HDI板跨層孔孔內(nèi)無(wú)銅的失效機(jī)理探究

李仕武 王景貴 謝明運(yùn)

（廣州廣合科技股份有限公司，廣東 廣州 510730）

0 前言

印制電路板的導(dǎo)通孔一般有通孔、盲孔、埋孔三種形式，跨層孔（skip via）是盲孔的一種特殊形式，是指穿過(guò)不需電氣連接的積層，實(shí)現(xiàn)不相鄰層間電氣連接的導(dǎo)通孔[1]。跨層孔結(jié)構(gòu)如圖1所示。在服務(wù)器板進(jìn)入Whitley平臺(tái)后，對(duì)線路的布線和傳輸信號(hào)要求有明顯提升，導(dǎo)致BGA（球柵陣列封裝）內(nèi)布線空間不足?；谠O(shè)計(jì)布線和信號(hào)要求，提出將跨層孔設(shè)計(jì)應(yīng)用于服務(wù)器板上。如圖2所示，與背鉆相比，跨層孔設(shè)計(jì)可以達(dá)到零殘樁（stub），既有利于降低信號(hào)損失，又有更多的空間可供布線[2]。研發(fā)并導(dǎo)入這類設(shè)計(jì)后，在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)跨層孔出現(xiàn)批量孔內(nèi)無(wú)銅的情況。文章主要對(duì)此跨層孔孔內(nèi)無(wú)銅問(wèn)題進(jìn)行分析，查找發(fā)生原因，探究失效機(jī)理，為制程改善提供參考依據(jù)。

圖1 跨層孔結(jié)構(gòu)圖示圖

圖2 Whitley平臺(tái)殘樁解決方案圖

1 失效案例

該板的生產(chǎn)流程設(shè)計(jì)上包含跨層孔，采用正片法，生產(chǎn)流程的關(guān)鍵點(diǎn)整理成表1所示。

表1 12XXX0080生產(chǎn)流程關(guān)鍵要素表

盲孔孔內(nèi)無(wú)銅的失效分析圖片如圖3所示，初步推測(cè)是沉銅不良，在“化學(xué)鍍銅→板面電鍍”這一流程段出現(xiàn)不良。

圖3 12XXX0080的跨層孔孔內(nèi)無(wú)銅失效圖

調(diào)查沉銅生產(chǎn)過(guò)程記錄，懷疑活化藥水即將到期影響生產(chǎn)板良率。因此，跟進(jìn)板第二批生產(chǎn)過(guò)程并確認(rèn)產(chǎn)線與操作在受控狀態(tài)下，跟進(jìn)電測(cè)良率，不良率仍偏高。整理兩批的電測(cè)相關(guān)信息：盲孔無(wú)銅的不良比例第1批次為27.9%、第2批次為3.4%。因此，需立項(xiàng)跟進(jìn)分析跨層孔的失效原因。

2 理論分析

相關(guān)文獻(xiàn)資料顯示：已有的盲孔孔內(nèi)無(wú)銅現(xiàn)象是由于受背光不良、異物堵孔、盲孔孔口懸銅過(guò)大、鍍錫不良等因素影響[3]。在文章的失效案例中，初步分析是沉銅背光不良的可能性大。板子在沉銅生產(chǎn)過(guò)程中，背光切片監(jiān)控合格，但背光切片只能打到通孔，未能打到盲孔，且電測(cè)結(jié)果也只出現(xiàn)盲孔孔內(nèi)無(wú)銅，通孔未出現(xiàn)孔內(nèi)無(wú)銅不良，推測(cè)這批板在沉銅生產(chǎn)過(guò)程中，通孔和盲孔的沉銅效果不一致，而盲孔沉銅效果較差。

