導(dǎo)電膏塞孔替代電鍍銅制作任意層互連印制板時(shí)的可靠性及其對(duì)電性能的影響

摘要

文章詳細(xì)的研究了導(dǎo)電膏塞孔替代電鍍銅制作任意層互連印制板時(shí)的可靠性及其對(duì)電性能的影響。根據(jù)范·米塞斯屈服準(zhǔn)則分析了塞孔材料CTE可靠性原理并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)評(píng)估了塞孔階數(shù)、孔底殘膠、塞孔孔內(nèi)氣泡對(duì)可靠性的影響，最后分析了導(dǎo)電膏塞孔對(duì)阻抗及損耗的影響。結(jié)果表明，對(duì)于導(dǎo)電膏塞孔工藝，在11階盲孔設(shè)計(jì)時(shí)，其熱應(yīng)力、溫沖測(cè)試等性能測(cè)試均滿足產(chǎn)品可靠性要求，且導(dǎo)電膏塞孔對(duì)25G以下高速產(chǎn)品信號(hào)傳輸無明顯影響。

前言

導(dǎo)電膏塞孔是實(shí)現(xiàn)任意層互連的技術(shù)方案之一，其雛形是松下的ALIVH（Any Layer Interstitial Via Hole）技術(shù)和東芝B2it（Buried Bump Interconnection Technology)技術(shù)[1]。任意層互連技術(shù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是微孔化，即層與層之間通過微孔進(jìn)行導(dǎo)通互連。微孔加工目前激光鉆孔技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)；而在微孔金屬化技術(shù)這塊，目前主要分三種：電鍍填孔、導(dǎo)電材料塞孔、銅凸塊[1]。其中，導(dǎo)電膏互連技術(shù)由于其用導(dǎo)電膏替代電鍍進(jìn)行填孔，不僅精細(xì)線路、高厚徑比等制作工藝難度降低，流程簡(jiǎn)化；而且可以實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)，節(jié)省能源等特點(diǎn)，因此該技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景。

導(dǎo)電膏主要成分是銅、錫、環(huán)氧樹脂，因此導(dǎo)電率較電鍍銅差，其結(jié)合與導(dǎo)通機(jī)理區(qū)別于電鍍銅方式，主要是通過高溫?zé)Y(jié)在焊盤表層形成銅錫合金互連[2]。文章通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，評(píng)估了導(dǎo)電膏塞孔互連對(duì)于高速信號(hào)完整性的影響，同時(shí)評(píng)估了材料熱膨脹系數(shù)與多階盲孔設(shè)計(jì)可靠性問題，為該技術(shù)的推廣應(yīng)用提供技術(shù)參考。

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試驗(yàn)部分

1.1試驗(yàn)材料與儀器

材料：very low loss覆銅板和半固化片、導(dǎo)電膏等。

儀器：四端口網(wǎng)絡(luò)分析儀、高低溫沖擊試驗(yàn)箱、金相顯微鏡。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

（1）導(dǎo)電膏塞孔互連可靠性評(píng)估：

為評(píng)估導(dǎo)電膏塞孔互連結(jié)構(gòu)可靠性，分別設(shè)計(jì)了30 ppm/℃、35 ppm/℃、45 ppm/℃不同CTE材料的測(cè)試板。同時(shí)設(shè)計(jì)了1、3、5、7、11階盲孔塞孔互連設(shè)計(jì)?？煽啃詼y(cè)試條設(shè)計(jì)如下：

（2）塞孔互連對(duì)電性能影響：

為確定導(dǎo)電膏塞孔對(duì)于高速信號(hào)傳輸信號(hào)完整性影響，設(shè)計(jì)了8層板。采用阻抗計(jì)算軟件進(jìn)行阻抗設(shè)計(jì)，單端阻抗設(shè)計(jì)為50Ω；差分阻抗設(shè)計(jì)為100Ω。其疊層結(jié)構(gòu)及阻抗線設(shè)計(jì)如下：

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結(jié)果與討論

2.1塞孔互連可靠性影響

2.1.1材料CTE影響

（1）材料CTE可靠性原理分析

根據(jù)范·米塞斯屈服準(zhǔn)則[3]，盲孔結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力公式如下：

