智能手機(jī)用薄印制電路板技術(shù)與可靠性考慮

龔永林 摘譯

本刊主編

1 序言

由IBM公司推出的IBM Simon個(gè)人通信設(shè)備標(biāo)志著智能手機(jī)時(shí)代開始，其把電話功能與PDA功能相結(jié)合是一個(gè)進(jìn)入新的通訊時(shí)代的里程碑。雖然這設(shè)備非常創(chuàng)新，但其總重量510 g、厚度38 mm，不適于存放在口袋里，只能放置于業(yè)務(wù)人員的公文包內(nèi)。智能手機(jī)的功能和人機(jī)操作性標(biāo)準(zhǔn)是于消費(fèi)者決定的，隨著智能手機(jī)功能和審美角度的變化，帶來了智能手機(jī)長(zhǎng)度和寬度尺寸變化。圖1表示自IBM Simon產(chǎn)生以來的智能手機(jī)尺寸變化，智能手機(jī)厚度減少成為制造商們競(jìng)爭(zhēng)項(xiàng)目之一。在2012年12月時(shí)最薄手機(jī)是中國(guó)產(chǎn)的OPPO Findex X907型安卓系手機(jī)，厚度僅6.65 mm，然而不久中國(guó)中興推出了厚度6.2 mm的手機(jī)。

圖1 智能手機(jī)的厚度隨年度變化

[譯注：最新蘋果iPhone 6的重量129 克，厚度6.9 mm；華為p6的厚度5.6 mm；金立ELIFE S5.1的厚度5.15 mm。2014年11月最薄OPPO R5厚 4.85 mm。同時(shí)，平板電腦也在薄型化，2014年10底上市的iPad Air2，厚度僅為6.1 mm，刷新平板輕薄紀(jì)錄；11月戴爾推出了“全球最薄的平板電腦”Venue 8 7000，8.4英寸顯示屏，重量306 g，厚度僅為6 mm。]

智能手機(jī)設(shè)計(jì)師們盡力追求小型化，減少手機(jī)厚度，這勢(shì)必需要減少PCB的尺寸和厚度。為了適應(yīng)智能手機(jī)的要求，PCB開發(fā)出了高密度互連(HDI)技術(shù)。在第一個(gè)智能手機(jī)就采用了八層剛性板，用1080#玻璃纖維布半固化片和25μm厚銅箔積層而成?，F(xiàn)今高端智能手機(jī)的層數(shù)與此相同，但八層板厚度明顯變化：在2000年時(shí)約1.2 mm以上，到2011年時(shí)約0.6 mm，到2013年時(shí)目標(biāo)定在0.4 mm。

2 薄型HDI板可靠性實(shí)驗(yàn)設(shè)置

2.1 試驗(yàn)項(xiàng)目

為評(píng)估剛性薄型HDI板的生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品性能，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)樣板是用三種不同的工藝方法制作的。對(duì)試驗(yàn)樣板的可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)定為三項(xiàng)，一是再流焊試驗(yàn)，按照MSL水平3條件；二是溫度循環(huán)試驗(yàn)，從低溫-40℃到高溫+125℃，各存放15分鐘，每小時(shí)二個(gè)循環(huán)；三是高加速應(yīng)力試驗(yàn)（HAST），在溫度+130℃、濕度85%RH條件下。

[譯注：MSL是Moisture Sensitivity Level濕氣敏感性等級(jí)。參考J-STD-020C標(biāo)準(zhǔn)，MSL水平3再流焊試驗(yàn)程序是在試驗(yàn)樣板檢查合格后放置125℃烘烤24小時(shí)，再恒定溫濕度30℃/60%RH存放192 h，然后260 ℃再流焊3次。]

2.2 ALIVH和HDI/FV工藝技術(shù)

制作的八層剛性HDI板總厚度小于0.5 mm，主要是考慮了兩種HDI PCB生產(chǎn)技術(shù)。一種是HDI積層與電鍍填孔結(jié)合（HDI/FV）技術(shù)，選擇微導(dǎo)通孔堆疊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；另一種是日本松下公司在1996年發(fā)明的ALIVH技術(shù)。HDI/FV技術(shù)是傳統(tǒng)的HDI工藝流程，包括逐層積層、機(jī)械或激光鉆孔、化學(xué)鍍銅和電鍍銅實(shí)現(xiàn)層間連接，以及在電鍍銅過程中填孔。ALIVH技術(shù)要點(diǎn)是印刷導(dǎo)電膏填孔實(shí)現(xiàn)層間連接，是對(duì)半固化絕緣層先鉆孔，再在孔中填塞導(dǎo)電膏，然后積層，如圖2所示。

