112Gbps高速材料板内层互连缺陷问题探究.pdf
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1、57图形形成与产品检测 Graphic formation and Inspection 2023春季国际PCB技术/信息论坛112 Gbps高速材料板内层互连缺陷问题探究 Paper Code:S-112 陈春华 滕 飞 江伟鸿 邹金龙(崇达技术股份有限公司,广东 深圳 518132)摘 要 随着5G网络的扩展和6G 技术发展快速推进,传输速率需求也从56 Gbps逐步攀升到112 Gbps,各板材生产商也陆续推出112 Gbps级别的高速材料。因112 Gbps高速材料相比56 Gbps高速材料的树脂体系发生变化,在板材认证过程中发现不同材料厂商推出的112 Gbps级别的高速材料均发现内
2、层互连缺陷(Inner Connection Defect,以下简称ICD)问题。文章将探究产品结构、钻孔及除胶工序对ICD产生的影响,通过试验验证的方法解决改善该级别高速材料的ICD问题,为112Gbps高速材料的加工提供技术参考。关键词 高速材料;内层互连缺陷;产品结构;钻孔;除胶 中图分类号:TN41 文献标识码:A 文章编号:1009-0096(2023)增刊-0057-19 Study on inner connection defect of 112 Gbps high speed materialChen Chunhua Teng Fei Jiang Weihong Zou Ji
3、nlong Abstract With the expansion of 5G network and the development of 6G technology,the transmission rate demand has also been rising from 56 Gbps to 112 Gbps,and the manufacturers of the copper clad laminate manufacturer have launched 112 Gbps high-speed materials.Because the resin system of 112 G
4、bps high-speed material has changed compared with 56 Gbps high-speed material,it is found that the ICD problem is found in the 112 Gbps high-speed material launched by different material manufacturers during the plate certification process.This paper will explore the impact of product structure,dril
5、ling and desmear gprocess on ICD,solve the ICD problem of this level of high-speed material through experimental verification,and provide technical reference for the processing of 112 Gbps high-speed material.Key words High Speed Material;Inner Connection Defect;Product structure;Drilling;Desmear0 前
6、言随着5G网络的扩展和6G 技术发展快速推进,传输速率需求也从56 Gbps逐步攀升到112 Gbps,各板材生产商也陆续推出112 Gbps级别的高速材料。因112 Gbps高速材料相比56 Gbps高速材料的树脂体系与玻璃布发生变化见表1,在我公司板材认证过程中发现型号为*95U、*P4、*92K2、*43SR等不同材料厂商推出的112 Gbps级别的高速材料均发现内层互连缺陷(Inner Connection Defect,以下简称ICD)问题,ICD问题在电测工序较难有效拦截,往往是流到下游甚至是客户端,在进行SMT贴装过程,PCB板经历无铅回流焊、波峰焊接等高温制程的冲击下,发生内层
7、互联失效开路,因此会产生极大的品质风险。注:112 Gbps级别高速材料树脂为保密成分如下表2为测试过程中发现的不同内层铜厚垂直切片ICD图示,图1为ICD处SEM图,图2为EDS元素分析结果,可见2023春季国际PCB技术/信息论坛58图形形成与产品检测 Graphic formation and Inspection除Cu元素外,主要含C与Si元素,可以初步判断为树脂与填料去除不净导致的ICD问题。表2 不同内层铜厚垂直切片ICD图示图1 ICD处SEM图文章就其中一款112 Gbps高速材料板,探究其产品结构、钻孔及除胶工序对ICD产生的影响,并通过试验验证的方法改善该级别高速材料的IC