其中，Ef表示孔內(nèi)物質(zhì)彈性模量，vf表示孔內(nèi)物質(zhì)泊松比，af表示孔內(nèi)物質(zhì)熱膨脹系數(shù)，as表示層間介質(zhì)材料＜Tg下熱膨脹系數(shù)，Td表示測(cè)試最高溫，T0表示測(cè)試最低溫。因此，可將以上等效應(yīng)力公式轉(zhuǎn)化為：

式中，△α為熱膨脹系數(shù)差異。在溫度沖擊過程中，受材料變形產(chǎn)生孔內(nèi)應(yīng)力的影響，電阻值相應(yīng)產(chǎn)生一定的改變。從而可以將孔內(nèi)應(yīng)力與阻值變化之間建立函數(shù)關(guān)系：

因此，從以上推論可知：

即：在固定溫度沖擊測(cè)試溫度、時(shí)間等測(cè)試條件下，其可靠性結(jié)果正比于產(chǎn)品設(shè)計(jì)材料之間的熱膨脹系數(shù)差異[3-6]。

（2）材料CTE可靠性驗(yàn)證

圖4為不同CTE材料1階盲孔設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)-55℃-125℃溫度條件，200次溫沖循環(huán)阻值變化關(guān)系曲線。相同設(shè)計(jì)下，隨著盲孔塞孔材料與板材之間CTE差異的增大，其溫度沖擊過程中孔內(nèi)界面應(yīng)力增大，從而導(dǎo)致溫沖前后阻值變化增大。因此，對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)，為滿足更好的可靠性，材料CTE越接近越好，而不是CTE越小越好。

2.2.2塞孔階數(shù)設(shè)計(jì)影響

圖5是相同材料下不同盲孔階數(shù)疊孔設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)-55℃-125℃溫度條件，200次溫沖循環(huán)阻值變化關(guān)系曲線。隨著盲孔疊孔階數(shù)的增加，受外界溫度沖擊時(shí)內(nèi)部應(yīng)力疊加，導(dǎo)致熱脹冷縮過程變形量增大，溫沖阻值變化相應(yīng)增大。該阻值變化值直接體現(xiàn)產(chǎn)品可靠性，因此，產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮疊孔影響。避免疊孔層數(shù)太多導(dǎo)致可靠性不良。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，導(dǎo)電膏塞孔燒結(jié)互連結(jié)合力較好，盲孔疊孔階數(shù)每增加一層，阻值變化增大0.174%。盲孔設(shè)計(jì)11階時(shí)，溫沖前后阻值變化為6.88%，滿足±10%變化標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.3塞孔氣泡影響

孔內(nèi)氣泡主要受兩方面影響：一是導(dǎo)電膏內(nèi)部空氣、揮發(fā)性成分存在，熱固化燒結(jié)時(shí)沒有排出殘留；另一方面受塞孔過程壓力、速度、抽真空等導(dǎo)致塞孔不飽滿影響。因此，氣泡或多或少會(huì)有存在，一般直徑大?。?0μm。

圖6是11階盲孔疊孔設(shè)計(jì)華為無鉛+288℃三次漂錫處理后的切片圖。從圖可以看出，孔內(nèi)導(dǎo)電膏中不均勻的分布有一些氣泡。但是熱應(yīng)力測(cè)試后，盲孔頂?shù)撞考翱妆谂c介質(zhì)材料界面都未發(fā)現(xiàn)分層等問題。圖7為盲孔頂?shù)着c銅面燒結(jié)界面IMC層掃描電鏡觀測(cè)圖。熱應(yīng)力處理前后，IMC層保持完好，未出現(xiàn)裂痕等不良問題。因此，塞孔氣泡存在燒結(jié)完全的情況下，對(duì)產(chǎn)品可靠性無明顯影響。

