下一代超薄HDI印制電路板制作挑戰(zhàn)

吳金華 譯

（上海美維科技有限公司，上海 201613）

隨著智能手機(jī)、平板電腦和可穿戴式設(shè)備等產(chǎn)品向小型化、多功能化方向發(fā)展，高密度互連印制電路板技術(shù)不斷提升，PCB導(dǎo)線寬度、間距，微孔盤的直徑和孔中心距離，以及導(dǎo)體層和絕緣層的厚度都在不斷下降，使得在PCB尺寸、重量和體積不增加的情況下，提升PCB的層數(shù)，容納更多的元器件。另外，隨著無線數(shù)據(jù)傳輸帶寬和處理速度的增加，PCB的電氣性能變得極其重要。

正如集成電路產(chǎn)業(yè)為了性能擴(kuò)展和符合摩爾定律，而遇到了障礙，PCB產(chǎn)業(yè)為了不斷提升互連密度和電氣性能，在工藝能力和材料性能上也面臨挑戰(zhàn)。即使PCB采取任意層互連高密度（ALV HDI）設(shè)計(jì)，性能擴(kuò)展和提高仍有局限性，制造成本也提高，有性價(jià)比的問題。

PCB業(yè)界面臨層數(shù)不斷上升以及厚度下降的挑戰(zhàn)，絕緣層的厚度已經(jīng)低于50μm的臨界值，PCB尺寸穩(wěn)定性和電氣性能（特別是信號(hào)阻抗和絕緣電阻）下降。同時(shí)，信號(hào)走線密度不斷增加，線路寬度小于40μm，采用傳統(tǒng)減成法制作這樣的線路非常困難。而加成法技術(shù)雖然可以實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)的線路的制作，但是存在成本高，生產(chǎn)規(guī)模小的問題。

而復(fù)雜的和自動(dòng)化的適宜設(shè)備使用增加，如激光直接成像（LDI）設(shè)備和激光直接鉆孔（LDD）100μm激光孔技術(shù)能夠改善上述的問題，但是成本會(huì)增加，材料性能方面也有些局限。這些也意味著我們需要將精力集中在基礎(chǔ)方面，使我們的系統(tǒng)更強(qiáng)大、成本更低。

本文介紹最近ALV HDI技術(shù)在量產(chǎn)上面臨的挑戰(zhàn)及進(jìn)展，以滿足其在電子封裝領(lǐng)域批量，可靠、價(jià)格上有競爭力的需求。

圖1 根據(jù)穆爾定律驅(qū)動(dòng)小型化的應(yīng)用例，這最終可能被新的器件結(jié)構(gòu)所取代（超越CMOS），以及硅技術(shù)的應(yīng)用提供附加的功能和多樣化[ 1 ]

1 概述

隨著社交媒體的普及，越來越多的交流是通過智能手機(jī)或平板電腦來實(shí)現(xiàn)。社交媒體是現(xiàn)在任何成功的企業(yè)營銷計(jì)劃的重要組成部分。它提供了我們一個(gè)平臺(tái)，能與現(xiàn)有和潛在客戶進(jìn)行交流，也能經(jīng)常為我們提供反饋和新的想法。這意味著，近年來信息傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大大增加了，并且還將繼續(xù)增加。后續(xù)功能的增加以及部件尺寸上的減小將會(huì)是PCB發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展速度幾乎是指數(shù)形式，每兩年翻一番，而這種發(fā)展速度將在最近的幾年持續(xù)進(jìn)行。

當(dāng)我們比較第一代手機(jī)用的經(jīng)典剛性PCB結(jié)構(gòu)和當(dāng)前智能手機(jī)用的最新PCB時(shí)，能看到巨大的差異?？梢哉f，小型化是近幾年的主要趨勢。雖然手機(jī)的外形尺寸沒有很大變化，但可以明顯看出元器件和PCB在不斷縮小，以適應(yīng)更強(qiáng)的功能。在一個(gè)典型的智能手機(jī)或平板電腦里面，大部分空間被顯示屏和電池占據(jù)，而剩下的電子器件都已減小尺寸并且被整合到小區(qū)域內(nèi)[2]。

