拆解iPhone5手机的收获(续)

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  3 .2 高速讯号的兴起
  高速数字讯号与高速电路板的快速发展,早已成为资通讯产品不可遏抑的趋势。多层板内的大铜面(指Vcc或Gnd层),更已成为高速讯号必须的归路(Return Path)。此等大铜面一旦被互连通孔所钻破时,将造成归路的破损与回归电流绕道所引发的噪声(Noise)丛生。此等高速讯号的特性已迫使层间互连必须放弃通孔而改用盲孔了。
  由于高速数字电路板中所跑的0与1的两值化讯号,其电位呈现快速瞬间跳变Switching的波动状态。从电流角度而言也就成了另一形式的交流电流,而交流电就会有电感。于是当推送讯号的去路(讯号线),与回程归路(指接地层或电源层的大铜面)两者上下十分贴近时,则在两者电流方向相反下,其电磁场即可形成较大的互感,而大幅降低接地归路本身所出现的电感了。然而当大铜面被钻破时将使得蓝色的归路必须改道,于是多余绕道的归路电感即会造成颇多噪声。(见图7)
  自从20年前CO2雷射成孔技术的兴起与至今的逐渐成熟,以及近十年来电镀铜技术的突飞猛进,口径4~5 mil(深度相同)的DLD雷射直接成孔与填铜之量产,使得任意层互连ELIC等先进薄型多层板类,已成为手执电子商品板的主流。如此已让盲孔成为互连的唯一主角,通孔的机会将愈来愈少了。主要原因是5 mil高难度通孔的高单价机钻每秒钟至多1孔,但雷射却可达到每秒钟1000孔的佳绩。成本的考虑更加速机钻通孔从主流市场中的快速让位。
  3.3 盲孔工序的演进
  盲孔互连制程是1990年后伴随着HDI而兴起的,另一重要背景是手执电子产品的密集组装与轻薄短小所必须的微盲孔与薄板。于是在多层板介质层变薄而盲孔口径又小又浅(4~5mil)的有利情势下,雷射盲孔的成形不但更为快速(目前的雷射烧制只需2~3发光束即可成孔),而且在电镀铜技术的快速进步下,微盲孔已成为互连的主流。至于盲孔镀铜填实者与先前只镀盲壁者,两者成本相差不多而且制程耗时也增加无几。此即5年来ELIC以席卷天下的气势突飞猛进,相较于之前15年前HDI的快速成长,更是不可同日而语。以下将就此次拆解i Phone 5手机,所见到盲孔填铜的进步故事细说分明。
  3.3.1 第一代CO2盲孔
  上世纪90年代各种非机钻非贯穿通孔式,以及各种局部互连的多层板技术,如雨后春笋般在全球业界中此起彼落争奇斗怪,名目繁多令人目不瑕给。按其不同做法约可分为:
  ①雷射烧孔(UV雷射、CO2雷射与准分子雷射),②感光成孔(如IBM在日本YASU工厂所打响名号的SLC制程),③电浆成孔(如瑞士Dyconex 公司的Dycostrate法),④化学蚀刻成孔,更在日本业界出现很多奇特的做法,但均已无疾而终。
  以上曾公开发表过的MLB新做法多达40~50种,堪称群雄并起各擅所长。然而优胜劣败不完美的不留人间。在成本与质量的残酷考验与时间的不断淘汰下,20年后的今天终于浑沌逝去尘埃落定,只剩下二氧化碳CO2雷射烧孔尚在量产中一枝独秀继续活跃。然而十余年前盲孔电镀铜技术还很简陋的时代,为了使得盲壁铜厚达到规范要求起见(IPC-6012A的0.8 mil),乃刻意要求须将微盲孔孔位上方的圆盘式面铜先行咬掉,也就是还需另行施加光阻与蚀去铜箔所谓的“开铜窗”。然后以7~10枪的CO2雷射光去烧掉已无面铜的有机板材到达底铜而成为盲孔。为了铜窗位置与CO2光点能够彼此容易对准起见,只好又刻意将铜窗开大一点,即所谓的Large Window法。且为了盲壁盲底的镀铜质量良好着想,还刻意要求孔壁呈80度漏斗状的坡形孔,并视为经典奉守不渝。
  3.3.2第二代CO2盲孔
  之后将板面铜箔采0.5 oz去压合,并将铜面进行黑氧化处理,使于雷射能量的吸收大幅增强与不再反光下,已可不必开铜窗而直接烧到底铜而成孔,即所谓的“雷射直接成孔(LDD或DLD)”。由于底铜对雷射的反光而造成孔壁却被反射烧咬,甚至使得孔口铜箔形成悬檐,进而呈茶壶状的大肚孔。当年为了孔壁铜厚达标起见,于是又进行板面的去黑化与减铜以除去孔口的悬檐。但如此一来难免又造成盲孔底铜也同时被咬而呈现下凹,甚至造成孔底凹铜面向外扩大而使得周围出现树脂的悬空,形成另一种楔型孔破(Wedge Void)了。虽然现行镀铜技术已可将之塞满,但楔型扩张仍然是一种公认的缺点,(见图8)。