8、D问题,为112 Gbps高速材料的加工提供技术参考。表1 56 Gbps与112 Gbps高速材料对比级别 56 Gbps 112 Gbps 铜箔 HVLP1/HVLP2 HVLP3 主体树脂 PPO聚苯醚树脂体系*碳氢树脂体系1 主体填料 化成法球硅 化成法球硅 玻璃布 第1代低介电玻纤布(L1/NE-glass)第2代低介电玻纤布(L2/NER-glass)内层铜厚 70 m 35 m 17.5 m ICD图示 正常内层互连图示 59图形形成与产品检测 Graphic formation and Inspection 2023春季国际PCB技术/信息论坛1 试验条件1.1 试板参数试验板
9、尺寸为:457.2 mm609.6 mm。试验板结构为:层数32层,板厚4.8 mm,最小孔径0.25 mm,厚径比19.2:1。1.2 评估标准参考标准IPC-600J:IPC 1级标准:存在轻微的局部内层分离,夹杂物在每个连接盘位置的一侧孔壁,不超过每个有效连接盘的20%;IPC 2,3级标准:孔中内层铜箔与镀层之间没有分离,铜镀层与内层铜箔直接接合。文章均以IPC 3级要求作为标准。1.3 评估方法切片形式:水平切片,如表3所示;数据统计:每层统计250-300个孔的ICD情况,并计算出ICD占比。表3 水平切片不同程度ICD图示图2 EDS元素分析结果ICD程度 无ICD 轻微程度IC
10、D 严重程度ICD 典型图示1 典型图示2 2023春季国际PCB技术/信息论坛60图形形成与产品检测 Graphic formation and Inspection2 产品结构及钻孔参数对ICD的影响试验针对112 Gbps高速材料板认证过程中出现的ICD问题,下面将分两组试验探究产品结构及钻孔参数对ICD的影响,并尝试对影响原因进行分析。试验分别为:Pitch、密集孔类型、内层铜厚分布、内层铜位置和内层铜厚等产品结构对ICD的影响;钻刀孔限及钻孔分段数等钻孔参数对ICD的影响。2.1 实验设计2.1.1 钻孔与除胶固定加工参数钻孔与除胶固定加工参数详见表3与表4:表3 钻孔与除胶固定加工
11、参数2.1.2 钻孔与除胶试验参数表4 钻孔与除胶试验参数(1)不同密集孔类型内层图形如图3与图4所示:图3 BGA密集孔内层图形 图4 散热密集孔内层图形(2)不同密集孔类型内层铜厚分布如表5所示:工序 类型 参数 钻孔条件 进刀速 19 mm/s 转速 98 krpm 钻刀类型 双刃单槽涂层钻针 分段钻方式 抬出式分段钻 除胶条件 化学除胶方式 水平除胶 等离子除胶时间 45min 因素 水平 pitch/mm 密集孔类型 内层铜厚分布 钻刀孔限/个 钻孔分段数 水平 1 0.55 BGA密集孔 全铜 500 2 水平 2 0.65 散热密集孔 半铜 750 3 水平 3 0.80/1 0
12、00/61图形形成与产品检测 Graphic formation and Inspection 2023春季国际PCB技术/信息论坛2.2 产品结构及钻孔参数对ICD的影响结果与分析表6 不同产品结构及钻孔参数对ICD的影响统计2.2.1 内层铜位置对ICD的影响分析试验1-1中L2L31层的ICD占比情况,如图5所示,入刀口(L2L11)ICD占比19.9%最严重,孔中(L12L21)ICD占比3.9%次之,而出刀口(L21L31)无ICD情况。取试验1-1钻孔后切片观察孔内胶渣情况,结果如下图所示,入刀口位置内层铜完全被胶渣覆盖,孔中位置内层铜存在轻微胶渣覆盖,出刀口位置内层铜则光亮洁净未
13、发现有胶渣覆盖情况,这也与ICD在内层铜位置出现的概率相符合。对比入刀口与出刀口位置胶渣覆盖情况,进一步可优化钻孔参数改善入刀口ICD问题,而孔中位置则通过优化除胶参数解决ICD问题。表5 全铜密集孔与半铜密集孔内层铜厚分布表5 全铜密集孔与半铜密集孔内层铜厚分布层数L2L3L4L5L6L7L8L9L10L11L12L13L14L15L16全铜密集孔/m357035703517.53517.53517.53517.5353535半铜密集孔/m/70/70/17.5/17.5/17.5/17.5/35/层数L17L18L19L20L21L22L23L24L25L26L27L28L29L30L31
14、全铜密集孔/m17.53517.5353517.5353535353570357035半铜密集孔/m17.5/17.5/35/35/35/35/35/35L917.5ICD 占比24.00%L1035ICD 占比4.50%L1117.5ICD 占比23.81%L1235ICD 占比7.22%L1317.5ICD 占比14.29%L1435ICD 占比1.36%L1535ICD 占比1.00%L1635ICD 占比1.10%L1717.5ICD 占比8.93%L1835ICD 占比0.00%L1917.5ICD 占比5.24%L20-L31ICD 占比0.00%L2-L7 平均ICD 占比22.
