智能手机用薄印制电路板技术与可靠性考虑

龚永林 摘译

本刊主编

1 序言

由IBM公司推出的IBM Simon个人通信设备标志着智能手机时代开始，其把电话功能与PDA功能相结合是一个进入新的通讯时代的里程碑。虽然这设备非常创新，但其总重量510 g、厚度38 mm，不适于存放在口袋里，只能放置于业务人员的公文包内。智能手机的功能和人机操作性标准是于消费者决定的，随着智能手机功能和审美角度的变化，带来了智能手机长度和宽度尺寸变化。图1表示自IBM Simon产生以来的智能手机尺寸变化，智能手机厚度减少成为制造商们竞争项目之一。在2012年12月时最薄手机是中国产的OPPO Findex X907型安卓系手机，厚度仅6.65 mm，然而不久中国中兴推出了厚度6.2 mm的手机。

图1 智能手机的厚度随年度变化

[译注：最新苹果iPhone 6的重量129 克，厚度6.9 mm；华为p6的厚度5.6 mm；金立ELIFE S5.1的厚度5.15 mm。2014年11月最薄OPPO R5厚 4.85 mm。同时，平板电脑也在薄型化，2014年10底上市的iPad Air2，厚度仅为6.1 mm，刷新平板轻薄纪录；11月戴尔推出了“全球最薄的平板电脑”Venue 8 7000，8.4英寸显示屏，重量306 g，厚度仅为6 mm。]

智能手机设计师们尽力追求小型化，减少手机厚度，这势必需要减少PCB的尺寸和厚度。为了适应智能手机的要求，PCB开发出了高密度互连(HDI)技术。在第一个智能手机就采用了八层刚性板，用1080#玻璃纤维布半固化片和25μm厚铜箔积层而成。现今高端智能手机的层数与此相同，但八层板厚度明显变化：在2000年时约1.2 mm以上，到2011年时约0.6 mm，到2013年时目标定在0.4 mm。

2 薄型HDI板可靠性实验设置

2.1 试验项目

为评估刚性薄型HDI板的生产工艺和产品性能，这项实验的试验样板是用三种不同的工艺方法制作的。对试验样板的可靠性试验项目设定为三项，一是再流焊试验，按照MSL水平3条件；二是温度循环试验，从低温-40℃到高温+125℃，各存放15分钟，每小时二个循环；三是高加速应力试验（HAST），在温度+130℃、湿度85%RH条件下。

[译注：MSL是Moisture Sensitivity Level湿气敏感性等级。参考J-STD-020C标准，MSL水平3再流焊试验程序是在试验样板检查合格后放置125℃烘烤24小时，再恒定温湿度30℃/60%RH存放192 h，然后260 ℃再流焊3次。]

2.2 ALIVH和HDI/FV工艺技术

制作的八层刚性HDI板总厚度小于0.5 mm，主要是考虑了两种HDI PCB生产技术。一种是HDI积层与电镀填孔结合（HDI/FV）技术，选择微导通孔堆叠结构的设计；另一种是日本松下公司在1996年发明的ALIVH技术。HDI/FV技术是传统的HDI工艺流程，包括逐层积层、机械或激光钻孔、化学镀铜和电镀铜实现层间连接，以及在电镀铜过程中填孔。ALIVH技术要点是印刷导电膏填孔实现层间连接，是对半固化绝缘层先钻孔，再在孔中填塞导电膏，然后积层，如图2所示。

图2 ALIVH PCB生产工艺流程示意图

[译注：本文制作薄型HDI板的工艺是有三种，一种是上述的HDI/FV技术，另两种是ALIVH技术延伸出的ALIVH-C和ALIVH-G，见2.5节。]

2.3 试验样板的设计

这款刚性八层试验样板为AT&S公司选定，用于常规的可靠性测试和材料鉴定，同时组合了可供多种电气和可靠性试验的附连试验板。考虑到不同制作技术的可比性，对试验样板做了区域编号。图3为试验样板及其附连试验板。

图3 试验样板及其附连试验板设计

2.5 积层和应用材料

三种试验样板制作采用不同积层方法。如表1所示，第一种（TV1）是任意层互连与镀铜填孔（HDI/FV）积层；第二种（TV2）是ALIVH-C积层，其中第2至7层是先由ALIVH积层，外层是电镀铜填孔的逐层积层工艺形成；第三种（TV3）是ALIVH-G积层，即全部任意层互连与导电膏填孔积层。