化學(xué)沉銅的工藝流程較長(zhǎng)，引起背光不良的流程較多，如除膠、除油、活化、沉銅等流程，除了人為操作失誤、溫度失控、設(shè)備故障等影響因素外，可能的產(chǎn)生原因還有鉆孔孔壁粗糙度大、除膠不良、孔壁調(diào)整清潔不良、活化藥水含量偏低、沉銅藥水組分失調(diào)、水洗的水質(zhì)差或者流量不足、基板材料與沉銅藥水體系不匹配等因素[3]。

針對(duì)通孔與盲孔沉銅效果不一致的情況，查閱了相關(guān)文獻(xiàn)資料，有研究做過(guò)通孔與盲孔的流體動(dòng)力學(xué)仿真模擬的研究報(bào)告。與通孔相比，盲孔不貫穿整板，這種結(jié)構(gòu)會(huì)增加孔內(nèi)溶液交換的難度，產(chǎn)生孔內(nèi)外溶液交換困難的情況。已有的研究結(jié)果描述如下：

（1）劉濤[4]研究了通盲孔溶液交換機(jī)理。在盲孔的溶液交換方面，針對(duì)一個(gè)微小盲孔，當(dāng)有水柱沖向此盲孔時(shí)，大部分的水流都被板面反射回來(lái)，在板面擴(kuò)散的水平較少，僅有小部分水量通過(guò)盲孔，也就是盲孔孔徑及盲孔深度本身對(duì)溶液交換是一個(gè)固有的難度。盲孔孔徑越小，孔深越深，孔內(nèi)溶液交換難度也就越大。但孔口流量增加時(shí)，盲孔內(nèi)部的溶液濃度也在提升，說(shuō)明盲孔孔口的流量增加，可以降低盲孔加工的難度。

（2）廖欽等人[5]通過(guò)軟件模擬的方式，做了側(cè)面噴流對(duì)導(dǎo)通孔內(nèi)鍍液流動(dòng)影響的數(shù)值研究。結(jié)果表明，對(duì)于盲孔，板面的鍍液并沒(méi)有直接進(jìn)入孔內(nèi)，僅在孔口掠過(guò)，在板面剪切流的作用下，孔內(nèi)鍍液產(chǎn)生自循環(huán)，孔內(nèi)外未產(chǎn)生對(duì)流傳質(zhì)。影響盲孔孔內(nèi)鍍液交換的主要因素是孔內(nèi)外的鍍液溶度差，鍍液通過(guò)孔口濃差擴(kuò)散到孔內(nèi)，再由孔內(nèi)環(huán)流完成鍍液在孔內(nèi)的輸送。因此，提高鍍液濃度是影響孔內(nèi)外鍍液交換的決定性因素，但提高表面剪切強(qiáng)度可以促進(jìn)孔口附近鍍液交換。

總結(jié)以上資料，盲孔通過(guò)濃差擴(kuò)散的方式交換藥水，提高噴流量與藥水濃度可以促進(jìn)盲孔內(nèi)外的溶液交換。另外，以上研究顯示，在盲孔厚徑比AR≤1時(shí)，增強(qiáng)噴流可使得溶液交換得到加強(qiáng)；AR＞1時(shí)，孔底溶液交換幾乎不受噴流影響。但文獻(xiàn)資料中的研究沒(méi)涉及，當(dāng)盲孔厚徑比一致，盲孔直徑和深度增加時(shí)，孔底溶液的交換情況。

盲孔溶液交換理論，如圖4所示當(dāng)水柱沖向盲孔時(shí)，大部分的水流被板面反射回來(lái)，小部分沖入盲孔，部分在板面擴(kuò)散，掠過(guò)孔口，在其作用下，盲孔內(nèi)溶液產(chǎn)生自循環(huán)。

圖4 盲孔內(nèi)外溶液交換示意圖

3 試驗(yàn)分析

3.1 影響因素分析

結(jié)合生產(chǎn)流程以及相關(guān)的生產(chǎn)要素，按人、機(jī)、料、法環(huán)諸因素用魚(yú)骨圖輔助分析，排除可確定的非真因的影響因素，得出幾項(xiàng)可能影響因素：等離子除膠參數(shù)影響、板材與沉銅藥水的匹配性、脈沖電鍍波形、水平沉銅線速、盲孔藥水交換不良。針對(duì)這些影響因素，制定驗(yàn)證方案（如表2所示）。

