摘要：随着电子技术的不断发展，对PCB的线路密度也越来越高，含有0.5mm Pitch BGA的HDI需求也越来越多。目前，在国内的PCB生产厂家中， 对于0.5mm pitch BGA的线路板的研发工作均在最初的起步阶段，而奔强电路经过研发部门的不断技术攻关，突破了工艺和技术上的瓶颈，走在了行业的前列，填补了此项技术的行业空白。
一、背景
BGA（Ball grid array球栅阵列）技术的研究是始于60年代，最早为IBM公司所采用，直至上世纪90年代初期才正式进入实用化阶段，所以其快速发展只是近十年的事。
随着电子技术的不断发展，电子产品已朝着轻、薄、短、小的方向，而这对PCB的要求也越来越高，BGA技术则应运而生。随着市场需求的不断提高，对PCB上BGA的要求也就越来越高，其最小接触间距也逐渐由最初的1.50mm减至现在通用的0.8mm、0.65mm，在此种情况下对于0.5mm pitch BGA批量生产的需求已是迫在眉睫。
目前，国内的PCB公司中， 0.5mm pitch BGA均在最初的起步阶段，而奔强电路经过研发部门的不断技术攻关，突破了工艺和技术上的瓶颈，走在了行业的前列，填补了此项技术的行业空白。
二、 方向及难点
为了保证0.5mm的距离，就必须减小焊盘、线宽以及间距的大小，目前，公司在生产HDI板时主要采用Large Window工艺，因此在生产前就需要解决以下问题：
1）设计方面：为了满足客户的要求，设计最佳焊盘加放量，同时选择最适合的Large Window开窗大小；
2）工艺问题：由Large Window引起的焊盘凹陷问题，易产生焊盘缺损和颈位开路，对品质产生最显著影响，其改善是批量生产的前提条件。而影响焊盘凹陷问题的几个主要工艺因素及其现状和改善方向如下：
1、 客户要求及生产现况三、实验设计
目前，可以大体了解到的客户在0.5mm pitch BGA方面的基本要求见图1所示：
图1
在正常的Large Window生产过程中，4mil的激光孔对应11mil的开窗大小，这对于0.5mm pitch BGA的焊盘来说，由于其尺寸变小就更易在台阶位置引起如图2所示的断线情况，因此生产0.5mm pitch BGA时，除了解决线路的精度问题外，首当其冲的问题就是解决由台阶引起断线情况，为此，我们设计下面一系列实验。
2、 实验计划
1）主要生产流程
鉴于3/3mil精细线路的实验数据，在生产0.5mm pitch BGA过程中采用DES工艺流程具体如下：
L23图形制作→层压→减薄铜（线上控制7um+/-1.5um）→large window →激光钻孔→desmear→PTH→水平电镀→外层前处理→ADTEC自动曝光→DES
2）实验方向
a、 通过实验寻求设计焊盘与线路的最佳加放量，同时确认合适的Large window开窗大小；
b、从影响焊盘凹陷问题的几个主要因素出发进行工艺上的改善，以提高0.5mm pitch BGA生产的品质问题。
四、设计改善
1、焊盘及线路的选择
对于0.5mm pitch BGA来说，其BGA内的线路及线路旁的焊盘是控制的难点。在本实验中，我们以Fujifilm的含0.5mm pitch BGA样板的要求为基础进行实验设计，该板对于焊盘和线宽的要求以及我们的设计值如下：
图3、蚀刻后焊盘（顶部）尺寸分析
图4、蚀刻后焊盘边线宽（底部）尺寸分析
从上面整体的数据和Cp值可以看出，蚀刻后焊盘和线宽的尺寸稳定性可以满足要求，这说明在生产中已经有效的做好过程控制。然而，从Cpk的数值来看，焊盘及线宽两者的Cpk均小于1.33且在1.0左右，这表示以目前本公司的生产能力可以生产此类产品，且基本可以满足客户的生产要求，但相对能力偏低。
另外，受现有工艺能力的限制，在此设计中最小间距已只有2.39mil，因此线宽及焊盘的加放不能再增大。因此，根据实验数据了解到最终焊盘控制在250um~275um、线宽大小控制在50um~70um之间。经实验证实对于0.5mm pitch BGA，针对客户对线路和焊盘不同的要求值，我们最终确定分别给出如下的加放量：
2、Large window大小以及相应曝光参数的选择
针对客户要求，焊盘的尺寸必须减小，在这种情况下不同的Large window开窗会产生不同的效果。在本实验中设计了专门的测试板，分别设计了10mil、11mil、12mil和13mil的开窗大小，在不同的电镀参数、相同的干膜和曝光条件下，其显影后情况如下：
从上面两点可以看出，10mil的Large window开窗是最适合0.5mm pitch BGA的生产的。 此外，在蚀刻后通过测试开短路情况可以看出，10mil的开窗在焊盘处的断线一直OK，明显优于其它开窗。
在减小Large window开窗大小的同时，就面临着曝光精度及条件的改进。普通生产板在盲孔的基础上单边+4mil做为Large window的开窗，而在此类板中单边加放为3mil，同时考虑目前自动曝光机的情况，我们将曝光的对位精度由原来的125um提高到100um，即曝光参数由PitchX=PitchY=PitchD=125um改成PitchX=PitchY=PitchD=100um。
五、Large window台阶的改善