  10~15年前HDI起步当时的工程师们目前职位已升迁到了经理,由于当年对“坡形盲孔(Taper μ-via)”的印象深刻,认为孔型不佳时镀盲或填盲都将出现问题,于是仍然继续要求去掉孔口的铜檐,以降低镀盲或填盲的不良。然而这些辛苦多年却又自认英明的经理们,哪里知道电镀铜技术的大幅进步下,今日盲孔的填铜与镀铜哪里还在乎什么孔型?在新一代添加剂的优异功能下,连茶壶型的大肚盲孔都一律全数填平,孔中央甚至向上鼓起,谁还管什么孔型不孔型!十年前的陈腐观念老旧逻辑不趁早抛弃,还有什么“英明”可言?(见图9)
  3.3.3 第三代CO2盲孔
  由于二氧化碳雷射烧孔在能量与速度的改善,现行3~4 mil的DLD雷射盲孔,4mil厚的基材只需2~3枪即可取得良好盲孔,高速者每秒钟可达1000孔。经妥善的除胶渣与随后化学铜的打底后,即可利用“第三代”添加剂的镀铜槽液填铜,垂直线只需100分钟即可将18×24吋的大排板双面100万盲孔全数填平!阿托的水平线,在3倍电流密度下,更只需要45分钟亦可将大排板双面盲孔全数填平,连免于孔破保险用的一次铜也可全部删除。
  化铜后不但全部立即填铜,甚至此次拆解I公司i-5十层板大排板的百万盲孔,连DLD雷射所造成孔口的熔铜与溅铜,孔口外缘的毛头都不再刷磨,而直接将其包裹在填铜柱体之中,有图为证千真万确。连孔口的毛头都不刷了,还有什么理由要求什么孔口铜檐必须去除掉?请问业界众多英明的经理们,当你们看到最先进的填铜技术后,是否还要继续老旧的刷磨与减铜,以及先镀一次铜的落伍做法?   3.3.4 第三代盲孔填铜添加剂
  自从2007年以后盲孔的镀铜与填铜,其第二代商业添加剂已逐渐成熟,对于ELIC的盲孔填铜帮助很大。如下表所示,2012年上市的第三代添加剂更是如鱼得水如虎添翼,对5 mil以下的量产盲孔填铜早已驾轻就熟不成问题了。
  填盲镀铜槽液中各种假想动作之说明:
  3.3.4.1 由于光泽剂(例如SPS)分子量原本最小,是故其移动速率也是三剂中最快者。且在槽液中SPS还会被水解为MPS并与Cu 组成临时性配位体,于是又在较小分子量的载运剂带领以及正负相吸引下,遂逐一进入盲孔底部。之后通过扩散层与电双层过中,抛弃掉水分子与光泽剂分子,最后在氯桥(Cl )的协助下,没负担的铜离子才快速在孔底铜面向上沉积出金属铜层来。(见图10)
  3.3.4.2 槽液中添加最多者即为载运剂或称润湿剂之聚乙二醇,其分子量从小到大各种都有。其较小分子量者将载运着“光泽剂+Cu ”的配位体,不断往阴极表面甚至死角处泳动或移动。再加上带强烈正电性的整平剂,与大分子量大黏度的载运剂一旦占领孔口或板面时,势必妨碍与抗拒铜与光泽剂配位体的着落,于是即可减少板面镀铜的增厚。在面铜遭到压抑而孔铜受到帮助的此消彼长下,就形成了“孔铜与面铜的厚度比达到4.5/1的境界”。(见图11)
  第三代盲孔填铜之添加剂,目前以阿托科技(如HMV),陶氏化学(如Microfill THForLV-F,第二代为EVF),以及日商荏原优莱特Ebara-Udylite的Cu-Brite VF III或VF VI等三家在业界较为广用。
  从拆解I公司的盲孔填铜看来,为了简化流程加速产出起见,不但不刷铜不减铜不镀一铜,甚至直接填铜所用的电流也很大,从粗大的结晶组织与部分盲铜中央还有空洞或破洞即可知晓。然而想找麻烦引起话题鸡蛋里挑骨头者仍大有人在,认为填满后中间的小细缝或小空洞怎么不是瑕疵呢?不过回头再想想,不管是镀盲孔或填盲孔其目的不外只是上下通电互连而已,既然连镀盲孔只有孔壁铜层而中央全部无铜都不是问题,那么填盲孔中央少许不满又有什么问题?很多问题都是人的心态问题,根本不是真正的质量问题。说穿了很多问题都是面子问题与英明问题,亦或权力展现唯恐天下不乱的问题,哪有什么真正的质量问题、可靠度问题,但这种少数人的过度英明与无限权力,却会忙死很多人、累死很多人的!
