HDI板埋孔半固化片填胶区域爆板问题研究_陈市伟.pdf

印制电路信息 2023 No.1HDI板技术 HDI BoardHDI板埋孔半固化片填胶区域爆板问题研究陈市伟（竞陆电子（昆山）有限公司，江苏 昆山 215000）摘要随着电子产品的升级与发展，高密度互连印制板（HDI板）的应用越来越广，盲埋孔的叠加设计密度也不断地提高，同时对下游表面装贴制程的潜在品质风险也在增加。针对HDI板组装再流焊后的爆板失效问题，研究印制电路板（PCB）的设计、生产和加工中存在的潜在失效模型，分析区域面积填孔密度所需填胶量与再流焊后爆板失效问题之间的关联。关键词HDI板埋孔；半固化片填胶；爆板；单位面积填胶量中图分类号：TN41文献标志码：A文章编号：20090096（2023）01004504Study on the delamination problem in the PP filling area of buried vias in HDI boardCHEN Shiwei(APCB Electronics(Kunshan)Co.,Ltd.,Kunshan 215000,Jiangsu,China)AbstractWith the upgrading and development of electronic products,HDI boards are widely used,and the overlapping design density of blind buried holes is also increasing,and the potential quality risk to the downstream SMT process is also increasing.This paper starts with the failure problem of post-explosion board in SMT furnace,studies and analyzes the potential failure models existing in the design,production and processing of PCB,and summarizes the causal relationship between the amount of glue required for hole filling density in the area and the failure problem of post-explosion board in SMT furnace.Key wordsHDI board buried via hole;glue filling amount per unit area;prepreg filling;delamination0引言半固化片（prepreg，PP）填胶工艺具有成本低、工艺简单、设计仅须合理计算PP填胶量是否满足塞孔要求等优点，因此在高密度互连印制板（high density interconnection，HDI）生产工艺中是一种常规选项。其中，塞孔填胶量厚度=需填胶的埋孔体积/在制板面积+残铜率的填胶比例，埋孔的设计标准为 PP 填胶工艺的最大板厚0.6 mm。作者简介：陈市伟（1991），男，助理工程师，主要研究方向为新产品开发及HDI产品引进试产过程工艺质量改进。-45印制电路信息 2023 No.1HDI板技术 HDI Board对于该公司常规HDI产品埋孔填胶工艺，此设计标准适用于已量产过的所有产品，但随着产品类型逐渐多样化，现有设计模式中出现了潜在失效模式。例如，一款摄像模组产品如图1所示，该印制电路板（printed circuit board，PCB）产品设计为阶HDI板（2+4+2），中间芯板的埋孔采用PP填胶，在 客 户 端 表 面 贴 装（surface mount technology，SMT）、热风再流焊后发生爆板问题。1原因分析1.1产品信息该PCB为摄像模组产品，设计为8层HDI板，4 层埋孔+阶盲孔的叠孔结构，高玻璃化温度 （170）材料，3次压合，A/R比为3.6，L3/L6层设计最小线宽63 m（2.5 mil），表面为化学镀镍/金工艺，关键特殊特性要求均在常规工艺制程能力范围内，如图2所示。1.2爆板因素分析根据客户端反馈信息，该HDI板爆板不良率为100%，且集中发生在球栅阵列（ball grid array，BGA）埋孔密集区。经分析可知，导致爆板的原因可能有4个，如图3所示。（1）压合棕化烘干参数不足：导通孔内残留水汽未彻底烘干，成品因水汽过大导致热风再流焊（hot air reflow soldering，HARS）后发生爆板分层。（2）压制程序选错：导致二次压合PP填胶流胶过量，PP埋孔层填胶不足。（3）设计PP填胶空洞：导通孔密集区PP填胶不足，造成导通孔内空洞，热风再流焊后导通孔空泡受热膨胀发生爆板分层。（4）理论填胶试算方式错误：理论试算残铜率及导通孔填胶量均以平均厚度计算，未兼顾导通孔密集区集中填胶需求，PP胶含量给埋孔填胶后残留树脂量过少，与埋孔层的结合力减弱，导致过热风再流焊后受热热膨胀系数（CTE）过大，造成膨胀分层。