การวิเคราะห์ความล้มเหลวของบลายด์เวียสำหรับโพรงว่างในการชุบทองแดงอัดแน่นในแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB)

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เกี่ยวข้องกับวิดีโอดิจิทัลและการสื่อสารเคลื่อนที่แบบดิจิทัล การพัฒนาผลิตภัณฑ์ประเภทนี้ได้ผลักดันให้แผงวงจรพิมพ์ (PCB) มีการพัฒนาไปในทิศทางของความเบา บาง ขนาดเล็กลง มีฟังก์ชันหลากหลาย รวมถึงมีความหนาแน่นและความเชื่อถือได้สูง พื้นที่การเดินลายวงจรที่จำกัดบนแผงวงจรพิมพ์ทำให้เกิดข้อจำกัดด้านระยะห่างระหว่างวิอากับลายวงจร ระหว่างลายวงจรด้วยกันเอง และระหว่างลายวงจรกับวิอา ตลอดจนการเกิดขึ้นของกระบวนการอัดเติมทองแดงในวิอา ส่งผลให้ความหนาแน่นของแผงวงจรพิมพ์เพิ่มขึ้นประมาณ 10% ถึง 30% รูปที่ 1 แสดงแผงวงจรแบบ HDI (High Density Interconnection) ที่ใช้เทคโนโลยีอัดเติมทองแดงในวิอา

เนื่องจากการออกแบบผ่านรูสามารถประหยัดพื้นที่การเดินสายได้อย่างมากและรูผ่านบอดเนื่องจากมีการเติมทองแดงจึงมีความน่าเชื่อถือสูง รูไมโครแบบบอดที่ผ่านกระบวนการอัดเติมด้วยการชุบทองแดงมีข้อดีมากมาย นอกจากนี้ กระบวนการนี้ยังค่อนข้างง่าย ประหยัดต้นทุน และมีขั้นตอนที่ไม่ซับซ้อน ด้วยคุณสมบัติที่โดดเด่นดังกล่าว รูไมโครแบบบอดที่อัดเติมด้วยการชุบทองแดงจะถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในการผลิตแผงวงจรพิมพ์แบบ HDIซึ่งถือว่าเป็นแนวโน้มที่กำลังมาแรงในวงการแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) อย่างไรก็ตาม ยังมีปัญหาบางประการเกิดขึ้นในการใช้วิอาบอด (blind via) ร่วมกับการอัดทองแดงด้วยกระบวนการชุบไฟฟ้า เช่น การเกิดรอยบุ๋มขนาดใหญ่มาก การรั่วซึม และโพรงว่างภายในวิอา ในฐานะที่เป็นปัญหาน่าปวดหัวสำหรับผู้ผลิต PCB มีปัจจัยที่ซับซ้อนมากมายที่ก่อให้เกิดโพรงว่างภายในวิอา บทความนี้จะกล่าวถึงสาเหตุของการเกิดโพรงว่างภายในวิอา และนำเสนอวิธีการที่เหมาะสมในการจัดการกับปัญหาเหล่านี้ เพื่อแก้ไขความล้มเหลวและเพิ่มอัตราผลผลิตของผลิตภัณฑ์

การวิเคราะห์ความล้มเหลว

มีปัจจัยจำนวนมากที่ทำให้เกิดโพรงว่างในรูผ่านแบบบอดที่มีการอัดแน่นด้วยทองแดง และแต่ละปัจจัยจำเป็นต้องได้รับการวิเคราะห์จากมุมมองของลักษณะเฉพาะและกลไกการเกิดขึ้น เพื่อให้สามารถปรับผลลัพธ์ให้เหมาะสมที่สุด

• ฟองอากาศในรูเชื่อมแบบปิด

แหล่งที่มาของฟองอากาศเกิดจากการนำเข้าจากภายนอกและการเกิดปฏิกิริยาในตัวเอง โดยทั่วไปจำเป็นต้องทำการชุบฟลัชบนแผ่น PCB ก่อนการชุบอัดเติมทองแดง เพื่อเสริมความนำไฟฟ้าของรูผ่านและให้สะดวกต่อการเก็บรักษา การเกิดออกซิเดชันอย่างรุนแรงที่รูผ่านมักเกิดขึ้นหากแผ่นวงจรสัมผัสกับอากาศเป็นเวลานาน ดังนั้นเวลาในการพักไม่ควรนานเกินไป กล่าวอีกนัยหนึ่ง การเตรียมผิวก่อนที่ไม่ดีจะทำให้ไม่สามารถกำจัดฟองอากาศในรูผ่านและผิวที่เกิดออกซิเดชันได้ ส่งผลให้อัตราการเกิดโพรงว่างในรูผ่านตาบอดเพิ่มขึ้นอย่างมาก ดังแสดงในรูปที่ 2

