HDI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）

0 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。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Ⅱ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。

图1 摄像模组PCB实物

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+Ⅱ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 μm（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。

图2 8层HDI板结构

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。

图3 爆板因素鱼骨

（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。

图4 saikongban⁃1压程

（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 μm，成品理论厚度为60.0 μm±7.5 μm，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 μm，实际切片量测L2-L3/L6-L7 层厚度仅为46 μm 和49 μm。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。

图5 HDI板埋孔爆板位置切片

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 μm，双面填胶厚度为1.50 μm。填胶层PP为1 080（RC 63%），理论厚度100%，残铜率75 μm，玻纤布厚度为46 μm，理论单面胶厚为15 μm。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 mm×8 mm=64 mm²，如图6所示。

图6 HDI板的芯板埋孔

（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 mm－0.035 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

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=3.140×0.164²×0.567×82=3.928 mm³。

（4）面积单位下所需填胶厚度计算表达式为

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。