有機封裝基板常見失效模式與制程控制

周帥林，孟凡義，張領，李國有，滕少磊

（清河電子科技（山東）有限責任公司，濟南 250000）

0 引言

有機封裝基板主要由有機材料制成，其具有成本低、加工性能好、重量輕的特點，被用于承載半導體芯片，有機封裝基板通過布線設計實現了芯片與PCB 的互連，也為散熱提供通道。作為芯片與PCB 的載體，有機封裝基板具有介電常數低、質量密度低、加工工藝穩定、生產效率高和成本低等優點[1]，被廣泛應用于電子行業，是現階段市場占有率最高的基板。

有機封裝基板的可靠性受多種因素影響，如溫度、濕度、機械應力和化學腐蝕等，導致其在使用過程中容易出現失效，從而限制其進一步發展?？椎组_裂、離子遷移、焊點開裂是影響有機封裝基板可靠性的主要不良模式，在實際生產中出現頻率較高。因此，對不良模式進行分析并研究提升有機封裝基板可靠性的方法，對整個行業的發展具有重要意義。本文針對孔底開裂、離子遷移、焊點開裂3 種不良模式進行分析，結合實際生產經驗，提出更加有效的制程控制措施。

1 有機封裝基板的工藝流程及常用材料

1.1 有機封裝基板的典型工藝流程

有機封裝基板以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械孔，隨后在整個板面鍍銅，經過曝光、顯影、蝕刻及褪膜處理形成線路。采用半加成工藝實現增層，對內層基板進行超粗化處理，以增強介質和下層金屬線路間的結合力，在基板兩面貼上增層介質，采用激光技術進行鉆孔，對介質表面進行除膠處理，清除鉆孔產生的殘渣，以形成均勻的、具有納米級粗糙度的表面，在孔內及介質表面沉積1 層化銅層，再經過貼膜、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

為了使有機封裝基板在多次高溫處理下保持穩定，避免出現爆板，增強耐金屬離子遷移性，確保微細線路的精確度和提高信號傳輸速度，樹脂基材需要具備更高的玻璃化轉變溫度Tg、更好的耐吸濕性、更低的熱膨脹系數（CTE）和介電常數等。常用的增層介質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構如圖2 所示。

圖2 常用樹脂材料的分子結構

2 不良模式的分析及控制

2.1 孔底開裂

在有機封裝基板中，采用填充銅的微孔實現層與層之間的垂直連接，采用激光鉆孔技術制造微孔，并采用化學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象，典型的孔底開裂如圖3 所示，孔底開裂將嚴重影響線路的電氣信號傳輸，導致產品功能失效。

圖3 典型的孔底開裂

2.1.1 孔底開裂機理

隨著有機封裝基板功能的多樣化，為了滿足復雜的布線需求，堆疊微孔應運而生。堆疊微孔需要承受較大的機械應力，特別是在熱可靠性測試階段。不同材料具有不同的CTE，CTE 不匹配導致應力產生，介質層的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生內應力，在內應力的作用下，電氣可靠性在一定程度上取決于堆疊微孔互連的熱機械穩定性。

2.1.2 孔底開裂主要影響因素

對發生孔底開裂的位置進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）結合元素分析法，檢查異常位置并分析原因。常見的引發孔底開裂的因素如圖4 所示。

圖4 引發孔底開裂的常見因素

1）孔底異物，在進行化學銅沉積或電鍍之前，如果靶底銅表面存在異物并且沒有得到充分的清潔，這些異物在后續工藝中會導致空洞形成，空洞會導致孔底開裂。通過元素分析法，發現在空洞位置出現了大量的碳、氧、硫等元素。

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

圖5 除膠過程反應機理

3）孔底微空洞，在強熱條件下微空洞內部原子運動加劇，銅層結晶重組，銅層中的微空洞合并并變大，導致銅層結構疏松、脆性增加，受到內應力作用時界面容易開裂，NAKAHARA[2]對此現象做出了解釋。電鍍銅孔底銅按工藝步驟劃分，可分為靶底銅、化學銅以及電鍍銅3 個階段，微空洞根據產生的位置劃分，可分為鍍銅界面微空洞、化學銅層微空洞、電鍍銅層微空洞。

