周帥林，孟凡義，張領(lǐng)，李國有，滕少磊

（清河電子科技（山東）有限責(zé)任公司，濟(jì)南 250000）

0 引言

有機(jī)封裝基板主要由有機(jī)材料制成，其具有成本低、加工性能好、重量輕的特點(diǎn)，被用于承載半導(dǎo)體芯片，有機(jī)封裝基板通過布線設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了芯片與PCB 的互連，也為散熱提供通道。作為芯片與PCB 的載體，有機(jī)封裝基板具有介電常數(shù)低、質(zhì)量密度低、加工工藝穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高和成本低等優(yōu)點(diǎn)[1]，被廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)，是現(xiàn)階段市場占有率最高的基板。

有機(jī)封裝基板的可靠性受多種因素影響，如溫度、濕度、機(jī)械應(yīng)力和化學(xué)腐蝕等，導(dǎo)致其在使用過程中容易出現(xiàn)失效，從而限制其進(jìn)一步發(fā)展?？椎组_裂、離子遷移、焊點(diǎn)開裂是影響有機(jī)封裝基板可靠性的主要不良模式，在實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)頻率較高。因此，對不良模式進(jìn)行分析并研究提升有機(jī)封裝基板可靠性的方法，對整個(gè)行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。本文針對孔底開裂、離子遷移、焊點(diǎn)開裂3 種不良模式進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，提出更加有效的制程控制措施。

1 有機(jī)封裝基板的工藝流程及常用材料

1.1 有機(jī)封裝基板的典型工藝流程

有機(jī)封裝基板以FCBGA 基板為代表，其制備工藝流程如圖1 所示，在芯板的制造過程中，采用全板電鍍工藝增加孔壁厚度，再采用樹脂塞孔工藝填充機(jī)械孔，隨后在整個(gè)板面鍍銅，經(jīng)過曝光、顯影、蝕刻及褪膜處理形成線路。采用半加成工藝實(shí)現(xiàn)增層，對內(nèi)層基板進(jìn)行超粗化處理，以增強(qiáng)介質(zhì)和下層金屬線路間的結(jié)合力，在基板兩面貼上增層介質(zhì)，采用激光技術(shù)進(jìn)行鉆孔，對介質(zhì)表面進(jìn)行除膠處理，清除鉆孔產(chǎn)生的殘?jiān)?，以形成均勻的、具有納米級(jí)粗糙度的表面，在孔內(nèi)及介質(zhì)表面沉積1 層化銅層，再經(jīng)過貼膜、曝光、顯影、圖形電鍍、褪膜和閃蝕等一系列工藝，最終形成增層線路。

圖1 FCBGA 基板的制備工藝流程

1.2 常用樹脂材料

為了使有機(jī)封裝基板在多次高溫處理下保持穩(wěn)定，避免出現(xiàn)爆板，增強(qiáng)耐金屬離子遷移性，確保微細(xì)線路的精確度和提高信號(hào)傳輸速度，樹脂基材需要具備更高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg、更好的耐吸濕性、更低的熱膨脹系數(shù)（CTE）和介電常數(shù)等。常用的增層介質(zhì)材料包括雙馬來酰亞胺-三嗪樹脂（BT 樹脂）、半固化片、涂樹脂銅箔和ABF 膜等，其中BT 樹脂是以雙馬來酰亞胺和三嗪為主要成分，并加入環(huán)氧樹脂、聚苯醚樹脂、烯丙基化合物等作為改性成分，最終形成的熱固性樹脂，常用樹脂材料的分子結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 常用樹脂材料的分子結(jié)構(gòu)

2 不良模式的分析及控制

2.1 孔底開裂

在有機(jī)封裝基板中，采用填充銅的微孔實(shí)現(xiàn)層與層之間的垂直連接，采用激光鉆孔技術(shù)制造微孔，并采用化學(xué)沉銅和電鍍銅等工藝填充微孔?？椎组_裂是指封裝基板的盲孔銅層與底部連接盤分離的現(xiàn)象，典型的孔底開裂如圖3 所示，孔底開裂將嚴(yán)重影響線路的電氣信號(hào)傳輸，導(dǎo)致產(chǎn)品功能失效。