表2 影響因素及驗(yàn)證方案表

3.2 影響因素驗(yàn)證

以上提出的影響因素，設(shè)計(jì)試板方案，逐個(gè)跟進(jìn)驗(yàn)證。

3.2.1 板材與沉銅藥水的匹配性影響驗(yàn)證

跟進(jìn)該板料在水平沉銅線正常在1.8 m/min線速的情況下，測(cè)量吸鈀量、沉銅速率等數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 板料T在水平沉銅線的測(cè)試表

沉銅控制正常范圍，對(duì)比該板料T的批量生產(chǎn)，在電測(cè)工序未檢測(cè)到孔內(nèi)無(wú)銅不良。以上，說(shuō)明該板料可以在水平沉銅藥水體系下正常生產(chǎn)。

3.2.2 等離子除膠與脈沖波形影響

調(diào)整原25分鐘程序試板確認(rèn)，脈沖前2銅缸調(diào)直流，試板確認(rèn)電測(cè)結(jié)果。電測(cè)結(jié)果顯示12.28%的不良，失效分析也是跨層孔內(nèi)無(wú)銅。因此，判斷等離子除膠與脈沖波形兩者都不是跨層盲孔孔內(nèi)無(wú)銅的影響因素。

3.2.3 水平沉銅線速影響

在維持原產(chǎn)線控制參數(shù)的情況下，適當(dāng)調(diào)低生產(chǎn)線速，以增加化學(xué)反應(yīng)時(shí)間，是將原來(lái)1.8 m/min線速降低到1.6 m/min，即將相關(guān)反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)12.5%，跟進(jìn)電測(cè)試結(jié)果盲孔無(wú)銅缺陷有34.2%。

從以上試板結(jié)果可知，在維持原參數(shù)的情況下，調(diào)低水平沉銅線速，對(duì)跨層孔無(wú)銅的改善無(wú)效，且不良率高，失效切片與前期相比，還是盲孔孔壁靠底部的區(qū)域未鍍上銅，說(shuō)明只調(diào)整線速的情況下，未能有效加強(qiáng)跨層孔的沉銅效果。

3.2.4 藥水流量與濃度影響

提高水平沉銅線的中和缸的藥水濃度，關(guān)閉中和后的高壓水洗，并提高沉銅缸的循環(huán)泵運(yùn)行頻率，進(jìn)行驗(yàn)證，具體如表4。

表4 水平沉銅線參數(shù)調(diào)整表

本次試板前后跟進(jìn)兩批板子進(jìn)行驗(yàn)證，電測(cè)結(jié)果未出現(xiàn)跨層孔孔內(nèi)無(wú)銅不良，從結(jié)果可知，在水平沉銅線原速度下，提高中和藥水濃度，加大沉銅循環(huán)泵頻率，可以有效改善跨層孔無(wú)銅問(wèn)題，說(shuō)明這種調(diào)整方式有利于跨層孔內(nèi)的藥水交換，達(dá)到較好的沉銅效果。

4 結(jié)論

文章對(duì)跨層孔內(nèi)無(wú)銅問(wèn)題進(jìn)行分析，得出結(jié)論為沉銅過(guò)程盲孔內(nèi)藥水交換不良，導(dǎo)致盲孔孔壁底部沉銅效果不佳而產(chǎn)生。

HDI板跨層孔相比普通盲孔有著更大的孔直徑和孔深，孔底溶液交換的難度大，在沉銅生產(chǎn)過(guò)程，提高藥水濃度與循環(huán)泵頻率能有效增強(qiáng)孔底藥水交換，提高沉銅效果。