（1）鍍銅界面微空洞，在化學銅沉積過程中，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生如下反應：

在反應過程中會有大量氫氣產生，銅層會吸附部分氫氣分子。由于焊盤上存在CuxO，部分銅層中的氫氣分子會擴散到含有CuxO 的區域，將該區域的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，形成鈀團簇，鈀元素對氫氣分子具有顯著的親和力[4]，在化學銅沉積的起始階段產生的氫氣分子被吸附并儲存在鈀團簇中。在后續熱處理過程中，鈀團簇中釋放出氫氣，氣體膨脹直接導致銅層形成空隙。氫氣分子將CuxO 還原為銅和氣態水，間接導致空隙形成。特別是在濕-干-濕工藝中，經過化學銅處理后，面板被風干，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，銅會直接沉積在氧化銅表面，在后續工藝中可能引發孔底開裂。鍍銅界面微空洞如圖6 所示。

同時，若盲孔孔底的藥液流動性不足，藥液無法進行充分的交換，導致盲孔底部銅離子濃度下降，在化學銅的起始階段，銅的消耗量高會導致銅層疏松多孔。

（2）化學銅層空洞，在化學銅層形成過程中，析出的氫氣被鈀團簇直接捕獲，這一現象被稱為“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散氫的摻入[7]，Ni 的共沉積有助于改善化學銅層的內應力分布[8]。無Ni 體系下化學銅層微空洞如圖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，在電鍍時銅離子會優先沉積在基板表面，銅層沒有得到光澤劑和抑制劑的共同作用，導致結構疏松、質地沙化。白蓉生[9]認為除了酸洗過程中帶入的銅離子外，電鍍銅起始階段有機添加劑的共沉積也是導致沙銅產生的原因之一。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，在有機封裝基板制程控制方面提出以下措施。

1）針對孔底異物導致的孔底開裂，減少人工操作，避免工人直接接觸產品，降低因治具磨損引入異物的風險，確保電鍍區域的潔凈度達到十萬級或萬級凈化車間的標準。

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

3）針對孔底微空洞導致的孔底開裂，實行準時制生產（JIT），可有效降低板材氧化風險，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行去氧化處理，有效防止銅離子被帶入，從而避免產生沙銅?？刂扑嵯催^程中的銅離子濃度并及時更換槽液也是有效的解決方法之一。嚴格監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，以確保電鍍銅層的質量和可靠性，減少孔底開裂的風險。

2.2 離子遷移

因離子遷移引發電子產品失效的現象比較常見，失效的手機充電器插接頭如圖9 所示。引發失效的原因為長期攜帶或裸手接觸手機時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，導致其密閉性不佳，底部Ni 層受到電解腐蝕，形成導電性陽極絲（CAF），進而發生短路。

圖9 失效的手機充電器插接頭

2.2.1 離子遷移發生機理

有機封裝基板存在吸濕情況，在測試或終端使用過程中，不同電氣網絡之間存在電勢差，可能會引發離子遷移，其中金屬陽離子由高電勢區域（陽極）向低電勢區域（陰極）移動，在獲得電子后形成相應的金屬和化合物，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 的形成過程進行了細致的描述[10]。

陽極電化學方程式為

陰極電化學方程式為

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

圖10 離子遷移形成CAF 的過程

在實際生產過程中，CAF 體積過大會形成枝狀結晶，CAF 實物如圖11 所示。

圖11 CAF 實物

2.2.2 離子遷移主要影響因素

離子遷移發生的條件為存在一定電勢差、可電離物質（如CuCl2）、液態水（運輸載體）。在不存在傳統可電離物質的情況下，其他條件具備，同樣會形成CAF。離子遷移形成的CAF 是導致產品失效的常見原因，其主要影響因素如下。

1）在產品設計時未充分考慮其可制造性可能導致生產困難和質量問題，可制造性高的產品設計既有利于高效穩定地制造產品，又有利于保證產品性能。結合行業材料的特性，設計合適的線路絕緣距離（如孔間邊緣距、線路間距、絕緣介質層厚度等）以滿足布線密度的需要。產品設計超出制程能力的極限會導致離子遷移加劇，增加產品失效的風險。

2）離子污染源于有機封裝基板制造工藝中使用的大量化學品，如強酸、強電解鹽等。如果清洗不充分，離子會殘留在有機封裝基板上。清洗過程主要依賴于溶解、擴散傳質機制，為了增強溶解性并提高清洗效果，有時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、水洗級數、噴洗壓力與流量、加熱條件以及超聲波/震蕩的傳質結構等。