圖3 典型的孔底開裂

2.1.1 孔底開裂機(jī)理

隨著有機(jī)封裝基板功能的多樣化，為了滿足復(fù)雜的布線需求，堆疊微孔應(yīng)運(yùn)而生。堆疊微孔需要承受較大的機(jī)械應(yīng)力，特別是在熱可靠性測試階段。不同材料具有不同的CTE，CTE 不匹配導(dǎo)致應(yīng)力產(chǎn)生，介質(zhì)層的CTE 大于銅層的CTE，層間絕緣層在垂直于基板表面的方向上產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，在內(nèi)應(yīng)力的作用下，電氣可靠性在一定程度上取決于堆疊微孔互連的熱機(jī)械穩(wěn)定性。

2.1.2 孔底開裂主要影響因素

對發(fā)生孔底開裂的位置進(jìn)行離子研磨拋光處理，使用掃描電子顯微鏡（SEM）或掃描透射電子顯微鏡（STEM）結(jié)合元素分析法，檢查異常位置并分析原因。常見的引發(fā)孔底開裂的因素如圖4 所示。

圖4 引發(fā)孔底開裂的常見因素

1）孔底異物，在進(jìn)行化學(xué)銅沉積或電鍍之前，如果靶底銅表面存在異物并且沒有得到充分的清潔，這些異物在后續(xù)工藝中會(huì)導(dǎo)致空洞形成，空洞會(huì)導(dǎo)致孔底開裂。通過元素分析法，發(fā)現(xiàn)在空洞位置出現(xiàn)了大量的碳、氧、硫等元素。

2）孔底殘膠，為了滿足不同類型封裝的需求，增層材料種類呈現(xiàn)多樣化，高Tg材料的應(yīng)用增加了控制除膠量的難度，除膠量控制不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致膠水殘留。在受熱后，由于樹脂和銅層的CTE 不同，分布在銅層內(nèi)外的樹脂膨脹，導(dǎo)致裂紋從孔底殘膠的末端向外延伸。除膠過程反應(yīng)機(jī)理如圖5 所示。在膨松過程中，水溶性醚類溶劑分子擴(kuò)散進(jìn)入樹脂分子間，導(dǎo)致樹脂分子的碳碳鍵結(jié)擴(kuò)大或膨松，該過程可以增強(qiáng)高錳酸對樹脂表面的攻擊能力，加快反應(yīng)速率。在除膠過程中，Mn7+將具有極性非苯環(huán)的局部碳鏈氧化分解。通過還原反應(yīng)將MnO2還原溶解，從而完成中和過程。

圖5 除膠過程反應(yīng)機(jī)理

3）孔底微空洞，在強(qiáng)熱條件下微空洞內(nèi)部原子運(yùn)動(dòng)加劇，銅層結(jié)晶重組，銅層中的微空洞合并并變大，導(dǎo)致銅層結(jié)構(gòu)疏松、脆性增加，受到內(nèi)應(yīng)力作用時(shí)界面容易開裂，NAKAHARA[2]對此現(xiàn)象做出了解釋。電鍍銅孔底銅按工藝步驟劃分，可分為靶底銅、化學(xué)銅以及電鍍銅3 個(gè)階段，微空洞根據(jù)產(chǎn)生的位置劃分，可分為鍍銅界面微空洞、化學(xué)銅層微空洞、電鍍銅層微空洞。

