PCB之HDI板 盲孔底部ICD問題 原因分析及改善

HDI板盲孔底部出現(xiàn)ICD（Inner Connection Defect，內(nèi)部連接缺陷）問題是一個非常典型且棘手的工藝難題。以下將為您進行全面、深入的分析并提供系統(tǒng)性的改善措施。

一、 問題定義：盲孔底部ICD（裂紋/裂縫/殘膠）

 

在HDI板激光盲孔工藝中，ICD 特指在激光鉆孔后，于盲孔底部暴露的內(nèi)層銅面上或銅與介質(zhì)層界面處，觀察到的以下一種或多種微觀的裂紋狀缺陷

 

1. 非晶態(tài)殘膠： 未完全氣化的環(huán)氧樹脂重新凝結(jié)，覆蓋在銅面上。

2. 碳化物： 樹脂在高溫下不完全燃燒產(chǎn)生的化學(xué)惰性殘留物，具有高阻抗。
 

3. 殘膠/碳化： 激光鉆孔后，環(huán)氧樹脂等介質(zhì)材料未被完全清除，殘留的樹脂殘渣或碳化物覆蓋在銅面上。

 

這些缺陷會直接導(dǎo)致孔金屬化后電氣連接不可靠，表現(xiàn)為高電阻、間歇性導(dǎo)通或完全開路，且在后續(xù)熱應(yīng)力（如回流焊）中故障會進一步加劇。

化學(xué)除膠和等離子除膠是徹底清除這些缺陷、獲得一個潔凈且活性化的銅表面的最關(guān)鍵工序。任何在此環(huán)節(jié)的失效都將直接導(dǎo)致ICD。

 

二、 根本原因分析

此問題的根源集中于激光鉆孔和鉆孔后處理工序。

1. 激光鉆孔參數(shù)不當

 能量過高/脈沖數(shù)過多： 過強的激光能量在燒穿介質(zhì)層后，剩余能量繼續(xù)作用在下方的銅面上。銅吸收熱量后迅速升溫、熔化甚至氣化，導(dǎo)致銅面被損傷，出現(xiàn)凹坑、裂紋或晶格損傷。

能量過低/脈沖數(shù)不足： 能量不足以完全燒蝕干凈介質(zhì)層，導(dǎo)致樹脂殘渣（Smear）或碳化物殘留附著在孔底銅面上。這些殘留物是絕緣的，會阻礙化學(xué)銅沉積，形成連接缺陷。

· 焦距不準： 激光焦點沒有準確落在介質(zhì)層與銅層的界面上，導(dǎo)致鉆孔效率低下，能量分布不均，更容易造成殘膠或銅損傷。

 

2. 化學(xué)除膠工藝失效

化學(xué)除膠（高錳酸鹽體系）是傳統(tǒng)且主流的工藝，其失效模式復(fù)雜：

藥水活性不足：

高錳酸鉀濃度衰減： KMnO?在反應(yīng)中不斷被消耗還原為MnO?，若濃度不足，氧化能力下降，無法有效斷裂樹脂長分子鏈。

  · NaOH濃度失衡： 堿濃度過低，無法提供足夠的OH?來維持反應(yīng)速率和溶解氧化產(chǎn)物；堿濃度過高，可能對玻璃布產(chǎn)生過度侵蝕。

  · 藥水壽命過長： 藥液中溶解的銅離子（Cu²?）濃度累積，會催化分解高錳酸鉀，大幅降低其有效壽命和氧化能力。

  · 溫度偏低： 氧化反應(yīng)速率隨溫度指數(shù)級增長。溫度不達標是除膠不凈的最常見原因之一。
時間不足： 包括溶脹、氧化、中和各槽的時間不足，特別是氧化時間，無法保證藥水充分進入并完全處理微盲孔底部。

· “再污染”問題： 中和（還原）階段使用的酸肼（或硫酸羥胺）等還原劑若濃度或時間不足，無法徹底清除孔壁吸附的MnO?膠體顆粒，這些MnO?殘留物本身就是絕緣的ICD。

 

3. 等離子除膠工藝的局限性

 