1.3生产工艺合理性分析（1）针对芯板棕化烘干段排查：温度 90 5，烘干段长度2.5 m，线速4 m/min，理论烘干时间 37.5 s，板厚 0.5 mm，孔径 0.2 mm，纵深比3，可完成水汽烘干，因此可排除埋孔水汽残留问题。（2）压程选用：采用saikongban-1压程，如图4所示。压程设计适用于6层板单张7 628 PP的叠构设计。根据料温线及压程匹配性分析，其压力曲线设计从接解压力 689.5 Pa 增加至 1 723.7 Pa，仅需4 min，由1 723.7 Pa增加至2 551.0 Pa，仅需3 min，接着在2 551 Pa状态维持19 min，在此过程中温度升至170，达到PP的Tg点；随后压力增加至2 758 Pa，此时的热盘温度升至200，即在整个熔胶及填胶过程中，压力均保持在2 758 Pa图1摄像模组PCB实物图28层HDI板结构图3爆板因素鱼骨-46印制电路信息 2023 No.1HDI板技术 HDI Board最大压力中执行。对于 1 080含脂率 63%（resin content，RC）的 PP，压程中施压速度快且压力大，熔胶过程中压力过大，导致PP在固化前流胶过多，可判定压程选用不合理。（3）切片分析：对异常板完成微切片分析，二压L2-L3/L6-L7层设计的PP 1080（RC-63%）厚度为75 m，成品理论厚度为60.0 m7.5 m，其中L3层残铜率为49%，计算残铜填胶及埋孔填胶后，理论厚度减少至60 m，实际切片量测L2-L3/L6-L7层厚度仅为46 m和49 m。经扫描电子显微镜（SEM）分析，所剩厚度均为玻纤布支撑，玻纤布与铜箔直接接触，具有结合功能的树脂含量几乎为零，如图5所示。观察薄板不良点剥开后的断面，埋孔处孔口呈U型凹陷状，因此可以判断导致爆板分层的主要原因为埋孔 PP 填胶不足。1.4设计合理性分析该HDI板的设计叠构、板厚、阻抗、内层预放比例等均合理。对特殊重点项目的埋孔PP填胶进行理论推算，单面填胶厚度为0.75 m，双面填胶厚度为1.50 m。填胶层PP为1 080（RC 63%），理论厚度 100%，残铜率 75 m，玻纤布厚度为 46 m，理论单面胶厚为15 m。初步判断设计合理，符合设计规范要求。1.5埋孔PP填胶合理性分析分析现有埋孔填胶计算公式模型，在计算出的埋孔填胶需求量符合均匀分布前提下，未经仔细推敲的产品呈密集分布。因此，应针对密集区单独补充理论推算，步骤如下：（1）根据 Genesis 2000软件量测分析，计算出 BGA 埋 孔 区 域 理 论 面 积 为 8 mm8 mm=64 mm2，如图6所示。（2）BGA区域埋孔孔径为0.200 0 mm，孔数为82个；埋孔镀铜成品理论铜厚0.017 8 mm，镀铜后直径为0.200 0 mm0.035 5 mm=0.164 0 mm，一次压合后板厚+镀面铜总厚度为 0.532 mm+0.035 mm=0.567 mm。（3）根据圆柱体体积公式可得82孔的体积方程式为V=r2h82 （1）式中：V为埋孔体积，mm3；r为镀铜后埋孔半径，mm；h为镀铜后埋孔板厚，mm。代入具体数值，可得V=3.1400.16420.56782=3.928 mm3。（4）面积单位下所需填胶厚度计算表达式为H=V/S （2）式中：S为 BGA 埋孔区域面积，mm2；H 为单位面积填胶厚度，mm。根据式（2）可得 H=V/S=3.928 mm3/64 mm2=0.061 3 mm。综上所述，在BGA区域总面积64 mm2、成品直径0.164 mm的埋孔共82个，理论上填胶厚度为0.061 3 mm。实际单张1080（RC 63%）的胶厚仅0.030 5 mm，单面可填胶厚度为 0.015 2 mm。未计算区域面积残铜区的填胶量，仅计算孔内填胶图4saikongban1压程图5HDI板埋孔爆板位置切片-47印制电路信息 2023 No.1HDI板技术 HDI Board区域面积胶含量无法满足此区域埋孔填胶厚度需求。2改善方案针对HDI板埋孔PP填胶工艺设计，在计算内层残铜区PP填胶量的基础上，单独建立密集区域（BGA区域）理孔填胶计算模型。如试算埋孔无法满足理论填胶的设计，且不能通过提升PP胶含量补充填胶，可改用树脂塞孔工艺填塞。经复制试验验证，改用树塞填孔工艺后，SMT回焊炉后无爆板分层问题发生。3结语根据以上分析及验证，可以得出以下结论：（1）理论设计埋孔PP填胶未考虑区域集中性问题，在BGA区域设计上存在填胶不足的潜在失效模式；（2）在实际生产过程中，二次压合程式选用不合理，压力过大和升温过快导致在PP未固化时大部分胶量流失；（3）设计埋孔填胶PP理论计算模型不适用于现有高端HDI埋孔工艺设计，需单独建立埋孔密集区域填胶计算模型，避免埋孔密集区填胶量被平均分摊后与实际填胶情况不符。参考文献 1 林灿荣,李艳国.HDI板埋孔填胶工艺研究J.印制电路信息,2012(4),164-167.图6HDI板的芯板埋孔-48