（1）鍍銅界面微空洞，在化學(xué)銅沉積過程中，溶于水的甲醛形成醛水合物，在鈀或新生銅的催化作用下發(fā)生如下反應(yīng)：

在反應(yīng)過程中會(huì)有大量氫氣產(chǎn)生，銅層會(huì)吸附部分氫氣分子。由于焊盤上存在CuxO，部分銅層中的氫氣分子會(huì)擴(kuò)散到含有CuxO 的區(qū)域，將該區(qū)域的CuxO 還原為銅[3]，并伴隨著水汽和空洞的形成?；罨瘎┤芤褐械拟Z元素形成的沉淀物或凝聚物附著在靶底銅層表面，形成鈀團(tuán)簇，鈀元素對氫氣分子具有顯著的親和力[4]，在化學(xué)銅沉積的起始階段產(chǎn)生的氫氣分子被吸附并儲(chǔ)存在鈀團(tuán)簇中。在后續(xù)熱處理過程中，鈀團(tuán)簇中釋放出氫氣，氣體膨脹直接導(dǎo)致銅層形成空隙。氫氣分子將CuxO 還原為銅和氣態(tài)水，間接導(dǎo)致空隙形成。特別是在濕-干-濕工藝中，經(jīng)過化學(xué)銅處理后，面板被風(fēng)干，銅表面的氧化程度較高。如果在電鍍銅之前氧化物沒有被充分去除，銅會(huì)直接沉積在氧化銅表面，在后續(xù)工藝中可能引發(fā)孔底開裂。鍍銅界面微空洞如圖6 所示。

同時(shí)，若盲孔孔底的藥液流動(dòng)性不足，藥液無法進(jìn)行充分的交換，導(dǎo)致盲孔底部銅離子濃度下降，在化學(xué)銅的起始階段，銅的消耗量高會(huì)導(dǎo)致銅層疏松多孔。

（2）化學(xué)銅層空洞，在化學(xué)銅層形成過程中，析出的氫氣被鈀團(tuán)簇直接捕獲，這一現(xiàn)象被稱為“氫脆”[2,6]。少量的Ni2+（CTE 為10×10-6/℃～100×10-6/℃）的存在可以顯著降低可擴(kuò)散氫的摻入[7]，Ni 的共沉積有助于改善化學(xué)銅層的內(nèi)應(yīng)力分布[8]。無Ni 體系下化學(xué)銅層微空洞如圖7 所示。

（3）電鍍銅層微空洞，如果在酸洗過程中銅離子含量過高，在電鍍時(shí)銅離子會(huì)優(yōu)先沉積在基板表面，銅層沒有得到光澤劑和抑制劑的共同作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疏松、質(zhì)地沙化。白蓉生[9]認(rèn)為除了酸洗過程中帶入的銅離子外，電鍍銅起始階段有機(jī)添加劑的共沉積也是導(dǎo)致沙銅產(chǎn)生的原因之一。電鍍銅層微空洞如圖8 所示。

圖8 電鍍銅層微空洞

2.1.3 孔底開裂制程控制

針對不同的孔底開裂模式，在有機(jī)封裝基板制程控制方面提出以下措施。

1）針對孔底異物導(dǎo)致的孔底開裂，減少人工操作，避免工人直接接觸產(chǎn)品，降低因治具磨損引入異物的風(fēng)險(xiǎn)，確保電鍍區(qū)域的潔凈度達(dá)到十萬級(jí)或萬級(jí)凈化車間的標(biāo)準(zhǔn)。

2）針對孔底殘膠導(dǎo)致的孔底開裂，采用等離子除膠工藝+濕法去膠技術(shù)，可有效改善高Tg材料的加工性能。

3）針對孔底微空洞導(dǎo)致的孔底開裂，實(shí)行準(zhǔn)時(shí)制生產(chǎn)（JIT），可有效降低板材氧化風(fēng)險(xiǎn)，從而減少孔底開裂的可能性。在電鍍銅前使用硫酸代替蝕刻體系進(jìn)行去氧化處理，有效防止銅離子被帶入，從而避免產(chǎn)生沙銅?？刂扑嵯催^程中的銅離子濃度并及時(shí)更換槽液也是有效的解決方法之一。嚴(yán)格監(jiān)控鈀體膠的沉淀過程，精確控制槽液的pH 值和電鍍液的使用壽命，在電鍍銅前選擇合適的藥水濃度、流量以及溫度、壓力、電流等參數(shù)，以確保電鍍銅層的質(zhì)量和可靠性，減少孔底開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 離子遷移

