文/深圳崇达多层线路板有限公司  张盼盼 王佐


【摘 要】 在高密度互连(HDI)印制板的生产过程中,盲埋孔设计是层间互连的基础,通过盲埋孔的金属化镀铜层实现与内层线路的导通。盲孔脱垫问题是常见的盲孔铜层与底部连接盘分离的品质缺陷。本文简要介绍一款3阶HDI板出现的盲孔脱垫问题,通过对激光盲孔厚径比、压合叠构、工艺流程及生产成本等方面的分析,提出一种有效解决盲孔脱垫问题,并节约成本的方法。
【关键词】HDI;盲埋孔;脱垫损害;激光盲孔


一、前言
随着电子产品高频化、微型化、多功能、高精度和智能化的发展,带动了上游PCB行业的飞速发展。高密度互连(HDI)印制板以其高密度互连特性,及可缩小电路板面积、减小板厚及重量、增加封装电子零件的装配密度、更好的电气性能和信号完整性等优点,越来越被广大客户所青睐。HDI和传统电路板最大的不同处,在于HDI的立体化电路设计,以盲孔(Blind Hole)与埋孔(Buried Hole)来取代部分导通孔。盲埋孔的制作多数采用镭射钻盲孔、电镀填盲孔的方式实现层间线路连接。本文针对某款3阶HDI板存在的盲孔脱垫问题,通过优化盲孔厚径比、调整压合结构、优化工艺流程等方式,对HDI板盲孔脱垫问题进行分析及改善,以达到解决品质问题和降低生产成本的效果。


二、问题描述
我公司近期研发的某款3阶HDI板,主要应用于ATM 机的数字键盘控制盒安全模块。键盘控制盒内共有2类PCBA,其中1款为键盘触控板,另一款为触控板下面的安全控制板。该安全控制板工作原理为:PCBA两端设有安全感应键与ATM机相连,当有外界破坏/机械入侵时,设备感应并向安全控芯传输入侵信号,BGA启动自毁模式,格式化记忆,ATM自动关停,无法再启,此板用途属于智能工控类。该产品经第三方实验室的切片分析结果可知,盲孔脱垫开路不良发生在第一阶盲孔(L5-6层间盲孔)。以下为叠构图及盲孔不良图片。


可见,L5-6层介厚与L6-7层介厚相同,但孔径不同,L5-6层的孔径为0.125mm,L6-7层的孔径为0.15mm。相对于L6-7层盲孔,L5-6层盲孔更容易出现品质问题。

三、激光盲孔和机械盲孔结构对比测试
3.1 原叠构基础上优化盲孔厚径比(激光盲孔)
通过与同类产品压合结构的对比,以及查询客户对压合结构的要求可知,该客户对层间介质厚度没有要求,但此板属于智能工控类产品,按照IPC标准,层间介质厚度需要≥0.09mm。客户重点要求完成板厚为1.6mm,同时,要求接地层L4与信号层L7之间的介质厚度≥0.25mm。从原始压合叠构图可以看出,L4-5层使用一张0.66mm的芯板压合,因此,信号层L4与接地层L7之间的介厚远远大于0.25mm,根据以上客户信息及IPC标准,可以通过改变介厚及盲孔孔径对盲孔厚径比进行优化。
按照现有的生产流程,将L2-7层的树脂塞孔更改为L4-5层的树脂塞孔,加L2-3/L3-4和L5-6/L6-7层间的盲孔。可以对盲孔厚径比进行优化,优化后保证完成板厚在客户要求的板厚公差范围内。具体可采取以下4种优化方案:
方案1.压合PP不更改,只将L5-6层间的盲孔孔径由0.125mm改为0.150mm,减小盲孔厚径比,按照测试结果,盲孔厚径比由0.90减小到0.75,有利于盲孔内药水的交换,如图1所示。


备注:此方案,不需要更改任何物料,仅需要更改L5-6层间的盲孔钻孔资料,对板厚及成本均没有产生影响。

方案2.盲孔孔径不更改,只将L5-6和L3-4层间的压合PP由两张106PP改为单张1080H,其他层间压合PP不变;更改后,完成板厚将会减少0.05mm左右,板厚范围在客户要求的公差范围内(客户要求的板厚及公差为:1.6mm±10%),如图2所示。


