pcb成孔与孔金属化技术

目录

1概述

2成孔技术

2.1数控钻孔

2.2激光钻孔

2.2.1激光成孔原理

2.2.2 CO2激光成孔的不同的工艺方法

2.2.3Nd：YAG激光钻孔工艺方法

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1概述

电子工业的飞速发展对印制电路板多层化、孔线高密度化要求越来越高。一块电路板往往孔数高达数千乃至上万个，因此孔径的大小对于印制电路板的高密度化也至关重要。孔径的逐渐变小使得孔金属化技术越来越重要。只有控制好了这一步才能实现多层、高密度和细小孔径的要求并保证质量。

孔金属化工艺是印制电路板制造技术最为重要工序之一。它关系到多层印制电路板内在质量的优劣，其主要工作是在多层印制电路板上钻出所需要的孔、把孔内钻污排去、在孔壁上沉积一层导电金属铜，为下一步电镀加厚铜打下基础，实现良好的电气互连。孔金属化不好会造成孔内无铜或是只有一层很薄的铜层，一经通断实验就造成开路。目前金属化孔主要有三类：埋孔、盲孔和过孔。埋孔是无法从基板外部看到，孔存在于基板内层，先钻并镀覆孔后，再压合加工完成。盲孔可以从基板一个外表面看到，是先压合，再钻孔的没有贯穿基材的孔。过孔是可以从基板的两个表面看到，是先压合再钻孔的贯穿基材的孔。

 印制电路板孔的作用主要有以下两个方面：一是提供元器件如电阻、电容以及电感等接插使用；二是作为电气传输的一部分。对与后者，孔在精细印制电路板和多层印制电路板中尤为重要，没有它，许多密集的线路及多层印制电路板层与层之间的线路不能导通。

为了实现层间带电气连接，印制电路板必须进行孔金属化，即在两层或多层印制电路板先钻出所需要的孔，再用化学镀或电镀方法使绝缘的孔壁上镀上一层导电金属使层间互联互通的工艺。其中孔金属化是双面印制电路板或多层印制电路板的核心工艺之一。金属化孔的要求非常严格，要求其具有良好力学韧性和导电性，同时金属孔化要均匀完整，厚度在15~20um之间。

孔金属化质量好坏受三个工艺控制，钻孔技术、去钻污技术、化学镀铜技术。钻孔技术就是利用各种钻孔及机器在印制电路板上钻出不同密度、不同直径的导通孔。由于多层印制电路板基板中大量采用环氧树脂或丙烯酸树脂等粘合剂，这些粘合剂在钻孔的高温作用下，连同铜箔，聚醯亚胺在孔壁上面形成污渍。若不去除腻污容易造成镀铜不良，从而产生开路。

去钻污工艺是，把孔壁腻污去除，形成干净具备一定活性的孔壁表面，防止镀铜工艺失效。

最后还得在孔壁上面形成数微米厚的薄铜层，为电镀加厚奠定导电基础，然后永光亮酸性镀铜液进行加厚达到所需厚度，最终实现孔金属化。

2成孔技术

印制电路板通孔加工方法包括数控钻孔、机械冲孔、等离子体蚀孔、激光钻孔、化学蚀孔。目前应用最多的是数控钻孔和激光钻孔，化学蚀孔近年来也取得很大突破。

2.1数控钻孔

数控钻孔是在计算机下利用不同直径钻头按照相应的工艺参数（转速、进刀速度、退刀速度）在印制电路板上得到所需的导通孔。数控钻床可制作孔径大一100um的微孔，但是叠板层数必须减少，钻孔速度不能过快，随着钻孔直径变小，生产效率下降，制作成本升高。机械钻孔优点是能对所有材料进行钻孔。但是当孔径小于250um时，钻孔的成本指数级增长孔径小于50um时。生产成本高，工艺难度大，不适合大批量生产。

影响钻孔因素主要有钻床、钻头、工艺参数、盖板及垫板、加工板材、加工环境。

数控钻床具有高稳定性、高可靠性、高速度和高精度才能适应现代印制电路板生产需要。

2.2激光钻孔

近年来随着微电子技术飞速发展，手机、计算机、数码相机等电子装置向着小型化、轻量、高速、多功能方向发展。要求这些电子装置上搭载的半导体器件高集成度和高速化。其封装由从前的扁平方形封闭（QFP）向小型化、多插脚化的球栅阵列（BGA)或芯片级封装（CSP)过渡。尤其是近年来高密度互连（HDI)印制电路板发展迅速。其封装密度要求微小孔径小于100um，BGA中心距仅0.8mm，连接盘的直径微250um，阻焊隔仅25um,导线/间距小于50/55um.微小孔的加工是生产高密度互连印制电路板的重要步骤，激光钻孔是目前普遍的微小孔加工方式。

