盲孔脱垫问题分析及改善方法研究

文/深圳崇达多层线路板有限公司  张盼盼 王佐

【摘 要】 在高密度互连（HDI）印制板的生产过程中，盲埋孔设计是层间互连的基础，通过盲埋孔的金属化镀铜层实现与内层线路的导通。盲孔脱垫问题是常见的盲孔铜层与底部连接盘分离的品质缺陷。本文简要介绍一款3阶HDI板出现的盲孔脱垫问题，通过对激光盲孔厚径比、压合叠构、工艺流程及生产成本等方面的分析，提出一种有效解决盲孔脱垫问题，并节约成本的方法。
【关键词】HDI；盲埋孔；脱垫损害；激光盲孔

一、前言
随着电子产品高频化、微型化、多功能、高精度和智能化的发展，带动了上游PCB行业的飞速发展。高密度互连（HDI）印制板以其高密度互连特性，及可缩小电路板面积、减小板厚及重量、增加封装电子零件的装配密度、更好的电气性能和信号完整性等优点，越来越被广大客户所青睐。HDI和传统电路板最大的不同处，在于HDI的立体化电路设计，以盲孔（Blind Hole）与埋孔（Buried Hole）来取代部分导通孔。盲埋孔的制作多数采用镭射钻盲孔、电镀填盲孔的方式实现层间线路连接。本文针对某款3阶HDI板存在的盲孔脱垫问题，通过优化盲孔厚径比、调整压合结构、优化工艺流程等方式，对HDI板盲孔脱垫问题进行分析及改善，以达到解决品质问题和降低生产成本的效果。

二、问题描述
我公司近期研发的某款3阶HDI板，主要应用于ATM 机的数字键盘控制盒安全模块。键盘控制盒内共有2类PCBA，其中1款为键盘触控板，另一款为触控板下面的安全控制板。该安全控制板工作原理为：PCBA两端设有安全感应键与ATM机相连，当有外界破坏/机械入侵时，设备感应并向安全控芯传输入侵信号，BGA启动自毁模式，格式化记忆，ATM自动关停，无法再启，此板用途属于智能工控类。该产品经第三方实验室的切片分析结果可知，盲孔脱垫开路不良发生在第一阶盲孔（L5-6层间盲孔）。以下为叠构图及盲孔不良图片。

可见，L5-6层介厚与L6-7层介厚相同，但孔径不同，L5-6层的孔径为0.125mm，L6-7层的孔径为0.15mm。相对于L6-7层盲孔，L5-6层盲孔更容易出现品质问题。

三、激光盲孔和机械盲孔结构对比测试
3.1 原叠构基础上优化盲孔厚径比（激光盲孔）
通过与同类产品压合结构的对比，以及查询客户对压合结构的要求可知，该客户对层间介质厚度没有要求，但此板属于智能工控类产品，按照IPC标准，层间介质厚度需要≥0.09mm。客户重点要求完成板厚为1.6mm，同时，要求接地层L4与信号层L7之间的介质厚度≥0.25mm。从原始压合叠构图可以看出，L4-5层使用一张0.66mm的芯板压合，因此，信号层L4与接地层L7之间的介厚远远大于0.25mm，根据以上客户信息及IPC标准，可以通过改变介厚及盲孔孔径对盲孔厚径比进行优化。
按照现有的生产流程，将L2-7层的树脂塞孔更改为L4-5层的树脂塞孔，加L2-3/L3-4和L5-6/L6-7层间的盲孔。可以对盲孔厚径比进行优化，优化后保证完成板厚在客户要求的板厚公差范围内。具体可采取以下4种优化方案：
方案1.压合PP不更改，只将L5-6层间的盲孔孔径由0.125mm改为0.150mm，减小盲孔厚径比，按照测试结果，盲孔厚径比由0.90减小到0.75，有利于盲孔内药水的交换，如图1所示。

备注：此方案，不需要更改任何物料，仅需要更改L5-6层间的盲孔钻孔资料，对板厚及成本均没有产生影响。

方案2.盲孔孔径不更改，只将L5-6和L3-4层间的压合PP由两张106PP改为单张1080H，其他层间压合PP不变；更改后，完成板厚将会减少0.05mm左右，板厚范围在客户要求的公差范围内（客户要求的板厚及公差为：1.6mm±10%），如图2所示。