3）玻璃纖維開裂和來料浸潤不良可能導致產品失效，兩者相互影響。鉆孔過程中玻璃纖維開裂會在孔周圍形成白線條，BT 樹脂體系的有機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。設計并加工專用測試板，并對測試板進行耐1 000 V 直流電壓測試，測試時長為2 000 h，測試過程中玻璃纖維內出現的CAF 如圖12 所示。ABF 基板內無玻璃纖維布存在，一般無此類問題。

圖12 BT 樹脂體系的有機封裝基板內的CAF

4）有機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度不足，層間存在微縫隙/空洞，在制造及后續封裝高溫制程中，也有可能出現微縫隙。這些微縫隙會成為離子遷移的通道，且微縫隙中容易殘留化學品，微縫隙中的水汽很難被烘干。當微縫隙接觸到2 個不同的電勢網絡，并在測試或使用過程中處于通電狀態，便形成了離子遷移的條件，從而極易引發離子遷移，形成CAF 進而導致短路。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現跨層設計的有機封裝基板進行CAF 測試，將測試電壓設置為1 000 V，測試時長為2 000 h，對測試中的失效樣品進行分析，發生失效的位置主要分布在介質層、少量分布在阻焊層。從圖13（c）可知，銅元素的含量較高，這表明有機封裝基板導體部分的主要材質為銅。在制程中不應有過多銅離子殘留，銅元素含量較高說明離子遷移形成的CAF 與導體銅的電解腐蝕相關，即殘留的銅離子是導致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，這可能是因為在封閉空間（阻焊層、介質層、玻璃纖維縫隙等）內易生成氧化亞銅。

2.2.3 離子遷移控制

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

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

2）在過程控制與監測階段，需要關注層間結合力與離子清洗效果。通過適當的層壓壓合曲線設計，研究最佳的真空-溫度-壓力-時間參數組合，從而獲得良好的層壓流膠填充效果與層間結合力，避免產生微縫隙，確保導體得到充分的絕緣保護，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、鉆機主軸轉速、鉆嘴進給速度和退刀速度等，減少對孔壁的機械損傷，避免網紗開裂形成離子遷移通道。優化除膠制程相關參數，如藥水組分、濃度、溫度、處理時間、超聲波功率以及等離子處理時涉及的參數，以避免介質層受到過度咬蝕或制程藥水組分殘留在介質層中。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，為了解決這個問題，需要確保充足的流平條件，如在預烘前有足夠的停留時間、針孔脫泡等措施，避免微縫隙或針孔氣泡的產生。采用這樣的方法既有利于充分保護線路，也利于減少后續制程中雜質離子的藏匿，提高清洗效果。為了保證全流程的清洗效果，避免離子殘留，須嚴格控制清洗水質、時間、水量、壓力、溫度以及輔助超聲波的參數，在壓合、對PCB 進行阻焊處理、完成表面處理、包裝等關鍵制程的最后一道水洗環節中，實施水質監控至關重要，水質監控應與板件離子污染測試監控相結合。

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

2.3 焊點開裂

焊點是實現PCB 與芯片連接的重要方式之一，焊點強度對產品可靠性至關重要，良好的焊點強度可以抵抗機械、電氣和熱應力作用等。

2.3.1 焊點開裂發生機理

導致焊點開裂的因素很多，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，分析焊點失效機理，找出合適的解決方案，以確保焊點質量。導致焊點開裂的主要因素如下。

1）有機封裝基板板材與芯片之間的CTE 不匹配，導致板材和芯片在受熱時漲縮不一致，進而產生形變，形變導致焊點發生位錯，從而引發焊點失效。

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，金元素迅速擴散至熔融焊料中，鎳磷合金層與焊料發生反應，在高溫作用下焊點的金屬界面生成Ni-Sn 金屬間化合物（IMC），焊料在高溫下發生結晶，與鎳磷合金層反應形成Ni3P 和柯肯達爾空洞，此類界面反應會導致焊點脆性開裂，開裂主要發生在富磷層或磷含量較高的區域。焊點脆性開裂會降低產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界面反應更為強烈，對焊點的可靠性提出了更大挑戰[12]。