2.2.1激光成孔原理

激光是当“射线”受到外来的刺激而增加能量下所激发的一种强力光束，其中红外光和可见光具有热能，紫外光另具有光学能。此种类型的光射到工件的表面时会发生三种现象即反射、吸收和穿透。

透过光学另件击打在基材上激光光点，其组成有多种模式，与被照点会产生三种反应。

激光钻孔的主要作用就是能够很快地除去所要加工的基板材料，它主要靠光热烧蚀和光化学烧蚀或称之谓切除。

（1）光化学烧蚀：是指紫外线区所具有的高光子能量（超过2eV电子伏特）、激光波长超过400纳米的高能量光子起作用的结果。而这种高能量的光子能破坏有机材料的长分子链，成为更小的微粒，而其能量大于原分子，极力从中逸出，在外力的掐吸情况之下，使基板材料被快速除去而形成微孔。因此种类型的工艺方法，不含有热烧，也就不会产生炭化现象。所以，孔化前清理就非常简单。

（2）光热烧蚀：指被加工的材料吸收高能量的激光，在极短的时间加热到熔化并被蒸发掉的成孔原理。此种工艺方法在基板材料受到高能量的作用下，在所形成的孔壁上有烧黑的炭化残渣，孔化前必须进行清理。

以上就是激光成孔的基本原理。目前最常用的有两种激光钻孔方式：印制电路板钻孔用的激光器主要有RF激发的CO2气体激光器和UV固态Nd：YAG激光器。

（3）关于基板吸光度：激光成功率的高低与基板材料的吸光率有着直接的关系。印制电路板是由铜箔与玻璃布和树脂组合而成，此三种材料的吸光度也因波长不同有所不同但其中铜箔与玻璃布在紫外光0.3mμ以下区域的吸收率较高，但进入可见光与IR后却大幅度滑落。有机树脂材料则在三段光谱中，都能维持相当高的吸收率。这就是树脂材料所具有的特性，是激光钻孔工艺流行的基础。

2.2.2 CO2激光成孔的不同的工艺方法

CO2激光成孔的钻孔方法主要有直接成孔法和敷形掩膜成孔法两种。所谓直接成孔工艺方法就是把激光光束经设备主控系统将光束的直径调制到与被加工印制电路板上的孔直径相同，在没有铜箔的绝缘介质表面上直接进行成孔加工。敷形掩膜工艺方法就是在印制板的表面涂覆一层专用的掩膜，采用常规的工艺方法经曝光/显影/蚀刻工艺去掉孔表面的铜箔面形成的敷形窗口。然后采用大于孔径的激光束照射这些孔，切除暴露的介质层树脂。现分别介绍如下：

（1）开铜窗法：

首先在内层板上复压一层RCC（涂树脂铜箔）通过光化学方法制成窗口，然后进行蚀刻露出树脂，再采用激光烧除窗口内基板材料即形成微盲孔：

此种开窗口的成孔工艺方法，当底垫（靶标盘）不大时又需大排版或二阶盲孔时，其对准度就比较困难。

（2）树脂表面直接成孔工艺方法

采用激光成孔有几种类型的工艺方法进行激光钻孔：

（3）开大窗口工艺方法：

前一种工艺方法成孔的直径与所开的铜窗口相同，如果操作稍有不慎就会使所开窗口的位置产生偏差，导致成孔的盲孔位置走位致使与底垫中心失准的问题产生。该铜窗口的偏差产生的原因有可能是基板材料涨缩和图像转移所采用的底片变形有关。所以采取开大铜窗口的工艺方法。其主要特点是选择自由度大，进行激光钻孔时可选择另按内层底垫的程式去成孔。这就有效的避免由于铜窗口直径与成孔直径相同时造成的偏位而使激光点无法对正窗口。

