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刚挠结合板HDI技术混合介质激光盲孔加工

文章来源:https://www.szgdpcb.com 发布时间:2019-09-19 浏览次数:77

HDI板是为适应终端客户电子产品轻便化,集成化的使用要求而在近年蓬勃发展的一类新兴工艺。采用高密度的激光微盲孔导通层间线路是制作HDI板的关键技术之一。将HDI应用在刚挠结合板中一个明显的问题是由于刚挠结合板材料繁多,介质多变而导致激光盲孔的加工条件复杂化,可靠性难以保证。本文以一款刚挠结合板为研究对象,将激光盲孔设计在混合介质(PI与PP及PI与纯胶)中,分别研究对比了激光盲孔加工方法,加工工艺流程对加工激光盲孔的影响,结合扫描电镜(SEM、EDS)和微切片技术对激光盲孔微观形貌分析,并通过IST和回流焊可靠性测试,试验验证了采用常规PP激光钻孔参数,通过化学除胶即可得到满足可靠性要求的激光盲孔处于PI/PP混合介质层中刚挠结合板,为生产控制提供指导方向。 


关键词:高密度互连HDI、刚挠HDI结合板、HDI挠性介质、激光盲孔HDI、可靠性。

1 背景

   终端客户的轻便化,集成化的要求推动着印制电路板朝着高精度、高密度、轻薄化发展。HDIHigh Density Interconnect,高密度互连)刚挠结合板结合了FPC的三维立体设计和HDI高度集成的优点,被广泛的应用于IC 封装,计算机及其周边设备等各个领域,具备无可比拟的优势和广阔的市场需求。

采用高密度的激光微盲孔导通层间线路是制作HDI板的关键技术之一,也是业内最常用的加工工艺。由于HDI盲孔的高密度性,其可靠性直接决定了整个产品的可靠性。刚性HDI板的盲埋孔生产技术目前已经非常的成熟,这方面的研究和报告较多[1-4],一般而言,激光盲孔失效的主要原因是盲孔孔铜与底铜的结合力不佳或由于盲孔脚部孔铜较薄而导致盲孔脚部孔铜断裂。

众所周知,刚挠结合板由挠性材料,FR-4,纯胶,CVL等复合体系构成,将HDI应用在刚挠结合板中一个明显的问题是由于刚挠结合板材料繁多,介质多变而导致激光盲孔的加工条件复杂化,可靠性难以保证。刚挠板激光盲孔根据盲孔所处的介质层材料可以分为三类,一类是以FR-4为主的刚性介质层,一类则是以PI为主的挠性材料,第三类是激光盲孔贯穿PI挠性材料和PP或者纯胶的混合介质。单一刚性介质层或挠性介质材料的激光盲孔可靠性在业内研究较多[5-7],而对于刚挠混合介质层材料中的激光盲孔可靠性的相关研究则很少。本文通过设计一款刚挠结合板,将激光盲孔设计在混合介质(PI与PP)中,分别研究对比了激光盲孔工艺参数,加工工艺流程对混合介质中的激光盲孔的影响,通过对比与单一介质在激光盲孔可靠性差异,从制程工艺和材料特性上去分析差异的原因,为生产控制提供指导方向。

2 试验设计

2.1 试验材料

PI基无胶板材:PI1mil、铜厚 18µm

刚性FR-4板材Tg板材。

2.2 试验、测试设备及条件

CO2激光钻孔机、UV激光钻孔机互连应力测试仪、高温冲击箱。

2.3 试板叠层

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2.4 试验参数

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3 结果与讨论

3.1 激光钻孔方式对制作混合介质中激光盲孔的影响

可靠的激光钻孔是制作合格的HDI盲孔的前提,其盲孔的孔型及孔径均会严重影响到后工序的孔金属化及可靠性,一般对盲孔纵横比,上下孔径比,孔型等有着严格的要求。业内制作HDI板激光盲孔的主要工艺有两种,CO2激光钻孔和UV激光钻孔,CO2激光主要原理是利用红外激光使物质吸收大量能量后升温融化,挥发和燃烧,UV激光则是利用UV紫外激光直接破坏物质的分子链(有机物)或金属键使其成为原子/分子团而逸散出去。HDI刚挠结合板与HDI刚性板唯一的区别是介质的差异,为保证激光钻孔参数对比的一致性,统一选择常规PP片类型的激光钻孔参数,孔径控制为5mil,分别将PI/ PP混合介质和PI/ 纯胶混合介质试验板进行UV激光钻孔和CO2激光钻孔,以业内孔脚/孔口比0.6-1LSLUSL,分别收集统计不同激光钻孔条件下的孔型及孔脚/孔口数据,其结果分别见图2和图3