3）表面完成工藝與表面異物殘留對焊點界面空洞的產生有明顯影響。在完成ENIG 或鎳鈀金（NiPdAu）表面工藝后，使用SAC305 焊膏進行焊接，在Ni2SnP 界面的IMC 層，ENIG 焊點存在納米級空洞，而NiPdAu 焊點鍍層中的鈀可降低界面IMC 的生長速度，從而避免產生納米級空洞，2 種焊點界面的結構與微觀組織形態如圖14 所示。NiPdAu 焊點經過4次回流焊，界面處依然鮮有納米級空洞的產生，其界面的結構與微觀組織形態如圖15 所示。但是，當NiPdAu 鍍層表面有異物污染時，界面處可能會形成密集的納米級空洞，受到異物污染的NiPdAu 鍍層微觀組織形態如圖16 所示。Sn 和Ni 擴散不平衡，助焊劑在界面處形成空穴，空穴包裹殘留的雜質，雜質限制空穴移動，移位較低的空穴會被壓縮聚集在一起，從而形成空洞。焊點界面處存在的密集空洞會導致焊點強度變弱，增加焊點開裂的風險。

圖14 2 種焊點界面的結構與微觀組織形態[13]

圖15 4 次回流焊后NiPdAu 焊點界面的結構與微觀組織形態[13]

圖16 受到異物污染的NiPdAu 鍍層微觀組織形態[13]

2.3.2 焊點開裂實驗驗證

實驗采用化學鍍錫表面完成工藝，導致焊點發生失效的因素如下。

1）前制程中有異物殘留在基板表面，異物導致漏鍍錫或錫面覆蓋不完全，即使在化學鍍錫過程中進行除油和微蝕處理，這些異物也無法被完全去除，在焊接過程中殘留的異物導致體積較大的焊點空洞形成。由于異物殘留導致焊點界面處出現的密集空洞如圖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影響焊點強度，在后續射頻等熱處理過程中焊點容易開裂。

圖17 焊點界面處出現的密集空洞

2）采用阻焊油墨并在高溫下對其進行烘烤固化，導致與焊點接觸的銅面加劇氧化，若化學鍍錫前的微蝕處理的程度不足，化學鍍錫結晶會受到顯著影響，導致錫面變得粗糙。圖18 為化學鍍錫前的錫面SEM圖。如果錫面粗糙，化學鍍錫工藝中的藥水容易殘留在錫面上，難以被完全清洗，會導致錫面氧化與污染，進而影響焊點的可焊性。焊點強度變弱，在后續工藝中可能出現開裂現象，甚至在焊接過程中出現虛焊或脫焊的問題。

圖18 化學鍍錫前的錫面SEM 圖

2.3.3 焊點開裂控制

針對焊點失效機理與影響因素，控制有機封裝基板焊點開裂的措施如下。

1）選擇具有更高熱匹配性的有機封裝基板板材。BT 材料作為板材的代表，其CTE 正被不斷優化和改進，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焊點施加壓應力，進一步緩解硅芯片與PCB 的熱匹配問題，并改善由相對變形導致的焊點開裂。

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

3）表面異物控制至關重要。從有機封裝基板制造到下游封裝，無論是宏觀還是微觀的異物，都需對其進行嚴格控制。在高密度有機封裝基板和集成電路制造業中，表面異物控制既是重點也是難點。通過精確控制阻焊制程中的顯影點、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阻焊層聚合以減少污染物的析出等方法，進一步優化了表面完成工藝前的處理流程。此外，強化對等離子處理和過程銅面處理環節的參數管控，以確保后續清洗和烘干效果。同時，為防止表面完成工藝涂層在后續制程中受到污染，可以采用一系列預防和處理措施。通過以上優化和管控措施，可顯著降低異物殘留在有機封裝基板上的可能性，有效減少微空洞和大空洞的產生，進而減少焊點開裂。

3 結束語

本文對有機封裝基板中常見的3 種失效問題進行分析，并提出相應的改善措施。

1）引發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環境來改善異物殘留問題，優化生產工藝以改善孔底殘膠問題，強化制程控制和實施JIT 生產方法來改善微空洞問題。

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

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

在高端有機封裝基板的制造過程中，進行全流程異物管控和確保海量級微結構的加工精度仍是行業面臨的重要挑戰。隨著技術的發展，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，可以進一步研究微尺度下的孔底開裂、線路結構與特性對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，進而提出更加有效的制程控制方法。