由于組件間距減少，I/O數(shù)量增加，最顯著的變化之一也許就是板變薄和層數(shù)增加。十年前，典型的剛性PCB厚度超過1毫米。而現(xiàn)在，典型的智能手機(jī)PCB厚度約為0.5～0.7毫米。但是有明顯的趨勢顯示，板厚度減少的同時(shí)，層數(shù)在增加。根據(jù)產(chǎn)業(yè)路線圖可以預(yù)期，未來幾年小于0.4毫米厚的PCB將出現(xiàn)在手持設(shè)備內(nèi)。根據(jù)產(chǎn)品的復(fù)雜性不同，含微孔的層數(shù)將增加到10甚至12層。顯然這會(huì)導(dǎo)致薄介質(zhì)和導(dǎo)體層的使用[2]。

表1 按產(chǎn)品分類的智能接入設(shè)備市場[3]

在幾年前，0.6 mm ～ 0.8 mm節(jié)距技術(shù)用在了當(dāng)時(shí)的手持設(shè)備上。而今天的智能手機(jī)，由于元件I/O數(shù)量和產(chǎn)品小型化，使得PCB廣泛使用了0.4 mm節(jié)距技術(shù)。如預(yù)期的一樣，這一趨勢正向0.3 mm發(fā)展。事實(shí)上用于移動(dòng)終端的0.3 mm間距技術(shù)開發(fā)工作已經(jīng)在幾年前就開始了[4]。同時(shí)，微孔大小和連接盤直徑已分別下降到75 mm和200 mm。行業(yè)的目標(biāo)是在未來幾年內(nèi)將微孔和盤分別下降到50 mm和150mm。[2]

圖2 0.3mm間距設(shè)計(jì)規(guī)范

小型化驅(qū)使ALV HDI PCB內(nèi)的線寬、間距和表面貼裝盤的尺寸的下降。隨著任意層技術(shù)的使用，使得小型化成為可能。由于可以使任意一層之間形成互連，這給予設(shè)計(jì)師更多的自由度。細(xì)線制造過程的能力提高是明顯的。而且新的制造和加工的解決方案對(duì)于滿足這些新設(shè)計(jì)的要求是必需的。

2 ALV HDI PCB制造所面臨的挑戰(zhàn)

ALV HDI PCB小型化的關(guān)鍵生產(chǎn)步驟是多層層壓，激光鉆孔、成像、蝕刻和電鍍過程，以及如何優(yōu)化工藝以滿足大批量、穩(wěn)健、可靠和低成本的生產(chǎn)。

2.1 微孔激光技術(shù)的演變

在1990年代中期，元件引腳間距下降，技術(shù)難點(diǎn)在于將高I/O數(shù)量的元件與多層PTH PCB連接起來。PCB行業(yè)為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，除了降低機(jī)械鉆的通孔到150 mm以下外，還開發(fā)微孔技術(shù)，如：可光致成像的介質(zhì)層，等離子體蝕刻孔和激光鉆孔方法。然而，通過光致成像成孔的技術(shù)需要特殊的光敏材料，等離子體對(duì)FR-4沒有效果。激光鉆孔由于其靈活性，現(xiàn)在已成為主導(dǎo)的生產(chǎn)方法。

最初，可用的激光是TEA CO2和UV Nd: YAG，有幾個(gè)缺點(diǎn)限制了它們的實(shí)用性和準(zhǔn)確性。

TEA CO2激光的波長是10600納米，無法鉆銅，速度慢，脈沖易缺失，因此，應(yīng)用上有一定的困難。使用這種激光鉆機(jī)時(shí)，需要在銅表面制作與最終完成的激光孔徑等大或略大的窗口（Conformal Mask）。另外，這種長波長激光燒蝕后在PCB內(nèi)會(huì)形成碳化層，這種碳化層必須通過比較強(qiáng)的除膠渣參數(shù)才能去除干凈。

