从20世纪90年代中期开始，微通孔工艺实现了单层到复杂的叠层和交错结构，成为推动高密度设计的主要技术，而被大量应用于手机生产。尽管微通孔的可靠性仍在调查中，但其形成的互连结构基本可靠。

近期，由EIPC组织的第九届“技术概况”线上研讨会召开，此次研讨会邀请了4位顶尖专家，针对微通孔可靠性问题进行分享交流，并表述了重要的观点。活动由EIPC技术总监Tarja Rapala-Virtanen主持，她强调：“理解、识别和优化高可靠性应用的工艺，需要整个供应链的合作，PCB制造商要向设计人员提供反馈和建议。”

 

Bill Bowerman

她介绍了第一位演讲人Bill Bowerman。Bill是麦德美爱法（MacDermid Alpha Electronics Solutions） 的初级金属化业务总监，他在演讲中重点介绍了如何正确清洗微通孔目标焊盘以去除激光钻孔残留物，以及将焊盘表面恢复至原始铜条件下，如何保证后续电镀具备良好的附着力，保持外延晶体结构排列有序。事实上，随着目标焊盘直径及接触面积的减少，制造中各环节的管控变得越来越重要，这意味着未采用最佳条件就越来越有可能导致失效。

同时，他总结了UV激光、UV/CO2钻孔工艺的特性，以及目标焊盘上残留物的类型和数量，并展示了SEM显微照片。UV激光通过光子烧蚀去除铜、玻纤和树脂，过多的能量会使目标焊盘变得粗糙并留下重铸铜的残留物。CO2激光通过热烧蚀仅能去除玻纤和树脂，并会在目标焊盘处停止，在铜上留下薄薄的树脂残留物，之后可以结合使用散焦UV激光烧蚀掉残留物。清洗工艺中目标焊盘的氧化是另一个潜在的污染源，为今后的故障埋下隐患。

无论残留物是什么，都必须去除以确保达到最佳的附着力。Bowerman描述了清洗目标焊盘的一般工序：水平喷射微蚀、使用溶胀剂、漂洗、环氧树脂蚀刻、漂洗，使用中和剂、漂洗、玻纤蚀刻、漂洗。目标是使目标焊盘的表面状态恢复到干净的原始微蚀条件，且氧化程度最轻。他展示了SEM显微照片，表明每个工艺阶段的效果。设备设计要能够有效地将溶液送入和送出微通孔，尤其是在直径缩小的情况下。传统的搅拌方法不是特别有效，优选采用间距紧密的直接冲击喷嘴设计。

Bowerman使用剖面显微照片展示了有效清洗后仍有残留物的界面对比实例。最理想的情况是界面几乎无法区分，并且在热测试期间观察到沉积的铜晶粒发生再结晶。没有出现再结晶则表明存在一些阻碍屏障。拉力测试后，对微通孔断裂类型进行检测，以迅速确认表面制备的有效性。

 

Sebastian Zarwell

Bill Bowerman演讲中讨论了微通孔目标焊盘清洗工艺中的铜再结晶，顺着这个逻辑，引出了第二位讲演嘉宾——安美特（Atotech Group）公司研发经理Sebastian Zarwell博士。他从金属化角度探讨并解释了铜再结晶，堆叠盲孔结构中外延和非外延形成铜/铜/铜界面，以及热机械可靠性。涉及了目标焊盘铜、化学镀铜和电沉积铜层之间的界面。

他展示了两个不同化学镀铜的例子：一个是外延晶体生长，另一个是非外延晶体生长（外延是指在另一个晶体上按照特定方向形成其他晶体的过程，方向由下方晶体决定）。他观察到非外延界面在连续回流焊周期后更容易出现开裂。

使用电抛光和聚焦离子束加工并结合扫描电子显微镜的方式，以及透射电子显微镜结合能量色散X射线光谱等技术方式，精确定位了铜/铜/铜的界面。可以看出，外延界面源于铜晶体从目标焊盘到纳米级细晶粒镀铜层间晶粒不受阻碍增长。非外延交界面表明铜扩散受到抑制，这是由对齐的晶粒界面处的高浓度有机污染物引起的。能量色散X射线光谱仪在外延界面仅检测到铜、镍和钯，而在非外延示例的目标焊盘上检测到了有机残留物。化学镀铜和电镀铜层之间形成非外延界面的原因，一般是在电镀的初始阶段，光亮剂和整平剂等添加剂的共沉积量非常高。

 

