HDI板盲孔底部微裂紋問題的探討

戴 勇 劉紅剛 張華勇 尋瑞平

（江門崇達(dá)電路技術(shù)有限公司，廣東 江門 529000）

0 前言

近些年來(lái)，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(shì)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)，高密度互連（HDI）板通過激光盲埋孔實(shí)現(xiàn)各層的電氣互連，順應(yīng)了電子產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展潮流，成為熱門的印制電路板產(chǎn)品，并顯示了長(zhǎng)期發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。

盲孔裂紋是HDI板最常見的可靠性問題之一，具有功能性影響。造成盲裂紋的因素眾多，原因復(fù)雜，在制造過程中不易被檢測(cè)，而在無(wú)鉛回流焊后進(jìn)行電測(cè)試甚至客戶完成元器件貼裝后進(jìn)行功能性測(cè)試時(shí)才被發(fā)現(xiàn)。表現(xiàn)為導(dǎo)通性不良，量測(cè)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)的切片時(shí)，可見盲埋孔電鍍的銅層與內(nèi)層連接盤銅層之間出現(xiàn)微裂紋，被業(yè)界稱為灰色缺陷[2][3]。

本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)例，利用金相切片、掃描電鏡、能譜分析，以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、DOE（實(shí)驗(yàn)計(jì)劃法）試驗(yàn)等分析手段對(duì)導(dǎo)致HDI板盲孔裂紋的原因進(jìn)行了系統(tǒng)研究和分析，并提出了一些改善措施，希望能為廣大PCB從業(yè)者提供一定的參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 問題描述

我公司近期接客戶投訴A型號(hào)HDI板完成貼件、終端組裝后功能測(cè)試時(shí)失效，不良數(shù)量大，比例達(dá)到4%，客戶要求我司查找問題原因并退回，給生產(chǎn)成本以及后續(xù)批次訂單生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響，我部特對(duì)此板功能性失效問題進(jìn)行了專項(xiàng)研究跟進(jìn)。

取客戶問題板對(duì)功能性缺陷區(qū)域做切片分析，發(fā)現(xiàn)盲孔底部有微裂紋（見圖1）。調(diào)取問題板的生產(chǎn)資料，該板為二階盲孔板，且埋孔上有盲孔設(shè)計(jì)，埋孔樹脂與板材及半固化片不是同一品牌，初步分析可能是由于電路板在回潮受熱過程中，各材料膨脹系數(shù)不一致，局部?jī)?nèi)應(yīng)力不一致，導(dǎo)致盲孔底部受力不均、形成微裂紋，從而表現(xiàn)出導(dǎo)通性不良、造成功能性失效。

圖1 問題板有微裂紋盲孔切片

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

1.2.1 失效問題板分析

取問題板150 ℃烤板2 h，對(duì)失效網(wǎng)絡(luò)處進(jìn)行切片分析、對(duì)比烤板前后的盲孔裂紋情況，驗(yàn)證回潮對(duì)板異常的影響；取問題板失效網(wǎng)絡(luò)和正常網(wǎng)絡(luò)位置進(jìn)行SEM（掃描電子顯微鏡）、EDS（能散X光線光譜儀）分析，觀察、對(duì)比失效處和正常處形貌及元素分布情況。

1.2.2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、行業(yè)調(diào)查

調(diào)查失效問題板的生產(chǎn)記錄，并與行業(yè)類似板生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，判斷是否為工藝參數(shù)導(dǎo)致盲孔裂紋異常。

1.2.3 設(shè)計(jì)跟進(jìn)試驗(yàn)

通過對(duì)可能導(dǎo)致盲孔裂紋的影響因素設(shè)計(jì)交叉試驗(yàn)、DOE試驗(yàn)驗(yàn)證，確定導(dǎo)致異常的主要原因。

1.2.4 改善措施

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，提出改善措施。

2 結(jié)果與討論

2.1 失效問題板分析

取問題板150 ℃烤板2 h，失效網(wǎng)絡(luò)處進(jìn)行切片分析，跟未經(jīng)烤板的問題板切片觀察對(duì)比，結(jié)果可以看到，問題板烤板后仍然發(fā)現(xiàn)有盲孔微裂紋，說明盲孔微裂紋不是回潮引起的。

取問題板失效位置和正常位置切片進(jìn)行SEM、EDS分析。SEM觀察結(jié)果顯示，失效位置盲孔底部有裂紋，正常位置無(wú)異常，同時(shí)無(wú)論失效位置還是異常位置銅結(jié)晶均未發(fā)現(xiàn)有異常；EDS分析發(fā)現(xiàn)，問題板有裂紋位置的C、O含量是正常位置的1倍，這說明導(dǎo)致微裂紋的原因可能是盲孔底部的深度氧化或盲孔底部殘膠，具體是何原因則需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、行業(yè)調(diào)查分析

對(duì)問題板各批次的生產(chǎn)記錄調(diào)查分析，結(jié)果如表1。對(duì)行業(yè)類類似結(jié)構(gòu)HDI板的生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)查對(duì)比，結(jié)果如表2。

