封裝基板CO2激光直接鉆通孔工藝研究

孫宏超 王名浩 謝添華 李志東（廣州興森快捷電路科技有限公司，廣東 廣州 510663）（深圳市興森快捷電路科技股份有限公司，廣東 深圳 518028）

封裝基板CO2激光直接鉆通孔工藝研究

Paper Code: S-105

孫宏超 王名浩 謝添華 李志東
（廣州興森快捷電路科技有限公司，廣東 廣州 510663）（深圳市興森快捷電路科技股份有限公司，廣東 深圳 518028）

文章就應(yīng)用于封裝基板的CO2激光直接鉆通孔工藝進(jìn)行了深入的探討，對制作開口孔徑為70 μm的通孔進(jìn)行流程和參數(shù)優(yōu)化。通過JMP軟件設(shè)計優(yōu)化試驗，分析了各加工參數(shù)（脈寬、能量、槍數(shù)、光罩等）對開口孔徑和孔真圓度的影響，并得出了最佳加工參數(shù)。最佳工藝參數(shù)為：脈寬7.1 μs，能量6.9 mj，光罩1.9 mm，槍數(shù)2shot，同時微蝕量控制在（0.6～0.8）μm，以此加工所得開口孔徑為70.96 μm，真圓度為97.26%。在此基礎(chǔ)上，對孔的可靠性能進(jìn)行驗證，驗證結(jié)果證實了孔的可靠性能良好。

封裝基板；CO2激光直接鉆孔；通孔；優(yōu)化試驗設(shè)計；JMP

1 前言

隨著集成電路線寬從57 nm向28 nm或更小尺寸轉(zhuǎn)變[1]，作為芯片載體的基板互聯(lián)密度迅速增加。常規(guī)FCCSP、MCP等產(chǎn)品導(dǎo)通孔數(shù)量高達(dá)500～600孔/cm2，孔徑也由傳統(tǒng)100 μm ～ 150 μm縮小至70 μm ～ 80 μm。傳統(tǒng)的機(jī)械鉆孔工藝無論在成本、產(chǎn)能還是精度等方面都已難以滿足這類產(chǎn)品的量產(chǎn)要求。

激光通孔技術(shù)是特別針對高密度封裝基板層間貫通孔加工的新型制造技術(shù)[2]。該技術(shù)利用基板介質(zhì)層?。ㄒ话?.04 mm ～ 0.15 mm）的特點，結(jié)合激光快速成孔的優(yōu)勢，可有效應(yīng)對FC-CSP等產(chǎn)品層間導(dǎo)通孔加工要求。但由于銅箔對CO2激光的吸收率低，目前普遍采用開窗或表面黑化/棕化作為激光鉆孔前處理方式。其中蝕刻工藝流程長、成本高，且正反面曝光偏差易降低激光通孔的對準(zhǔn)度；表面黑化或棕化可有效提高激光吸收度[3][4]，但黑化或棕化工藝板面需要經(jīng)過2 μm ～ 3 μm微蝕，對于使用2 μm/3 μm薄銅基板的FC產(chǎn)品也不太合適。因此，開發(fā)一種適用于2 μm/3 μm薄銅基板的直接激光通孔技術(shù)十分必要。

本文就薄銅基板CO2激光直接鉆通孔工藝進(jìn)行了深入的探討，通過微蝕量測試優(yōu)化了工藝流程，降低了濺射銅對線路制作的影響；通過JMP軟件設(shè)計優(yōu)化試驗，分析了各加工參數(shù)（脈寬、能量、槍數(shù)、光罩等）對激光孔尺寸及真圓度的影響，得出了最優(yōu)加工參數(shù)；在此基礎(chǔ)上，通過高低溫沖擊及浸錫測試，分析了通孔結(jié)構(gòu)的可靠性。

