任意層HDI對(duì)位系統(tǒng)研究

孟應(yīng)許 周尚松 吳六雄 李 再（深南電路有限公司，廣東 深圳 518117）

任意層HDI對(duì)位系統(tǒng)研究

Paper Code: S-078

孟應(yīng)許 周尚松 吳六雄 李 再
（深南電路有限公司，廣東 深圳 518117）

隨著電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，任意層互聯(lián)HDI板在高端消費(fèi)品領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，其盲孔階數(shù)已經(jīng)從最初的3階發(fā)展到現(xiàn)在的5階以上，最高甚至出現(xiàn)了7階的HDI板。文章通過(guò)對(duì)不同的對(duì)位系統(tǒng)進(jìn)行研究，分析不同對(duì)位系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)及差異，為業(yè)界加工同類型產(chǎn)品提供必要的參考。

HDI；多階；對(duì)位系統(tǒng)；對(duì)位精度

1 前言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，對(duì)印制電路板線路密度、對(duì)位能力要求越來(lái)越高，常規(guī)一階、二階HDI已經(jīng)逐漸不能滿足智能電子產(chǎn)品的要求而朝著多階、任意層互聯(lián)的方向發(fā)展。

任意層互聯(lián)（Anylayer）技術(shù)的應(yīng)用，可以使PCB的體積較傳統(tǒng)HDI減小40%～50%[1]，在達(dá)到輕、薄的同時(shí)，可以縮短信號(hào)的傳輸距離，降低電容和電感產(chǎn)生的損耗。同時(shí)，高密設(shè)計(jì)還可以節(jié)約電能消耗，提升設(shè)備續(xù)航能力。

目前，任意層互聯(lián)技術(shù)主要來(lái)自于日本，包括松下公司的ALIVH工藝（Any Layer Inner Via Hole,任意層內(nèi)互聯(lián)技術(shù)），東芝公司的B2IT工藝（Buried Bump Interconnection Technology，預(yù)埋凸塊互聯(lián)技術(shù)，Ibiden（揖斐電）的FVSS工藝（Free Via Stacked Up Structure，任意疊孔互聯(lián)技術(shù)），North Print的NMBI工藝（Neo-Manhattan Bump Interconnection，新型立柱凸塊互聯(lián)技術(shù)）[2]?；趯＠?、成本及設(shè)備通用性的考慮，目前大部分廠家采用不需要專利的逐次壓合法制作多階盲孔及圖形，即在制作一階盲孔之后再次壓合制作二階盲孔，并以此類推制作多階盲孔，其中在兩次壓合之間通過(guò)電鍍將盲孔填實(shí)，實(shí)現(xiàn)不同層次之間的互聯(lián)。

以10層任意層互聯(lián)HDI為例，從內(nèi)層芯板開(kāi)始，至少需要經(jīng)過(guò)5次鐳射，5次圖形，5次電鍍和4次壓合才能完成板件的加工，其中每一次鐳射、圖形、層壓均涉及到不同層次之間的對(duì)位問(wèn)題，因此，任意層HDI對(duì)層間對(duì)位和板件漲縮提出了很高的要求，其生產(chǎn)過(guò)程對(duì)設(shè)備、環(huán)境、操作水平、生產(chǎn)工藝都是很大的考驗(yàn)。

建立一個(gè)好的對(duì)位系統(tǒng)，可以盡可能降低系統(tǒng)對(duì)位偏差，實(shí)現(xiàn)任意層HDI不同層次圖形及盲孔之間的精準(zhǔn)對(duì)位。

2 主要的對(duì)位系統(tǒng)介紹

任意層HDI的加工涉及多次對(duì)位過(guò)程，以10層任意層互聯(lián)HDI為例，業(yè)界常規(guī)的對(duì)位過(guò)程如表1所示。其中部分步驟因?yàn)槭谴謱?duì)位或者不影響對(duì)位結(jié)果（如5-6層的鉆孔，不出現(xiàn)大異常，不會(huì)影響到最終的對(duì)位結(jié)果）或者其影響與控制方法與傳統(tǒng)PCB一致（如層壓、防焊、字符等）本文將不再討論。這樣，我們可以對(duì)表1的對(duì)位過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的對(duì)位步驟如表2所示。

表1 任意層HDI業(yè)界常規(guī)對(duì)位過(guò)程

表2 任意層HDI簡(jiǎn)化對(duì)位過(guò)程

通過(guò)簡(jiǎn)化后的對(duì)位過(guò)程可以看出，任意層互聯(lián)HDI不同對(duì)位方式的關(guān)鍵步驟在于激光鉆孔和圖形制作過(guò)程，其共同決定了整個(gè)對(duì)位系統(tǒng)的對(duì)位原理與對(duì)位方式。

2.1 激光鉆孔對(duì)位工藝

激光鉆孔的加工方式有三種，即敖形掩膜（Conformal mask）、開(kāi)大窗（Large window）、和激光直接打孔（LDD， Laser Direct Drill）[3]，傳統(tǒng)HDI主要采用前兩種方式，而對(duì)位任意層互聯(lián)板件，由于LDD工藝具有流程短、對(duì)位精度高等優(yōu)勢(shì)而被業(yè)界普遍采用。