การเกิดขึ้นของฟองยังเกิดจากปฏิกิริยาแอโนดในถังทองแดงและปฏิกิริยาH₂O → 1/2O₂+ 2e^-+ 2H⁺จะเกิดขึ้นที่ขั้วบวกเมื่อมีการใช้ขั้วบวกที่ไม่ละลาย จากปฏิกิริยานี้สามารถสรุปได้ว่าออกซิเจนจะหลุดออกจากขั้วบวกที่ไม่ละลาย ทำให้ต้องชดเชยสารเติมแต่งในปริมาณสูงและทำให้อายุการใช้งานของขั้วบวกเพิ่มขึ้น หรือแม้กระทั่งทำให้ขั้วบวกเกิดสภาพพาสซีฟและทำให้แผงวงจรพิมพ์ (PCB) เกิดความบกพร่อง ดังนั้น เพื่อแก้ปัญหานี้จึงมีการเติมเฟอร์รัสซัลเฟตในปริมาณที่เหมาะสมลงในสารละลายชุบ เพื่อกำจัดออกซิเจนที่หลุดออกจากขั้วบวกเมื่อปฏิกิริยาที่ขั้วบวกเป็นไปตามสองปฏิกิริยานี้:เหล็ก²⁺→ เฟ³⁺+ e^-,Fe³⁺+ Cu → Fe²⁺+ e^-.

เพื่อให้มั่นใจว่าปฏิกิริยาดำเนินไปอย่างราบรื่น จำเป็นต้องเติมทองแดงลงในสารละลายชุบอย่างต่อเนื่อง โดยทั่วไปจะใช้ผงคอปเปอร์ออกไซด์ พร้อมกันนี้ เพื่อลดปฏิกิริยาพาราซิติกที่แคโทด จำเป็นต้องกำหนดข้อกำหนดที่เข้มงวดมากขึ้นในด้านการไหลเวียนของสารละลายชุบ และต้องปรับปรุงวัสดุของแคโทด

ความล้มเหลวประเภทนี้ที่เกิดจากโพรงว่างเปล่ามักเกิดขึ้นที่ก้นของบลายด์เวีย โดยจะแสดงรูปร่างที่สมมาตรและเป็นระเบียบ สำหรับการปรับปรุงปัญหานี้ สามารถดำเนินมาตรการได้จากประเด็นต่อไปนี้:

a. ต้องควบคุมเวลาในการพักแผ่นและสภาพแวดล้อมในการจัดเก็บให้ดีอย่างเคร่งครัดก่อนการชุบเติมทองแดง โดยทั่วไป สำหรับแผ่นที่ไม่มีการชุบฟลัช การชุบเติมทองแดงต้องทำให้เสร็จภายใน 4 ชั่วโมง ในขณะที่สำหรับแผ่นที่มีการชุบฟลัชแล้วต้องทำให้เสร็จภายใน 12 ชั่วโมง แผ่นควรถูกจัดเก็บให้ห่างจากสภาพแวดล้อมที่มีกรด และหากเป็นไปได้ ควรจัดเก็บในห้องที่มีเครื่องปรับอากาศซึ่งสามารถควบคุมอุณหภูมิและความชื้นของห้องได้

b. ควรปรับปรุงประสิทธิภาพของการเตรียมผิวชิ้นงานล่วงหน้า (preprocessing) และเพิ่มอุปกรณ์กำจัดฟองอากาศที่จำเป็น การเตรียมผิวล่วงหน้ามีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากการเตรียมผิวก่อนการชุบทองแดงแบบเติมเต็มมีความเกี่ยวข้องโดยตรงกับประสิทธิภาพการเติมเต็ม เพื่อให้มั่นใจในประสิทธิภาพของการเตรียมผิวล่วงหน้า แนะนำให้เลือกใช้สารขจัดคราบไขมันชนิดกรด และเพิ่มปริมาณการไหลของน้ำให้เหมาะสม นอกจากนี้ ในฤดูหนาวเมื่ออุณหภูมิน้ำค่อนข้างต่ำ (ต่ำกว่า 15°C) ควรเติมกรดซัลฟิวริกเล็กน้อยในขั้นตอนการล้างน้ำหลังการขจัดคราบไขมัน หรือสามารถติดตั้งอุปกรณ์ให้ความร้อนเพื่อให้มั่นใจในประสิทธิภาพการล้าง อีกทั้งยังสามารถติดตั้งอุปกรณ์สั่นและวาล์วลมเป่า (air poppet valve) บนถังเตรียมผิวล่วงหน้าเพื่อกำจัดฟองอากาศในรู via

