激光盲孔與底銅結(jié)合力不良的失效機(jī)理分析

1 背景描述

電子設(shè)計(jì)在不斷提高整機(jī)性能的同時(shí)，也在努力縮小其尺寸。從手機(jī)到智能武器的小型便攜式產(chǎn)品中，"輕、薄、小"是永遠(yuǎn)不變的追求。而PCB制造工藝中的高密度集成（HDI）技術(shù)可以使終端產(chǎn)品設(shè)計(jì)更加小型化，同時(shí)滿足電子性能和效率的更高標(biāo)準(zhǔn)。HDI技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于手機(jī)、數(shù)碼(攝)像機(jī)、筆記本電腦、汽車(chē)電子和其他數(shù)碼產(chǎn)品等，其中以手機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。

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，因此，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(lái)看，激光盲孔的可靠性主要取決于制程工藝流程和介質(zhì)層材料。一般來(lái)說(shuō)，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(guò)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(guò)程中盲孔腳部孔銅斷裂。本文以一例HDI產(chǎn)品激光盲孔底部裂紋失效案例為切入點(diǎn)，討論了盲孔與底銅結(jié)合力不良的失效機(jī)理。

2 盲孔底部裂紋案例

分析

2.1 化銅層針孔導(dǎo)致盲孔底部裂紋

2.1.1 案例背景

某型號(hào)的光電通訊設(shè)備在可靠性測(cè)試過(guò)程中的高溫和低溫狀態(tài)時(shí)，均發(fā)現(xiàn)整機(jī)不能穩(wěn)定工作。經(jīng)最終排查確認(rèn)，是PCBA的激光盲孔電阻值出現(xiàn)異常，失效現(xiàn)象為：常溫下，故障網(wǎng)絡(luò)上測(cè)得的阻值為367.68mΩ；將PCBA放入125℃恒溫條件下的高溫試驗(yàn)箱內(nèi)部一段時(shí)間后，阻值逐漸增大至882.65mΩ，最終發(fā)生開(kāi)路故障。再?gòu)?25℃的恒溫條件冷卻至室溫后，故障網(wǎng)絡(luò)上的阻值為395.41mΩ。

2.1.2故障定位

對(duì)故障網(wǎng)絡(luò)施加一個(gè)大小為0.4A的直流恒定電流，根據(jù)焦耳定律Q = I2*R*t可知，阻值偏大的區(qū)域發(fā)熱量也越大。使用紅外熱成像儀對(duì)故障網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行發(fā)熱量探測(cè)，根據(jù)PCBA上發(fā)熱量高低的分布情況，來(lái)定位出阻值偏大的點(diǎn)，分析結(jié)果如下圖2所示：

從上圖2中可知，隨著恒電流通電時(shí)間越長(zhǎng)，故障網(wǎng)絡(luò)上焊接點(diǎn)A處發(fā)熱量最大，表觀溫度最高，而且隨通電時(shí)間延長(zhǎng)，熱量逐漸上升，并擴(kuò)散至全板，說(shuō)明A點(diǎn)處阻值偏大，且有可能是導(dǎo)致故障網(wǎng)絡(luò)電阻值不穩(wěn)定的主要原因。

2.1.3切片分析

通過(guò)微切片法對(duì)A點(diǎn)位置進(jìn)行分析，經(jīng)離子研磨拋光處理后，使用掃描電鏡SEM對(duì)其金相觀察，分析結(jié)果如下圖3所示：

通過(guò)上述切片圖3可以明顯的觀察到，A點(diǎn)盲孔底部存在微裂縫，裂縫發(fā)生在化學(xué)沉銅層界面，微裂縫的存在導(dǎo)致盲孔與底部的機(jī)械埋孔之間接觸不良。當(dāng)PCBA在高溫下受熱時(shí)，基材膨脹，使得裂紋逐漸擴(kuò)大，從而導(dǎo)致電阻值逐漸增大，直至開(kāi)路的現(xiàn)象。激光盲孔的制作流程為：激光鉆孔→等離子→化學(xué)清洗→AOI掃描→沉銅→電鍍填孔，盲孔底部的裂縫發(fā)生在沉銅層與內(nèi)部機(jī)械埋孔的結(jié)合界面。