刚挠结合板HDI技术混合介质激光盲孔加工

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   从图2和图3可以看到,在相同的激光钻孔条件下,PI/纯胶混合介质激光钻孔后孔型呈现上窄下宽的“梯形”趋势,孔脚/孔口比很多大于1,达不到设计要求,而PI/ PP混合介质的激光盲孔孔型均满足要求,且无论是UV激光钻孔还是CO2激光钻孔,两者制作出的激光盲孔无明显差异。

分析后认为,激光对不同材料的激蚀能力不一样,其对有机物的激蚀能力要远大于无机物[8-9]。挠性基材介质成分为聚酰亚胺一种成分,纯胶则只含有有机环氧树脂,而PP含有无机玻纤和有机环氧树脂,对于PI/ 纯胶混合介质,激光工作时对有机物的激蚀特别大,甚至通过传热(CO2激光)或传光(UV激光)蚀刻到激光侧壁,因而表现为PI/ 纯胶混合介质部分孔型很大;PI/ PP混合介质中由于PP中含有较难激蚀的玻纤,吸收了较多能量而阻止了盲孔孔脚进一步扩大,从而形成正常的“倒梯形”,从,从孔型表现上来看,激光激蚀能力强弱为纯胶>PI>PP

根据实验结果可知,PI/纯胶混合介质中制作的激光盲孔由于纯胶由于在激光作用下激蚀较多,激光孔孔型易成为上窄下宽的倒梯形,对后续孔金属化非常不利,加之其可靠性差的缘故,故不建议作此设计;PI/PP混合介质中的激光盲孔采用常规PP片类型的激光钻孔参数即可完成盲孔制作,孔型孔径均满足设计要求,考虑到生产效率要求,建议采用CO2激光钻孔进行生产。

3.2 CO2激光钻孔后处理对PI/PP混合介质激光盲孔底部铜面的影响

CO2激光钻孔由于部分碳化颗粒反沉积或激光能量波动,其盲孔底部会残留部分碳化物质和未烧蚀完全的树脂,称之为残胶。激光盲孔的残胶使其孔铜与底部焊盘的结合力不良,导致失效的风险。等离子与化学除胶是目前刚挠板除去孔内残胶的两种主要途径。PI/PP混合介质激光盲孔由于介质成分不同,除胶方法和除胶能力与单一介质盲孔有所差异。实验通过SEM观察对比了等离子、化学除胶、等离子+化学除胶这三种除胶方式下PI/PP混合介质中的CO2激光盲孔底部残胶状况。

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4是刚挠板PI/PP混合介质激光盲孔不同除胶处理方式下盲孔底铜形貌。从不同除胶处理后的底部形貌也可以看出,对比不同除胶方式后的盲孔中间和孔边形貌,在盲孔中间位置均未出现明显残胶的现象,而在盲孔的边缘,PI/PP混合介质刚挠板激光盲孔未处理前可以看到明显地残胶存在。无论经过等离子、化学除胶还是等离子+化学除胶,激光盲孔边缘的残胶均被有效地清除。

为了更进一步表征混合介质激光盲孔底铜上杂物的变化情况,实验采用了EDSPI/PP混合介质激光盲孔底铜杂物的元素进行分析,结果如表2所示。

刚挠结合板HDI技术混合介质激光盲孔加工

从表2可以看出,三种处理后激光盲孔底部元素主要成份并没有明显地改变。除了Cu外,C元素是最主要的元素,OSi元素与Ca元素则相对较少。SiCa分别是PP中玻纤(Na2SiO3)和PP中填料CaCO3的特征元素,即说明激光盲孔上残存少量未被完全烧蚀掉的PP残胶,C元素来源有PI(聚酰亚胺),PP(环氧树脂)及激光钻孔后反沉积而来的碳化物,考虑到O元素含量远低于C元素含量,这些C应为反沉积而来的碳化物为主。

对比C元素的变化,可以看到经过等离子流程并不能使C元素明显降低,仅降低了SiCa元素比例,相反,化学除胶能够比较明显减少C元素的比例,但未降低SiCa元素比例。原因是等离子除胶过程中等离子体不仅能攻击树脂,也能攻击玻纤,且等离子过程中部分CF4等离子体会失去电子而以官能团的形式接枝在铜面上,最终结果是玻纤的特征元素SiPP的特征元素Ca的减少,而C元素并不降低,C元素没减少并不代表除胶无效,事实上,根据等离子的特性[10-11],等离子攻击树脂要比玻纤容易,元素表征说明玻纤被大量除去,理论上碳化物也被除去;化学除胶过程依靠的是高锰酸钾的强氧化性,其只能攻击有机树脂,因而能有效除去残胶,但无法降低玻纤中Si元素的含量。从除胶效果上可见,化学除胶对激光钻孔后反沉积而来的碳化物清除作用明显。另外,我们看到,所有除胶流程均使O元素有一定上升,其主要原因是盲孔铜面在等离子体或高锰酸钾的攻击下氧化所致。