因離子遷移引發(fā)電子產(chǎn)品失效的現(xiàn)象比較常見，失效的手機(jī)充電器插接頭如圖9 所示。引發(fā)失效的原因?yàn)殚L期攜帶或裸手接觸手機(jī)時(shí)插接頭被汗液污染和充電過程中的電勢差。從圖9 可知，第4 個(gè)插腳與其臨近插腳之間存在約5 V 的電勢差，該插腳的表面鍍金層在使用過程中被磨損，導(dǎo)致其密閉性不佳，底部Ni 層受到電解腐蝕，形成導(dǎo)電性陽極絲（CAF），進(jìn)而發(fā)生短路。

圖9 失效的手機(jī)充電器插接頭

2.2.1 離子遷移發(fā)生機(jī)理

有機(jī)封裝基板存在吸濕情況，在測試或終端使用過程中，不同電氣網(wǎng)絡(luò)之間存在電勢差，可能會(huì)引發(fā)離子遷移，其中金屬陽離子由高電勢區(qū)域（陽極）向低電勢區(qū)域（陰極）移動(dòng)，在獲得電子后形成相應(yīng)的金屬和化合物，金屬和化合物作為陰極的組成部分不斷向陽極延伸和生長，形成CAF。HUNT 等對CAF 的形成過程進(jìn)行了細(xì)致的描述[10]。

陽極電化學(xué)方程式為

陰極電化學(xué)方程式為

離子遷移形成CAF 的過程如圖10 所示，有機(jī)封裝基板表面存在微量的CuCl2，當(dāng)線路中存在5 V 電勢差且基板絕緣性良好時(shí)，有機(jī)封裝基板在吸濕狀態(tài)下表面出現(xiàn)液態(tài)水，CuCl2轉(zhuǎn)化為Cu2+、Cl-，在電場作用下離子開始遷移，Cu2+在低電勢區(qū)域（陰極）獲得電子后形成導(dǎo)電的CAF，并不斷向高電勢區(qū)域（陽極）的方向延伸生長。

圖10 離子遷移形成CAF 的過程

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，CAF 體積過大會(huì)形成枝狀結(jié)晶，CAF 實(shí)物如圖11 所示。

圖11 CAF 實(shí)物

2.2.2 離子遷移主要影響因素

離子遷移發(fā)生的條件為存在一定電勢差、可電離物質(zhì)（如CuCl2）、液態(tài)水（運(yùn)輸載體）。在不存在傳統(tǒng)可電離物質(zhì)的情況下，其他條件具備，同樣會(huì)形成CAF。離子遷移形成的CAF 是導(dǎo)致產(chǎn)品失效的常見原因，其主要影響因素如下。

1）在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)未充分考慮其可制造性可能導(dǎo)致生產(chǎn)困難和質(zhì)量問題，可制造性高的產(chǎn)品設(shè)計(jì)既有利于高效穩(wěn)定地制造產(chǎn)品，又有利于保證產(chǎn)品性能。結(jié)合行業(yè)材料的特性，設(shè)計(jì)合適的線路絕緣距離（如孔間邊緣距、線路間距、絕緣介質(zhì)層厚度等）以滿足布線密度的需要。產(chǎn)品設(shè)計(jì)超出制程能力的極限會(huì)導(dǎo)致離子遷移加劇，增加產(chǎn)品失效的風(fēng)險(xiǎn)。

2）離子污染源于有機(jī)封裝基板制造工藝中使用的大量化學(xué)品，如強(qiáng)酸、強(qiáng)電解鹽等。如果清洗不充分，離子會(huì)殘留在有機(jī)封裝基板上。清洗過程主要依賴于溶解、擴(kuò)散傳質(zhì)機(jī)制，為了增強(qiáng)溶解性并提高清洗效果，有時(shí)還需借助表面活性劑。清洗效果受到多種因素影響，包括水質(zhì)、水洗級(jí)數(shù)、噴洗壓力與流量、加熱條件以及超聲波/震蕩的傳質(zhì)結(jié)構(gòu)等。