2 試驗部分

2.1 試驗材料及儀器

實驗材料：封裝基板專用覆銅板，介質(zhì)層厚0.1 mm，表面銅厚2 μm；

實驗儀器：CO2激光鉆孔機(jī)、水平除膠沉銅線、水平連續(xù)電鍍線、微蝕刻機(jī)、金相顯微鏡（NiKon）、高低溫沖擊箱（TSG-71H-W）、導(dǎo)通電阻測試系統(tǒng)(AMR-200-UD）、回流爐（ERSA Hot Flow 3/20XL）。

2.2 試驗方法

2.2.1 試驗流程

開料—鉆定位孔—直接激光鉆孔（CS面和SS面各加工1槍）—除Burr—除膠沉銅—電鍍填孔—可靠性分析—切片分析

2.2.2 測試文件

激光鉆孔文件設(shè)計為158×63的矩形陣列，孔連接方式采用菊花鏈方式設(shè)計，如圖1所示。

圖1 孔連接方式圖

2.2.3 流程優(yōu)化

DLD加工時在孔周圍不可避免的存在濺射銅（Burr），當(dāng)Burr的尺寸超過激光孔AR（一般為20 μm ～ 25 μm）時，可能影響干膜結(jié)合力并導(dǎo)致線路不良。普通PCB直接激光鉆孔后通常通過磨刷去除孔口的濺射銅，但此方式很難應(yīng)對0.1 mm及以下厚度的產(chǎn)品。實驗測試化學(xué)微蝕方式除Burr的流程，微蝕量變化與濺射銅關(guān)系如表1所示。

表1 微蝕量變化與濺射銅關(guān)系

2.2.4 初始參數(shù)研究

對比測試能量E和光罩尺寸D的組合對孔徑的影響，確定適合于2 μm薄銅直接激光加工的能量密度d（單位為：mj/mm2）。其中：d=4E/πD2 。不同能量和光罩組合對應(yīng)的能量密度如表2所示。

表2 不同能量、光罩組合對應(yīng)能量密度

使用JMP統(tǒng)計分析軟件，通過響應(yīng)曲面設(shè)計，對激光加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。以孔徑和真圓度作為響應(yīng)指標(biāo)，以2.2.4分析結(jié)果及對應(yīng)的脈沖寬度為基本參數(shù)，通過Screen DOE優(yōu)選出最佳加工條件。因素水平設(shè)定如表3所示。

表3 Screen DOE因素-水平表

2.2.6 可靠性測試

根據(jù)2.2.3及2.2.5流程及參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，試制5個樣品并依次進(jìn)行預(yù)處理、高低溫沖擊和浸錫實驗，實時監(jiān)控高低溫循環(huán)過程中樣品電阻變化情況，并通過切片觀察分析可靠性測試后的通孔結(jié)構(gòu)形貌。可靠性測試條件如表4所示。

表4 可靠性測試條件

3 結(jié)果與分析

3.1 微蝕量對濺射銅的影響

濺射銅隨微蝕量變化關(guān)系及微蝕后銅面形貌金相顯微鏡觀察結(jié)果如圖2～圖3所示。由圖2可以看出，隨著微蝕量增加，孔口濺射銅逐漸減少。控制微蝕量0.6 μm以上，濺射銅尺寸將小于20 μm，且大部分集中在孔口周圍（如圖3B所示），當(dāng)微蝕量增加至1.2 μm時，孔口濺射銅基本消失（如圖3C所示）。

從圖2～圖3可以看出，通過化學(xué)微蝕可以有效去除孔口Burr。但微蝕量不宜過大，否則容易導(dǎo)致孔口或板邊漏基材，影響孔結(jié)構(gòu)可靠性。為防止過度微蝕對線路圖形的影響，在滿足規(guī)格（Burr小于20 μm）的前提下，控制微蝕量范圍為0.6 μm ～ 0.8 μm。