  四、ENIG的焊锡性
  化镍浸金的焊锡性(Soldera-bility),概言之任何时间任何业者任何产品,几乎都没有什么不好的。一般水平者甚至第二焊第三焊也照样吃锡良好,很少会拒焊(Non-Wetting)或过份缩锡(De-wetting)的缺失。但焊锡性好并不代表焊点强度也好,强度不足的原因主要是黑垫(Black Pad)问题,其次是IMC的Ni3Sn4脆性较大,而且老化中IMC与富磷层(Ni3P)之间出现柱状结晶容易断裂的NiSnP不良接口。不旦受到外力或疲劳应力(Fatique Stress)时,即容易开裂或逐渐分离,比起铜面焊点IMC的Cu6Sn5来显然要衰弱许多。这就是为什么全新iPhone 5各种重要主动组件的承垫,不再采用焊锡性较好但强度却不足的ENIG,而却改用焊锡性虽较逊但强度却较好的OSP了。(见图12)
  事实上并非所有ENIG皮膜的焊锡性都一定很好,管理良好者连较大焊垫之锡膏也都爬锡到达边缘。管理较差者则强热中虽已散锡到达边缘,但由于金面已存在不易净除的异物皮膜,以致边缘熔锡又被强大的内聚力所拉回,而令外缘呈现缩锡或露金的瑕疵。此等吃锡不满虽然强度无差问题不大,但却一直遭到客户的诉怨而苦恼不已。本次拆解i-5手机亲眼见到I公司所有ENIG焊点均无缩锡的画面,不得不对其基础研究的到位与现场执行的贯彻,打心底里肃然起敬。比起某些台籍与陆籍同业们的山头本位与英明作风确有不小的落差,他山之石可以攻玉,别人的长处就应该赶快学习,到底是面子重要还是里子重要?(见图13、图14)
  此次拆解不但能看到主板ENIG的良好焊点,而且覆晶载板上的高铅凸块(Sn5/Pb95Bump)也清晰可见。此种高铅凸块的C4制程(Controlled Clapsed Chip Connection)是IBM在40多年前所开发的。
  之所以采用高铅的理由为①熔点在310℃左右,可令后续多次强热过程中,其心脏区的芯片互连还不致受到影响,②高铅焊点非常柔软,后续可能多次的外力振动也还不致遭到伤害。要注意的是这种高铅是一种特殊Low α的老铅,读者须知铅是各种放射性元素的归宿。而α、β、γ等三种放射线都有其一定的半衰期,所有铅金属中都免不了残余微量的α射线,理论上不可能到零。一旦α射线较强时将会干扰到讯号的质量,因而Bump中的铅一律要求Low α了。2006年7月起RoHS规定,产品中凡铅量超过0.1%就是违法,但凸块中高95%的铅却是合法,这就是现实的世界,强者说了算,哪有什么公平与正义。(见图15、图16)
  五、细线与内层铜面之非氧化性取代皮膜
  此次拆解在CPU/A6试样区,可见到i-5主板1mil线宽的细线,与其非氧化式之取代性皮膜(Repla-cement Film);如阿托科技的Bondfilm (系H2SO4/H2O2酸性蚀刻与OSP皮膜)或为日商美格之V-Bond皮膜。同时也可见到其CPU所附载之6L载板(2+2+2)中,其1mil/1mil线宽线距共29条线路之1000倍放大连图,该优良质量之载板猜想也应为I公司日本厂之产品。这种高阶的CPU载板目前合格量产的供货商还不多,以日商与少数韩商为主。
  从图19放大1000倍共22条细线的连图(原切样共为29条线) ,与2000倍的量测单图看来,其压合前的铜面处理应为日商美格的超粗化CZ-8100。目前所有载板的压合与绿漆前铜面处理均为CZ-8100/8300超粗化之有机皮膜,此种超粗化会形成香菇状的外形而大幅加强附着力,此种超粗化咬蚀药水难度很高,直到现在尚无第二家供货商出现。(见图17、图18、图19)
  六、结论
  TPCA以3万1千元的代价从市面上买到了待拆解的全新iPhone 5手机,原本不抱太大的希望能从画面中找到多少可兹攻错的借鉴。没想到TPCA的运气好到不行,该十层ELIC的主板竟然是技术龙头的日商I公司产品,而且还是马来西亚全新设厂流程最新最简化的量产板,例如:雷射成盲孔后孔口不刷铜渣、不减孔口的铜檐、不镀一次铜,化铜后直接填铜,流程简化了良率当然就会拉高。仅此一项发现就已值回票价,其他多项优点更是多赚的利息,工作完成不辱使命,对一个75岁的老人而言,这种新鲜事的确可以快乐很久的。
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