3）玻璃纖維開裂和來料浸潤不良可能導(dǎo)致產(chǎn)品失效，兩者相互影響。鉆孔過程中玻璃纖維開裂會(huì)在孔周圍形成白線條，BT 樹脂體系的有機(jī)封裝基板的半固化片在加工過程中可能存在玻璃纖維浸潤不良的情況。設(shè)計(jì)并加工專用測試板，并對測試板進(jìn)行耐1 000 V 直流電壓測試，測試時(shí)長為2 000 h，測試過程中玻璃纖維內(nèi)出現(xiàn)的CAF 如圖12 所示。ABF 基板內(nèi)無玻璃纖維布存在，一般無此類問題。

圖12 BT 樹脂體系的有機(jī)封裝基板內(nèi)的CAF

4）有機(jī)封裝基板在積層過程中由于層間壓合、干膜型阻焊油墨真空貼合強(qiáng)度不足，層間存在微縫隙/空洞，在制造及后續(xù)封裝高溫制程中，也有可能出現(xiàn)微縫隙。這些微縫隙會(huì)成為離子遷移的通道，且微縫隙中容易殘留化學(xué)品，微縫隙中的水汽很難被烘干。當(dāng)微縫隙接觸到2 個(gè)不同的電勢網(wǎng)絡(luò)，并在測試或使用過程中處于通電狀態(tài)，便形成了離子遷移的條件，從而極易引發(fā)離子遷移，形成CAF 進(jìn)而導(dǎo)致短路。離子遷移形成的CAF 如圖13 所示。

圖13 離子遷移形成的CAF

針對采用特定梳型布線并利用金屬化通孔實(shí)現(xiàn)跨層設(shè)計(jì)的有機(jī)封裝基板進(jìn)行CAF 測試，將測試電壓設(shè)置為1 000 V，測試時(shí)長為2 000 h，對測試中的失效樣品進(jìn)行分析，發(fā)生失效的位置主要分布在介質(zhì)層、少量分布在阻焊層。從圖13（c）可知，銅元素的含量較高，這表明有機(jī)封裝基板導(dǎo)體部分的主要材質(zhì)為銅。在制程中不應(yīng)有過多銅離子殘留，銅元素含量較高說明離子遷移形成的CAF 與導(dǎo)體銅的電解腐蝕相關(guān)，即殘留的銅離子是導(dǎo)致CAF 形成的因素之一，但不是CAF 的主要組成部分，銅離子的主要來源是新腐蝕下來的銅。CAF 多為黑色，這可能是因?yàn)樵诜忾]空間（阻焊層、介質(zhì)層、玻璃纖維縫隙等）內(nèi)易生成氧化亞銅。

2.2.3 離子遷移控制

針對離子遷移的主要模式和關(guān)鍵影響因素，在有機(jī)封裝基板的制造過程中，采取3 個(gè)方面的主要措施對離子遷移進(jìn)行控制，這些措施覆蓋了基板制造的不同階段。

1）在基板制造前，要充分了解終端產(chǎn)品的工作方式、用途與工作條件，如產(chǎn)品的工作電壓、產(chǎn)品是否在高溫潮濕或驟熱驟冷的環(huán)境下工作、產(chǎn)品是否屬于高性能產(chǎn)品等，從而提出設(shè)計(jì)安全窗口，選擇合適的制程材料和加工工藝路線，即實(shí)現(xiàn)最適合的具有可制造性的設(shè)計(jì)。