15、71%17.32%5.21%7.12%2.88%1.14%1.33%2.03%7.17%层数铜厚/m试验编号1-11-21-31-41-51-61-71-81-9Pitch/mm0.550.650.800.550.800.800.800.800.55密集孔类型BGABGABGA散热孔散热孔BGABGABGABGA内层铜厚分布全铜全铜全铜全铜全铜半铜半铜半铜全铜钻刀孔限5005005005005005007501000500钻孔分段数333333332L235ICD 占比12.78%10.77%8.75%0.36%0.00%/0.00%L370ICD 占比7.50%6.67%0.00%0.33%
16、0.36%0.00%0.00%0.00%0.83%L435ICD 占比57.75%47.60%9.15%21.71%9.90%/6.15%L570ICD 占比12.00%8.46%0.00%3.08%0.00%0.00%0.00%0.77%1.79%L635ICD 占比12.21%6.43%0.00%6.00%0.00%/8.04%L717.5ICD 占比34.00%24.00%13.33%11.23%7.00%3.43%4.00%5.33%26.19%L835ICD 占比8.13%/2023春季国际PCB技术/信息论坛62图形形成与产品检测 Graphic formation and Ins
17、pection图7 钻孔后入刀口SEM图2.2.2 内层铜厚对ICD的影响分析试验1-1中不同内层铜厚的ICD占比情况,如图6所示,内层铜厚为17.5 m的 ICD占比15.8%最严重,35 m与70 m的 ICD分别占比5.6%和4.9%次之,随着内层铜厚减小,ICD发生概率增大,这可能是由于内层铜厚越薄,越容易受到钻刀的拉扯,内层铜上更容易覆盖树脂,从而增大ICD发生的概率。图6 内层铜厚对ICD的影响图5 内层铜位置对ICD的影响63图形形成与产品检测 Graphic formation and Inspection 2023春季国际PCB技术/信息论坛2.2.3 pitch对ICD的影
18、响分析试验1-1、1-2和1-3不同pitch大小的ICD占比情况,如图10所示,pitch从0.55 mm增至0.8 mm,L2L7平均ICD占比从22.71%降到5.21%,这可能由于pitch越大,比表面积越大,单位孔内接受的等离子气体越多,除胶量也越大,ICD占比就越低2。图10 pitch大小对ICD的影响2.2.4 密集孔类型对ICD的影响分析试验1-1、1-3、1-4和1-5不同密集孔类型的ICD占比情况,如图11所示,密集孔类型从BGA密集孔变为散热密集孔,L2L7平均ICD占比从14.0%降到5.0%,这可能由于铜的导热系数为401 W/mK比树脂的0.2 W/mK大得多,B
19、GA内图8 钻孔后孔中SEM图图9 钻孔后出刀口SEM图2023春季国际PCB技术/信息论坛64图形形成与产品检测 Graphic formation and Inspection层为单个铜环热量聚集不易降低,而散热孔内层为大铜皮散热更容易,钻刀峰值温度相对更低,产生胶渣更少,从而减少ICD产生的概率3。图11 密集孔类型对ICD的影响2.2.5 内层铜厚分布对ICD的影响分析试验1-1和1-6不同内层铜厚分布的ICD占比情况,如图12所示,内层铜厚分布从半铜改为全铜,L2L7平均ICD占比从1.1%升到22.7%,这是由于内层总铜厚越厚,钻刀磨损越严重,钻孔时峰值温度也越高4,产生的胶渣量也
20、越多,ICD发生概率就越高。图12 内层铜厚分布对ICD的影响2.2.6 钻刀分段钻次数对ICD的影响分析试验1-1和1-9不同分段钻次数的ICD占比情况,如图13所示,钻刀分段钻次数从2次升到3次,L2L7平均ICD占比从7.2%升到22.7%,这是可能是由于分段钻次数越多,钻刀在同一孔内来回的次数也越多,内层铜被涂抹的胶渣的概率越大,ICD发生概率也就越高。2.2.7 钻刀寿命孔限对ICD的影响分析试验1-6、1-7和1-8不同钻刀寿命孔限的ICD占比情况,如图14所示,钻刀寿命孔限从500孔升至1 000孔,L2L7平均ICD占比从1.1%升到2.0%,这是由于钻刀寿命孔限越大,钻刀磨损
