в виде оксида меди. Одновременно, для уменьшения паразитной реакции на катоде, повышаются требования к течению в растворе и улучшается материал катода.

Этот тип дефекта, вызванный пустой полостью, обычно возникает у дна слепых виа, демонстрируя симметричные и регулярные формы. Для улучшения этой проблемы меры можно принять по следующим направлениям:

• Время выдержки и среда хранения должны быть строго контролированы перед медной заливкой. Обычно для плат без вспышки гальваники медная заливка должна быть завершена за 4 часа, для плат с выполненной вспышкой — за 12 часов. Платы должны храниться подальше от кислой среды, идеально — в помещениях с кондиционерами, контролирующими температуру и влажность.
• Эффект предобработки должен быть улучшен, необходимы устройства для удаления пузырьков. Предобработка чрезвычайно важна, так как она напрямую связана с эффектом заливки. Для обеспечения эффекта предобработки рекомендуется выбирать кислотное обезжиривающее средство и соответствующим образом увеличивать расход воды. Кроме того, зимой при низкой температуре воды (менее 15 °C) после обезжиривания для промывки следует добавлять немного серной кислоты или устанавливать нагревательные устройства для обеспечения эффекта промывки. Кроме того, на ваннах предобработки можно установить вибрацию и пневматические клапаны для удаления пузырьков в виа.
• Выбор материала анода медной ванны и контроль параметров тока. Основываясь на втором источнике пузырьков, выбор подходящего материала анода очень важен. Материал анода должен способствовать улучшению анодной характеристики и снижению потребления добавок. При слишком больших параметрах тока анодные реакции ускорятся, увеличивая число пузырьков. В таком состоянии пузырьки войдут в слепые виа с потоком и не смогут быть удалены. Поэтому, кроме выбора материала анода и контроля параметров тока, на внешней стороне анодной сетки требуются анодный мешок или защитный слой для предотвращения прямого попадания пузырьков, генерируемых анодом, в раствор.

Дисбаланс компонентов добавок

Компоненты раствора для медной заливки включают сульфат меди, серную кислоту, хлорид-ионы и добавки. Эффект заливки внутри слепых виа реализуется через механизм взаимодействия компонентов в растворе. Добавки играют взаимные и независимые роли в процессе гальваники. Ярковитель впитывается на интерфейсе электрода, меняя форму и свойства осадка для получения требуемой поверхности покрытия. Переносчик способствует движению ярковителя к каждому распределению катодной впадины, но не работает без помощи хлорид-ионов. Переносчик отвечает за выравнивание неравномерного распределения благодаря своим способностям к выравниванию и равномерному покрытию. Выравниватель впитывается в позиции с относительно сильной электроотрицательностью, так как он обладает сильной электро положительностью в кислотном растворе. Тогда он затрудняет осаждение медных ионов без влияния осадка меди в зоне низкой плотности заряда в результате конкуренции с положительно заряженными медными ионами.

Контроль компонентов и количества добавок крайне важен; неудача контроля компонентов приводит к плохой медной заливке слепых виа или пустым полостям, как показано на рисунке 3.

Решение проблемы пустой полости, вызванной этой причиной, заключается в контроле компонентов и количества добавок, включая:

• Периодическая калибровка расхода добавок для обеспечения точного расхода и эффективного контроля.
• Периодическое углеродное очищение раствора в зависимости от степени загрязнения гальванического раствора.
• Периодический анализ компонентов добавок, оценка содержания добавок и гальванического эффекта экспериментом по ячейке Hall для проверки, находится ли гальванический эффект в нормальном диапазоне, и своевременная корректировка.

Причина посторонних примесей

Среда производственных линий медной заливки, применяемые расходники и повседневная производственная деятельность все ведут к загрязнению с разной степенью. Всевозможные посторонние примеси или загрязнители неизбежны. Для микропримесей их невозможно увидеть невооруженным глазом, и их исключительно трудно устранить. Как только они попадают в слепые виа, они склонны образовывать пустые полости, как показано на рисунке 4.

Для этого дефекта пустой полости в слепых виа причину легко найти. С помощью РЭМ (SEM) можно наблюдать форму пустой полости в слепых виа. Меры для выявления источника посторонних примесей включают:

• Предотвращение попадания внешних примесей в гальванический раствор; рекомендуется закрытая производственная линия.
• Оценка соответствия применяемых материалов или чистоты реагентов стандарту и требованиям производства печатных плат.
• Периодическая фильтрация и проверка чистоты гальванического реагента для обеспечения яркости и чистого цвета.

Заключение

Естественно, причин дефекта пустой полости в слепых виа гораздо больше перечисленных; существует множество причин, включая классификацию материала по диэлектрической проницаемости, толщину, тип слепого виа и параметры тока гальваники.

Подводя итог: ключевое — выявить причину дефекта пустой полости в слепых виа при столкновении с отказом пустого виа. Хорошо наблюдать форму дефекта пустой полости и обобщать опыт, находить соответствующие закономерности и проводить исследования всеми видами методов анализа. Кроме того, основанясь на механизме дефекта пустой полости, должны быть разработаны научные эксплуатационные руководства и строго выполняться правила улучшения и профилактики, чтобы решать проблемы и постоянно повышать выход годных изделий и надежность продукции.

Полезные ресурсы
• Введение в слепые виа
• 3 важных элемента, которые вы не знаете о зарытых и слепых виа в HDI гибко-жестких печатных платах
• Введение в новый метод заполнения слепых отверстий: панельная гальваника для заполнения слепых отверстий
• Как проектировать слепые/зарытые виа в высокоскоростных цифровых схемах
• Полнофункциональный сервис производства печатных плат от PCBCart — множество ценных опций
• Продвинутый сервис сборки печатных плат от PCBCart — от 1 штуки