與制程相關(guān)的盲孔互聯(lián)失效案例解析

李曉倩

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所， 江蘇 蘇州 215011）

0 引言

近年來在電子產(chǎn)品向輕量化、 薄型化和高密度化方向發(fā)展的趨勢(shì)下， 印制電路板（PCB） 作為電子元器件安裝與互聯(lián)的支撐體， 其技術(shù)層次也在不斷地精進(jìn)， 從早期一次成型、 全板貫穿的導(dǎo)通孔互聯(lián)， 發(fā)展至應(yīng)用局部層間內(nèi)導(dǎo)通的盲埋孔互聯(lián)， 到目前已廣泛地應(yīng)用在大型計(jì)算機(jī)、 通訊設(shè)備等領(lǐng)域的高密度互聯(lián) （HDI： High Density Interconnection） 基板上， 大量采用非機(jī)械成孔方式制造的微盲孔來實(shí)現(xiàn)積層高密度化互聯(lián)。 盲埋孔增加了PCB 板內(nèi)有效布線和層間互聯(lián)的數(shù)量，提高了互聯(lián)密度。 而盲孔制程作為普通PCB 板及HDI 板的關(guān)鍵工序， 其加工質(zhì)量直接影響了電子產(chǎn)品的質(zhì)量及可靠性。

目前被廣泛應(yīng)用的盲孔的加工方式主要有機(jī)械鉆孔和CO2激光鉆孔。 機(jī)械鉆孔制作的盲孔孔徑一般在0.15 mm 以上， 由于機(jī)械鉆孔對(duì)位不夠準(zhǔn)確， 鉆頭無法達(dá)到微盲孔所需的尺寸， 因此只能適用于普通PCB 板。 CO2激光成孔利用激光能夠燒蝕樹脂介質(zhì)層而不損壞銅箔的原理， 是加工深度方向可控的盲孔的合適選擇， 適宜于加工孔徑為0.05～0.2 mm 的盲孔。 而無論哪種成孔方式， 成孔后的去環(huán)氧鉆污或除膠渣是盲孔電鍍前一個(gè)極為重要的工序， 它對(duì)孔銅與內(nèi)層銅連接的可靠性起著至關(guān)重要的作用[1-3]。本文從實(shí)際的失效案例出發(fā)來解析去鉆污不凈引發(fā)的盲孔與內(nèi)層銅的互聯(lián)失效風(fēng)險(xiǎn)。

1 案例

某產(chǎn)品在批量生產(chǎn)階段發(fā)現(xiàn)多批次均存在PCB 盲孔開路失效， 失效現(xiàn)象不穩(wěn)定， 失效比率約為12%， 盲孔的成孔方式為激光鉆孔。 另有與失效品同周期未焊接的PCB 光板作為比對(duì)分析。

1.1 試驗(yàn)程序

根據(jù)樣品的失效現(xiàn)象及失效分析程序進(jìn)行如下試驗(yàn)。

a） 用環(huán)氧樹脂分別將失效品、 PCB 光板上的盲孔固封后， 用金相研磨機(jī)（BUEHLER Beta） 研磨出盲孔截面， 然后用金相顯微鏡（Olympus BX53）、 掃描電子顯微 鏡 和 能 譜 儀 （SEM&EDS， FEI Inspect F50&Apollo xp） 對(duì)盲孔截面進(jìn)行觀察及元素成分分析。

b） 垂直拉脫失效盲孔， 將失效盲孔與底部連接盤分離， 然后對(duì)連接盤界面進(jìn)行金相顯微鏡檢查， 并用掃描電子顯微鏡及能譜儀對(duì)連接盤界面進(jìn)行觀察及元素成分分析。

c） 用熱機(jī)械分析儀（TMA 402F3） 對(duì)PCB 板材進(jìn)行Z 軸熱膨脹系數(shù)（Z-CTE） 測(cè)試[4]， 測(cè)試前樣品經(jīng)過105 ℃、 2 h 的烘烤。

d） 將失效品上的焊點(diǎn)固封后， 用金相研磨機(jī)研磨出焊點(diǎn)截面， 然后用掃描電子顯微鏡對(duì)焊點(diǎn)焊接界面處的金屬間化合物 （IMC： Intermetallic Compound） 層進(jìn)行觀察和測(cè)量。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

a） 失效品

失效位置處， PCB 內(nèi)部第一層與第二層線路之間的盲孔， 其底部與下層連接盤分離， 并且分離處明顯可見有機(jī)物殘留， 有機(jī)物的元素成分主要為碳（C）、 氧（O）、 溴（Br） 和磷（P）， 如圖1 所示。

圖1 失效品上失效盲孔截面結(jié)果

失效品上其他位置， 部分盲孔底部與下層連接盤之間， 其部分區(qū)域也可見分離， 如圖2 所示。

b） PCB 光板

部分盲孔底部與下層連接盤之間可見縫隙，并伴隨有機(jī)物殘留， 如圖3 所示。

圖2 失效品上其他盲孔截面結(jié)果

圖3 PCB 光板上盲孔截面結(jié)果

垂直拉脫盲孔后， 失效品及PCB 光板上， 其下層連接盤界面均可見明顯的異物殘留， 異物的主要元素成分為碳（C）、 氧（O）、 溴（Br） 和磷（P）， 與盲孔截面結(jié)果一致， 如圖4 所示。

