陳 俊 蔡金鋒 楊海云

（生益電子股份有限公司，廣東 東莞 523127）

0 前言

印制電路板（PCB）產(chǎn)品加工流程冗長，各個(gè)流程工藝和設(shè)備都各不相同，隨著客戶端產(chǎn)品的多樣化設(shè)計(jì)，要求PCB加工廠家的加工工藝也必須跟上設(shè)計(jì)的步伐。隨著5G時(shí)代的來臨，光模塊產(chǎn)品（后面泛指PCB）對(duì)表觀的要求極高，尤其對(duì)于有鍵合金線要求類型的產(chǎn)品，COB（Chip on Board）區(qū)域表面平整度直接影響芯片貼裝和金線鍵合的質(zhì)量，因此對(duì)生產(chǎn)過程的控制非常重要。隨著終端客戶需求的不斷發(fā)展，高端光模塊產(chǎn)品的設(shè)計(jì)呈現(xiàn)多樣化、創(chuàng)新化和復(fù)雜化，如埋銅塊和埋陶瓷設(shè)計(jì)、含階梯槽且槽底為COB區(qū)域設(shè)計(jì)等，對(duì)流程、工藝設(shè)計(jì)及過程管控的要求更高。在制作這類階梯槽設(shè)計(jì)的光模塊產(chǎn)品時(shí)，出現(xiàn)了一種特殊的銅面凹坑缺陷（如圖1所示），在不斷的探索和驗(yàn)證中，找到了此缺陷產(chǎn)生的根本原因，并發(fā)現(xiàn)了一種激光加工過程中產(chǎn)生的曾被忽視的微小副產(chǎn)物，對(duì)其產(chǎn)生過程加以分析推理驗(yàn)證，并針對(duì)此缺陷模式進(jìn)行改善。

圖1 COB區(qū)域銅面凹坑缺陷的缺陷模式

1 缺陷模式分析

1.1 銅面凹坑缺陷特點(diǎn)

銅面凹坑形狀為規(guī)律的正圓形，面積微小肉眼難以識(shí)別，在40倍體視鏡及100倍鏡下可以明顯觀察到，位置隨機(jī)，使用3D顯微鏡和切片測(cè)量，凹坑直徑大小約9.78 μm～29.72 μm（圖2中測(cè)量為半徑），凹坑深度約4.61 μm～19.98 μm。

圖2 3D顯微鏡測(cè)量半徑及深度

1.2 產(chǎn)品流程簡介

1.2.1 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

此產(chǎn)品為2階HDI，有盲孔填平要求，板內(nèi)均有階梯槽設(shè)計(jì)，且階梯槽底部為DB區(qū)域，槽壁為NPTH設(shè)計(jì)，DB區(qū)域周圍有一圈WB Pad用來金屬線鍵合連接PCB與芯片，銅面上的任何凹坑都可能導(dǎo)致鍵合失效。

1.2.2 流程設(shè)計(jì)

正常HDI板流程設(shè)計(jì)，階梯槽采用激光鉆孔加工制作，具體流程見圖3所示。

圖3 工藝流程圖

2 缺陷原因分析

2.1 流程篩查

經(jīng)過初步的流程排查過程后，分析可能會(huì)造成這種缺陷的三個(gè)關(guān)鍵流程。

對(duì)這三個(gè)流程進(jìn)行針對(duì)性測(cè)試，從中找出造成銅面圓形凹坑的真正原因。

關(guān)鍵流程一：電鍍加厚至陶瓷磨板段，電鍍加厚時(shí)發(fā)現(xiàn)板面小銅粒較多，經(jīng)過陶瓷磨板，有可能將銅粒磨掉后形成凹坑見表1所示。