2）在過程控制與監(jiān)測階段，需要關(guān)注層間結(jié)合力與離子清洗效果。通過適當(dāng)?shù)膶訅簤汉锨€設(shè)計(jì)，研究最佳的真空-溫度-壓力-時(shí)間參數(shù)組合，從而獲得良好的層壓流膠填充效果與層間結(jié)合力，避免產(chǎn)生微縫隙，確保導(dǎo)體得到充分的絕緣保護(hù)，降低離子遷移通道形成與水汽殘留的可能性。通過控制蓋墊板與鉆頭型號(hào)、鉆機(jī)主軸轉(zhuǎn)速、鉆嘴進(jìn)給速度和退刀速度等，減少對孔壁的機(jī)械損傷，避免網(wǎng)紗開裂形成離子遷移通道。優(yōu)化除膠制程相關(guān)參數(shù)，如藥水組分、濃度、溫度、處理時(shí)間、超聲波功率以及等離子處理時(shí)涉及的參數(shù)，以避免介質(zhì)層受到過度咬蝕或制程藥水組分殘留在介質(zhì)層中。在干膜型阻焊油墨真空貼合過程中，合適的速度、壓力與溫度可以確保線路之間、線路底部拐角位置得到充分填充。油墨型阻焊材料存在針孔氣泡問題，為了解決這個(gè)問題，需要確保充足的流平條件，如在預(yù)烘前有足夠的停留時(shí)間、針孔脫泡等措施，避免微縫隙或針孔氣泡的產(chǎn)生。采用這樣的方法既有利于充分保護(hù)線路，也利于減少后續(xù)制程中雜質(zhì)離子的藏匿，提高清洗效果。為了保證全流程的清洗效果，避免離子殘留，須嚴(yán)格控制清洗水質(zhì)、時(shí)間、水量、壓力、溫度以及輔助超聲波的參數(shù)，在壓合、對PCB 進(jìn)行阻焊處理、完成表面處理、包裝等關(guān)鍵制程的最后一道水洗環(huán)節(jié)中，實(shí)施水質(zhì)監(jiān)控至關(guān)重要，水質(zhì)監(jiān)控應(yīng)與板件離子污染測試監(jiān)控相結(jié)合。

3）為了避免不良產(chǎn)品或潛在失效產(chǎn)品的流出，在產(chǎn)品導(dǎo)入初期需要對產(chǎn)品進(jìn)行充分的評估驗(yàn)證，如對極化測試條件的摸底，對制程控制和產(chǎn)品耐CAF 極限能力的評估，以便為產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性預(yù)留一定的安全保證空間。

2.3 焊點(diǎn)開裂

焊點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)PCB 與芯片連接的重要方式之一，焊點(diǎn)強(qiáng)度對產(chǎn)品可靠性至關(guān)重要，良好的焊點(diǎn)強(qiáng)度可以抵抗機(jī)械、電氣和熱應(yīng)力作用等。

2.3.1 焊點(diǎn)開裂發(fā)生機(jī)理

導(dǎo)致焊點(diǎn)開裂的因素很多，包括板材漲縮、表面工藝所使用的藥水類型、錫膏、助焊劑和封裝條件等，還有各因素間的匹配性，因此需深入研究熱疲勞測試和跌落沖擊測試等指標(biāo)，分析焊點(diǎn)失效機(jī)理，找出合適的解決方案，以確保焊點(diǎn)質(zhì)量。導(dǎo)致焊點(diǎn)開裂的主要因素如下。

1）有機(jī)封裝基板板材與芯片之間的CTE 不匹配，導(dǎo)致板材和芯片在受熱時(shí)漲縮不一致，進(jìn)而產(chǎn)生形變，形變導(dǎo)致焊點(diǎn)發(fā)生位錯(cuò)，從而引發(fā)焊點(diǎn)失效。

2）在化鎳金（ENIG）表面完成工藝中的鎳層被處理為鎳磷合金層，鎳磷合金層在焊接過程中具有抗氧化作用，金元素迅速擴(kuò)散至熔融焊料中，鎳磷合金層與焊料發(fā)生反應(yīng)，在高溫作用下焊點(diǎn)的金屬界面生成Ni-Sn 金屬間化合物（IMC），焊料在高溫下發(fā)生結(jié)晶，與鎳磷合金層反應(yīng)形成Ni3P 和柯肯達(dá)爾空洞，此類界面反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)脆性開裂，開裂主要發(fā)生在富磷層或磷含量較高的區(qū)域。焊點(diǎn)脆性開裂會(huì)降低產(chǎn)品的可靠性和使用壽命[11]。相較于使用Sn-Pb 焊料，使用純錫或富錫焊料時(shí)界面反應(yīng)更為強(qiáng)烈，對焊點(diǎn)的可靠性提出了更大挑戰(zhàn)[12]。