分析PCB 板材的Z-CTE， 結(jié)果可見PCB 板基材的Tg（玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度） 以內(nèi)的CTE （α1-CTE）為4.43×10-5/℃， Tg以 上 的CTE （α2-CTE） 為2.127×10-4/℃， Z 軸膨脹百分比（PTE） 為2.87， 如圖5 所示。

圖4 盲孔拉脫后的下層連接盤界面結(jié)果

圖5 PCB 板材的TMA 曲線

分析失效品上的焊點(diǎn)， 其焊料與元器件之間,以及焊料與PCB 焊盤之間的金屬間化合物（IMC層） 均勻處的厚度普遍＜3.0 μm， 未見明顯的IMC層過厚現(xiàn)象， 如圖6 所示。

圖6 失效品上焊點(diǎn)的IMC 層結(jié)果

2 分析與討論

失效品上的失效盲孔底部與下層連接盤分離，并且分離處下層連接盤表面可見有機(jī)物殘留， 主要成分為碳（C）、 氧（O）、 溴（Br） 和磷（P），與PCB 基材樹脂的典型元素相近。 同時(shí)， 與失效盲孔現(xiàn)象一致， 失效品上未失效區(qū)域和PCB 光板內(nèi)部， 其部分盲孔的部分區(qū)域也可見分離， 并且分離處也可見有機(jī)物殘留。 因此盲孔底部與下層連接盤結(jié)合不良， 降低了界面結(jié)合力， 當(dāng)樣品受到軸向應(yīng)力作用時(shí)， 此處容易發(fā)生分離造成不穩(wěn)定的開路失效。

一般情況下， 與PCBA 組件制程相關(guān)的軸向應(yīng)力來源主要有以下兩個(gè)方面。

a） PCB 板材的耐熱性能不良， Z-CTE 較大，PCB 板在焊接過程中因受熱膨脹變形而引入過大的軸向熱應(yīng)力。 一般用于無鉛回流焊接工藝的普通Tg板材（Tg溫度為110～150 ℃）， 要求α1-CTE≤6.0×10-5/℃， α2-CTE≤3.0×10-4/℃， PTE≤4.0%[5]。而本案例中， 從Z-CTE 的測(cè)試結(jié)果看， PCB 板材的CTE 未見明顯的異常。

b） 組件在焊接過程中由于焊接熱量過高而引入過大的軸向熱應(yīng)力。 本案中從失效品上焊點(diǎn)焊接界面的IMC 層厚度結(jié)果上可排除焊接熱量偏高而引入的較大的熱應(yīng)力。

綜合以上分析， 本案中盲孔的失效主要與下層連接盤界面樹脂殘留， 盲孔底部與下層連接盤結(jié)合不良有關(guān)。 結(jié)合盲孔制程， 鉆孔后要對(duì)孔進(jìn)行清洗， 以去除殘留在盲孔內(nèi)部的焦?fàn)钗铮?增強(qiáng)孔壁與鍍銅層的結(jié)合。 若孔清洗工序控制不當(dāng)， 導(dǎo)致孔底殘留樹脂，即使少量很薄的樹脂也可能會(huì)使盲孔處于半導(dǎo)通狀態(tài)， PCB 板出貨前進(jìn)行通斷測(cè)試（E-Test） 時(shí)， 由于測(cè)試的探針壓力， 該處可能會(huì)通過測(cè)試， 但PCB 板在后續(xù)組裝裝配過程中的熱應(yīng)力或機(jī)械應(yīng)力的作用下，盲孔與下層連接盤很可能會(huì)完全分離， 造成開路失效。 該類失效隱藏較深， 無法返修， 且與制程相關(guān)，往往是批次性的失效， 造成的損失較為嚴(yán)重。 因此有必要加強(qiáng)PCB 的制程管控， 可參考剛性印制板相關(guān)的性能規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)， 如IPC-6012D、 GB/T 4588 等， 對(duì)影響質(zhì)量和可靠性的關(guān)鍵項(xiàng)目建立批次性檢測(cè)體系， 至少應(yīng)對(duì)接收態(tài)， 特別是熱應(yīng)力后的盲孔、 通孔等進(jìn)行金相切片觀察， 直觀地考察內(nèi)層互聯(lián)質(zhì)量， 以降低產(chǎn)品失效風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)束語

由于盲孔制程管控不當(dāng)， 孔清洗不徹底， 導(dǎo)致樹脂殘留在下層連接盤表面， 造成盲孔底部與下層連接盤之間的有效互聯(lián)面積減小， 界面間結(jié)合力降低， 當(dāng)樣品受到軸向應(yīng)力作用時(shí)， 此處容易發(fā)生分離而造成開路失效。 建議印制板在出貨或使用前至少應(yīng)對(duì)盲孔進(jìn)行金相切片觀察， 以降低盲孔與內(nèi)層銅箔互聯(lián)不良引發(fā)的失效風(fēng)險(xiǎn)。