表1 模擬實(shí)驗(yàn)1測(cè)試條件

關(guān)鍵流程二：外層干膜至外層蝕刻段，外層蝕刻過程中可能有某種因素導(dǎo)致藥水滲蝕形成凹坑見表2所示。

表2 模擬實(shí)驗(yàn)2測(cè)試條件

關(guān)鍵流程三：激光開槽至水平除膠段，水平除膠的不銹鋼行轆較重，可能對(duì)板面壓傷形成凹坑見表3所示。

表3 模擬實(shí)驗(yàn)3測(cè)試條件

流程排查結(jié)果：激光開槽至去毛刺水洗段會(huì)產(chǎn)生類似銅面圓形凹坑，需要對(duì)此段進(jìn)行重點(diǎn)分析。

2.2 銅面圓形凹坑微觀分析

在用3D顯微鏡觀察銅面凹坑缺陷時(shí)，發(fā)現(xiàn)有部分“凹坑”并非凹陷下去，實(shí)際是凸出的，為了進(jìn)一步驗(yàn)證，采用SEM（掃描電子顯微鏡）放大2000倍進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)部分凹坑里面鑲嵌著圓形顆粒，如圖4所示。同時(shí)對(duì)圓形顆粒進(jìn)行元素分析，發(fā)現(xiàn)此物質(zhì)成分類似于玻璃的成分，可能是板材中的物質(zhì)成分—玻璃纖維布。玻璃纖維在板材中承擔(dān)著補(bǔ)強(qiáng)材料的角色，是一些無機(jī)混合物經(jīng)過高溫熔融再經(jīng)抽絲冷卻成一種非結(jié)晶結(jié)構(gòu)，具有高強(qiáng)度、抗熱性、抗化性、防潮、絕緣性、熱膨脹低等優(yōu)秀特點(diǎn)。根據(jù)激光開槽加工特點(diǎn)，推測(cè)可能是導(dǎo)致玻璃纖維布形成這種顆粒的原因見表4所示。

圖4 銅面圓形凹坑微觀分析

2.3 激光開槽副產(chǎn)物

激光開槽工藝： CO2激光直接加工階梯槽的方法，將開槽位置銅皮開窗，采用激光高能量燒蝕基材至目標(biāo)銅層，有加工精度高，效率高等優(yōu)點(diǎn)。其原理同激光鉆孔，它主要靠光熱燒蝕，在極短的時(shí)間加熱到熔化并蒸發(fā)掉基材，并有碳化物產(chǎn)生，和激光開槽生產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)銅面有雜物產(chǎn)生同理。并且在200倍顯微鏡下，不僅有黑色碳化物，發(fā)現(xiàn)有很多白色圓形顆粒物夾雜其中，通過對(duì)板面雜物進(jìn)行SEM 2000倍觀察，觀察結(jié)果如圖6所示?？梢钥吹接忻黠@圓形顆粒狀物質(zhì)黏附在板面，元素分析與前面凹坑內(nèi)的圓形顆粒一致，可以初步判定圓形顆粒來自激光開槽時(shí)的副產(chǎn)物。

圖6 激光開槽后板面雜物微觀分析

2.4 激光開槽副產(chǎn)物來源

為了驗(yàn)證圓形顆粒與板材中玻璃纖維的關(guān)系，使用SEM觀察，在階梯槽邊緣玻纖位置有明顯的圓形球狀，這是激光高溫?zé)Y(jié)的結(jié)果。對(duì)此位置進(jìn)行元素分析（見圖7所示），結(jié)果顯示與上述兩次的元素分析一致，因此可以判定圓形凹坑中的圓形顆粒來源于板料中的玻璃纖維，凹坑中的顆粒其實(shí)就是體積非常微小的玻璃球。推測(cè)玻璃球的產(chǎn)生過程：在激光開槽加工階梯槽過程中，激光的高能量燒蝕板材，使板材部分成分汽化和碳化并向四周濺射，同時(shí)玻璃纖維受熱熔融成液態(tài)伴隨基材一同濺射，部分隨設(shè)備抽氣排出，部分冷卻凝結(jié)成大小不一的球形玻璃顆粒，在重力作用下掉落附著在板面上，如圖8所示。

圖7 激光開槽槽邊緣玻纖燒結(jié)顆粒分析圖

圖8 激光加工過程玻璃球形成圖示

2.5 玻璃球造成銅面凹坑驗(yàn)證

為了驗(yàn)證激光開槽副產(chǎn)物玻璃球與圓形凹坑的必然聯(lián)系，設(shè)計(jì)表4的試驗(yàn)。

表4 驗(yàn)證試驗(yàn)表

經(jīng)過以上驗(yàn)證，銅面凹坑的產(chǎn)生原因?yàn)榧す忾_槽過程中產(chǎn)生了微小玻璃球附著板面，經(jīng)過水平除膠線實(shí)心轆碾壓嵌入銅面，經(jīng)過后工序超聲波水洗和微蝕后部分玻璃球掉落形成圓形凹坑。

3 結(jié)論

根據(jù)以上試驗(yàn)設(shè)計(jì)，最終發(fā)現(xiàn)銅面微小凹坑的產(chǎn)生是激光開槽的副產(chǎn)物玻璃球經(jīng)過水平除膠線時(shí)由實(shí)心轆輥碾壓嵌入銅面造成的。改善方法是在激光開槽后增加超聲波水洗流程，在水平除膠之前將板面雜物清洗干凈，將此缺陷問題徹底解決。