圖2 ALIVH PCB生產(chǎn)工藝流程示意圖

[譯注：本文制作薄型HDI板的工藝是有三種，一種是上述的HDI/FV技術(shù)，另兩種是ALIVH技術(shù)延伸出的ALIVH-C和ALIVH-G，見2.5節(jié)。]

2.3 試驗(yàn)樣板的設(shè)計(jì)

這款剛性八層試驗(yàn)樣板為AT&S公司選定，用于常規(guī)的可靠性測(cè)試和材料鑒定，同時(shí)組合了可供多種電氣和可靠性試驗(yàn)的附連試驗(yàn)板。考慮到不同制作技術(shù)的可比性，對(duì)試驗(yàn)樣板做了區(qū)域編號(hào)。圖3為試驗(yàn)樣板及其附連試驗(yàn)板。

圖3 試驗(yàn)樣板及其附連試驗(yàn)板設(shè)計(jì)

2.5 積層和應(yīng)用材料

三種試驗(yàn)樣板制作采用不同積層方法。如表1所示，第一種（TV1）是任意層互連與鍍銅填孔（HDI/FV）積層；第二種（TV2）是ALIVH-C積層，其中第2至7層是先由ALIVH積層，外層是電鍍銅填孔的逐層積層工藝形成；第三種（TV3）是ALIVH-G積層，即全部任意層互連與導(dǎo)電膏填孔積層。

表1 試驗(yàn)樣板制作方法與設(shè)定的厚度

這些試驗(yàn)樣板采用的絕緣介質(zhì)材料都是PCB批量生產(chǎn)中的標(biāo)準(zhǔn)基材，并且均強(qiáng)制性地選擇無鹵（HF）材料。絕緣材料的有關(guān)性能列于表2，所用銅層為標(biāo)準(zhǔn)處理的12 μm銅箔。

表2 所用絕緣材料的性能

3 實(shí)驗(yàn)程序

3.1 板子厚度測(cè)量

按圖3所示的A、B兩個(gè)位置測(cè)量板子厚度，位置A代表積層銅層較少的區(qū)域，位置B代表積層銅層較多的區(qū)域。測(cè)量量具為具有精確度0.001 mm的數(shù)字微米計(jì)，在室溫環(huán)境下進(jìn)行。測(cè)量樣本是從生產(chǎn)批的15塊試驗(yàn)樣板中隨機(jī)抽取。

3.2 再流焊試驗(yàn)

此再流焊試驗(yàn)是按照IPC/JEDEC J-020DIT規(guī)范，采用濕度敏感水平等級(jí)3（MSL3），規(guī)定的預(yù)處理?xiàng)l件見表3。試驗(yàn)樣本量是從每種試驗(yàn)樣板各取10塊板。

表3 IPC/JEDEC J-STD-020D1規(guī)范的MSL3再流焊試驗(yàn)預(yù)處理?xiàng)l件

3.3 熱循環(huán)試驗(yàn)

樣板的熱循環(huán)試驗(yàn)按照J(rèn)EDEC JESD-22-A104D規(guī)范，試驗(yàn)條件G.2.C，具體參數(shù)見表4。試驗(yàn)樣本是試驗(yàn)樣板的裸板上指定的菊花鏈附連測(cè)試板（圖4），TV1、TV2和TV3三種試驗(yàn)樣板各抽取8塊板用于試驗(yàn)。對(duì)每個(gè)菊花鏈樣本都測(cè)量電阻值，測(cè)量時(shí)規(guī)定持續(xù)的時(shí)間。菊花鏈試驗(yàn)板若經(jīng)過1000次溫度循環(huán)后，電阻值變化不大于10%，則視為試驗(yàn)合格。

表4 溫度循環(huán)試驗(yàn)參數(shù)規(guī)定

圖4 熱循環(huán)試驗(yàn)的裸板菊花鏈附連測(cè)試板

另外，對(duì)TV2和TV3各取4個(gè)密集區(qū)樣本進(jìn)行試驗(yàn)。密集區(qū)樣本為在圖3中之編號(hào)2的TCT試驗(yàn)區(qū)，組裝有12 CT BGA288虛擬元件。在測(cè)試過程中有檢測(cè)裝置對(duì)每個(gè)元件進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，如果監(jiān)測(cè)中沒有出現(xiàn)故障則認(rèn)定合格。

3.4 高加速應(yīng)力試驗(yàn)(HAST)