21、越严重,钻孔时峰值温度也越高,产生的胶渣量也越多,ICD发生概率就越高。65图形形成与产品检测 Graphic formation and Inspection 2023春季国际PCB技术/信息论坛图13 分段钻次数对ICD的影响图14 钻刀孔限对ICD的影响2.3 试验小结(1)基于以上测试条件可知,ICD只出现在入刀口与孔中位置,出刀口无ICD情况;(2)Pitch越小,内层铜厚越小,钻刀分段钻次数越大,钻刀寿命孔限越大,ICD发生概率越大;(3)密集孔类型为BGA相比散热孔的ICD发生概率更大,内层铜厚分布为全铜相比半铜的ICD发生概率更大;(4)基于以上几点,板内是否存在ICD问题,应
22、以板内最小pitch、密集孔类型为BGA、内层铜厚分布为全铜类型的密集孔作为的评判标准。3 钻孔与除胶参数的优化试验3.1 实验设计3.1.1 钻孔与除胶固定加工参数(1)转速:基于前期测试,增大转速可提升孔壁质量,但会随着转速的提升,孔壁钻污在等离子处理后的存在量越多。低转速的钻孔加工参数能够减少孔壁钻污产生量5;转速太低时微孔入口圆度误差大,而且孔壁质量较差,因此转速暂定为98 krpm;(2)寿命孔限:由2.2.7可知,寿命孔限越大ICD发生概率越大,寿命孔限定为 500孔;(3)钻孔分段数:由2.2.6可知,钻刀分段钻次数越多ICD发生概率越大,暂不研究更高的分段数;虽然分段数为2有2
23、023春季国际PCB技术/信息论坛66图形形成与产品检测 Graphic formation and Inspection利于减少ICD发生的概率,但是本实验的厚径比较高,孔位精度会下降,而且断刀概率会增大,分段钻次数定为3次;(4)内层铜厚分布:由2.2.5可知,全铜相比半铜的ICD发生的概率更高,更容易验证,内层铜厚分布选择全铜;(5)密集孔类型:由2.2.4可知,BGA密集孔相比散热密集孔的ICD发生的概率更高,更容易验证,密集孔类型选择BGA密集孔;(6)等离子除胶时间:由2.2.1可知,需增大除胶量,等离子除胶时间从45 min增长至60 min。综上所述,钻孔与除胶固定加工参数如表
24、7所示:表7 钻孔与除胶固定加工参数3.1.2 钻孔与除胶试验参数(1)由2.2.1与2.2.6可知,入刀口位置内层铜胶渣覆盖严重,可改变分段钻方式以减少钻刀在内层铜上来回涂抹,进一步可通过测试不同分段方式对 ICD的改善情况。(2)由2.2.4与2.2.5可知,降低钻刀温度有利于减少ICD的发生,进一步测试不同进刀速对 ICD的改善情况。(3)从图7-8可知,此级别高速材料钻孔切屑时受到高温更容易软化而粘附涂抹在孔壁上,钻孔后内层孔壁有大块胶团粘附涂抹,并有大量玻纤碎屑与填料颗粒镶嵌在内层铜上,如不在等离子前清除内层铜上粘附的大块胶团与镶嵌的玻纤碎屑和填料颗粒,就无法杜绝ICD问题的产生,进
25、一步需在等离子前增加一次化学除胶流程测试其对ICD的改善情况。综上所述,钻孔与除胶参数的优化试验如表8所示:表8 钻孔与除胶参数试验表 不同化学除胶次数流程:1次化学除胶流程:钻孔等离子除胶水平化学除胶沉铜电镀2次化学除胶流程:钻孔水平化学除胶等离子除胶水平化学除胶沉铜电镀 不同分段钻孔方式如15与图16所示:3.2 钻孔与除胶参数对ICD的影响结果与分析3.2.1 等离子除胶时间对ICD的影响分析试验1-1与 2-5的L2L9的平均ICD占比,如图17与图18,等离子除胶时间从45 min提升至60 min除胶量从0.692 mg/cm2增至0.963 mg/cm2,平均ICD占比从21.0
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