备注:更改后会对完成板厚产生影响,但是,减少两张PP,可以节约生产成本。

方案3.盲孔孔径不更改,只将L5-6和L3-4层间的压合PP由两张106PP改为两张1037PP,其他层间压合PP不变,更改后,完成板厚将会减少0.07mm左右,板厚范围在客户要求的公差范围内(客户要求的板厚及公差为:1.6mm±10%),如图3所示。


备注:1037类型的PP为非常规物料,需要重新申购,且价格比106PP贵25%;使用1037PP压合后,完成板厚也会受到影响。

方案4.盲孔孔径不更改,只将L5-6和L3-4层间的压合PP由两张106PP改为单张2113PP, 单张2113PP比两张106PP压合后,介质厚厚度偏小0.01mm,完成板厚减小0.02mm,板厚在客户要求的公差范围内(客户要求的板厚及公差为:1.6mm±10%),如图4所示。


备注:2113PP片比106PP使用的玻璃纤维布粗,因此激光钻孔的孔型不如106PP的好,将会对盲孔的沉铜和填孔有一定的影响。
小结:上述4种优化方案,按照激光盲孔的制作方法,在保证压合总板厚符合客户要求的前提下,变更盲孔层的介厚,使厚径比变小,以利于盲孔沉铜电镀,提高盲孔的可靠性;但方案2和方案4盲孔层使用单张PP压合后,介质厚度小于0.09mm,工业控制领域IPC标准要求介质厚度≥0.09mm,因此,方案2和方案4不符合IPC标准。方案3在物料的申购和价格方面没有优势,所以,综合考虑,方案1中提到的激光盲孔优化方法具有更大的优势。
3.2 改变压合叠构(机械盲孔)
下图为激光盲孔和机械盲孔的压合叠构图:


改变压合叠构,并将激光盲孔更改为机械盲孔,如图5所示。压合结构优化前后的生产流程及生产成本对比,如下表所示:


从上表可知,原生产流程共有66个步骤,优化方案一(激光盲孔)总流程为58个,比原流程少了10个步骤,成本比原流程降低了286.3元/m2;优化方案二(机械盲孔)总流程为48个,比原流程少了18个步骤,成本比原流程降低了402.63元/m2。因此,在生产成本上,方案二(机械盲孔)优于方案一(激光盲孔),方案一(激光盲孔)优于原生产流程。


四、实验测试
4.1 制作成本及制作工艺对比

经计算可知,方案一(激光盲孔)所需成本2455元/m2,方案二(机械盲孔)成本为2339元/m2,而两种方案的制作工艺成果,如图6所示。


这两个方案之间各有优势:方案一(激光盲孔)在原叠构基础上降低了盲孔厚径比,降低了盲孔脱垫的风险;减少了一次砂带磨板,降低了制作难度。而方案二(机械盲孔)减少盲孔脱垫的风险,而且层间均使用两张PP片,每层之间的介厚均>0.09mm,符合IPC标准;总体来看,它与我司流程相比减少了18个主要流程,整体降低综合成本。
但不得不说的是,方案二(机械盲孔)也是存在缺点的。1、采用单向增层法,L8层经过3次全板电镀,由于铜厚均匀性问题,导致L8层蚀刻难度较大;2、使用单向增层压合,不易控板曲;3、2次树脂塞孔,孔口披锋造成包覆铜不合格,也有可靠性风险存在。

4.2 良率对比


4.3 回流焊测试
方案一(激光盲孔)与方案二(机械盲孔)各取10pcs板进行回流焊可靠性测试,测试方法为:测试温度290℃,分别过3次、6次、10次、20次回流焊后进行四线测试。具体的测试结果如下所示:

4.4 回流焊+浸锡测试
方案一(激光盲孔)与方案二(机械盲孔)各取10pcs板进行回流焊+浸锡测试,测试方法为测试温度290℃,回流焊10次,加上288℃,10s,浸锡10次后进行四线测试。具体的测试结果如下:


根据以上对比结果,建议选择方案一,即:在我司原叠构基础上将L5-6层间的盲孔孔径由0.125mm改为0.15mm,通过减小盲孔厚径比的方法优化激光盲孔制作。该方法的制作成本比原流程降低了286.3元/m2,且有效降低了盲孔脱垫的风险,通过可靠性测试,证明产品具有较高的可靠性。

 

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