HDI板埋孔半固化片填膠區(qū)域爆板問題研究

陳市偉

（競陸電子（昆山）有限公司，江蘇 昆山 215000）

0 引言

半固化片（prepreg，PP）填膠工藝具有成本低、工藝簡單、設(shè)計(jì)僅須合理計(jì)算PP 填膠量是否滿足塞孔要求等優(yōu)點(diǎn)，因此在高密度互連印制板（high density interconnection，HDI）生產(chǎn)工藝中是一種常規(guī)選項(xiàng)。其中，塞孔填膠量厚度=需填膠的埋孔體積/在制板面積+殘銅率的填膠比例，埋孔的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為PP 填膠工藝的最大板厚≤0.6 mm。對于該公司常規(guī)HDI 產(chǎn)品埋孔填膠工藝，此設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)適用于已量產(chǎn)過的所有產(chǎn)品，但隨著產(chǎn)品類型逐漸多樣化，現(xiàn)有設(shè)計(jì)模式中出現(xiàn)了潛在失效模式。例如，一款攝像模組產(chǎn)品如圖1所示，該印制電路板（printed circuit board，PCB）產(chǎn)品設(shè)計(jì)為Ⅱ階HDI板（2+4+2），中間芯板的埋孔采用PP填膠，在客戶端表面貼裝（surface mount technology，SMT）、熱風(fēng)再流焊后發(fā)生爆板問題。

圖1 攝像模組PCB實(shí)物

1 原因分析

1.1 產(chǎn)品信息

該P(yáng)CB 為攝像模組產(chǎn)品，設(shè)計(jì)為8 層HDI板，4 層埋孔+Ⅱ階盲孔的疊孔結(jié)構(gòu)，高玻璃化溫度（≥170 ℃）材料，3 次壓合，A/R比為3.6，L3/L6層設(shè)計(jì)最小線寬63 μm（2.5 mil），表面為化學(xué)鍍鎳/金工藝，關(guān)鍵特殊特性要求均在常規(guī)工藝制程能力范圍內(nèi)，如圖2所示。

圖2 8層HDI板結(jié)構(gòu)

1.2 爆板因素分析

根據(jù)客戶端反饋信息，該HDI 板爆板不良率為100%，且集中發(fā)生在球柵陣列（ball grid array，BGA）埋孔密集區(qū)。經(jīng)分析可知，導(dǎo)致爆板的原因可能有4個(gè)，如圖3所示。

圖3 爆板因素魚骨

（1）壓合棕化烘干參數(shù)不足：導(dǎo)通孔內(nèi)殘留水汽未徹底烘干，成品因水汽過大導(dǎo)致熱風(fēng)再流焊（hot air reflow soldering，HARS）后發(fā)生爆板分層。

（2）壓制程序選錯(cuò)：導(dǎo)致二次壓合PP填膠流膠過量，PP埋孔層填膠不足。

（3）設(shè)計(jì)PP 填膠空洞：導(dǎo)通孔密集區(qū)PP 填膠不足，造成導(dǎo)通孔內(nèi)空洞，熱風(fēng)再流焊后導(dǎo)通孔空泡受熱膨脹發(fā)生爆板分層。

（4）理論填膠試算方式錯(cuò)誤：理論試算殘銅率及導(dǎo)通孔填膠量均以平均厚度計(jì)算，未兼顧導(dǎo)通孔密集區(qū)集中填膠需求，PP 膠含量給埋孔填膠后殘留樹脂量過少，與埋孔層的結(jié)合力減弱，導(dǎo)致過熱風(fēng)再流焊后受熱熱膨脹系數(shù)（CTE）過大，造成膨脹分層。

1.3 生產(chǎn)工藝合理性分析

（1）針對芯板棕化烘干段排查：溫度90 ℃±5 ℃，烘干段長度2.5 m，線速4 m/min，理論烘干時(shí)間37.5 s，板厚0.5 mm，孔徑0.2 mm，縱深比<3，可完成水汽烘干，因此可排除埋孔水汽殘留問題。

（2）壓程選用：采用saikongban-1壓程，如圖4所示。壓程設(shè)計(jì)適用于6 層板單張7 628 PP 的疊構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)料溫線及壓程匹配性分析，其壓力曲線設(shè)計(jì)從接解壓力689.5 Pa 增加至1 723.7 Pa，僅需4 min，由1 723.7 Pa 增加至2 551.0 Pa，僅需3 min，接著在2 551 Pa 狀態(tài)維持19 min，在此過程中溫度升至170 ℃，達(dá)到PP的Tg點(diǎn)；隨后壓力增加至2 758 Pa，此時(shí)的熱盤溫度升至200 ℃，即在整個(gè)熔膠及填膠過程中，壓力均保持在2 758 Pa最大壓力中執(zhí)行。對于1 080×含脂率63%（resin content，RC）的PP，壓程中施壓速度快且壓力大，熔膠過程中壓力過大，導(dǎo)致PP 在固化前流膠過多，可判定壓程選用不合理。