3.2 孔徑與能量及Mask尺寸關(guān)系

圖2 濺射銅隨微蝕量變化曲線圖

激光孔尺寸與能量密度關(guān)系如圖3所示。從圖4可以看出，激光加工薄銅時存在一個能量密度閥值，當(dāng)能量密度低于此閥值時（Stage-A），激光無法擊穿銅箔成孔；激光越過此閥值后（Stage-B），隨著能量密度增加，孔徑急劇增大；隨著能量密度進(jìn)一步增加（stage-C），激光孔徑增大，但增大幅減小，此時制約孔徑大小的關(guān)鍵因素由能量密度變?yōu)榧す夤馐叽纭?/p>

圖3 能量密度與孔徑關(guān)系如圖

此外，從圖4中還可以看出，70 μm孔徑所需能量密度為1.50～2.00 mj/mm2，其對應(yīng)的光罩尺寸范圍為1.6 mm ～2.0 mm，激光能量范圍為6.0 mj ～ 8.0 mj。

3.3 Screen DOE結(jié)果分析

3.3.1 Screen DOE試驗結(jié)果

DOE參數(shù)優(yōu)化試驗結(jié)果如表5所示。從表中不難看出，該參數(shù)范圍內(nèi)所得開口孔徑在61 μm ～ 79 μm之間，覆蓋了測試目標(biāo)孔徑70 μm，且孔真圓度均在93%以上，滿足目標(biāo)90%要求。

3.3.2 模型可靠性分析

應(yīng)用JMP軟件自帶的模型分析測試結(jié)果的可靠性，開口孔徑的P值＜0.05，實驗值與真實值非常吻合[5]。這說明對于開口孔徑，該實驗參數(shù)范圍設(shè)置合理，模型的結(jié)果可靠；對于孔真圓度，P值為0.0791，略大于0.05，有1個測試結(jié)果超出預(yù)測范圍。

3.3.3 因子效應(yīng)分析

應(yīng)用JMP軟件自帶的模型分析各參數(shù)與響應(yīng)的依賴關(guān)系。

從圖中可以看出，能量、光罩、脈寬對開口孔徑的影響均顯著，顯著程度依次為能量＞光罩＞脈寬；開口孔徑隨能量和脈寬的增大而增大，隨光罩的增大而減小。 開孔孔徑主要和能量密度以及光斑直徑相關(guān)，能量增大，能量密度增大，開口孔徑增大；光罩增大，能量密度減小，開口孔徑減小；脈寬增大，能量密度雖減小，但激光持續(xù)時間延長，熱效應(yīng)時間延長，開口孔徑增大。

光罩和能量是影響真圓度的顯著因素，脈寬對其影響?。荒芰吭酱?，真圓度越低；光罩越大，真圓度越高。真圓度主要受成孔過程中熱效應(yīng)的劇烈程度的影響，熱效應(yīng)越劇烈，開口形狀越不規(guī)則。能量增大，能量密度增大，熱效應(yīng)加劇，真圓度降低；光罩增大，能量密度減小，熱效應(yīng)減弱，真圓度提高。

3.3.4 模型預(yù)測及驗證

通過JMP響應(yīng)刻畫器來預(yù)測最優(yōu)加工條件，預(yù)測結(jié)果如圖8：其中脈寬7.1 μs；能量6.9 mj；光罩1.9 mm，預(yù)測的開口孔徑為69.87 μm；真圓度為97.75%。

圖4 響應(yīng)刻畫器

對預(yù)測出的最優(yōu)加工參數(shù)進(jìn)行驗證，開口孔徑和真圓度實際值與預(yù)測結(jié)果基本一致，開口孔徑實際測量值為70.96 μm，真圓度實際測量值為97.26%。以上結(jié)果均在控制標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，且開口孔徑CPK＞1.67，滿足制程要求。

3.4 可靠性測試結(jié)果

樣品高低溫沖擊過程中電阻變化。所有試片經(jīng)高低溫沖擊測試后，阻值變化均未超過10%，測試結(jié)果為通過。

對試樣進(jìn)行切片分析，結(jié)果如圖5，切片結(jié)果顯示無孔銅斷裂，孔壁分離現(xiàn)象，孔內(nèi)品質(zhì)良好，說明孔結(jié)構(gòu)性能可靠。