（4）采用超薄铜箔的直接烧蚀的工艺方法

内层芯板两面压贴涂树脂铜箔后，可采用“半蚀方法”将铜箔厚度17m经蚀刻后减薄到5微米，然后进行黑氧化处理，就可采用CO2激光成孔。

其基本原理就是经氧化处理成黑的表面会强烈吸光，就会在提高CO2激光的光束能量的前提下，就可以直接在超薄铜箔与树脂表面成孔。但最困难的就是如何确保 “半蚀方法”能否获得厚度均匀一致的铜层，所以制作起来要特别注视。当

2.2.3Nd：YAG激光钻孔工艺方法

Nd： YAG是钕和钇铝柘榴石。两种固态晶体共同激发出的UV激光。多采用的二极管脉冲激励的激光束，它可以制成有效的激光密封系统，不需要水冷。这种激光三次谐波波长为355纳米（nm）、四次谐波波长为266纳米（nm），波长是由光学晶体调制的。

这种类型的激光钻孔的最大特点是属于紫外光（UV）谱区，而覆铜箔层压板所组成的铜箔与玻璃纤维在紫外光区域内吸光度很强，加上此类激光的光点小能量大，故能强力的穿透铜箔与玻璃布而直接成孔。由于上种类型的激光热量较小，不会象CO2激光钻孔后生成炭渣，对孔壁后续工序提供了很好的处理表面。

Nd：YAG激光技术在很多种材料上进行徽盲孔与通孔的加工。其中在聚酰亚胺覆铜箔层压板上钻导通孔，最小孔径是25微米。从制作成本分析，最经济的所采用的直径是25~125微米。钻孔速度为10000孔/分。可采用直接激光冲孔工艺方法，孔径最大50微米。其成型的孔内表干净无碳化，很容易进行电镀。同样也可在聚四氟乙烯覆铜箔层压板钻导通孔，最小孔径为25微米，最经济的所采用的直径为25~125微米。钻孔速度为4500孔/分。不需预蚀刻出窗口。所成孔很干净，不需要附加特别的处理工艺要求。还有其它材料成型孔加工等。具体加工中可采用以下几种工艺方法：

（1）根据两类激光钻孔的速度采取两种并用的工艺方法

基本作业方法就是先用YAG把孔位上表面的铜箔烧蚀，然后再采用速度比YAG钻孔快的CO2激光直接烧蚀树脂后成孔。

（2）直接成孔工艺法

采用YAG激光钻微盲孔有两个步骤，第一步是打穿铜箔，第二步时清除孔底余料。

3去钻污工艺

印制电路板制造过程中，无论是刚性印制电路板还是挠性印制电路板，钻孔后在孔壁上面都会产生钻污，钻污是由印制电路板材料决定的

由于钻孔过程中温度过高，超过基材中有机物质熔点，使它发生融化，还有铜碎屑，如果不处理干净，就会造成开路，电路板报废，因此去钻污是非常重要的工艺过程。

主要有干法和湿法两种去污方法。干法处理是在真空环境下通过等离子体去除钻污，此法需要专门等离子体设备，处理成本高，一般处理挠性多层印制电路板、刚挠结合多层印制电路板、微小孔径刚性多层印制电路板。

湿法环境污染问题过大，现在采用较少。

4化学镀铜技术

为了使电绝缘的孔壁树脂以及玻璃纤维表面产生导电性，为之后电镀铜奠定导电基础，需要进行化学镀铜，它是一种自催化氧化还原反应，反应实质和电解过程相同。节能高效，没有外界电源，没有电阻损耗。化学镀铜时可以一次性浸入化学镀铜液进行镀铜，这是电镀铜法无法做到的。化学镀铜可以在任何非导电基体上进行沉积，利用这一特点在印制电路板中得到广泛应用，应用最多的是进行孔金属化。

5直接电镀技术

印制电路板孔金属化是印制电路板制造关键技术之一。化学镀铜虽然具有一定优势，但是化学镀铜中甲醛溶液对生态污染大，让叶仲络合剂不易降解。化学镀铜层的力学性能也不如电镀铜，所以电镀铜技术应运而生。替代化学镀的直接电镀需要满足以下几个条件。

（1）在非导体等孔壁基材上，通过特殊处理得到一层导电层，以实现金属电镀，同时还必须保证镀层与基体铜具有良好结合力。

（2）形成导电层素偶哦那个化学药水对环境污染要小

（3）能适应各种印制电路板制作，如高板厚/孔径比的印制电路板、盲孔印制电路板、特殊基材印制电路板等。