影响0.5mm pitch BGA品质的主要原因就是由Large window的台阶引起的断线问题，因此我们针对性的进行了以下工艺上的改善：
1、Desmear咬蚀量的控制
在PTH前需经过Desmear流程，其目的就是除去孔内胶渣，但在此同时也会对基材产生咬蚀效果，这就意味着会增大Large window的台阶。我们在选择Desmear参数的前提就是在保证能完全去除孔内胶渣的同时尽量减少咬蚀量。
目前在本公司的生产流程上，所有的生产板均需走垂直Desmear，而且使用半固化片的生产板在走垂直Desmear前尚需过一次水平Desmear。在实际生产中发现水平Desmear的表面咬蚀量明显小于垂直Desmear，为了确保Desmear的足够和保证均匀性，选择2.0m/min的速度走两次的Desmear流程，下面比较其基材表面咬蚀的数据：
从上面的数据可以看出，垂直Desmear一次与水平Desmear两次对基材表面的咬蚀量相比，前者是后者的两倍多，而且通过实验比较得出对于盲孔的孔底来说两者均未出现Desmear不足的情况。因此，在生产中选用两次水平Desmear代替垂直Desmear，这有效的减小了L.W和咬蚀引起的台阶。
2、电镀参数的选择
首先从电镀的均匀性来考虑，水平电镀略优于板面电镀，故优选水平电镀。改善电镀参数的主要目的是使Large window引起的台阶尽量平缓，进而提高蚀刻后品质。
通过电镀改善Large window的台阶，是通过使台阶处镀铜过渡平缓来实现的，为此，我们分别从铜厚和电镀参数出发进行一系列的实验，具体情况如下：
从铜厚角度考虑时，增加铜厚有两种措施，一是增大有效电流，二是降低效率采取两次电镀的方式。但对于H孔来说，有效电流过大会导致孔底开裂的问题，有效电流小又不能起到增厚整平的效果；而两次电镀对生产效率的影响又过于明显。另外，对于0.5mm pitch BGA或3/3mil线路来说，铜厚的增加会给后面的蚀刻带来很大的难度，因此此种方法尽量避免。
从电镀参数的角度考虑，同样的有效电流，增大反向电流有利于台阶位置的修整。在本实验中，根据现有的生产限制条件：Ie=5~10.5ASD；Ir=6~40ASD；Speed=0.5~1.5m/min，采用夹逼的方法选择合适的电镀参数。在选择的过程中除了考虑电镀的效率外，主要以台阶的整平效果做为评估的指标。需要注意的是，当反向电流过大时会导致孔铜过于粗糙，甚至导致孔底开裂的问题，影响盲孔的可靠性。因此需适当增加反向电流。下表为最终效果的比较情况：
3、前处理的选择从上面的情况可以看出，两者均可以有效的起到修整台阶的作用，但通过上面的分析及实际情况，最终选定改善电镀参数的方法，为避免影响盲孔的可靠性，最终选择反向电流为24ASD，同时考虑到效率的因素，有效电流Ie=6或7ASD，Speed=0.7m/min，以此电镀参数可以满足生产要求。
由于L.W台阶的问题，会直接影响到干膜的结合力情况，进而影响产品的品质，因此在改善台阶的同时，我们也通过改善前处理的方法进而提高干膜与生产板的结合力。公司现有的前处理主要有3M磨板、外层前处理的磨刷、硫酸双氧水体系的微蚀三种.
在测试过程中通过两个指标以及最终产品的品质比较情况来选择最佳的前处理模式。一是表面粗糙度情况，其通过Rz（十点平均粗糙度）、Ra（中心线平均高度粗糙度）、Rt（最大高度粗糙度）三个变量来衡量，但并非这三者越大越有利于生产，根据供应商方面实验数据显示，对于这类较精密线路Rt在2.5±0.5um、Ra在0.35±0.05um范围内最适合。第二个指标就是对干膜结合情况的测试，选用如图5所示的测试菲林图形进行曝光显影，之后将所需的位置在SEM下拍摄其表观照片以进行比较。下面是不同的前处理条件下，生产板的表面粗糙度数据、表观的SEM照片以及干膜结合情况的照片：
a、试板:
b、对比试验数据如下：
由此可见3M磨板+内层前处理的方式可以明显提高产品的品质，故选定3M磨板+内层前处理做为最优的前处理模式。
六、小批量生产数据
数量：150part(10panel)
其0.5mm pitch BGA处图形见图6：
其中总的报废数量为34part，报废比例为22.7%，主要报废情况如下：
1）通过实验数据最终确认不同要求下PAD及线宽的菲林设计值，同时根据焊盘和线宽的Cpk了解到公司目前的能力基本可以满足0.5mm pitch BGA和3/3mil线路的生产；
2） 为了提高0.5mm pitch BGA的品质即改善Large window的台阶问题，主要采取如下措施：
a、 Large window开窗的减小：蚀刻后开窗由单边加4mil改成单边加3mil；
b、Desmear流程：采用水平desmear两次（速度：2.0m/min）取代垂直Desmear，尽量减小由咬蚀增加的台阶；
c、电镀采用大反向电流的方式，以修整和平缓由Large window引起的台阶；
d、图形前处理采用3M磨板+内层前处理（硫酸双氧水体系）以提高干膜的结合力；
3） 根据精细线路的数据最终确认选定DES流程；
4）从小批量生产的数据可以看出，线路报废情况较严重，需要在生产中做进一步控制。
-END-
搜一搜，扫一扫，PCB奥妙全知道
【喜欢就点个
和“在看”或者用您发财的小手转发一下下】
