HDI板盲孔缺陷导致的PCBA功能性失效案例解析.pdf

2023春季国际PCB技术/信息论坛126HDI板 HDI BoardHDI板盲孔缺陷导致的PCBA功能性失效案例解析 Paper Code:S-104 李 伏 李 斌（汕头超声印制板（二厂）有限公司，广东 汕头 515065）摘 要 文章通过多个PCB功能性失效案例，主要是盲孔导致的PCBA功能性失效案例，进行原因解析，并给出了一些PCB制程管控关键点和预防措施，希望能减少类似缺陷的发生。同时还给出了一些盲孔出现异常时出现的外观特征，通过这些特征能更好对PCB失效的原因进行定性，从而提高PCB焊接失效分析的准确性。关键词 HDI；盲孔；失效 中图分类号：TN41 文献标识码：A 文章编号：1009-0096（2023）增刊-0126-07 The functional failure analysis case study of PCBA caused byHDI blink hole defectsLi Fu Li Bin Abstract This article analyzes the causes of several PCB functional failure cases,mainly PCBA functional failure issues caused by blind via in PCB,and gives some key points and prevention actions for PCB process control,which will reduce the occurrence of similar defects.Meanwhile,some appearance characteristics of blind via are given for reference,through which the causes of PCB failure can be quickly defined,which will improve the accuracy of PCB failure analysisKey words HDI;Blind-Via;Failure0 前言随着微电子技术的飞速发展，电子产品不断向着轻、薄、短、小型化方向发展，小型便携系统的高密度互连和细线PCB设计迫使设计师不断缩减布线空间，通孔尺寸，并增加线路板层数，以实现所有必需的连接。相应的印制板也面临高精度、细线化、高密度化的挑战。为使印制电路板自身实现更多的功能，微孔技术得到了广泛的应用。微导孔通常定义为孔径小于100微米或甚至低于50微米的盲孔。与传统机械方法钻出的孔相比，微导孔能使设计师增加板的互连密度，在某些应用中甚至能减少板信号层和布线，并在降低成本的同时增加功能。一直以来，盲孔都被认为是最可靠的互连方式，但随着盲孔技术在高密度互联PCB上的大量应用，盲孔互连的可靠性问题也不断涌现。无论在装配后还是在产品的使用过程中，盲孔导致的互连失效问题都有发生。文章通过对多个早期历史上曾经出现的PCB功能性失效案例的分析，重点是盲孔导致的功能性失效案例，进行了原因分析及总结，希望能给PCB制程的控制提供一些参考建议，从而减少类似缺陷的发生。127HDI板 HDI Board2023春季国际PCB技术/信息论坛1 HDI板盲孔主要类型根据板件的叠层结构，主要分为以下几类盲孔，即：（1）普通一次积层板盲孔，外层盲孔可根据客户需要分为电镀填盲孔及非电镀填盲孔，见图1（a）、（b）。（2）二次及多次积层板盲孔，叠孔位置的内层盲孔需要电镀填孔，见图1（c）、（d）。（3）任意层互联盲孔，见图1（e）。（4）跨层盲孔（如1-3层盲孔），见图1（f）。不论盲孔在那一层，当出现严重缺陷时，都可能导致PCB出现功能性失效。图1 不同盲孔类型图片2 HDI板盲孔缺陷导致的焊接失效类型及失效原因分析盲孔不良导致的PCB功能失效主要有以下几种类型，即开路、短路及焊接吹气等，以下将通过具体案例来详细解析。