c. การเลือกวัสดุแอโนดของถังทองแดงและการควบคุมพารามิเตอร์กระแสไฟฟ้า จากแหล่งกำเนิดฟองอากาศแหล่งที่สอง การเลือกวัสดุแอโนดที่เหมาะสมสำหรับถังทองแดงจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง วัสดุแอโนดควรช่วยให้ประสิทธิภาพของแอโนดดีขึ้นและช่วยลดการสิ้นเปลืองของสารเติมแต่ง เมื่อพารามิเตอร์กระแสไฟฟ้ามีค่ามากเกินไป ปฏิกิริยาที่แอโนดจะถูกเร่งให้เร็วขึ้น ทำให้จำนวนฟองอากาศเพิ่มขึ้น ภายใต้สภาวะดังกล่าว ฟองอากาศจะไหลเข้าสู่บลายด์เวียขณะไหลออกและไม่สามารถถูกกำจัดออกจากเวียได้ ดังนั้น นอกจากการเลือกวัสดุแอโนดและการควบคุมพารามิเตอร์กระแสไฟฟ้าแล้ว ยังจำเป็นต้องใส่ถุงแอโนดหรือชั้นป้องกันที่ด้านนอกของตาข่ายแอโนดเพื่อป้องกันไม่ให้ฟองอากาศที่เกิดจากแอโนดเข้าสู่สารละลายชุบโดยตรง

• ความไม่สมดุลของส่วนประกอบสารเติมแต่ง

ส่วนประกอบของสารละลายชุบอัดแน่นทองแดงประกอบด้วย คอปเปอร์ซัลเฟต กรดซัลฟิวริก ไอออนคลอไรด์ และสารเติมแต่ง และผลของการอัดแน่นภายในบลายด์เวียสจะเกิดขึ้นผ่านกลไกการออกฤทธิ์ระหว่างส่วนประกอบต่าง ๆ ในสารละลายชุบ สารเติมแต่งแต่ละชนิดมีบทบาทของตนเองในกระบวนการชุบ ทั้งร่วมกันและเป็นอิสระต่อกัน สารเพิ่มความเงามีบทบาทในการดูดซับลักษณะเฉพาะหรือคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ผิวหน้าขั้วไฟฟ้า และเปลี่ยนรูปแบบและคุณสมบัติของตะกอน เพื่อให้ได้ผิวชุบที่ต้องการตามคาดหมาย สารช่วยกระจายสามารถผลักดันให้สารเพิ่มความเงาเคลื่อนที่ไปยังแต่ละตำแหน่งของหลุมเว้าบนแคโทด อย่างไรก็ตาม สารนี้จะไม่ทำงานหากไม่ได้รับความช่วยเหลือจากไอออนคลอไรด์ สารช่วยกระจายมีหน้าที่ทำให้การกระจายตัวที่ไม่สม่ำเสมอกลายเป็นสม่ำเสมอ เนื่องจากมีความสามารถในการปรับระดับและความสามารถในการชุบให้สม่ำเสมอ สารปรับระดับมีแนวโน้มที่จะถูกดูดซับที่ตำแหน่งซึ่งมีอิเล็กโตรเนกาติวิตีค่อนข้างสูง เนื่องจากมีคุณสมบัติเป็นอิเล็กโตรโพซิทีฟที่แรงในสารละลายกรด จากนั้นจะทำให้ไอออนทองแดงตกตะกอนได้ยากขึ้น โดยไม่มีอิทธิพลของการสะสมตัวของทองแดงในบริเวณที่มีความหนาแน่นต่ำ อันเป็นผลมาจากการแข่งขันกับไอออนทองแดงที่มีประจุบวก

การควบคุมส่วนประกอบและปริมาณของสารเติมแต่งเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง และความล้มเหลวในการควบคุมส่วนประกอบจะทำให้การเติมทองแดงในรูผ่านบอดไม่ดีหรือเกิดโพรงว่างเปล่า ดังแสดงในรูปที่ 3

การแก้ไขปัญหาถ้ำว่างเปล่าที่เกิดจากสาเหตุนี้อยู่ที่การควบคุมในด้านส่วนผสมเติมแต่งและปริมาณการเติมแต่ง ซึ่งรวมถึง:
a. ควรสอบเทียบปริมาณการไหลของสารเติมแต่งเป็นระยะเพื่อให้มั่นใจในความถูกต้องของปริมาณการไหล เพื่อให้สามารถควบคุมได้อย่างมีประสิทธิผล
b. ควรทำการบำบัดด้วยถ่านกัมมันต์กับสารละลายเป็นระยะ ๆ ตามสภาพการปนเปื้อนของสารละลายชุบ
c. ควรวิเคราะห์ส่วนประกอบของสารละลายชุบเป็นระยะ และประเมินปริมาณสารเติมแต่งและประสิทธิภาพการชุบด้วยการทดลอง Hull Cell เพื่อยืนยันว่าประสิทธิภาพการชุบยังอยู่ในเกณฑ์ปกติ และต้องทำการปรับแต่งที่เหมาะสมให้ทันเวลา