1997年推出的第一臺(tái)紫外激光鉆機(jī)的激光是355 nm波長的Nd: YAG。激光器通過小的光斑直徑，可以很好的聚焦，運(yùn)用套孔和盤旋方法。這些UV激光鉆機(jī)在鉆銅和樹脂時(shí)效果好。但是在鉆FR-4時(shí)出現(xiàn)問題，這是因?yàn)镕R-4中含有玻璃纖維，而玻璃纖維對(duì)UV光的吸收非常弱，不易被打斷。因此采用UV激光鉆孔的PCB產(chǎn)品需要使用樹脂涂覆的銅箔（RCC）來代替FR-4作為積層材料。UV激光鉆機(jī)效率很低，功率穩(wěn)定性也有問題。而在穩(wěn)定性有所改善，額定功率急劇增加后，玻璃纖維燒蝕仍然是一個(gè)問題，并且UV激光鉆機(jī)的產(chǎn)能遠(yuǎn)低于二氧化碳激光鉆機(jī)，所以UV鉆機(jī)目前只適用于某些特殊的場合。

后來，一些公司開始將CO2激光與UV激光組合使用，但是這種方案只適合制作PCB樣板和小批量生產(chǎn)，而對(duì)于批量板而言，這種組合使用的方法并不經(jīng)濟(jì)、實(shí)惠。

1998年是微盲孔板需求大幅增加的一年。因此，主流PCB制造商標(biāo)準(zhǔn)化了蝕刻+二氧化碳激光這一流程，新的CO2激光鉆機(jī)開始投入市場，這種鉆機(jī)沒有脈沖損耗，并且速度更快。新的CO2鉆機(jī)在生產(chǎn)能力的大幅提升最終使其在大批量生產(chǎn)中獲得較好的成本效益。鉆孔過程也非常穩(wěn)定。到2000年代中期，業(yè)界領(lǐng)先的PCB制造商開始發(fā)展直接將銅箔鉆穿。將銅減薄到5 mm ～ 12 mm厚，并在鉆孔前將銅面粗化變暗。這種激光直接成孔的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是減少銅窗口蝕刻這一步驟，成本明顯下降。這是今天為生產(chǎn)任意層互連微盲孔的主要方法。然而，這種方法的缺點(diǎn)在于加工的窗口比較窄而且不能返工。從質(zhì)量的角度來看，對(duì)于穩(wěn)定量產(chǎn)小于100μm微盲孔是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。因?yàn)榭卓趹毅~、玻纖突出和樹脂殘留等缺陷會(huì)導(dǎo)致后續(xù)的除膠渣和電鍍制程出現(xiàn)品質(zhì)問題，因此這些小于100μm的微盲孔一定要優(yōu)化孔型，去除孔口懸銅、消除玻纖突出和樹脂殘留等缺陷。

CO2激光鉆孔在未來的一段時(shí)間內(nèi)仍將占主導(dǎo)地位。然而，新的皮秒和飛秒激光鉆機(jī)將進(jìn)入市場，這些鉆機(jī)在加工速度、鉆孔質(zhì)量和生產(chǎn)效率上很有優(yōu)勢。當(dāng)行業(yè)面臨的小孔徑激光盲孔的挑戰(zhàn)時(shí)，這些激光鉆機(jī)可能成為一個(gè)發(fā)展方向。而且這些激光鉆機(jī)對(duì)材料的熱損傷小于長脈沖激光鉆機(jī)（如CO2激光鉆機(jī)）。這些新的激光鉆機(jī)可以對(duì)沒有進(jìn)行任何處理的銅箔進(jìn)行鉆孔。

圖3 上圖是90年代末期典型設(shè)計(jì)尺寸：100μm介厚，150μm微盲孔；中圖是2000年早期以來的典型設(shè)計(jì)尺寸：60μm介厚，100μm微盲孔；下圖是當(dāng)前的典型設(shè)計(jì)尺寸：40μm介厚，60μm微盲孔

