印制电路板激光钻孔工艺副产物的影响分析

2022-02-25蔡金锋杨海云

印制电路信息 2022年2期

陈俊蔡金锋杨海云

（生益电子股份有限公司，广东东莞 523127）

0 前言

印制电路板（PCB）产品加工流程冗长，各个流程工艺和设备都各不相同，随着客户端产品的多样化设计，要求PCB加工厂家的加工工艺也必须跟上设计的步伐。随着5G时代的来临，光模块产品（后面泛指PCB）对表观的要求极高，尤其对于有键合金线要求类型的产品，COB（Chip on Board）区域表面平整度直接影响芯片贴装和金线键合的质量，因此对生产过程的控制非常重要。随着终端客户需求的不断发展，高端光模块产品的设计呈现多样化、创新化和复杂化，如埋铜块和埋陶瓷设计、含阶梯槽且槽底为COB区域设计等，对流程、工艺设计及过程管控的要求更高。在制作这类阶梯槽设计的光模块产品时，出现了一种特殊的铜面凹坑缺陷（如图1所示），在不断的探索和验证中，找到了此缺陷产生的根本原因，并发现了一种激光加工过程中产生的曾被忽视的微小副产物，对其产生过程加以分析推理验证，并针对此缺陷模式进行改善。

图1 COB区域铜面凹坑缺陷的缺陷模式

1 缺陷模式分析

1.1 铜面凹坑缺陷特点

铜面凹坑形状为规律的正圆形，面积微小肉眼难以识别，在40倍体视镜及100倍镜下可以明显观察到，位置随机，使用3D显微镜和切片测量，凹坑直径大小约9.78 μm～29.72 μm（图2中测量为半径），凹坑深度约4.61 μm～19.98 μm。

图2 3D显微镜测量半径及深度

1.2 产品流程简介

1.2.1 设计特点

此产品为2阶HDI，有盲孔填平要求，板内均有阶梯槽设计，且阶梯槽底部为DB区域，槽壁为NPTH设计，DB区域周围有一圈WB Pad用来金属线键合连接PCB与芯片，铜面上的任何凹坑都可能导致键合失效。

1.2.2 流程设计

正常HDI板流程设计，阶梯槽采用激光钻孔加工制作，具体流程见图3所示。

图3 工艺流程图

2 缺陷原因分析

2.1 流程筛查

经过初步的流程排查过程后，分析可能会造成这种缺陷的三个关键流程。

对这三个流程进行针对性测试，从中找出造成铜面圆形凹坑的真正原因。

关键流程一：电镀加厚至陶瓷磨板段，电镀加厚时发现板面小铜粒较多，经过陶瓷磨板，有可能将铜粒磨掉后形成凹坑见表1所示。

表1 模拟实验1测试条件

关键流程二：外层干膜至外层蚀刻段，外层蚀刻过程中可能有某种因素导致药水渗蚀形成凹坑见表2所示。

表2 模拟实验2测试条件

关键流程三：激光开槽至水平除胶段，水平除胶的不锈钢行辘较重，可能对板面压伤形成凹坑见表3所示。

表3 模拟实验3测试条件

流程排查结果：激光开槽至去毛刺水洗段会产生类似铜面圆形凹坑，需要对此段进行重点分析。

2.2 铜面圆形凹坑微观分析

在用3D显微镜观察铜面凹坑缺陷时，发现有部分“凹坑”并非凹陷下去，实际是凸出的，为了进一步验证，采用SEM（扫描电子显微镜）放大2000倍进行观察，发现部分凹坑里面镶嵌着圆形颗粒，如图4所示。同时对圆形颗粒进行元素分析，发现此物质成分类似于玻璃的成分，可能是板材中的物质成分—玻璃纤维布。玻璃纤维在板材中承担着补强材料的角色，是一些无机混合物经过高温熔融再经抽丝冷却成一种非结晶结构，具有高强度、抗热性、抗化性、防潮、绝缘性、热膨胀低等优秀特点。根据激光开槽加工特点，推测可能是导致玻璃纤维布形成这种颗粒的原因见表4所示。

图4 铜面圆形凹坑微观分析

2.3 激光开槽副产物

激光开槽工艺： CO2激光直接加工阶梯槽的方法，将开槽位置铜皮开窗，采用激光高能量烧蚀基材至目标铜层，有加工精度高，效率高等优点。其原理同激光钻孔，它主要靠光热烧蚀，在极短的时间加热到熔化并蒸发掉基材，并有碳化物产生，和激光开槽生产后发现铜面有杂物产生同理。并且在200倍显微镜下，不仅有黑色碳化物，发现有很多白色圆形颗粒物夹杂其中，通过对板面杂物进行SEM 2000倍观察，观察结果如图6所示。可以看到有明显圆形颗粒状物质黏附在板面，元素分析与前面凹坑内的圆形颗粒一致，可以初步判定圆形颗粒来自激光开槽时的副产物。

图6 激光开槽后板面杂物微观分析

2.4 激光开槽副产物来源

为了验证圆形颗粒与板材中玻璃纤维的关系，使用SEM观察，在阶梯槽边缘玻纤位置有明显的圆形球状，这是激光高温烧结的结果。对此位置进行元素分析（见图7所示），结果显示与上述两次的元素分析一致，因此可以判定圆形凹坑中的圆形颗粒来源于板料中的玻璃纤维，凹坑中的颗粒其实就是体积非常微小的玻璃球。推测玻璃球的产生过程：在激光开槽加工阶梯槽过程中，激光的高能量烧蚀板材，使板材部分成分汽化和碳化并向四周溅射，同时玻璃纤维受热熔融成液态伴随基材一同溅射，部分随设备抽气排出，部分冷却凝结成大小不一的球形玻璃颗粒，在重力作用下掉落附着在板面上，如图8所示。