等離子體處理作為物理化學(xué)方法，也有其特定的失效點：

 氣體配方選擇錯誤：

僅使用O?：主要用于去除有機污物（殘膠），但對頑固碳化物的去除能力有限。

 忽略CF?/NF?等含氟氣體：對于激光產(chǎn)生的極度惰性的碳化物，必須引入含氟氣體生成揮發(fā)性的CF?等物質(zhì)才能有效去除。這是等離子處理能否徹底清除ICD的關(guān)鍵。

· 穿透性與均勻性問題：

  · 對于深寬比大的盲孔，等離子體的活性基團可能無法充分到達孔底，導(dǎo)致孔口清潔而孔底殘留（微觀上的“孔口效應(yīng)”）。

  · 設(shè)備腔體內(nèi)的真空度、功率、氣體流量等參數(shù)設(shè)置不佳，會導(dǎo)致處理不均勻，批次穩(wěn)定性差。

· 前道污染： 如果激光鉆孔后板面有油污或其他污染物，會阻擋等離子體與殘膠的有效接觸。

4. 兩種工藝的協(xié)同失效

 

· 工藝選擇錯誤： 對于具有高厚徑比或使用高性能材料（如Low-loss PP） 的盲孔，高頻高速材料及PTFE材料、 PI、聚酰亞胺、BT、陶瓷材料、碳氫化合物等特殊材料，化學(xué)除膠的藥水交換能力可能不足，或者僅靠化學(xué)除膠，無法攻擊到特殊材料的“要害部位”， 此時必須采用等離子處理作為主導(dǎo)或輔助。

· 順序與搭配不當： 對于嚴重碳化的ICD，最有效的流程是 “等離子先行破除碳化層 + 化學(xué)跟進清除氧化殘留” 的組合拳。順序顛倒或省略步驟都會導(dǎo)致處理不徹底。

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三、 專業(yè)級改善措施

改善核心在于優(yōu)化激光鉆孔工藝和確保除渣效果。

 

1. 優(yōu)化激光鉆孔工藝（從源頭杜絕）

 

· 進行激光參數(shù) DOE 實驗： 針對特定的介質(zhì)材料厚度和類型，系統(tǒng)性地測試并找到最佳的激光能量、脈沖次數(shù)、焦距和重復(fù)頻率的組合。
 目標： 達到“剛好清除干凈介質(zhì)層，并完整露出光滑、無損傷的內(nèi)層銅面”的臨界狀態(tài)。
方法： 通過制作大量切片，在金相顯微鏡下觀察孔底形貌，以確定最佳參數(shù)窗口。
采用波長更合適的激光器： CO2激光（波長9.4μm）容易被樹脂吸收，而UV紫外激光（波長355nm）更容易被銅吸收。因此，通常用CO2激光燒蝕介質(zhì)層，用UV激光精細加工或清洗。確保工藝匹配。

· 實施實時監(jiān)控： 使用配備電光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)的先進激光鉆機，其能通過監(jiān)測激光打孔時產(chǎn)生的等離子體閃光信號來判斷是否剛好打穿介質(zhì)層（信號會發(fā)生突變），從而實現(xiàn)自動終止鉆孔，防止過鉆損傷銅層。

 

2. 強化除渣/清潔工藝優(yōu)化除渣參數(shù)： 增加高錳酸鉀濃度、升高處理溫度或延長處理時間，以確保能徹底清除孔底的樹脂殘渣和碳化物。但需注意避免“過除渣”導(dǎo)致玻璃纖維突出。

· 考慮增加等離子體處理： 對于高端產(chǎn)品，在化學(xué)除渣前增加等離子清洗，能非常有效且均勻地去除微小的殘膠和碳化物，尤其對深窄盲孔效果顯著。

 

2.1. 化學(xué)除膠工藝優(yōu)化

 

· 實施嚴格的藥水管控：

  · 建立自動滴定分析系統(tǒng)，實時監(jiān)控KMnO?和NaOH的濃度，并設(shè)定嚴格的補加和報廢標準。

  · 監(jiān)控藥水中Cu²?離子濃度，當其達到臨界值（如>35ppm）時，果斷報廢整缸藥水。

· 參數(shù)DOE與權(quán)威認證：

  · 通過實驗設(shè)計（DOE）找到溶脹、氧化、中和三步驟的最佳溫度、時間組合。必須通過切片+SEM掃描電鏡來驗證孔底效果，而非僅憑表面現(xiàn)象判斷。

