李晓倩

（工业和信息化部电子第五研究所华东分所， 江苏 苏州 215011）

0 引言

近年来在电子产品向轻量化、 薄型化和高密度化方向发展的趋势下， 印制电路板（PCB） 作为电子元器件安装与互联的支撑体， 其技术层次也在不断地精进， 从早期一次成型、 全板贯穿的导通孔互联， 发展至应用局部层间内导通的盲埋孔互联， 到目前已广泛地应用在大型计算机、 通讯设备等领域的高密度互联 （HDI： High Density Interconnection） 基板上， 大量采用非机械成孔方式制造的微盲孔来实现积层高密度化互联。 盲埋孔增加了PCB 板内有效布线和层间互联的数量，提高了互联密度。 而盲孔制程作为普通PCB 板及HDI 板的关键工序， 其加工质量直接影响了电子产品的质量及可靠性。

目前被广泛应用的盲孔的加工方式主要有机械钻孔和CO2激光钻孔。 机械钻孔制作的盲孔孔径一般在0.15 mm 以上， 由于机械钻孔对位不够准确， 钻头无法达到微盲孔所需的尺寸， 因此只能适用于普通PCB 板。 CO2激光成孔利用激光能够烧蚀树脂介质层而不损坏铜箔的原理， 是加工深度方向可控的盲孔的合适选择， 适宜于加工孔径为0.05～0.2 mm 的盲孔。 而无论哪种成孔方式， 成孔后的去环氧钻污或除胶渣是盲孔电镀前一个极为重要的工序， 它对孔铜与内层铜连接的可靠性起着至关重要的作用[1-3]。本文从实际的失效案例出发来解析去钻污不净引发的盲孔与内层铜的互联失效风险。

1 案例

某产品在批量生产阶段发现多批次均存在PCB 盲孔开路失效， 失效现象不稳定， 失效比率约为12%， 盲孔的成孔方式为激光钻孔。 另有与失效品同周期未焊接的PCB 光板作为比对分析。

1.1 试验程序

根据样品的失效现象及失效分析程序进行如下试验。

a） 用环氧树脂分别将失效品、 PCB 光板上的盲孔固封后， 用金相研磨机（BUEHLER Beta） 研磨出盲孔截面， 然后用金相显微镜（Olympus BX53）、 扫描电子显微 镜 和 能 谱 仪 （SEM&EDS， FEI Inspect F50&Apollo xp） 对盲孔截面进行观察及元素成分分析。

b） 垂直拉脱失效盲孔， 将失效盲孔与底部连接盘分离， 然后对连接盘界面进行金相显微镜检查， 并用扫描电子显微镜及能谱仪对连接盘界面进行观察及元素成分分析。

c） 用热机械分析仪（TMA 402F3） 对PCB 板材进行Z 轴热膨胀系数（Z-CTE） 测试[4]， 测试前样品经过105 ℃、 2 h 的烘烤。

d） 将失效品上的焊点固封后， 用金相研磨机研磨出焊点截面， 然后用扫描电子显微镜对焊点焊接界面处的金属间化合物 （IMC： Intermetallic Compound） 层进行观察和测量。

1.2 试验结果

a） 失效品

失效位置处， PCB 内部第一层与第二层线路之间的盲孔， 其底部与下层连接盘分离， 并且分离处明显可见有机物残留， 有机物的元素成分主要为碳（C）、 氧（O）、 溴（Br） 和磷（P）， 如图1 所示。

图1 失效品上失效盲孔截面结果

失效品上其他位置， 部分盲孔底部与下层连接盘之间， 其部分区域也可见分离， 如图2 所示。

b） PCB 光板

部分盲孔底部与下层连接盘之间可见缝隙，并伴随有机物残留， 如图3 所示。

图2 失效品上其他盲孔截面结果

图3 PCB 光板上盲孔截面结果

垂直拉脱盲孔后， 失效品及PCB 光板上， 其下层连接盘界面均可见明显的异物残留， 异物的主要元素成分为碳（C）、 氧（O）、 溴（Br） 和磷（P）， 与盲孔截面结果一致， 如图4 所示。

