盲孔裂縫的成因與改善

朱興華

（珠海方正科技多層電路板有限公司，廣東 珠海 519175）

1 前言

近年來，隨著電子產(chǎn)品的高速發(fā)展，輕薄短小和多功能化要求趨勢十分明顯，作為核心電子元器件之一的印制電路板技術(shù)也突飛猛進(jìn)，具有激光盲孔這一顯著特征的高密度互聯(lián)印制電路板（HDI）技術(shù)成為印制電路板（PCB）長期發(fā)展的必然趨勢，同時(shí)多功能化的電子產(chǎn)品對印制電路板的可靠性提出了更高的要求，實(shí)現(xiàn)層間互聯(lián)的激光盲孔的可靠性成為業(yè)者關(guān)注的重點(diǎn)。

盲孔裂縫是高密度互連印制電路板無鉛回焊時(shí)最常見的盲孔可靠性問題之一，其影響因素多，原因復(fù)雜,在制造過程中不易被檢測，業(yè)者稱之為典型的灰色缺陷，由無鉛回焊時(shí)介質(zhì)層熱膨脹產(chǎn)生的拉伸力超過盲孔與底部連接盤的結(jié)合力導(dǎo)致底部產(chǎn)生裂紋[1]。這類缺陷往往在無鉛回焊后進(jìn)行電性測試時(shí)才被發(fā)現(xiàn)，常表現(xiàn)為導(dǎo)通性不良，量測時(shí)網(wǎng)絡(luò)電阻增大或開路，在高倍金相顯微鏡下觀察失效網(wǎng)絡(luò)中的盲孔微切片，可見盲孔電鍍的銅層與內(nèi)層連接盤銅層之間出現(xiàn)微裂紋（如圖1）。

在白蓉生老師《失效分析案例判讀之7》一文中，通過微切片對焊后盲孔裂縫問題進(jìn)行了分析[2]。本文從現(xiàn)場實(shí)務(wù)管理出發(fā)，運(yùn)用DOE正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，對造成盲孔裂縫的影響因子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，找出過程管控要點(diǎn)，從制作過程進(jìn)行預(yù)防。

2 實(shí)驗(yàn)條件

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備有Burkle壓機(jī)、Hitachi激光鉆機(jī)、水平除膠線、水平化學(xué)沉銅線、垂直連續(xù)電鍍線等。

2.2 檢測設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所用檢測設(shè)備有切片研磨機(jī)、9段無鉛回焊機(jī)、金相顯微鏡、萬用表等。

2.3 實(shí)驗(yàn)材料

2.3.1 實(shí)驗(yàn)材料：

（1）S公司中Tg材料（Tg 150 ℃、PN固化、加填料的FR-4材料）；

（2）S公司高Tg材料（Tg 170 ℃、PN固化、加填料的FR-4材料）。

（3）采用上述材料，制作成4層的實(shí)驗(yàn)板，疊板結(jié)構(gòu)（如圖2）為：12 μm Cu＋1080×1＋0.6mm1/1＋1080×1＋12μm Cu。

2.3.2 除膠與沉銅藥水：D公司的化學(xué)除膠與化學(xué)沉銅藥水

2.3.3 電鍍藥水：D公司的盲孔電鍍添加劑

2.4 實(shí)驗(yàn)測試板

實(shí)驗(yàn)測試板采用盲孔互連設(shè)計(jì)，每塊測試板上設(shè)計(jì)10萬個(gè)盲孔，每塊測試板上設(shè)計(jì)4個(gè)測試樣品，每個(gè)樣品上設(shè)計(jì)25000個(gè)盲孔和2個(gè)測試點(diǎn)（圖3）。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 特性要因圖與實(shí)驗(yàn)因子選擇

盲孔裂縫的形成原因復(fù)雜，涉及的制作流程長，影響因素復(fù)雜，為了找到問題的根因，通過頭腦風(fēng)暴，找出所有可能影響的因子，繪制出特性要因圖，如圖4。

對上述所有可能原因進(jìn)行理論分析，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)過程中的經(jīng)驗(yàn)判斷，篩選出最可能因子進(jìn)行試驗(yàn)（如表1）。

表1 實(shí)驗(yàn)因子選擇表

3.2 影響因子顯著性實(shí)驗(yàn)