圖4 saikongban?1壓程

（3）切片分析：對異常板完成微切片分析，二壓L2-L3/L6-L7層設(shè)計(jì)的PP 1080（RC-63%）厚度為75 μm，成品理論厚度為60.0 μm±7.5 μm，其中L3 層殘銅率為49%，計(jì)算殘銅填膠及埋孔填膠后，理論厚度減少至60 μm，實(shí)際切片量測L2-L3/L6-L7 層厚度僅為46 μm 和49 μm。經(jīng)掃描電子顯微鏡（SEM）分析，所剩厚度均為玻纖布支撐，玻纖布與銅箔直接接觸，具有結(jié)合功能的樹脂含量幾乎為零，如圖5所示。觀察薄板不良點(diǎn)剝開后的斷面，埋孔處孔口呈U 型凹陷狀，因此可以判斷導(dǎo)致爆板分層的主要原因?yàn)槁窨譖P 填膠不足。

圖5 HDI板埋孔爆板位置切片

1.4 設(shè)計(jì)合理性分析

該HDI 板的設(shè)計(jì)疊構(gòu)、板厚、阻抗、內(nèi)層預(yù)放比例等均合理。對特殊重點(diǎn)項(xiàng)目的埋孔PP 填膠進(jìn)行理論推算，單面填膠厚度為0.75 μm，雙面填膠厚度為1.50 μm。填膠層PP為1 080（RC 63%），理論厚度100%，殘銅率75 μm，玻纖布厚度為46 μm，理論單面膠厚為15 μm。初步判斷設(shè)計(jì)合理，符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

1.5 埋孔PP填膠合理性分析

分析現(xiàn)有埋孔填膠計(jì)算公式模型，在計(jì)算出的埋孔填膠需求量符合均勻分布前提下，未經(jīng)仔細(xì)推敲的產(chǎn)品呈密集分布。因此，應(yīng)針對密集區(qū)單獨(dú)補(bǔ)充理論推算，步驟如下：

（1）根據(jù)Genesis 2000 軟件量測分析，計(jì)算出BGA 埋孔區(qū)域理論面積為8 mm×8 mm=64 mm2，如圖6所示。

圖6 HDI板的芯板埋孔

（2）BGA 區(qū)域埋孔孔徑為0.200 0 mm，孔數(shù)為82 個(gè)；埋孔鍍銅成品理論銅厚0.017 8 mm，鍍銅后直徑為0.200 0 mm－0.035 5 mm=0.164 0 mm，一次壓合后板厚+鍍面銅總厚度為0.532 mm+0.035 mm=0.567 mm。

（3）根據(jù)圓柱體體積公式可得82孔的體積方程式為

式中：V為埋孔體積，mm3；r為鍍銅后埋孔半徑，mm；h為鍍銅后埋孔板厚，mm。代入具體數(shù)值，可得V=3.140×0.1642×0.567×82=3.928 mm3。

（4）面積單位下所需填膠厚度計(jì)算表達(dá)式為

式中：S為BGA 埋孔區(qū)域面積，mm2；H為單位面積填膠厚度，mm。根據(jù)式（2）可得H=V/S=3.928 mm3/64 mm2=0.061 3 mm。

綜上所述，在BGA區(qū)域總面積64 mm2、成品直徑0.164 mm的埋孔共82個(gè)，理論上填膠厚度為0.061 3 mm。實(shí)際單張1080（RC 63%）的膠厚僅0.030 5 mm，單面可填膠厚度為0.015 2 mm。未計(jì)算區(qū)域面積殘銅區(qū)的填膠量，僅計(jì)算孔內(nèi)填膠區(qū)域面積膠含量無法滿足此區(qū)域埋孔填膠厚度需求。

2 改善方案

針對HDI 板埋孔PP 填膠工藝設(shè)計(jì)，在計(jì)算內(nèi)層殘銅區(qū)PP 填膠量的基礎(chǔ)上，單獨(dú)建立密集區(qū)域（BGA 區(qū)域）理孔填膠計(jì)算模型。如試算埋孔無法滿足理論填膠的設(shè)計(jì)，且不能通過提升PP 膠含量補(bǔ)充填膠，可改用樹脂塞孔工藝填塞。經(jīng)復(fù)制試驗(yàn)驗(yàn)證，改用樹塞填孔工藝后，SMT 回焊爐后無爆板分層問題發(fā)生。

3 結(jié)語

根據(jù)以上分析及驗(yàn)證，可以得出以下結(jié)論：

（1）理論設(shè)計(jì)埋孔PP填膠未考慮區(qū)域集中性問題，在BGA 區(qū)域設(shè)計(jì)上存在填膠不足的潛在失效模式；

（2）在實(shí)際生產(chǎn)過程中，二次壓合程式選用不合理，壓力過大和升溫過快導(dǎo)致在PP 未固化時(shí)大部分膠量流失；

（3）設(shè)計(jì)埋孔填膠PP理論計(jì)算模型不適用于現(xiàn)有高端HDI 埋孔工藝設(shè)計(jì)，需單獨(dú)建立埋孔密集區(qū)域填膠計(jì)算模型，避免埋孔密集區(qū)填膠量被平均分?jǐn)偤笈c實(shí)際填膠情況不符。