• สาเหตุของสิ่งแปลกปลอม

สภาพแวดล้อมของสายกระบวนการชุบเติมทองแดง วัสดุที่ใช้ และกิจกรรมการผลิตประจำวัน ล้วนก่อให้เกิดมลพิษในระดับที่แตกต่างกัน สิ่งแปลกปลอมหรือสารปนเปื้อนทุกชนิดเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ สำหรับสิ่งแปลกปลอมขนาดจุลภาคนั้น ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่าและกำจัดได้ยากเป็นอย่างยิ่ง เมื่อมันเข้าไปในรูผ่านตาบอด ก็มีแนวโน้มที่จะเกิดโพรงว่างขึ้น ดังแสดงในรูปที่ 4 ด้านล่าง

สำหรับความล้มเหลวของโพรงว่างในรูผ่านแบบตัน สาเหตุของมันสามารถค้นหาได้อย่างง่ายดาย ผ่านการใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) สามารถสังเกตรูปร่างของโพรงว่างในรูผ่านแบบตันได้ ดังนั้น มาตรการในการค้นหาต้นตอของสิ่งแปลกปลอมจึงรวมถึง:
a. ควรป้องกันไม่ให้สิ่งแปลกปลอมจากภายนอกเข้าสู่สารชุบ และแนะนำให้ใช้กระบวนการแบบปิด
b. ประเมินว่าวัสดุที่ใช้หรือความบริสุทธิ์ของสารถึงตามมาตรฐานหรือไม่ และเป็นไปตามข้อกำหนดของการผลิตแผงวงจรพิมพ์.
c. ควรดำเนินการกรองและตรวจสอบความบริสุทธิ์ของสารชุบเป็นระยะ เพื่อให้มั่นใจในความสดใสและความชัดเจนของสี

บทสรุป

ตามธรรมชาติแล้ว สาเหตุของความล้มเหลวที่เกิดโพรงว่างในบลายด์เวียมีมากกว่าที่ระบุไว้มาก และยังมีปัจจัยอื่น ๆ อีกมากมายที่ทำให้เกิดปัญหานี้ รวมถึงการจำแนกประเภทของวัสดุตามค่าคงที่ไดอิเล็กทริก ความหนา ประเภทของบลายด์เวีย และพารามิเตอร์กระแสไฟฟ้าของการชุบด้วยไฟฟ้า

โดยสรุปแล้ว กุญแจสำคัญคือการค้นหาสาเหตุของความล้มเหลวของโพรงว่างในวิอาบอด เมื่อเผชิญกับปัญหาวิอาว่างล้มเหลว ในขณะเดียวกัน การสังเกตรูปร่างของความล้มเหลวของโพรงว่างและสรุปประสบการณ์ก็เป็นแนวคิดที่ดี เพื่อค้นหากฎเกณฑ์ที่เกี่ยวข้องและดำเนินการวิจัยด้วยวิธีการวิเคราะห์ทุกรูปแบบ นอกจากนี้ จากกลไกของความล้มเหลวของโพรงว่าง ควรกำหนดแนวทางการปฏิบัติงานอย่างเป็นวิทยาศาสตร์ และดำเนินกฎเกณฑ์ด้านการปรับปรุงและการป้องกันอย่างเคร่งครัด เพื่อให้สามารถแก้ไขปัญหาได้ และเพิ่มอัตราผลผลิตและความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์อย่างต่อเนื่อง

แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
•บทนำเกี่ยวกับบลายด์เวีย
•3 องค์ประกอบสำคัญเกี่ยวกับวิอัดฝังและวิอตาบอดในแผ่นวงจรยืดหยุ่นแข็ง HDI ที่คุณอาจยังไม่รู้
•การแนะนำวิธีการอุดรูบอดแบบใหม่: การอุดรูบอดด้วยการชุบแผง
•วิธีออกแบบรูผ่านแบบฝัง/ซ่อนในวงจรดิจิทัลความเร็วสูง
•บริการผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) แบบครบทุกฟังก์ชันจาก PCBCart - ตัวเลือกเสริมเพิ่มมูลค่าหลากหลาย
•บริการประกอบแผงวงจรพิมพ์ขั้นสูงจาก PCBCart - เริ่มต้นเพียง 1 ชิ้น