Maarten Cauwe

比利时校际微电子中心 (IMEC) 高级封装研发团队负责人Maarten Cauwe博士说：“微通孔是PCB加工中的丑小鸭。”他曾是IPC研究微通孔弱界面问题委员会的成员。在本次EIPC线上研讨会上，他从更高的角度阐述他在欧洲航天局(ESA)资助的IMEC项目中遇到的有关微通孔设计、建模和测试方面的挑战。谈到HDI技术的总体可靠性，他的观点是微通孔不是在疲劳模式下可能首先失效结构——埋孔和高纵横比的贯穿孔等更有可能会首先失效。可参考《ESA微通孔工艺指南》中的第16页，其中有他精心制作的石川图，从中可以了解导致微通孔弱界面的加工挑战。

单个微通孔的设计考虑因素包括钻孔直径、焊盘直径、厚径比以及相对于其他导通孔结构（尤其是埋孔）的位置。对于多个微通孔，另一个问题在于要选择堆叠结构还是交错结构。他展示了一系列不同的实例，以及热循环条件下计算出的应变值。关于测试附连板的设计，Cauwe博士建议在附连板中纳入具有代表性的埋孔，参考IPC-2221B（2.0版本）附录A中给出的D附连板以及一般的IST附连板信息。

“是什么因素导致微通孔测试如此具有挑战性？”他解释说，微通孔尺寸较小，导致很难完成力学应变测量。热循环过程中微通孔有自我修复的趋向，让问题变得更加复杂。即使无法获取Zarwell演示中引用的先进技术，简单的显微切片仍然可以提供有用的信息。

考虑到实际测试方法及其相关的测试附连板，Cauwe引用了《IPC-TM-650 2.6.27B：对流回流焊组装模拟》《IPC-TM-650 2.6.7.2C：空气对空气热冲击》《IPC-TM-650 2.6.26A测试方法B：电流感应热循环》和《IPC-TM-650 2.6.26A测试方法A：互连应力测试》标准。

同时，展示了不同微通孔/埋孔结构的比较测试结果和建模得出的值，以及计算出相对预期寿命后，他得出结论——没有单一的、理想的测试方法来评估微通孔。所有测试方法都应用了更高的应力水平，并且在应力施加过程中通过连续监控电阻来检测质量不佳的微通孔。

他强调经验是评估测试结果的关键。测试机构不断学习，全面了解设计变量、制造工艺和测试参数的影响可能比微通孔测试方法的选择更重要。

 

Jason Furlong

加拿大PWB Interconnect Solutions公司的CTO Jason Furlong为大家带来了 《使用IST对复杂HDI设计进行微通孔测试和分析》的演讲，他详细描述了Cauwe提到的互连压力测试方法。

他首先介绍了PWB Interconnect Solutions提供的设备和服务范围，然后列举了从1999年到2020年的设计示例，介绍了微通孔和相关附连板设计的互连压力测试是如何发展变化的。测试附连板旨在再现特定的产品类型，多年来其结构发生了巨大变化。他列出了8种已经观察到的故障模式：与目标焊盘分离、孔角裂纹、孔壁裂纹、微通孔拉出、顶盖开裂、顶盖分离、埋孔出现角裂纹和埋孔孔壁裂纹。Furlong表示，每个行业领域都有特有的失效模式组合，因此不可能使用一个共同的基准。公司运营20多年以来，设计了超过3500个特有的微通孔IST附连板，测试了55000个产品。

他展示了一个X型附连板，具有标准的一般尺寸和特征，但终端产品有特定的导通孔图形特征，并指出了Cauwe的测试程序中的6种不同微通孔结构配置。

该测试采用欧洲航空标准化组织(European Cooperation for Space Standardization ，简称ECSS) ECSS-Q-ST-70-60C标准。Furlong介绍了电流感应热循环（IPC-TM-650 2.6.26测试方法A）测试，以及对电源和感测电路连续进行电阻监测的详情，并总结详细测试结果。事实上，在标准IST测试中没有发生失效，并且选择了6个附连板进行持续扩展测试，在190°C下失效率为5%。一个3层叠层微通孔试样在第4272次循环时失效，一个2层叠层加交错的试样在第7199次循环时失效，还有一个交错后加上2层叠层试样在第11500次循环时失效。每种情况下，都使用热成像技术来识别失效的导通孔，再通过显微切片来确定失效的原因。

在我参加的所有EIPC技术概况线上研讨会中，我从未见过内容如此广泛的问答环节。业界对微通孔可靠性的兴趣程度、演讲的质量以及发言者分享知识和经验的强烈意愿导致问答环节的时长几乎等同于研讨会本身，参会代表几乎都留到了最后。感谢EIPC举办的精彩活动。

 

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