撓性介質(zhì)激光盲孔的可靠性研究

林楚濤　莫欣滿　陳　蓓（廣州興森快捷電路科技有限公司，廣東　廣州　510063）（深圳市興森快捷電路科技股份有限公司，廣東　深圳　518057）

撓性介質(zhì)激光盲孔的可靠性研究

林楚濤莫欣滿陳蓓
（廣州興森快捷電路科技有限公司，廣東廣州510063）
（深圳市興森快捷電路科技股份有限公司，廣東深圳518057）

采用激光盲孔作為層間微導(dǎo)通孔是HDI關(guān)鍵技術(shù)之一，而HDI剛撓結(jié)合板其介質(zhì)的多樣性也造成了激光盲孔可靠性的復(fù)雜化。文章以剛撓結(jié)合板的撓性介質(zhì)（PI）為研究對象，分別從工藝流程、激光盲孔的位置和孔銅的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比，結(jié)合掃描電鏡和微切片技術(shù)對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析，得到影響剛撓結(jié)合板激光盲孔可靠性的關(guān)鍵因素。

高密度互連；剛撓結(jié)合板；撓性介質(zhì)；激光盲孔；可靠性

1　背景

隨著電子產(chǎn)品向輕薄短小、高性能及多功能化方向發(fā)展，印制電路板（PCB）也需要向布線高密度化、輕薄化方向發(fā)展。高密度布線、高接點(diǎn)數(shù)的高密度互連（HDI）技術(shù)和可實(shí)現(xiàn)立體三維組裝的剛撓結(jié)合技術(shù)是目前業(yè)內(nèi)實(shí)現(xiàn)高密度布線、輕薄化的兩項(xiàng)重要技術(shù)。將HDI技術(shù)導(dǎo)入剛撓結(jié)合板正是順應(yīng)此發(fā)展潮流。

采用激光盲孔作為主要的微導(dǎo)通孔是HDI關(guān)鍵技術(shù)之一。激光盲孔孔徑小而孔數(shù)多的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)HDI板高布線密度的有效途徑，激光盲孔的可靠性直接決定到產(chǎn)品的可靠性。從業(yè)內(nèi)現(xiàn)有的研究成果來看，激光盲孔的可靠性性主要取決于制程工藝流程和介質(zhì)層材料。一般來說，引起盲孔失效的主要原因包括：（1）由于盲孔孔銅與底銅的結(jié)合力不良，產(chǎn)品在使用過程中盲孔孔銅與底銅出現(xiàn)分離；（2）由于盲孔腳部孔銅較薄，產(chǎn)品在使用過程中盲孔腳部孔銅斷裂。

剛撓板特殊的工藝流程和多樣化的介質(zhì)層材料導(dǎo)致了其激光盲孔可靠性的復(fù)雜化。剛撓板激光盲孔的介質(zhì)層材料主要有分為兩類，一類是以FR-4為主的剛性介質(zhì)層，另一類則是以PI為主的撓性材料。其中，剛性介質(zhì)層材料的激光盲孔可靠性在業(yè)內(nèi)研究較多，而對于撓性介質(zhì)層材料的激光盲孔可靠性的相關(guān)研究則較少。本文以撓性介質(zhì)層材料PI為主通過對比與剛性介質(zhì)在激光盲孔可靠性差異，從制程工藝和材料特性上去分析差異的原因，為生產(chǎn)控制提供指導(dǎo)方向。