3.2.1 實(shí)驗(yàn)流程

切板 → 內(nèi)層圖形轉(zhuǎn)移 → 棕化 → 壓板 → 開窗→ 激光鉆孔→ 凹蝕 → 沉銅 → 電鍍 → 外層圖形轉(zhuǎn)移 → 檢測

3.2.2 檢測方法

無鉛回流3次（Re flow） → 熱應(yīng)力測試（288 ℃×10 s×3次） → 烘烤（200 ℃×1h） → 電阻測試（萬用表） → 取電阻變化比較大的盲孔進(jìn)行切片與顯微鏡檢查。

3.2.3 測試樣本量

盲孔裂縫在檢驗(yàn)檢查時(shí)的可探測度低，根據(jù)最小樣本量計(jì)算方法并給予適當(dāng)放大，本次實(shí)驗(yàn)的樣本量選取為：每個(gè)試驗(yàn)取兩塊板，測試20個(gè)單元的電阻值，制作并觀察10個(gè)盲孔切片。

3.2.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)采用L827正交表（如表2），所取各因子間在理論上不存在顯著的相互作用。因此，本次實(shí)驗(yàn)不考慮因子間的相互作用。

3.2.5 實(shí)驗(yàn)因子水平說明

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，各實(shí)驗(yàn)因子水平選取如表3。

3.2.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照上述樣本量取樣要求進(jìn)行檢測，統(tǒng)計(jì)各組實(shí)驗(yàn)發(fā)生盲孔裂縫的盲孔個(gè)數(shù)，如表4。

3.2.7 數(shù)據(jù)分析

3.2.7.1 極差分析

對各組實(shí)驗(yàn)檢測出的盲孔失效個(gè)數(shù)進(jìn)行極差分析（如表5），分析結(jié)果顯示，各因子的顯著性順序?yàn)椋猴@著性B1（激光能量）＞ D1（沉銅前微蝕大?。?A2（材料）。

表2 L827正交表

表3 實(shí)驗(yàn)因子水平表

表4 影響因子顯著性實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)表

表5 失效盲孔數(shù)的極差分析表

3.2.7.2 方差分析

對各組實(shí)驗(yàn)的盲孔失效數(shù)進(jìn)行方差分析如表6，分析結(jié)果顯示，B（激光能量）、D（微蝕大小）、A（材料）是造成盲孔裂縫的顯著因子。

3.2.8 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

由上述極差分析和方差分析的結(jié)果可知，激光能量（B）、沉銅前微蝕大?。―）和材料（A）是造成盲孔裂縫的顯著因子。極差分析顯示高Tg材料對盲孔裂縫的影響顯著，而在實(shí)際量產(chǎn)時(shí)采用的是中Tg材料，因此在后文的最佳參數(shù)實(shí)驗(yàn)時(shí)，不再考慮此因子。

3.3 最佳參數(shù)實(shí)驗(yàn)

3.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表6 影響因子顯著性實(shí)驗(yàn)方差分析表

由顯著因子實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，激光能量和沉銅前微蝕大小是盲孔裂縫的顯著影響因素，理論分析兩因子間的相互作用不明顯。因此最佳參數(shù)實(shí)驗(yàn)采用L932正交表，實(shí)驗(yàn)流程、檢測方法、樣本量選取與顯著因子實(shí)驗(yàn)時(shí)相同，實(shí)驗(yàn)因子水平如表7，正交表和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表8。

3.3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)方差分析

對各組實(shí)驗(yàn)的盲孔失效數(shù)進(jìn)行方差分析如表9，分析結(jié)果顯示，按照此水平實(shí)驗(yàn)，B（激光能量）、D（微蝕大?。┮蜃拥挠绊懖伙@著，即為解決盲孔裂縫的最佳參數(shù)。

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)表明，激光鉆孔的能量設(shè)定和沉銅前微蝕大小的控制是導(dǎo)致高密度互聯(lián)印制電路板（HDI）盲孔裂縫的顯著因子，同時(shí)驗(yàn)證了可預(yù)防問題產(chǎn)生的最佳生產(chǎn)參數(shù)，文章所用實(shí)驗(yàn)和檢測方法可有效的發(fā)現(xiàn)問題，可供同行業(yè)者參考。

表7 最佳參數(shù)實(shí)驗(yàn)因子水平表

表8 最佳參數(shù)實(shí)驗(yàn)正交表

表9 最佳參數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)方差分析表

[1]林旭榮. 盲孔的失效模式分析及質(zhì)量控制, 2007年CPCA秋季論壇論文集.

[2]白容生. 失效分析案例判讀之7, 2010 PCB產(chǎn)業(yè)發(fā)展和企業(yè)管理論壇資料.