2.1.4機(jī)械拔孔試驗(yàn)及盲孔底部觀察

將盲孔中的孔銅直接拉拔出來(lái)，使用掃描電鏡觀察盲孔底部和孔銅底部的情況，分析結(jié)果如下圖4所示：

由圖4中對(duì)盲孔孔銅底部的SEM觀察可知，拔孔過(guò)程所造成的斷裂界面為盲孔孔銅與內(nèi)層銅的結(jié)合界面，這說(shuō)明盲孔的孔銅與內(nèi)層銅之間結(jié)合力較弱。另外，盲孔底部的化學(xué)沉銅層表面存在有大量針孔，導(dǎo)致盲孔孔銅與內(nèi)層銅面之間的有效結(jié)合面積減小，影響結(jié)合力。因此，在后期的熱處理過(guò)程中，PCB基材受熱膨脹產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，而盲孔孔銅與內(nèi)層銅面的結(jié)合力較弱，盲孔被拉扯導(dǎo)致出現(xiàn)裂縫的失效現(xiàn)象。

2.1.5小結(jié)

激光盲孔與內(nèi)層銅之間產(chǎn)生裂紋的原因主要是由于孔底化銅層存在針孔缺陷，導(dǎo)致盲孔孔銅和內(nèi)層銅結(jié)合強(qiáng)度減弱，不能抵抗多次回流高溫所帶來(lái)的沖擊，從而造成盲孔孔銅與內(nèi)層銅之間被拉裂。

2.2 孔底余膠導(dǎo)致盲孔底部裂紋

盲孔在制備過(guò)程中需經(jīng)過(guò)激光鉆孔、等離子等關(guān)鍵處理過(guò)程，其中激光鉆孔的主要作用是將盲孔內(nèi)的樹(shù)脂燒蝕，但在此過(guò)程中可能由于激光鉆孔能量不足或樹(shù)脂的返沉積作用，盲孔底部有少量的樹(shù)脂殘留，在后續(xù)的等離子除膠或化學(xué)除膠處理過(guò)程中，處理不充分，會(huì)導(dǎo)致盲孔底部基銅上有余膠，造成盲孔與內(nèi)層銅層之間結(jié)合力不足。

2.2.1切片分析

對(duì)激光盲孔位置進(jìn)行切片分析，分析結(jié)果如圖5所示，可見(jiàn)盲孔底部存在裂縫。

2.2.2盲孔底部分析

將盲孔拉拔出來(lái)，對(duì)其底部進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)存在黑色的物質(zhì)，類(lèi)似樹(shù)脂膠渣，如圖6。對(duì)黑色物質(zhì)進(jìn)行元素分析，其含有C、O、Si、Ca和Br元素，為樹(shù)脂成分。因此，盲孔底部存在樹(shù)脂膠渣，導(dǎo)致盲孔與基銅的結(jié)合力較弱，在后期的熱處理過(guò)程中，基材受熱發(fā)生膨脹，盲孔被拉扯從而出現(xiàn)底部裂紋的現(xiàn)象。

2.2.3小結(jié)

在電鍍填孔流程前，盲孔底部存在有少量余膠，導(dǎo)致盲孔孔銅與底部銅面之間的結(jié)合力較弱，在后期的熱處理過(guò)程中，基材受熱發(fā)生膨脹，盲孔孔銅與底部銅面的結(jié)合力較弱，盲孔被拉扯導(dǎo)致出現(xiàn)裂縫

3 結(jié)論

（1）HDI板激光盲孔可靠性失效的現(xiàn)象常表現(xiàn)為線路網(wǎng)絡(luò)中阻值不穩(wěn)定或?qū)ú涣?，且阻值受溫變的影響較大，因此，在常規(guī)的電測(cè)試工序，很難進(jìn)行有效檢測(cè)和攔截；

（2）激光盲孔底部化銅針孔缺陷或孔底余膠等品質(zhì)不良均會(huì)造成盲孔底部產(chǎn)生裂紋開(kāi)路，導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)可靠性失效。