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的可靠性及其對電性能的影響。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)行實驗驗證，同時評估了塞孔階數(shù)、孔底殘膠、塞孔孔內(nèi)氣泡對可靠性的影響，最后分析了導(dǎo)電膏塞孔對阻抗及損耗的影響。結(jié)果表明，對于導(dǎo)電膏塞孔工藝，在11階盲孔設(shè)計時，其熱應(yīng)力、溫沖測試等性能測試均滿足產(chǎn)品可靠性要求，且導(dǎo)電膏塞孔對25G以下高速產(chǎn)品信號傳輸無明顯影響。

前言

導(dǎo)電膏塞孔是實現(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，流程簡化；而且可以實現(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]。文章通過實驗設(shè)計，評估了導(dǎo)電膏塞孔互連對于高速信號完整性的影響，同時評估了材料熱膨脹系數(shù)與多階盲孔設(shè)計可靠性問題，為該技術(shù)的推廣應(yīng)用提供技術(shù)參考。

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試驗部分

1.1試驗材料與儀器

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、高低溫沖擊試驗箱、金相顯微鏡。

1.2試驗設(shè)計

（1）導(dǎo)電膏塞孔互連可靠性評估：

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

（2）塞孔互連對電性能影響：

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

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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表示測試最高溫，T0表示測試最低溫。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：在固定溫度沖擊測試溫度、時間等測試條件下，其可靠性結(jié)果正比于產(chǎn)品設(shè)計材料之間的熱膨脹系數(shù)差異[3-6]。

（2）材料CTE可靠性驗證

圖4為不同CTE材料1階盲孔設(shè)計對應(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，對于產(chǎn)品設(shè)計，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)計影響

圖5是相同材料下不同盲孔階數(shù)疊孔設(shè)計對應(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)計時應(yīng)考慮疊孔影響。避免疊孔層數(shù)太多導(dǎo)致可靠性不良。從實驗結(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11階時，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，氣泡或多或少會有存在，一般直徑大?。?0μm。

圖6是11階盲孔疊孔設(shè)計華為無鉛+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。

對上圖失效處切片可知，孔底與底銅結(jié)合處出現(xiàn)裂痕。對此處的導(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塞孔互連信號完整性影響

2.2.1塞孔互連對阻抗的影響

下圖9是導(dǎo)電膏塞孔與常規(guī)電鍍填孔工藝相同設(shè)計下單端過孔阻抗對比。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，對于導(dǎo)電膏工藝制作，在前端工程阻抗設(shè)計時需進(jìn)行評估補(bǔ)償。

2.2.2塞孔互連對損耗的影響

圖10是導(dǎo)電膏塞孔與常規(guī)電鍍填孔工藝相同設(shè)計下單端損耗測試結(jié)果。在12.5 GHz測試頻率下，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，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)電膏塞孔工藝信號損耗基本無影響。但對于更高速需求產(chǎn)品的應(yīng)用則需評估塞孔互連對信號完整性影響來確認(rèn)。

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結(jié)論

通過以上試驗，得出以下結(jié)論：

（1）材料的選擇對于導(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、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11階可靠性測試滿足IPC標(biāo)準(zhǔn)要求。推論預(yù)估設(shè)計達(dá)到30階時會出現(xiàn)溫沖循環(huán)測試前后阻值超過±10%而失效；

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