圖5 孔切片圖

4 結(jié)論

激光直接鉆孔工藝用于封裝基板貫通孔量產(chǎn)加工在成本、效率和孔位精度等方面優(yōu)勢明顯，同時直接鉆孔所帶來的板面濺射銅殘留和孔型不佳等風(fēng)險可以通過對激光加工參數(shù)和流程加以優(yōu)化得到改善。

脈寬、能量、光罩和槍數(shù)對激光孔型都有很大影響，本次試驗在槍數(shù)固定為兩槍（CS面和SS面各加工一槍）的情況下，以開口孔徑和真圓度為指標(biāo)設(shè)計優(yōu)化試驗，得到了脈寬、能量和光罩對響應(yīng)的影響規(guī)律以及最佳加工值。最優(yōu)加工參數(shù)為：脈寬7.1 μs，能量6.9 mj，光罩1.9 mm，槍數(shù)2 shot。各因素對開口孔徑的影響大小為：能量＞光罩＞脈寬；對真圓度的影響大小為光罩＞能量＞脈寬。對于濺射銅的消除，采用化學(xué)微蝕的方式，將微蝕量控制在0.6 μm ～ 0.8 μm范圍內(nèi)，可達(dá)到良好的去除效果。試驗最后對加工后的試樣進(jìn)行回流焊、熱應(yīng)力和高低溫沖擊等可靠性測試，測試結(jié)果合格，證實了孔的可靠性能良好。

從以上結(jié)果來看，應(yīng)用該加工參數(shù)和流程加工激光通孔可以滿足產(chǎn)品品質(zhì)要求，上述工藝可以導(dǎo)入生產(chǎn)。同時針對不同板材、不同芯板厚度以及不同目標(biāo)孔徑大小，均可采用上述試驗思路和方法來進(jìn)行激光直接鉆孔測試。

[1] 何田. 引線鍵合技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]. 電子工業(yè)專用設(shè)備,2004,5(8)12-14.

[2] 王名浩,謝添華,李志東. 封裝基板的通孔加工方法[P]. 中國專利，201310675001.1.

[3] 中村辛子. CO2激光直接鉆孔工藝的前后處理[C]. 2010秋季國際PCB技術(shù)/信息論壇.

[4] 吳軍權(quán),劉繼承,陳裕韜,陳春. 光強(qiáng)度分布對激光鉆孔影響研究[J]. 印制電路信息,2013(4).

[5] 羅伯特·卡弗著. 上海財經(jīng)大學(xué)統(tǒng)計與管理學(xué)院譯.探索性數(shù)據(jù)分析——基于JMP軟件（引進(jìn)版）.

孫宏超，廣州興森快捷電路科技有限公司，ICS事業(yè)部工藝工程師，主要負(fù)責(zé)激光鉆孔制程穩(wěn)定、能力提升與新技術(shù)開發(fā)。

Research of CO2laser direct drilling for VIP in IC substrate

SUN Hong-chao WANG Ming-Hao XIE Tian-hua LI Zhi-dong

This paper carried on thorough discussion of CO2laser direct drilling process of IC Substrate , and optimized the process and parameter of making VIP (Via in Pad) whose via size is 70μm. It used JMP software design optimization experiment and analyzed the influence of parameters (pulse width, energy, the number of pulses, mask size.ect.) on via size and roundness, and finally got the best parameters. The optimal parameters∶ pulse width 7.1μs, energe 6.9mj, mask 1.9mm, pulses 2shot. In the meantime, this experiment controlled the etch amount between 0.6μm and 0.8μm, through this process, the via size is 70.96μm, the roundness is 97.26%. On this basis, this experiment verified the reliability of the laser via and confirmed the reliability of the laser via is good.

IC Substrate; CO2Laser Direct Drilling; VIP (Via in Pad); DOE; JMP

TN41

：A

1009-0096（2015）03-0081-06