2.1 开路2.1.1 内层互联分离导致的开路图2是PCB装配后出现开路，用万用表测量，确认在 R600与U700 Pin 7及U800 Pin 5到U500 A10之间出现开路，详细网络关系图如图2所示。根据异常网络所指示的盲孔位置，对其进行切片分析见图3。仔细观察盲孔切片图片，可以发现在盲孔底部与内层连接盘之间已出现互联分离，见图3圈内位置。调查发现，该板件结构BUM1+6+1，板件采用RCC进行积层，由于其Z轴CTE较大，因此在无铅焊接过程中，受高温影响，Z轴方向会出现较大的变形，进而导致盲孔与内层连接盘被拉裂，发生开路。而采用LDP（可激光钻孔的粘结片，含有玻璃布）制作的板件在装配过程的Z轴方向的变形则小的多，盲孔失效的概率比RCC的明显低很多。鉴于此原因，目前LDP用于板件积层已大有完全替代RCC的趋势，并已被业界所广泛采用。(a)非电镀填盲孔 (b)电镀填盲孔 (c)叠盲孔(外层无电填)(d)叠盲孔(外层电填)(e)任意层互联盲孔 (f)跨层盲孔 2023春季国际PCB技术/信息论坛128HDI板 HDI Board2.1.2 盲孔孔铜不足导致的开路图4、图5是PCB装配后开路的切片图片。切片结果显示板件单面盲孔镀铜不足，从切片分析结果来看，阻焊剂下盲孔已明显出现孔铜不足，原因为电镀生产过程中局部叠板，药水交换不足直接导致镀铜超薄。而装配过程由于焊料对铜存在咬蚀，使丝连的镀铜被咬蚀至无铜开路。图4 盲孔孔铜不足图片及焊接后盲孔切片图片盲孔孔铜不足时，还会导致PCB焊接后吹气。图5（a）是PCB装配后BGA焊点出现空洞切片图片，从切片分析可以看出是漏电镀加厚导致的焊接吹气。2.1.3 盲孔底部拐角铜厚不足导致的开路盲孔底部拐角铜厚不足，尤其是盲孔底部拐角丝连的情况下（见图6），装配时由于受到强烈热冲击，会使盲孔底部位置丝连的铜被拉断，进而导致焊接后开路，此种盲孔底部丝连的缺陷，在正常电测试的测试条件下基本无法检测出来，需采用专用四线微阻测试才有可能被检测出来。2.1.4 多叠B片导致盲孔焊接后开路多叠B片的直接后果就是用于积层的介质层厚度太厚，激光烧蚀时，即使盲孔可以烧穿，也会出现盲孔尺寸异常及电镀深度能力不足问题，因此在盲孔底部就会出现拐角铜厚不足，进而导致类似上面2.1.3所述的盲孔开路问题。此种属人工操作失误而导致可靠性问题，必须采取有效的管理措施进行防呆予以避免。图2 异常网络位置图图3 盲孔切片图片：盲孔与内层连接盘出现分离 (a)阻焊下盲孔 (b)焊接位置盲孔 129HDI板 HDI Board2023春季国际PCB技术/信息论坛图7 多叠B片导致盲孔焊接后开路2.2 焊接吹气导致的短路图8是PCB板件在装配后，BGA出现空洞并造成短路的图片，切片分析PCB盲孔各项指标符合相关标准要求。此种焊接吹气，多由于外层盲孔未电填，而表面处理如OSP后盲孔内水汽烘不干或者PCB板件吸潮所致，解决此问题可以在板件上线装配前低温烘烤12个小时。图8 盲孔焊接吹气导致短路X-ray图片2.3 焊接吹气盲孔焊接后吹气会导致焊点内部出现较大的空洞，此缺陷会降低焊点的强度，因此大部分客户都会控制此缺陷。客户一般使用X-Ray设备进行检查空洞的面积，通过X-Ray都可以看到焊球的空洞分布状况。关于空洞的验收标准，业界也基本没有统一的规定，从IPC-A-610D1版本中的一些初步的定义：可接受-1，2，3级，空洞小于25%焊球X-Ray射线图像的面积。但是在众多的国际大厂中又有许多厂家是不承认此标准的，即比此标准更加严格，更加苛刻。例如IBM认为图5 盲孔漏电镀加厚焊接后吹气图片 (a)焊接后吹气 (b)阻焊下盲孔 图6 盲孔拐角底部铜丝连，装配后开路图片 (a)盲孔焊接吹气图片 (b)焊点X光图片 2023春季国际PCB技术/信息论坛130HDI板 HDI BoardBGA的空洞面积不可超过15%，如果超过了20%就会影响焊点的可靠度，影响焊点的使用寿命。现阶段有许多QFN器件是用在光纤通信领域中，这对气泡要求是相当高的，因此必须控制焊接吹气问题。以下主要讨论一下导致BGA焊点出现焊接吹气导致焊点空洞的案例并寻找导致焊点空洞的原因及相关解决方案。2.3.1 盲孔偏导致的焊接吹气HDI积层板件盲孔偏，如果偏出底部连接盘，焊接后经常会发生吹气。