将不同除胶处理后的混合介质激光盲孔进行填铜处理,微切片观测可以看到三种处理方式下的盲孔外观均正常,说明不同除胶方式并对孔铜结构并没有明显的影响。

刚挠结合板HDI技术混合介质激光盲孔加工

根据以上分析,等离子、化学除胶、等离子+化学除胶三种除胶方式均能有效除去PI/PP混合介质中的CO2激光盲孔碳化物。从成本和生产效率上考虑,生产上采用化学除胶即可除去刚挠板PI/PP混合介质中的CO2激光盲孔碳化物。

3.3 PI/PP混合介质CO2激光盲孔采用化学除胶处理后盲孔可靠性测试

混合介质激光盲孔由于处在由不同CTE介质中,且只采用化学除胶,盲孔铜面上依然可能残留少量玻纤,其可靠性会与单一介质激光盲孔有所差异。为验证此工艺的可行性,采用常规PP片激光钻孔程序在PI/PP混合介质中进行激光钻孔,化学除胶处理后分别进行负片电镀和填铜,然后分别进行回流焊可靠性测试和高低温冷热冲击试验。实验设计刚挠板混合介质激光盲孔互连的孔链测试模块,每一块孔链测试模块包括6400个激光盲孔。回流焊测试采用了温度较高、条件相对严格的无铅回流焊测试,炉温的最高值272℃,分别对于电镀填孔和负片电镀每一种孔铜结构40块测试模块进行5次无铅回流焊测试;高低温冲测试采用了GJB的要求,温度变化从-55℃~125℃,且高低温处各停留15分钟,分别对于电镀填孔和负片电镀每一种孔铜结构20块测试模块进行100次高低温冲击循环测试统计测量回流焊前后的孔链电阻变化。

回流焊测试结果如图6和图7所示。从孔链电阻平均变化率上来看,刚挠板混合介质激光盲孔的变化上均小于1%,远低于失效的标准10%。在5次无铅回流焊后,混合介质激光盲孔孔链两种孔铜结构的电阻变化均在±3%以内变化,远低于失效的标准10%;微观切片表征证明刚挠板混合介质激光盲孔未出现孔铜裂缝、孔粗超标等缺陷。因此,综合以上分析,刚挠板混合介质激光盲孔在回流焊测试上是满足IPC相关标准的要求。

刚挠结合板HDI技术混合介质激光盲孔加工

高低温冲测试后我们收集了高低温冲击循环前后的孔链电阻变化量,结果如表3示。

刚挠结合板HDI技术混合介质激光盲孔加工

从表3看出,刚挠板混合介质激光盲孔无论是采用电镀填孔还是负片工艺,在采用12.8万个孔数进行100次高低温冲击循环后均没有出现激光盲孔失效的现象。从孔链电阻平均变化率上来看,刚挠板混合介质激光盲孔的变化上均小于1%,远低于失效的标准10%。

刚挠结合板HDI技术混合介质激光盲孔加工

图8、图9分别是刚挠板混合介质激光盲孔采用电镀填孔或负片电镀进行100次高低温循环冲击后电阻变化率。从图中可以看出,在100次高低温循环冲击后,混合介质激光盲孔孔链两种孔铜结构在高温段还是低温段均没有明显地失效出现。

为了进一步测试100次无铅回流焊对刚挠板混合介质激光盲孔孔铜的影响,分别取高低温冲击后的样品制作切片,切片图如图10示。

刚挠结合板HDI技术混合介质激光盲孔加工

刚挠板混合介质激光盲孔未出现孔铜裂缝、孔粗超标等缺陷。因此,综合以上分析,刚挠板混合介质激光盲孔在回流焊测试上是满足GJB相关标准的要求。

根据大量PI/PP混合介质CO2激光盲孔可靠性测试结果可知,采用化学除胶处理后的CO2激光盲孔经过严苛的回流焊测试及高低温冷热冲击后仍未出现失效迹象,这说明采用此工艺制作出来的激光盲孔可靠性满足生产要求。

4 结论

通过以上的分析可以得到以下几点结论:

(1) 采用普通PP片类型的激光钻孔参数即可完成在PI/PP混合介质中进行UV激光钻孔或CO2激光钻孔,PI/纯胶混合介质上不适合设计激光盲孔;

(2) 采用化学除胶即可除去刚挠板PI/PP混合介质中的CO2激光盲孔碳化物;

(3) 用普通PP片类型的激光钻孔参数+化学除胶法的工艺在PI/PP混合介质中制作出来的混合介质盲孔回流焊及高低温冷热冲击结果均满足生产要求。

参考文献

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