分析PCB 板材的Z-CTE， 结果可见PCB 板基材的Tg（玻璃态转变温度） 以内的CTE （α1-CTE）为4.43×10-5/℃， Tg以 上 的CTE （α2-CTE） 为2.127×10-4/℃， Z 轴膨胀百分比（PTE） 为2.87， 如图5 所示。

图4 盲孔拉脱后的下层连接盘界面结果

图5 PCB 板材的TMA 曲线

分析失效品上的焊点， 其焊料与元器件之间,以及焊料与PCB 焊盘之间的金属间化合物（IMC层） 均匀处的厚度普遍＜3.0 μm， 未见明显的IMC层过厚现象， 如图6 所示。

图6 失效品上焊点的IMC 层结果

2 分析与讨论

失效品上的失效盲孔底部与下层连接盘分离，并且分离处下层连接盘表面可见有机物残留， 主要成分为碳（C）、 氧（O）、 溴（Br） 和磷（P），与PCB 基材树脂的典型元素相近。 同时， 与失效盲孔现象一致， 失效品上未失效区域和PCB 光板内部， 其部分盲孔的部分区域也可见分离， 并且分离处也可见有机物残留。 因此盲孔底部与下层连接盘结合不良， 降低了界面结合力， 当样品受到轴向应力作用时， 此处容易发生分离造成不稳定的开路失效。

一般情况下， 与PCBA 组件制程相关的轴向应力来源主要有以下两个方面。

a） PCB 板材的耐热性能不良， Z-CTE 较大，PCB 板在焊接过程中因受热膨胀变形而引入过大的轴向热应力。 一般用于无铅回流焊接工艺的普通Tg板材（Tg温度为110～150 ℃）， 要求α1-CTE≤6.0×10-5/℃， α2-CTE≤3.0×10-4/℃， PTE≤4.0%[5]。而本案例中， 从Z-CTE 的测试结果看， PCB 板材的CTE 未见明显的异常。

b） 组件在焊接过程中由于焊接热量过高而引入过大的轴向热应力。 本案中从失效品上焊点焊接界面的IMC 层厚度结果上可排除焊接热量偏高而引入的较大的热应力。

综合以上分析， 本案中盲孔的失效主要与下层连接盘界面树脂残留， 盲孔底部与下层连接盘结合不良有关。 结合盲孔制程， 钻孔后要对孔进行清洗， 以去除残留在盲孔内部的焦状物， 增强孔壁与镀铜层的结合。 若孔清洗工序控制不当， 导致孔底残留树脂，即使少量很薄的树脂也可能会使盲孔处于半导通状态， PCB 板出货前进行通断测试（E-Test） 时， 由于测试的探针压力， 该处可能会通过测试， 但PCB 板在后续组装装配过程中的热应力或机械应力的作用下，盲孔与下层连接盘很可能会完全分离， 造成开路失效。 该类失效隐藏较深， 无法返修， 且与制程相关，往往是批次性的失效， 造成的损失较为严重。 因此有必要加强PCB 的制程管控， 可参考刚性印制板相关的性能规范标准， 如IPC-6012D、 GB/T 4588 等， 对影响质量和可靠性的关键项目建立批次性检测体系， 至少应对接收态， 特别是热应力后的盲孔、 通孔等进行金相切片观察， 直观地考察内层互联质量， 以降低产品失效风险。

3 结束语

由于盲孔制程管控不当， 孔清洗不彻底， 导致树脂残留在下层连接盘表面， 造成盲孔底部与下层连接盘之间的有效互联面积减小， 界面间结合力降低， 当样品受到轴向应力作用时， 此处容易发生分离而造成开路失效。 建议印制板在出货或使用前至少应对盲孔进行金相切片观察， 以降低盲孔与内层铜箔互联不良引发的失效风险。