在對(duì)位方面，LDD工藝已經(jīng)比較成熟，主要通過(guò)燒蝕內(nèi)層靶標(biāo)進(jìn)行對(duì)位。首先在內(nèi)層圖形制作過(guò)程中，預(yù)先制作一個(gè)靶標(biāo)點(diǎn)，然后在激光鉆時(shí)把靶標(biāo)點(diǎn)處的銅箔和樹(shù)脂燒掉，激光鉆機(jī)直接抓取內(nèi)層靶標(biāo)進(jìn)行對(duì)位。

漲縮控制方面，目前通過(guò)LDD工藝加工盲孔時(shí)主要采用自動(dòng)漲縮，以達(dá)到最大限度地與圖形匹配的目的。

2.2 圖形對(duì)位工藝

由于在傳統(tǒng)底片成像中，底片本身存在較大的漲縮偏差，目前業(yè)界通?？刂品秶鸀? mil ～ 2 mil，再考慮到普通曝光機(jī)本身的對(duì)位誤差及板件漲縮的差異，最終每層之間的對(duì)位誤差都在2 mil左右，5次圖形制作疊加下來(lái)將會(huì)產(chǎn)生巨大的對(duì)位偏差。因此，普通自動(dòng)曝光機(jī)已經(jīng)越來(lái)越不能滿足任意層互聯(lián)板件的加工要求。LDI（Laser Direct Image，激光直接成像）或DMD（Digital Micro mirror Device，數(shù)字微鏡元件）方式可以直接在板件抗蝕劑上進(jìn)行成像，從而避免了因底片漲縮差異造成的對(duì)位偏差。因此，為了保證良好的對(duì)位，最好采用直接成像設(shè)備進(jìn)行圖形的轉(zhuǎn)移。

任意層互聯(lián)HDI的圖形工藝不僅進(jìn)行自身的對(duì)位，還在盲孔和通孔的對(duì)位過(guò)程中起到媒介的作用而愈發(fā)重要。目前任意層互聯(lián)HDI雖然也進(jìn)入了規(guī)?；纳a(chǎn)過(guò)程，但由于其自身的重要性及HDI階數(shù)的提高而處在不斷的探索和發(fā)展之中。下面將從內(nèi)層、中間層、外層對(duì)圖形對(duì)位工藝進(jìn)行介紹。

2.2.1 內(nèi)層芯板圖形對(duì)位工藝

內(nèi)層芯板的激光鉆和圖形制作均采用通孔靶標(biāo)進(jìn)行對(duì)位，如圖1所示（淺黃色箭頭表示盲孔加工時(shí)的對(duì)位信息的傳遞方向，深黃色箭頭表示圖形加工時(shí)對(duì)位信息的傳遞方向，下同）。由于采用通孔對(duì)位，因此需要預(yù)先通過(guò)鉆孔將靶標(biāo)加工出來(lái)，對(duì)鉆孔要求很高?？孜痪群涂妆谫|(zhì)量對(duì)激光鉆孔對(duì)位和圖形對(duì)位會(huì)產(chǎn)生直接影響，因此需要控制鉆孔參數(shù)來(lái)保證圖形的對(duì)位精度。

圖1 內(nèi)層芯板對(duì)位方式示意圖

2.2.2 中間層圖形對(duì)位工藝

中間層對(duì)位工藝是任意層互聯(lián)HDI對(duì)位的核心，根據(jù)其采用的對(duì)位靶標(biāo)的不同，可分為鐳射盲孔對(duì)位，內(nèi)層圖形靶標(biāo)對(duì)位和通孔對(duì)位三種，如表3所示。下面分別對(duì)幾種不同的對(duì)位方式進(jìn)行介紹。

（1）中間層圖形對(duì)位方式1

該對(duì)位原理如圖2所示，其對(duì)位信息的傳遞方式為：圖形→激光鉆孔→圖形，并循環(huán)往復(fù)直至傳遞到次外層。

圖2 中間層圖形對(duì)位工藝方式1示意圖

該對(duì)位方式中，對(duì)位靶標(biāo)的選擇至關(guān)重要。每個(gè)公司都會(huì)根據(jù)自己的實(shí)際情況設(shè)計(jì)不同種類的靶標(biāo)，靶標(biāo)的種類大致有表5所示的幾種，除表中所示的靶標(biāo)之外，很多公司也會(huì)根據(jù)自身需要，設(shè)計(jì)出具有特殊用途的靶標(biāo)。

表3 中間層對(duì)位方式

表4 中間層對(duì)位方式1的靶標(biāo)種類及適用類型

該方式是目前主流的對(duì)位方式，其對(duì)位原理簡(jiǎn)單，工程資料設(shè)計(jì)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)操作均較為方便，整體上的缺點(diǎn)是靶標(biāo)質(zhì)量受前工序影響較大，激光鉆能量控制不當(dāng)、電鍍毛刺等問(wèn)題會(huì)造成識(shí)別不良，影響到品質(zhì)和效率。