通過對(duì)問題板不同時(shí)間點(diǎn)生產(chǎn)批次流程參數(shù)調(diào)查分析，各批次工藝參數(shù)都在我公司的設(shè)定的管控范圍內(nèi)，未出現(xiàn)超偏差問題，但沉銅到填孔的暫存時(shí)間有發(fā)現(xiàn)超過4 h的文件管控范圍；通過行業(yè)調(diào)查，我公司的沉銅量略高于同行，這是否是導(dǎo)致影響盲孔底部裂紋的原因，需要設(shè)計(jì)跟進(jìn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

表1 問題板生產(chǎn)參數(shù)調(diào)查結(jié)果

表2 同類型板流程參數(shù)行業(yè)調(diào)查結(jié)果

表3 盲孔底部深度氧化交叉試驗(yàn)

圖2 盲孔底部深度氧化試驗(yàn)后切片

2.3 跟進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 盲孔底部深度氧化交叉試驗(yàn)結(jié)果

表3是盲孔底部深度氧化交叉試驗(yàn)方法和結(jié)果。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，8組試驗(yàn)都沒有觀察到盲孔底部微裂紋現(xiàn)象，當(dāng)沉銅量提高到0.8 μm時(shí)，沉銅后到填孔電鍍停放時(shí)間即使達(dá)到24 h也沒有出現(xiàn)盲孔裂紋的問題，說明我公司制定的沉銅量參數(shù)沒有問題，不是導(dǎo)致盲孔底部微裂紋的原因，同時(shí)調(diào)取生產(chǎn)記錄查到的部分沉銅到填孔的暫存時(shí)間有發(fā)現(xiàn)超過4 h的文件管控范圍的問題，也不是導(dǎo)致此次盲孔底部微裂紋的原因。

2.3.2 盲孔底部除膠不凈DOE試驗(yàn)結(jié)果

表4是盲孔底部除膠不凈DOE試驗(yàn)方法及結(jié)果，圖3是對(duì)應(yīng)編號(hào)孔切片，圖4是試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果。可以看到，從主效應(yīng)來(lái)看，不過除膠是主要影響因子；從交互作用來(lái)看，沉銅微蝕、填孔前處理與不過除膠有交互作用。最佳生產(chǎn)條件是沉銅除膠缸、沉銅微蝕缸、填孔前處理三者都過，由以上分析可知導(dǎo)致此次客戶盲孔微裂紋的主要原因?yàn)槊た椎撞繗埬z所致，至于此殘膠到底是激光未燒干凈，還是水平沉銅除膠未除干凈已無(wú)法追溯?？紤]到目前生產(chǎn)的HDI板首板及出貨切片未發(fā)現(xiàn)此類問題，說明此問題不是批量問題，而是盲孔底部除膠是否除干凈的局部品質(zhì)監(jiān)控問題，后續(xù)的改善措施即是在維持目前的工藝參數(shù)下，確保生產(chǎn)過沉銅除膠、沉銅微蝕、填孔前處理，同時(shí)在除膠后嚴(yán)格做好首板激光AOI（自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)）掃描觀察，監(jiān)控盲孔底部除膠情況，確認(rèn)首件盲孔底部除膠無(wú)問題了，再做下一步填孔電鍍。

表4 盲孔底部除膠不凈DOE試驗(yàn)方法及結(jié)果

圖3 盲孔底部除膠不凈DOE試驗(yàn)孔切片

圖4 盲孔底部除膠不凈實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析圖

2.4 改善措施

由以上分析，確定如表5所示的盲孔底部除膠不凈改善措施。

3 結(jié)論

（1）盲孔底部深度氧化交叉試驗(yàn)，說明公司現(xiàn)行制定的沉銅量等工藝參數(shù)沒有問題，不是導(dǎo)致盲孔底部微裂紋的原因，同時(shí)調(diào)取生產(chǎn)記錄查到的部分沉銅到填孔的暫存時(shí)間發(fā)現(xiàn)有超過4 h的文件管控范圍的問題，這也不是導(dǎo)致此次盲孔底部微裂紋的原因；

表5 盲孔底部除膠不凈改善措施

（2）經(jīng)DOE實(shí)驗(yàn)對(duì)盲孔底部除膠結(jié)果，表明導(dǎo)致此次客戶盲孔微裂紋的主要原因?yàn)槊た椎撞繗埬z所致，考慮到目前生產(chǎn)的HDI板首板及出貨切片未發(fā)現(xiàn)此問題，說明此問題不是批量問題，而是盲孔底部除膠是否除干凈的局部品質(zhì)監(jiān)控問題，據(jù)此后續(xù)的改善措施是在維持目前的工藝參數(shù)下，確保生產(chǎn)過沉銅除膠、沉銅微蝕、填孔前處理，同時(shí)在除膠后嚴(yán)格做好首板激光AOI掃描觀察，監(jiān)控盲孔底部除膠情況，確認(rèn)首件盲孔底部除膠無(wú)問題了，再做下一步填孔電鍍。