2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1試驗(yàn)材料

PI基無膠板材：PI厚0.05 mm（2 mil）、銅厚 18 μm；剛性FR-4板材：高Tg板材。

2.2試驗(yàn)、測試設(shè)備及條件

CO2激光鉆孔機(jī)、互連應(yīng)力測試儀、高溫沖擊箱。

2.3試板疊層

圖1　不同激光盲孔位置的試板疊層示意圖

備注：根據(jù)激光盲孔的介質(zhì)和位置差異。分別設(shè)計(jì)以上兩種疊層結(jié)構(gòu)試板。

2.4試驗(yàn)參數(shù)（表1）

表1　

3　結(jié)果與討論

3.1激光鉆孔后處理對激光盲孔底部銅面的影響

當(dāng)CO2激光鉆機(jī)進(jìn)行盲孔制作時(shí)，激光鉆孔一般分為3步。首先是先打一“槍”燒蝕掉面銅，再打一“槍”燒蝕掉基材，最后的一“槍”則是清理底銅上的殘留樹脂和刨光底銅。但是這種刨光未必能夠有效地清潔底銅表面。其主要原因有以下兩點(diǎn)：（1）在激光燒蝕基材后，部分碳顆粒反層積至盲孔底銅上；（2）由于CO2激光鉆機(jī)的激光能量存在著一定的波動，在激光鉆孔后底銅上會偶爾殘留著極少量的樹脂。一般需要對激光鉆孔后的盲孔進(jìn)行處理，以消除盲孔孔銅與底銅分離的風(fēng)險(xiǎn)。目前，激光鉆孔后處理方式主要有兩種：化學(xué)除膠和等離子。

對比撓性介質(zhì)PI和常規(guī)剛性介質(zhì)FR-4，撓性介質(zhì)只有PI一種成分，而不像常規(guī)剛性介質(zhì)FR-4具有玻纖和環(huán)氧樹脂兩種成分。因此，撓性介質(zhì)PI在激光鉆孔后的殘留物與剛性介質(zhì)必然存在著差異。實(shí)驗(yàn)通過SEM觀察對比撓性介質(zhì)PI與剛性介質(zhì)FR-4在激光盲孔經(jīng)過等離子處理或化學(xué)除膠的盲孔底銅形貌，結(jié)果如圖2所示。

圖2　撓性基材激光盲孔的樹脂殘留狀況

從圖2可以看出，無論是撓性介質(zhì)PI還是剛性介質(zhì)FR-4在激光鉆孔后的盲孔底部可以觀察到有明顯的雜物殘留，而在等離子后或化學(xué)除膠后這些雜物均可以處理干凈。為了更進(jìn)一步表征激光盲孔底銅上雜物的情況，實(shí)驗(yàn)采用了EDS對激光盲孔底銅雜物的元素進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示。

從表2盲孔底部元素分析的結(jié)果可知，撓性介質(zhì)PI在激光鉆孔后并沒有PI所含的N元素存在，只有C、O元素存在。也即是說，撓性介質(zhì)PI在CO2激光燒蝕后并沒有殘留，盲孔底銅上的只有一層反沉積下來的碳化物。而經(jīng)過等離子處理或化學(xué)除膠后，C元素的比例有所下降，已經(jīng)達(dá)到比較低的含量?？梢姷入x子處理或化學(xué)除膠均能有效地去除撓性介質(zhì)PI在激光鉆孔后殘留的碳化物。

表2　不同流程后的盲孔底部元素分析

而對于剛性介質(zhì)FR-4而言，在激光鉆孔后檢測到有FR-4中環(huán)氧樹脂的Br元素和玻纖布的Si元素存在。也即是說，CO2激光對剛性介質(zhì)FR-4燒蝕并未徹底，在底銅的溝壑中殘留部分的環(huán)氧樹脂。而含量較多的C元素和含量較少的Si元素則是由于反沉積而存在的。在經(jīng)過等離子處理或化學(xué)除膠后，C元素的比例有所下降，已經(jīng)達(dá)到比較低的含量，即激光鉆孔后殘留的樹脂和反沉積的碳化物均可以被有效地清除。而對于Si元素，等離子處理過程中CF4等離子化后可有效地清除Si化合物，減少Si元素的含量。但對于化學(xué)除膠采用堿性高猛酸鉀進(jìn)行強(qiáng)氧化處理則無法對含Si的無機(jī)物進(jìn)行有效地清理，其處理后的Si元素含量與處理前并未有明顯地減少。

因此，在激光鉆孔過程中，CO2激光可以對單一均勻的撓性介質(zhì)PI進(jìn)行有效地?zé)g，不易殘留PI樹脂。而對于介質(zhì)成分含量不均勻的FR-4而言，CO2激光燒蝕玻纖含量高的位置與玻纖含量低的位置存在著差異。玻纖含量高的位置需要更高的激光能量進(jìn)行燒蝕，而玻纖含量低的位置則需要較低的激光能量進(jìn)行燒蝕。CO2激光制作過程中能量又是一致的。因此，對于不同位置的FR-4介質(zhì)就會存在著局部樹脂殘留的風(fēng)險(xiǎn)。