3）表面完成工藝與表面異物殘留對焊點(diǎn)界面空洞的產(chǎn)生有明顯影響。在完成ENIG 或鎳鈀金（NiPdAu）表面工藝后，使用SAC305 焊膏進(jìn)行焊接，在Ni2SnP 界面的IMC 層，ENIG 焊點(diǎn)存在納米級(jí)空洞，而NiPdAu 焊點(diǎn)鍍層中的鈀可降低界面IMC 的生長速度，從而避免產(chǎn)生納米級(jí)空洞，2 種焊點(diǎn)界面的結(jié)構(gòu)與微觀組織形態(tài)如圖14 所示。NiPdAu 焊點(diǎn)經(jīng)過4次回流焊，界面處依然鮮有納米級(jí)空洞的產(chǎn)生，其界面的結(jié)構(gòu)與微觀組織形態(tài)如圖15 所示。但是，當(dāng)NiPdAu 鍍層表面有異物污染時(shí)，界面處可能會(huì)形成密集的納米級(jí)空洞，受到異物污染的NiPdAu 鍍層微觀組織形態(tài)如圖16 所示。Sn 和Ni 擴(kuò)散不平衡，助焊劑在界面處形成空穴，空穴包裹殘留的雜質(zhì)，雜質(zhì)限制空穴移動(dòng)，移位較低的空穴會(huì)被壓縮聚集在一起，從而形成空洞。焊點(diǎn)界面處存在的密集空洞會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)強(qiáng)度變?nèi)酰黾雍更c(diǎn)開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

圖14 2 種焊點(diǎn)界面的結(jié)構(gòu)與微觀組織形態(tài)[13]

圖15 4 次回流焊后NiPdAu 焊點(diǎn)界面的結(jié)構(gòu)與微觀組織形態(tài)[13]

圖16 受到異物污染的NiPdAu 鍍層微觀組織形態(tài)[13]

2.3.2 焊點(diǎn)開裂實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)采用化學(xué)鍍錫表面完成工藝，導(dǎo)致焊點(diǎn)發(fā)生失效的因素如下。

1）前制程中有異物殘留在基板表面，異物導(dǎo)致漏鍍錫或錫面覆蓋不完全，即使在化學(xué)鍍錫過程中進(jìn)行除油和微蝕處理，這些異物也無法被完全去除，在焊接過程中殘留的異物導(dǎo)致體積較大的焊點(diǎn)空洞形成。由于異物殘留導(dǎo)致焊點(diǎn)界面處出現(xiàn)的密集空洞如圖17（a）所示。從圖17（b）可知，空洞底部的銅面明顯凸起，這表明在化學(xué)鍍錫過程中異物阻礙了銅面的微蝕。這些較大空洞的存在會(huì)影響焊點(diǎn)強(qiáng)度，在后續(xù)射頻等熱處理過程中焊點(diǎn)容易開裂。

圖17 焊點(diǎn)界面處出現(xiàn)的密集空洞

2）采用阻焊油墨并在高溫下對其進(jìn)行烘烤固化，導(dǎo)致與焊點(diǎn)接觸的銅面加劇氧化，若化學(xué)鍍錫前的微蝕處理的程度不足，化學(xué)鍍錫結(jié)晶會(huì)受到顯著影響，導(dǎo)致錫面變得粗糙。圖18 為化學(xué)鍍錫前的錫面SEM圖。如果錫面粗糙，化學(xué)鍍錫工藝中的藥水容易殘留在錫面上，難以被完全清洗，會(huì)導(dǎo)致錫面氧化與污染，進(jìn)而影響焊點(diǎn)的可焊性。焊點(diǎn)強(qiáng)度變?nèi)?，在后續(xù)工藝中可能出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，甚至在焊接過程中出現(xiàn)虛焊或脫焊的問題。

圖18 化學(xué)鍍錫前的錫面SEM 圖

2.3.3 焊點(diǎn)開裂控制

針對焊點(diǎn)失效機(jī)理與影響因素，控制有機(jī)封裝基板焊點(diǎn)開裂的措施如下。

1）選擇具有更高熱匹配性的有機(jī)封裝基板板材。BT 材料作為板材的代表，其CTE 正被不斷優(yōu)化和改進(jìn)，逐漸接近硅芯片的CTE。此外，封裝后引入填充材料也是一種有效的解決方案。填充材料可以對每個(gè)焊點(diǎn)施加壓應(yīng)力，進(jìn)一步緩解硅芯片與PCB 的熱匹配問題，并改善由相對變形導(dǎo)致的焊點(diǎn)開裂。