备注：更改后会对完成板厚产生影响，但是，减少两张PP，可以节约生产成本。

方案3.盲孔孔径不更改，只将L5-6和L3-4层间的压合PP由两张106PP改为两张1037PP，其他层间压合PP不变，更改后，完成板厚将会减少0.07mm左右，板厚范围在客户要求的公差范围内（客户要求的板厚及公差为：1.6mm±10%），如图3所示。

备注：1037类型的PP为非常规物料，需要重新申购，且价格比106PP贵25%；使用1037PP压合后，完成板厚也会受到影响。

方案4.盲孔孔径不更改，只将L5-6和L3-4层间的压合PP由两张106PP改为单张2113PP， 单张2113PP比两张106PP压合后，介质厚厚度偏小0.01mm，完成板厚减小0.02mm，板厚在客户要求的公差范围内（客户要求的板厚及公差为：1.6mm±10%），如图4所示。

备注：2113PP片比106PP使用的玻璃纤维布粗，因此激光钻孔的孔型不如106PP的好，将会对盲孔的沉铜和填孔有一定的影响。
小结：上述4种优化方案，按照激光盲孔的制作方法，在保证压合总板厚符合客户要求的前提下，变更盲孔层的介厚，使厚径比变小，以利于盲孔沉铜电镀，提高盲孔的可靠性；但方案2和方案4盲孔层使用单张PP压合后，介质厚度小于0.09mm，工业控制领域IPC标准要求介质厚度≥0.09mm，因此，方案2和方案4不符合IPC标准。方案3在物料的申购和价格方面没有优势，所以，综合考虑，方案1中提到的激光盲孔优化方法具有更大的优势。
3.2 改变压合叠构（机械盲孔）
下图为激光盲孔和机械盲孔的压合叠构图：

改变压合叠构，并将激光盲孔更改为机械盲孔，如图5所示。压合结构优化前后的生产流程及生产成本对比，如下表所示：

从上表可知，原生产流程共有66个步骤，优化方案一（激光盲孔）总流程为58个，比原流程少了10个步骤，成本比原流程降低了286.3元/m2；优化方案二（机械盲孔）总流程为48个，比原流程少了18个步骤，成本比原流程降低了402.63元/m2。因此，在生产成本上，方案二（机械盲孔）优于方案一（激光盲孔），方案一（激光盲孔）优于原生产流程。

四、实验测试
4.1 制作成本及制作工艺对比
经计算可知，方案一（激光盲孔）所需成本2455元/m2，方案二（机械盲孔）成本为2339元/m2，而两种方案的制作工艺成果，如图6所示。

这两个方案之间各有优势：方案一（激光盲孔）在原叠构基础上降低了盲孔厚径比，降低了盲孔脱垫的风险；减少了一次砂带磨板，降低了制作难度。而方案二（机械盲孔）减少盲孔脱垫的风险，而且层间均使用两张PP片，每层之间的介厚均＞0.09mm，符合IPC标准；总体来看，它与我司流程相比减少了18个主要流程，整体降低综合成本。
但不得不说的是，方案二（机械盲孔）也是存在缺点的。1、采用单向增层法，L8层经过3次全板电镀，由于铜厚均匀性问题，导致L8层蚀刻难度较大；2、使用单向增层压合，不易控板曲；3、2次树脂塞孔，孔口披锋造成包覆铜不合格，也有可靠性风险存在。

4.2 良率对比

4.3 回流焊测试
方案一（激光盲孔）与方案二（机械盲孔）各取10pcs板进行回流焊可靠性测试，测试方法为：测试温度290℃，分别过3次、6次、10次、20次回流焊后进行四线测试。具体的测试结果如下所示：

4.4 回流焊+浸锡测试
方案一（激光盲孔）与方案二（机械盲孔）各取10pcs板进行回流焊＋浸锡测试，测试方法为测试温度290℃，回流焊10次，加上288℃，10s，浸锡10次后进行四线测试。具体的测试结果如下：

根据以上对比结果，建议选择方案一，即：在我司原叠构基础上将L5-6层间的盲孔孔径由0.125mm改为0.15mm，通过减小盲孔厚径比的方法优化激光盲孔制作。该方法的制作成本比原流程降低了286.3元/m2，且有效降低了盲孔脱垫的风险，通过可靠性测试，证明产品具有较高的可靠性。