表1 试验样板制作方法与设定的厚度

这些试验样板采用的绝缘介质材料都是PCB批量生产中的标准基材，并且均强制性地选择无卤（HF）材料。绝缘材料的有关性能列于表2，所用铜层为标准处理的12 μm铜箔。

表2 所用绝缘材料的性能

3 实验程序

3.1 板子厚度测量

按图3所示的A、B两个位置测量板子厚度，位置A代表积层铜层较少的区域，位置B代表积层铜层较多的区域。测量量具为具有精确度0.001 mm的数字微米计，在室温环境下进行。测量样本是从生产批的15块试验样板中随机抽取。

3.2 再流焊试验

此再流焊试验是按照IPC/JEDEC J-020DIT规范，采用湿度敏感水平等级3（MSL3），规定的预处理条件见表3。试验样本量是从每种试验样板各取10块板。

表3 IPC/JEDEC J-STD-020D1规范的MSL3再流焊试验预处理条件

3.3 热循环试验

样板的热循环试验按照JEDEC JESD-22-A104D规范，试验条件G.2.C，具体参数见表4。试验样本是试验样板的裸板上指定的菊花链附连测试板（图4），TV1、TV2和TV3三种试验样板各抽取8块板用于试验。对每个菊花链样本都测量电阻值，测量时规定持续的时间。菊花链试验板若经过1000次温度循环后，电阻值变化不大于10%，则视为试验合格。

表4 温度循环试验参数规定

图4 热循环试验的裸板菊花链附连测试板

另外，对TV2和TV3各取4个密集区样本进行试验。密集区样本为在图3中之编号2的TCT试验区，组装有12 CT BGA288虚拟元件。在测试过程中有检测装置对每个元件进行在线监测，如果监测中没有出现故障则认定合格。

3.4 高加速应力试验(HAST)

HAST试验是按照JEDEC JESD 22-A110C规范。HAST试验应提供四项参数：温度、湿度、施加偏压、持续时间。进行HAST试验采用的参数见表5。试验板预先处理：样板经过-40 ℃到+125 ℃热循环5次，再在60 ℃和60%RH环境中存放48小时，最后用峰值温度260 ℃的无铅再流焊循环5次，然后进行HAST试验。

表5 HAST试验设定的参数

所用的附连测试板的结构，有一个微孔到微孔（V2V）的试验电路，有一个微孔到板面线路（V2P）的试验电路，及有一个梳形结构电路（每层一个梳形图形），如图5、图6所示。图7为HAST的附连测试板。总之，对8块附连测试板的各试验电路都有编号，在试验过程中连续监视电路变化和记录结果。当试验电路的电阻值下降低于106欧姆时认定为出现故障。

图5 HAST附连试验板的微孔到微孔和微孔到板面线路图形

图6 HAST附连试验板的板面层梳形结构图形

图7 HAST试验的附连测试板

4 实验结果

4.1 试验样板与板厚

试验样板最终厚度测量数据如表6所示，为15块样板的随机抽样测量值。图8和图9为试验样板（TV1、TV2）的截面剖切图。

表6 试验样板厚度值

图8 TV1(3+2+3) HDI / FV积层板截面

图9 TV2（1+ A6 +1) ALIVH-C积层板截面

4.2 再流焊性能

再流焊试验结果归纳于表7。这个结果显示HDI/FV板的性能明显比两种ALIVH积层板更好。在第三和第四次再流焊循环之间，TV2和TV3就出现许多分层，而TV1能经受15次再流焊循环。图10是一个典型的TV2和TV3发生故障的例子。

表7 薄试验样板再流焊试验结果

图10 TV3在再流焊试验后发生分层的截面

然而，必须指出，试验中不能直接看到制作工艺不同所引起的大的差异。当考虑HDI板采用新型的FR-4基材，就会有优良的再流焊性能，即使TV3试样板在MSL试验中也体现出良好性能。