化學(xué)除膠一般為激光盲孔沉銅過程的處理步驟之一，視為常規(guī)流程。而等離子則是部分剛撓板去鉆污的特殊處理方式。為了進(jìn)一步對比等離子處理和化學(xué)除膠對撓性基材激光盲孔可靠性的影響，實(shí)驗(yàn)通過互連應(yīng)力測試（IST），從室溫至150 ℃的250次高低溫循環(huán)，以撓性基材激光盲孔孔鏈的電阻變化率不超過10%作為是否失效的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果如表3所示。

表3　等離子處理對撓性基材激光盲孔可靠性的影響

從表3可以看出，無論是經(jīng)過化學(xué)除膠或等離子處理后的撓性基材激光盲孔孔鏈電阻變化率在高溫電阻還是低溫電阻均小于1%，均遠(yuǎn)小于電阻變化率10%的失效標(biāo)準(zhǔn)。因此，采用常規(guī)的化學(xué)除膠可以去除撓性基材PI激光盲孔殘留的碳化物雜質(zhì)，保證撓性基材激光盲孔的可靠性。

3.2撓性介質(zhì)與剛性介質(zhì)的激光盲孔可靠性對比

撓性介質(zhì)PI與剛性介質(zhì)FR-4的介質(zhì)差異，不僅僅體現(xiàn)在激光鉆孔后底銅殘留物質(zhì)的差異，在產(chǎn)品使用過程中也會存在著差異。為對比撓性介質(zhì)PI與剛性介質(zhì)FR-4激光盲孔在使用過程的可靠性差異，實(shí)驗(yàn)分別制作了兩種工藝的高低溫沖擊測試模塊，測試從-55 ℃至125 ℃的500次高低溫循環(huán)去模擬產(chǎn)品使用過程中的極端溫度環(huán)境，以激光盲孔孔鏈的電阻變化率不超過10%作為是否失效的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果如表4所示。。

表4　撓性介質(zhì)PI與剛性介質(zhì)FR-4高低溫沖擊的電阻變化情況

從表4可以看出，撓性基材PI的激光盲孔孔鏈電阻未出現(xiàn)明顯增加的趨勢，而是呈現(xiàn)了細(xì)微的波動。在500次高低溫沖擊下的孔鏈電阻變化量均小于1%，遠(yuǎn)小于失效標(biāo)準(zhǔn)10%。而剛性基材FR-4的激光盲孔孔鏈電阻在高溫段從100次循環(huán)后的-1.28%增加至500循環(huán)后的3.46%，此電阻變化率小于失效標(biāo)準(zhǔn)10%。

相較于撓性基材PI的孔鏈電阻變化，剛性基材FR-4的孔鏈電阻變化率隨著循環(huán)次數(shù)的增加而變化更大。引起這種現(xiàn)象的主要原因有兩個(gè)：（1）為了保障剛撓板的可撓性，撓性板材的介質(zhì)厚度一般為0.025 mm ～0.05 mm（1 mil ～ 2 mil），較剛性介質(zhì)0.05 mm ～ 0.1 mm （2 mil ～ 4 mil）厚些。在采用負(fù)片工藝進(jìn)行盲孔PTH時(shí)，撓性基材的激光盲孔由于深徑比較小更容易形成厚度更大的孔銅。因此，撓性介質(zhì)PI的激光盲孔在使用過程中比起剛性介質(zhì)FR-4的具有更高的可靠性；（2）撓性介質(zhì)PI的各向熱膨脹系數(shù)CTE為0.0025%，而剛性FR-4在Z軸上的CTE則為0.005%。撓性介質(zhì)PI 的CTE更接近銅的CTE（0.0018%）。所以，在高低溫沖循環(huán)中，撓性介質(zhì)的激光盲孔受到比剛性介質(zhì)更小的熱脹冷縮應(yīng)力作用，即盲孔的孔銅與底銅受到更小的作用力，其盲孔的可靠性也就更高。