  · 對除膠后品質(zhì)進行定量評估，如采用染色測試或熱應(yīng)力測試后切片觀察，確保連接的可靠性。

· 升級藥水體系： 對于高端產(chǎn)品，考慮采用更先進的化學(xué)體系，如部分公司采用的有機酸體系除膠劑，其對不同材料兼容性更好，副作用更小。

 

2.2 等離子除膠工藝升級

 

· 采用“混合氣體配方”策略：

  · 標準配方： O? + CF? / NF?。CF?在等離子環(huán)境中產(chǎn)生的氟自由基能高效蝕刻碳硅鍵，徹底清除碳化物。

  · 添加惰性氣體： 加入Ar、He等氣體可以提高等離子體密度和穩(wěn)定性，增強處理均勻性。

· 優(yōu)化設(shè)備參數(shù)與維護：

  · 與設(shè)備廠商合作，通過實驗找到針對不同介質(zhì)材料的最佳功率、真空度、氣體比例和處理時間。

  · 定期進行設(shè)備保養(yǎng)，清潔腔體、校準氣體流量計，確保工藝的重復(fù)性。

· 作為必選工藝： 對于任何≥3階的HDI板、任何使用ABF材料的載板，以及所有出現(xiàn)ICD問題的批次，應(yīng)將等離子處理列為標準必選工藝，而非可選或補救措施。

 

3. 建立“化學(xué)+等離子”復(fù)合工藝流

 

· 推薦流程： 激光鉆孔 → 等離子處理（主攻碳化物） → 化學(xué)除膠（清除氧化殘留和中和） → 沉銅電鍍。
優(yōu)勢： 等離子先破除最頑固的碳化層，為后續(xù)化學(xué)藥水的滲透和反應(yīng)打開通道，二者協(xié)同，可達到1+1>2的徹底清潔效果。
流程監(jiān)控： 在等離子和化學(xué)除膠后，均可設(shè)置切片抽檢點，監(jiān)控各環(huán)節(jié)的輸出質(zhì)量，便于問題追溯。

 

4. 終極分析手段

 

· 表面分析： 當出現(xiàn)ICD時，使用掃描電子顯微鏡（SEM） 觀察形貌，并配合能量色散X射線光譜（EDS） 進行元素分析，是判斷殘留物成分（是C、O、還是F、Mn）的黃金標準，能直接鎖定問題根源是在化學(xué)環(huán)節(jié)（Mn殘留）還是等離子環(huán)節(jié)（C殘留）。

 

5. 加強檢測與監(jiān)控

 

· 切片分析常態(tài)化： 定期取樣進行金相切片分析，在200倍及以上的顯微鏡下重點檢查盲孔底部的銅面狀況，這是發(fā)現(xiàn)ICD最直接的手段。

· 采用掃描電子顯微鏡： 對于疑難問題，可使用SEM觀察孔底的微觀形貌，能更清晰地看到裂紋和殘膠。

· 表面分析儀器： 可使用X射線光電子能譜儀等設(shè)備分析孔底殘留物的化學(xué)成分，判斷是樹脂還是碳化物，從而溯源問題根源。

 

總結(jié)

盲孔底部ICD問題的解決，絕非泛泛而談的參數(shù)調(diào)整，其核心在于：核心改善思路是：

 

1. 精調(diào)激光參數(shù)，找到“剛好打穿”的甜蜜點。

2. 強化除渣工藝，確?？椎捉^對清潔。

3. 通過高頻次的切片監(jiān)測，持續(xù)監(jiān)控工藝穩(wěn)定性。

4. 精準識別ICD類型：是殘膠？碳化物？還是MnO?殘留？
5. 深度優(yōu)化核心工藝：化學(xué)除膠的關(guān)鍵是“藥水活性管控”；等離子除膠的關(guān)鍵是“含氟氣體配方”。
6. 建立復(fù)合工藝流：對于高端產(chǎn)品，“等離子+化學(xué)”的組合是解決頑固ICD的最有效方案。
7. 依托尖端檢測設(shè)備：依賴SEM/EDS等工具進行根源分析，而非僅憑經(jīng)驗猜測。

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