2.1.4孔底殘膠影響

除塞孔控制外，激光鉆孔是導(dǎo)電膏塞孔互連工藝非常重要的一環(huán)。當(dāng)孔底激光鉆孔樹脂或碳膜未清除干凈，塞孔后殘留樹脂或碳膜會(huì)阻礙孔內(nèi)導(dǎo)電膏與底銅的燒結(jié)，無法形連續(xù)、均勻的IMC層，直接決定了信號(hào)導(dǎo)通性和可靠性。上圖8是孔底樹脂殘留導(dǎo)致溫沖過程中盲孔失效過程監(jiān)控圖。

對(duì)上圖失效處切片可知，孔底與底銅結(jié)合處出現(xiàn)裂痕。對(duì)此處的導(dǎo)電膏樹脂、介質(zhì)層樹脂和激光孔孔底與導(dǎo)電膏結(jié)合處進(jìn)行元素分析對(duì)比可知，導(dǎo)電膏中的樹脂與介質(zhì)層樹脂差別在于介質(zhì)層樹脂中含有Si元素。而在激光孔孔底結(jié)合界面元素分析發(fā)現(xiàn)Si元素的存在，說明激光鉆孔有樹脂殘留。因此，導(dǎo)電膏塞孔工藝，需對(duì)激光鉆孔品質(zhì)進(jìn)行過程嚴(yán)格管控保證產(chǎn)品質(zhì)量。

2.2塞孔互連信號(hào)完整性影響

2.2.1塞孔互連對(duì)阻抗的影響

下圖9是導(dǎo)電膏塞孔與常規(guī)電鍍填孔工藝相同設(shè)計(jì)下單端過孔阻抗對(duì)比。由于導(dǎo)電膏電導(dǎo)率較電鍍銅大，導(dǎo)電膏塞孔過孔阻抗較電鍍填孔過孔阻抗大2Ω，兩者之間過孔阻抗差異在4%左右。因此，對(duì)于導(dǎo)電膏工藝制作，在前端工程阻抗設(shè)計(jì)時(shí)需進(jìn)行評(píng)估補(bǔ)償。

2.2.2塞孔互連對(duì)損耗的影響

圖10是導(dǎo)電膏塞孔與常規(guī)電鍍填孔工藝相同設(shè)計(jì)下單端損耗測(cè)試結(jié)果。在12.5 GHz測(cè)試頻率下，導(dǎo)電膏塞孔與電鍍填孔損耗分別為0.62 dB/cm和0.59 dB/cm，兩者之間差異0.03 dB/cm；當(dāng)測(cè)試頻率繼續(xù)增大，兩者之間損耗差異開始明顯。頻率增大到20 GHz時(shí)，兩者損耗差異增大到0.12 dB/cm。因此，25G以下高速產(chǎn)品采用導(dǎo)電膏塞孔工藝信號(hào)損耗基本無影響。但對(duì)于更高速需求產(chǎn)品的應(yīng)用則需評(píng)估塞孔互連對(duì)信號(hào)完整性影響來確認(rèn)。

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結(jié)論

通過以上試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

（1）材料的選擇對(duì)于導(dǎo)電膏塞孔互連可靠性有著至關(guān)重要的影響，選擇與導(dǎo)電膏CTE越接近的材料、優(yōu)化盲孔設(shè)計(jì)、做好激光鉆孔品質(zhì)管控是提升導(dǎo)電膏塞孔互連產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵；

（2）隨著盲孔疊孔層數(shù)的增加，失效概率直線增大。常規(guī)Z-CTE值45 ppm/℃左右的材料，其盲孔疊孔設(shè)計(jì)11階可靠性測(cè)試滿足IPC標(biāo)準(zhǔn)要求。推論預(yù)估設(shè)計(jì)達(dá)到30階時(shí)會(huì)出現(xiàn)溫沖循環(huán)測(cè)試前后阻值超過±10%而失效；

（3）導(dǎo)電膏塞孔互連工藝對(duì)25G以下高速產(chǎn)品應(yīng)用時(shí)信號(hào)傳輸無明顯影響；但隨著信號(hào)或頻率繼續(xù)增大，由于導(dǎo)電膏電阻率較電鍍銅大的原因，信號(hào)損耗開始有明顯差異。