3.3激光盲孔孔銅結(jié)構(gòu)對可靠性的影響

目前，激光盲孔的PTH一般有兩種形式，一種是采用電鍍填孔工藝將激光盲孔孔內(nèi)填滿，另一種是采用負(fù)片電鍍只在激光盲孔電鍍一定厚度的孔銅。從制作過程的困難和成本上考慮，特別是對于流程復(fù)雜的剛撓板電鍍填孔工藝遠(yuǎn)大于負(fù)片電鍍工藝。需要對比兩種工藝的撓性基材激光盲孔的可靠性，以便優(yōu)化生產(chǎn)。實(shí)驗(yàn)分別制作了兩種工藝的高低溫沖擊測試模塊，從-55 ℃至125 ℃的500次高低溫循環(huán)，以撓性基材激光盲孔孔鏈的電阻變化率不超過10%作為是否失效的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果如表5所示。

表5　松下?lián)闲曰牟煌た卓足~結(jié)構(gòu)的可靠性比較

從表5可以看出，對于松下基材無論是采用填孔工藝還是負(fù)片工藝，兩者的孔鏈電阻變化率在500 次-55 ℃ ～ 125 ℃溫度沖擊后均小于1%，遠(yuǎn)未達(dá)到失效的10%變化率。而對比兩種孔銅結(jié)構(gòu)的孔電阻變化率，兩者也相差較小。圖3是兩種孔銅結(jié)構(gòu)的撓性基材激光盲孔在循環(huán)500次后的孔銅切片圖。從圖2中可以看到，激光盲孔的孔銅與底銅結(jié)合良好，并有任何分離的現(xiàn)象。兩種工藝的孔銅結(jié)構(gòu)均可以滿足撓性基材激光盲孔的可靠性要求?？紤]到電鍍填孔工藝的生產(chǎn)困難和制作成本較高，在不影響產(chǎn)品貼裝性能的前提下，優(yōu)先采用負(fù)片工藝進(jìn)行撓性基材激光盲孔的制作。

3.4不同位置的激光盲孔可靠性對比

剛撓板的撓性基材一般有兩種分布，一種是撓性基材在中間而上下為剛性基材的對稱結(jié)構(gòu)，另一種是撓性基材在頂/底層的非對稱結(jié)構(gòu)。撓性基材的激光盲孔位置也相應(yīng)有兩種：在內(nèi)層和在外層。實(shí)驗(yàn)分別制作不同位置撓性基材激光盲孔測試板，以-55 ℃ ～ 125 ℃為循環(huán)溫度，分別測試了100次～500次溫度沖擊后的電阻變化，結(jié)果如表6所示。

圖3　不同孔銅結(jié)構(gòu)的撓性基材激光盲孔切片圖

表6　不同撓性盲孔位置的可靠性比較

從表6可以看出，無論對于撓性基材激光盲孔在內(nèi)層還是外層，兩者的孔鏈電阻變化率在500次-55℃～125 ℃溫度沖擊后均小于3%，遠(yuǎn)未達(dá)到失效的10%變化率。500次測試后的撓性基材激光盲孔切片圖也未出現(xiàn)撓性基材盲孔孔銅與底銅分離的現(xiàn)象。

4　結(jié)論

通過以上的分析可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）撓性基材PI激光鉆孔后會殘留碳化物，采用化學(xué)除膠或等離子均可有效清除；

（2）激光盲孔位于撓性基材的可靠性高于位于剛性基材；

（3）撓性基材激光盲孔的孔銅結(jié)構(gòu)與位置并不影響其可靠性。

［1］李伏. HDI板盲孔互連失效原因淺板［J］. 印制電路信息，2009（11）:57-60.

［2］陳文德等. 微小盲孔于電鍍制作的困難點(diǎn)與產(chǎn)品可靠性探討［J］. 印制電路信息，2009（z1）:195-200.

林楚濤，技術(shù)中心研發(fā)工程師，從事剛撓板技術(shù)研究。

Study on reliability of laser blind hole in the flexible dielectric material

LIN Chu-taoMO Xin-manCHEN Bei

It is one of the key technologies of HDI for using laser blind hole as interlayer micro-via. But the diversity of dielectric material lead to the complexity of laser blind hole reliability in the HDI R-FPCB. In this paper it is the studying object about the fexible dielectric material（PI） in R-FPCB. With the help of SEM， EDS and micro sectioning to analysis experimental phenomena， it studies on the reliabilitycomparing from process， position and PTH type， to get key factors infuencing the reliability of laser blind hole in the R-FPCB.

HDI； R-FPC； Flexible Dielectric Material； Laser Blind Hole； Reliability

TN41

A

1009-0096（2015）09-0028-04?