2）在選擇表面完成工藝時(shí)，NiPdAu 表面完成工藝優(yōu)于ENIG 表面完成工藝。特別是在高密度有機(jī)封裝基板的應(yīng)用場景中，由于焊點(diǎn)界面較小，采用NiPdAu表面完成工藝更能確保焊點(diǎn)的優(yōu)良性能。NiPdAu 焊點(diǎn)在打線性能方面明顯優(yōu)于ENIG 焊點(diǎn)，但其制造成本較高。

3）表面異物控制至關(guān)重要。從有機(jī)封裝基板制造到下游封裝，無論是宏觀還是微觀的異物，都需對其進(jìn)行嚴(yán)格控制。在高密度有機(jī)封裝基板和集成電路制造業(yè)中，表面異物控制既是重點(diǎn)也是難點(diǎn)。通過精確控制阻焊制程中的顯影點(diǎn)、保持顯影線傳送的清潔度、確保清洗效果以及利用紫外線促進(jìn)阻焊層聚合以減少污染物的析出等方法，進(jìn)一步優(yōu)化了表面完成工藝前的處理流程。此外，強(qiáng)化對等離子處理和過程銅面處理環(huán)節(jié)的參數(shù)管控，以確保后續(xù)清洗和烘干效果。同時(shí)，為防止表面完成工藝涂層在后續(xù)制程中受到污染，可以采用一系列預(yù)防和處理措施。通過以上優(yōu)化和管控措施，可顯著降低異物殘留在有機(jī)封裝基板上的可能性，有效減少微空洞和大空洞的產(chǎn)生，進(jìn)而減少焊點(diǎn)開裂。

3 結(jié)束語

本文對有機(jī)封裝基板中常見的3 種失效問題進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的改善措施。

1）引發(fā)孔底開裂的主要因素是異物殘留、膠渣殘留和孔底微空洞，可以通過控制異物來源與生產(chǎn)環(huán)境來改善異物殘留問題，優(yōu)化生產(chǎn)工藝以改善孔底殘膠問題，強(qiáng)化制程控制和實(shí)施JIT 生產(chǎn)方法來改善微空洞問題。

2）產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可制造性不足、離子污染未得到有效控制、玻璃纖維開裂或來料浸潤不良、層間壓合強(qiáng)度不足導(dǎo)致存在微縫隙/空洞等為引發(fā)離子遷移、形成CAF 的主要因素，采用制前預(yù)防、過程控制和監(jiān)測以及成品性能檢測等方法可以控制CAF 引發(fā)的產(chǎn)品失效。

3）針對化學(xué)鍍錫制程中的銅面污染和微蝕量不足問題，強(qiáng)調(diào)了控制銅面污染與制程參數(shù)的重要性。為改善焊點(diǎn)開裂問題，提出選擇熱匹配性更佳的有機(jī)封裝基板板材和使用NiPdAu 表面完成工藝等措施，全面提升焊點(diǎn)的可靠性與穩(wěn)定性。

在高端有機(jī)封裝基板的制造過程中，進(jìn)行全流程異物管控和確保海量級(jí)微結(jié)構(gòu)的加工精度仍是行業(yè)面臨的重要挑戰(zhàn)。隨著技術(shù)的發(fā)展，孔徑和線路尺寸仍在不斷縮小，孔徑從50 μm 下降至35 μm，線寬/線距從15 μm/15 μm 縮減到8 μm/8 μm。通過仿真分析等方法，可以進(jìn)一步研究微尺度下的孔底開裂、線路結(jié)構(gòu)與特性對CAF 形成的影響以及微盤浸潤性如何影響基板與植球/焊錫的互連可靠性，進(jìn)而提出更加有效的制程控制方法。