HAST試驗(yàn)是按照J(rèn)EDEC JESD 22-A110C規(guī)范。HAST試驗(yàn)應(yīng)提供四項(xiàng)參數(shù)：溫度、濕度、施加偏壓、持續(xù)時(shí)間。進(jìn)行HAST試驗(yàn)采用的參數(shù)見表5。試驗(yàn)板預(yù)先處理：樣板經(jīng)過-40 ℃到+125 ℃熱循環(huán)5次，再在60 ℃和60%RH環(huán)境中存放48小時(shí)，最后用峰值溫度260 ℃的無鉛再流焊循環(huán)5次，然后進(jìn)行HAST試驗(yàn)。

表5 HAST試驗(yàn)設(shè)定的參數(shù)

所用的附連測(cè)試板的結(jié)構(gòu)，有一個(gè)微孔到微孔（V2V）的試驗(yàn)電路，有一個(gè)微孔到板面線路（V2P）的試驗(yàn)電路，及有一個(gè)梳形結(jié)構(gòu)電路（每層一個(gè)梳形圖形），如圖5、圖6所示。圖7為HAST的附連測(cè)試板。總之，對(duì)8塊附連測(cè)試板的各試驗(yàn)電路都有編號(hào)，在試驗(yàn)過程中連續(xù)監(jiān)視電路變化和記錄結(jié)果。當(dāng)試驗(yàn)電路的電阻值下降低于106歐姆時(shí)認(rèn)定為出現(xiàn)故障。

圖5 HAST附連試驗(yàn)板的微孔到微孔和微孔到板面線路圖形

圖6 HAST附連試驗(yàn)板的板面層梳形結(jié)構(gòu)圖形

圖7 HAST試驗(yàn)的附連測(cè)試板

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 試驗(yàn)樣板與板厚

試驗(yàn)樣板最終厚度測(cè)量數(shù)據(jù)如表6所示，為15塊樣板的隨機(jī)抽樣測(cè)量值。圖8和圖9為試驗(yàn)樣板（TV1、TV2）的截面剖切圖。

表6 試驗(yàn)樣板厚度值

圖8 TV1(3+2+3) HDI / FV積層板截面

圖9 TV2（1+ A6 +1) ALIVH-C積層板截面

4.2 再流焊性能

再流焊試驗(yàn)結(jié)果歸納于表7。這個(gè)結(jié)果顯示HDI/FV板的性能明顯比兩種ALIVH積層板更好。在第三和第四次再流焊循環(huán)之間，TV2和TV3就出現(xiàn)許多分層，而TV1能經(jīng)受15次再流焊循環(huán)。圖10是一個(gè)典型的TV2和TV3發(fā)生故障的例子。

表7 薄試驗(yàn)樣板再流焊試驗(yàn)結(jié)果

圖10 TV3在再流焊試驗(yàn)后發(fā)生分層的截面

然而，必須指出，試驗(yàn)中不能直接看到制作工藝不同所引起的大的差異。當(dāng)考慮HDI板采用新型的FR-4基材，就會(huì)有優(yōu)良的再流焊性能，即使TV3試樣板在MSL試驗(yàn)中也體現(xiàn)出良好性能。

若對(duì)TV2和TV3截面的缺陷作深入研究，可以看到發(fā)生分層缺陷的原因涉及到設(shè)計(jì)，大面積的銅面結(jié)構(gòu)要經(jīng)受再流焊試驗(yàn)是危險(xiǎn)的，當(dāng)然這也關(guān)系到要提高銅表面粘合性。發(fā)現(xiàn)的分層故障，既有絕緣基材之間分離，又有基材與銅面之間分離，分層缺陷是復(fù)雜的。要找出分層原因也有許多工作要做。然而，盡管TV2和TV3的再流焊試驗(yàn)表現(xiàn)沒有達(dá)到正常生產(chǎn)板所需的水平，而它仍被認(rèn)為是可以接受的。因?yàn)榭紤]到這些試驗(yàn)樣板制作方法并沒有任何的優(yōu)化措施，按此工藝的發(fā)展是能達(dá)到要求的。

4.3 熱循環(huán)結(jié)果

如前面敘述的，這溫度循環(huán)試驗(yàn)是一組裸板附連試驗(yàn)板。在整個(gè)試驗(yàn)過程中觀察不到試驗(yàn)板的故障，而只要試驗(yàn)板的電阻下降不要超過10%，則視為試驗(yàn)合格通過。

對(duì)這些試驗(yàn)樣板進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)，結(jié)果都沒有故障出現(xiàn)，如表8所示。

表8 熱循環(huán)試驗(yàn)的結(jié)果

由此結(jié)果可見，熱循環(huán)對(duì)薄型HDI板沒有大的影響作用，不同的任意層積層制造方法都沒有影響，全部測(cè)試樣板都能通過100次熱循環(huán)。