若对TV2和TV3截面的缺陷作深入研究，可以看到发生分层缺陷的原因涉及到设计，大面积的铜面结构要经受再流焊试验是危险的，当然这也关系到要提高铜表面粘合性。发现的分层故障，既有绝缘基材之间分离，又有基材与铜面之间分离，分层缺陷是复杂的。要找出分层原因也有许多工作要做。然而，尽管TV2和TV3的再流焊试验表现没有达到正常生产板所需的水平，而它仍被认为是可以接受的。因为考虑到这些试验样板制作方法并没有任何的优化措施，按此工艺的发展是能达到要求的。

4.3 热循环结果

如前面叙述的，这温度循环试验是一组裸板附连试验板。在整个试验过程中观察不到试验板的故障，而只要试验板的电阻下降不要超过10%，则视为试验合格通过。

对这些试验样板进行热循环试验，结果都没有故障出现，如表8所示。

表8 热循环试验的结果

由此结果可见，热循环对薄型HDI板没有大的影响作用，不同的任意层积层制造方法都没有影响，全部测试样板都能通过100次热循环。

4.4 HAST试验结果

进行HAST试验更能看到薄型HDI板的电化学迁移状态。试验样板经过HAST试验后得到的结果汇总于表9。

表9 薄型试验样板经HAST试验的结果

表9中记录了HAST试验后缺陷数量，可见试验样板中TV1和TV2的情况要比TV3更好。

测试孔到孔（V2V）的情况，三种试验样板都没有出现故障。测试孔到板面（V2P）的情况，三种试验样板都有故障出现，而且故障出现在试验前期阶段。对有故障样板进行剖切分析，故障处并没有显示有枝状增长的痕迹，其故障原因属于制造条件不佳有残留物或污染引起的。

关于梳状结构的情况，试验结果与V2P相似，三种试验样板都有故障出现，但TV1和TV2的情况要比TV3好。全部试验样板大多数故障发生在外层（L1和L8）。

由HAST试验的试验样板的孔到板面（V2P）结构间有故障出现，从剖切面观察没有细丝增长痕迹，因此认定没有电化学迁移问题。而试验样板的梳状结构间出现故障处，有显著的铜迁移痕迹。图11是TV2样板梳状结构故障的暗场/UV图像。

图11 TV2的外层(L8)梳状结构显微镜暗场图，阻焊剂由研磨除去

相邻导体之间出现电迁移故障，这是由于铜线路之间有电位差存在而发生电迁移。然而，梳状结构上出现故障有组合因素，是铜导线间有污物残余及电迁移枝状增长都存在，结果使绝缘电阻下降。

通常，AT&S公司基于这个实验的结果都没有如枝状增长的电化学迁移状况，认为三种试验样板全部都没有危险。试验样板的制作自开始就没有针对CAF/HAST采取改善措施，因此若在批量化生产时有特别措施，那么电化学迁移状况会有显著改善。

5 结论

智能手机驱使PCB产品厚度减少，目前所用的HDI板都考虑采用八层任意层互连微孔堆叠结构设计模式，板子厚度一般为0.6 mm，而从2013年起刚性八层HDI板厚度减少趋于0.4 mm。本文研究说明，目前选用有效的基材和制造工艺，已可以制作八层任意层互连HDI板，板子厚度小于0.5 mm。

对于这些采用不同制造方法的HDI板，无论是电镀铜填孔积层技术还是ALIVH技术，都是成功的，并且制作板子厚度在0.443 mm与0.512 mm之间。证实应用ALIVH与外层积层电镀填孔相结合，称为ALIVH-C工艺也是成功的。AT&S制造HDI板已有20年经验，在2011年开始引入ALIVH技术，在实践中改进ALIVH技术制作出薄型HDI板。

从整个可靠性研究实验结果来看是可接受的，相比较现有电镀铜填孔积层比ALIVH积层优良。可看到，再流焊敏感性试验是特別切合实际，在HAST试验中三种试验样板的电化学迁移性都较少，最后的温度循环对试验样板都没有产生故障。

在此总结，本实验所用薄型HDI板制造技术通常全部是可靠的。对于非常薄HDI板制造的进一步工作是集中于达到潜在的功能需要，如电性能和成本问题。（本文摘译自PCB Magazine 2014/10期的Thin PCBs for Smartphones ： Technology & Reliability Considerations一文，有删减，并对章节重作了编排。）