（2）中間層圖形對(duì)位方式2

該對(duì)位原理如圖3所示，其對(duì)位信息的傳遞方式為：圖形→激光鉆孔；圖形→圖形，并循環(huán)往復(fù)直至傳遞到次外層。目前主要采用的兩種靶標(biāo)如表5所示。

該方式是比較新穎的對(duì)位方式，理論對(duì)位精度比方式1有大幅提高，但會(huì)給工程資料的制作及激光鉆或蝕刻增加難度，設(shè)備前期調(diào)試也較為復(fù)雜，在靶標(biāo)識(shí)別不良時(shí)的處理時(shí)效也較長(zhǎng)。

圖3 中間層圖形對(duì)位工藝方式2示意圖

（3）中間層圖形對(duì)位方式3

該對(duì)位原理如圖4所示，其對(duì)位信息的傳遞方式為：圖形→激光鉆孔；通孔→圖形→通孔，并循環(huán)往復(fù)直至傳遞到次外層。

表5 中間層對(duì)位方式2的靶標(biāo)種類及適用類型

圖4 中間層圖形對(duì)位工藝方式3示意圖

該對(duì)位方式下，圖形對(duì)位識(shí)別的靶標(biāo)為通孔，識(shí)別率高，曝光異常少。但由于鉆靶機(jī)本身存在一定的對(duì)位誤差，多次對(duì)位的疊加給續(xù)對(duì)位帶來(lái)了一定的風(fēng)險(xiǎn)，目前較少采用。

（4）三種對(duì)位方式對(duì)比

三種對(duì)位分別適用于不同的場(chǎng)合，主要優(yōu)缺點(diǎn)匯總?cè)绫?，建議在需要時(shí)采用。

表6 三種中間層對(duì)位方式對(duì)比

2.2.3 外層對(duì)位工藝

外層對(duì)位工藝中，目前的主要做法有根據(jù)盲孔對(duì)位和通盲孔兼顧對(duì)位兩種。

根據(jù)盲孔對(duì)位通常會(huì)在整體對(duì)位較好是采用，對(duì)位原理與中間層三種方式一致，再次不再贅述。

通盲孔兼顧對(duì)位通常用于由其他原因容易造成通盲孔比例差異較大的情況，這時(shí)可以同時(shí)識(shí)別通盲孔兩種靶標(biāo)進(jìn)行對(duì)位，以達(dá)到通盲孔均不破盤(pán)的目的，目前使用的靶標(biāo)主要有如下兩種：

采用上述兩種靶標(biāo)之后，可以同時(shí)兼顧通孔和盲孔進(jìn)行對(duì)位。設(shè)備中通?？梢栽O(shè)置兩種靶標(biāo)的權(quán)重，以滿足不同環(huán)寬時(shí)的加工要求。外層通盲孔兼顧對(duì)位原理如圖5中的L2→L1層所示。

3 結(jié)論

內(nèi)層芯板加工時(shí)采取通孔對(duì)位可以保證盲孔與圖形的統(tǒng)一性；

中間層圖形轉(zhuǎn)移時(shí)可以根據(jù)需要采取不同的對(duì)位方式，采用鐳射靶標(biāo)可以方便現(xiàn)場(chǎng)管理，內(nèi)層圖形的靶標(biāo)可以提高整體的對(duì)位精度，鉆靶通孔靶標(biāo)可以提高整體的識(shí)別率；

表7 常用的通盲孔兼顧靶標(biāo)

圖5 外層對(duì)位工藝示意圖

最外層通盲孔偏差較大時(shí)，采用通盲孔兼顧靶標(biāo)可以很好解決通盲孔無(wú)法兼顧的問(wèn)題；

激光鉆、電鍍等前工序會(huì)通過(guò)影響靶標(biāo)質(zhì)量進(jìn)而影響到圖形的對(duì)位精度，因此前制程也是改善圖形對(duì)位的重要方向。

[1] 林旭榮, 張學(xué)東. 任意層互聯(lián)技術(shù)開(kāi)發(fā)介紹[J]. 印制電路信息, 2012,(4):157-160.

[2] 陳世金, 徐緩, 楊詩(shī)偉, 韓志偉, 鄧宏喜. 任意層高密度互聯(lián)電路板制作關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 2013, 34(5):279-283.

孟應(yīng)許，工藝工程師，負(fù)責(zé)內(nèi)層圖形、內(nèi)層蝕刻工序。

Research on alignment system of anylayer HDI

MENG Ying-xu ZHOU Shang-song WU Liu-xiong LI Zai

With the development of electronic industry, anylayer HDI boards has been used more and more in the field of high-end consumer goods. The blind via has developed from 3 to 5, and the highest step even reached 7. Based on the research of the different alignment systems, this paper analyzes the key points and difference of each alignment system, and provides necessary reference for the industry.

HDI; Multi Steps; Alignment System; Alignment Accuracy

TN41

A

1009-0096（2014）04-0190-07