4.4 HAST試驗(yàn)結(jié)果

進(jìn)行HAST試驗(yàn)更能看到薄型HDI板的電化學(xué)遷移狀態(tài)。試驗(yàn)樣板經(jīng)過HAST試驗(yàn)后得到的結(jié)果匯總于表9。

表9 薄型試驗(yàn)樣板經(jīng)HAST試驗(yàn)的結(jié)果

表9中記錄了HAST試驗(yàn)后缺陷數(shù)量，可見試驗(yàn)樣板中TV1和TV2的情況要比TV3更好。

測(cè)試孔到孔（V2V）的情況，三種試驗(yàn)樣板都沒有出現(xiàn)故障。測(cè)試孔到板面（V2P）的情況，三種試驗(yàn)樣板都有故障出現(xiàn)，而且故障出現(xiàn)在試驗(yàn)前期階段。對(duì)有故障樣板進(jìn)行剖切分析，故障處并沒有顯示有枝狀增長(zhǎng)的痕跡，其故障原因?qū)儆谥圃鞐l件不佳有殘留物或污染引起的。

關(guān)于梳狀結(jié)構(gòu)的情況，試驗(yàn)結(jié)果與V2P相似，三種試驗(yàn)樣板都有故障出現(xiàn)，但TV1和TV2的情況要比TV3好。全部試驗(yàn)樣板大多數(shù)故障發(fā)生在外層（L1和L8）。

由HAST試驗(yàn)的試驗(yàn)樣板的孔到板面（V2P）結(jié)構(gòu)間有故障出現(xiàn)，從剖切面觀察沒有細(xì)絲增長(zhǎng)痕跡，因此認(rèn)定沒有電化學(xué)遷移問題。而試驗(yàn)樣板的梳狀結(jié)構(gòu)間出現(xiàn)故障處，有顯著的銅遷移痕跡。圖11是TV2樣板梳狀結(jié)構(gòu)故障的暗場(chǎng)/UV圖像。

圖11 TV2的外層(L8)梳狀結(jié)構(gòu)顯微鏡暗場(chǎng)圖，阻焊劑由研磨除去

相鄰導(dǎo)體之間出現(xiàn)電遷移故障，這是由于銅線路之間有電位差存在而發(fā)生電遷移。然而，梳狀結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)故障有組合因素，是銅導(dǎo)線間有污物殘余及電遷移枝狀增長(zhǎng)都存在，結(jié)果使絕緣電阻下降。

通常，AT&S公司基于這個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果都沒有如枝狀增長(zhǎng)的電化學(xué)遷移狀況，認(rèn)為三種試驗(yàn)樣板全部都沒有危險(xiǎn)。試驗(yàn)樣板的制作自開始就沒有針對(duì)CAF/HAST采取改善措施，因此若在批量化生產(chǎn)時(shí)有特別措施，那么電化學(xué)遷移狀況會(huì)有顯著改善。

5 結(jié)論

智能手機(jī)驅(qū)使PCB產(chǎn)品厚度減少，目前所用的HDI板都考慮采用八層任意層互連微孔堆疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式，板子厚度一般為0.6 mm，而從2013年起剛性八層HDI板厚度減少趨于0.4 mm。本文研究說明，目前選用有效的基材和制造工藝，已可以制作八層任意層互連HDI板，板子厚度小于0.5 mm。

對(duì)于這些采用不同制造方法的HDI板，無論是電鍍銅填孔積層技術(shù)還是ALIVH技術(shù)，都是成功的，并且制作板子厚度在0.443 mm與0.512 mm之間。證實(shí)應(yīng)用ALIVH與外層積層電鍍填孔相結(jié)合，稱為ALIVH-C工藝也是成功的。AT&S制造HDI板已有20年經(jīng)驗(yàn)，在2011年開始引入ALIVH技術(shù)，在實(shí)踐中改進(jìn)ALIVH技術(shù)制作出薄型HDI板。

從整個(gè)可靠性研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看是可接受的，相比較現(xiàn)有電鍍銅填孔積層比ALIVH積層優(yōu)良?？煽吹?，再流焊敏感性試驗(yàn)是特別切合實(shí)際，在HAST試驗(yàn)中三種試驗(yàn)樣板的電化學(xué)遷移性都較少，最后的溫度循環(huán)對(duì)試驗(yàn)樣板都沒有產(chǎn)生故障。

在此總結(jié)，本實(shí)驗(yàn)所用薄型HDI板制造技術(shù)通常全部是可靠的。對(duì)于非常薄HDI板制造的進(jìn)一步工作是集中于達(dá)到潛在的功能需要，如電性能和成本問題。（本文摘譯自PCB Magazine 2014/10期的Thin PCBs for Smartphones ： Technology & Reliability Considerations一文，有刪減，并對(duì)章節(jié)重作了編排。）