主要是因为高温焊接过程中，板材内水汽顺着盲孔底部开口挥发而进入焊点内部进而导致吹气。盲孔底盘偏切片图及焊接后吹气图片如图9所示。在高倍镜下观察盲孔切片，可以明显看到盲孔底铜缺失了一部分,底部连接盘仅剩余60%左右。盲孔偏的原因主要与对位系统有关，即内外层对偏、激光窗开偏、激光孔钻偏等。图9 盲孔偏，焊接后吹气2.3.2 电镀填盲孔孔型不良导致的焊接吹气次外层电镀填盲孔凹陷度超标，会导致外层激光钻孔时激光出现不规则反射，进而出现孔型不良。此种盲孔孔型不良也容易导致焊接吹气，如图10所示，就属于比较严重的装配缺陷，因而次外层电镀填盲孔必须严格控制盲孔电填后的凹陷度。图10 电镀叠盲孔孔型不良，导致焊接后吹气2.3.3 次外层盲孔漏电填导致的焊接吹气次外层盲孔漏电填的直接后果就是有叠孔设计位置的外层盲孔电镀不良。内层盲孔无电填就无法为外层盲孔提供底部连接盘，后果就是内外层盲孔直接连接在一起，形成一个较大的空腔，所以焊接后焊点就会吹气。从图11我们可看到异常盲孔与正常盲孔的焊点空洞相差接近5倍左右。图11 次外层盲孔漏电填板件焊接后吹气图片131HDI板 HDI Board2023春季国际PCB技术/信息论坛2.3.4 盲孔底部拐角裂纹导致的焊接吹气图12是PCB装配后发现BGA出现焊点空洞。切片分析发现，叠孔的外层盲孔有严重的拐角裂纹。这个缺陷原因相对复杂，主要是没有电填、水平电镀参数不当或药水活性不足，会导致沉铜效果差，进而导致盲孔底部拐角裂纹。此类问题可与客户沟通，外层盲孔增加电镀填孔，避免此类问题的发生。图12 盲孔底部拐角裂纹导致的焊接吹气3 盲孔不良的外观特征介绍当PCB出现功能失效，并判断有可能是盲孔的问题时，我们是否有些简便的方法对其进行初步失效原因判定呢？答案是肯定的。从大量失效案例总结的经验来看，当盲孔出现异常时，在高倍镜下还是能从盲孔外观上看出一些蛛丝马迹的，以下对一些典型的盲孔缺陷与对应外观异常情况做一简单介绍。3.1 盲孔与底部连接盘偏盲孔与底部连接盘偏会导致焊接吹气，如果是外层盲孔，在放大镜下观察会发现盲孔孔底有缺损，如图13（b）所示。图13 盲孔底盘偏切片图及外观放大图3.2 盲孔钻不透图14是盲孔钻不透的图片，从外观上可以看出盲孔孔型明显异常，钻偏非常明显。图14 激光盲孔钻不透切片图及外观图(a)切片图 (b)盲孔外观放大图 2023春季国际PCB技术/信息论坛132HDI板 HDI Board3.3 次外层电镀填盲孔底盘偏图15所示是二次积层板件严重次外层盲孔底铜偏导致电填不满，凹陷度严重超标，因此外层盲孔PTH后孔铜异常。从外观看外层盲孔有明显拖尾现象，见图15右图。图15 次外层盲孔底铜偏切片图及外观图3.4 树脂填孔表面镀铜并叠盲孔树脂填孔表面镀铜并叠盲孔是HDI板一种新的工艺流程。一般埋孔上镀铜较薄（约为10 m）左右，因此在埋孔上叠激光盲孔时，激光易将树脂表面的镀铜击穿，在树脂填孔的中心位置形成一个空洞（盲孔的中心位置一般为激光脉冲能量最集中的地方），如图16所示（因空洞较小，左右切片未正好磨得到空洞的中间，所以盲孔底部看起来还是正常的，但树脂填孔位置可见明显激光烧蚀后的痕迹）。从外观上看，盲孔的正中间会有一个明显的空洞，见右图。对于此种树脂填孔表面镀铜并叠盲孔的，有两个改善方向，一是增加树脂表面镀铜厚度，二是控制好激光钻孔能量。图16 树脂填孔表面镀铜叠盲孔，盲孔底部被击穿图片4 结束语盲孔的可靠性在HDI板件的电子封装中起着举足轻重的作用，相关PCB制造、装配均应引起充分重视。通过对HDI板件PCBA 失效盲孔原因分析，我们可以找出导致盲孔失效的机理，进而可以帮助我们提升PCB制程控制、优化焊接工艺，并最终提高BGA焊点的可靠性。但BGA焊点失效分析是一项比较复杂的技术，必须通过不断的摸索与经验积累，才能找到焊点失效的真正原因。参考文献1 IPC-A-610D Acceptability of Electronic AssembliesS.第一作者简介李伏，硕士，高级工程师。主要负责PCB产品可靠性及新材料新工艺的可靠性评估，在PCB产品失效分析尤其是焊接失效分析方面积累了较丰富的经验。