圖4 納秒級(jí)脈沖激光與超短脈沖激光在鉆孔時(shí)，材料受熱區(qū)域示意圖[5] ，皮秒脈沖激光將減小材料的受熱區(qū)域

2.2 電鍍和成像工藝

PCB電鍍工藝流程的選擇是由線寬/間距、絕緣層厚度，最終完成銅厚來決定的。在0.3 mm節(jié)距BGA設(shè)計(jì)中，焊盤直徑為150μm，盲孔為75μm，間距為0.3 mm的兩個(gè)焊盤中間走兩根30 mm/30 mm的細(xì)線。通過現(xiàn)有的減成法制作這種精細(xì)線路是具有挑戰(zhàn)性的。減成法中蝕刻能力是關(guān)鍵因素之一，圖形轉(zhuǎn)移流程和電鍍均勻性均需要優(yōu)化。這就是為什么PCB業(yè)界采用mSAP工藝制作精細(xì)線路的原因。相比減成法，mSAP工藝制作的精細(xì)線路的線頂寬與底寬幾乎一致，也就是更容易控制線成方型。mSAP的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，采用標(biāo)準(zhǔn)PCB流程，如鉆孔和電鍍等現(xiàn)有技術(shù)，而且使用傳統(tǒng)的材料可以在銅和介電層之間提供很好的附著力，保證最終產(chǎn)品的可靠性。

圖5 工藝技術(shù)與線路寬度關(guān)系

與減成法相比，mSAP流程的最大好處在于：線型容易控制，整個(gè)生產(chǎn)板的線條頂寬與底寬幾乎一致。線路厚度降低，線型可以控制，串?dāng)_低，信噪比高，信號(hào)完整性提高。事實(shí)上，這種細(xì)導(dǎo)線和較薄的介質(zhì)層必定有特性阻抗水平的要求。

圖6 mSAP工藝具有更高的系統(tǒng)解析度和優(yōu)異的導(dǎo)體幾何形狀

目前PCB產(chǎn)品的線路越來越細(xì)，介質(zhì)層厚度不斷減小，因此需要選擇一種合適的制作PCB工藝。這種工藝必須能夠滿足電鍍填孔的要求，同時(shí)能夠制作精細(xì)線路。

更精細(xì)線路、更小間距和孔環(huán)需要對(duì)圖形轉(zhuǎn)移過程進(jìn)行更嚴(yán)格的控制。對(duì)精細(xì)線路而言，不能使用修補(bǔ)返工或修理等方法。如果想獲得較高的合格率，必須重視圖形制作工具的質(zhì)量，層壓半固化片的參數(shù)以及圖形轉(zhuǎn)移的參數(shù)[6]。對(duì)于這項(xiàng)技術(shù)而言，使用激光直接成像（LDI）替代接觸式曝光看起來越來越具有吸引力。但LDI生產(chǎn)效率低、成本高，因此90%以上的PCB產(chǎn)品是采用接觸式曝光進(jìn)行圖形轉(zhuǎn)移的。只有當(dāng)LDI可以大幅度提升良率時(shí)，使用LDI才顯得更劃算。現(xiàn)在，復(fù)雜的任意層互聯(lián)的PCB良率提升是至關(guān)重要的，因此，我們傾向于使用LDI。如果沒有LDI，將無法生產(chǎn)高端的智能手機(jī)使用的PCB。LDI的優(yōu)點(diǎn)在于：允許每塊PCB板使用不同的漲縮，這樣會(huì)減少由于對(duì)位不準(zhǔn)引起的報(bào)廢。

為了充分發(fā)揮LDI的優(yōu)越性，干膜或者濕膜需要與圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)匹配，以獲得最佳的產(chǎn)能。最近，干/濕膜的工藝能力和生產(chǎn)能力都有比較大的提升。這可能有助于大家購買LDI來制作圖形轉(zhuǎn)移。因?yàn)楫?dāng)大家面臨一些其它選擇時(shí)，大家總是希望使用久經(jīng)考驗(yàn)的技術(shù)。另外，還有一種DI機(jī)器，也可用于PCB生產(chǎn)中。在新賣出的DI機(jī)器中，約25%用于阻焊圖形的制作。在阻焊制程中使用DI，可能會(huì)大幅度提高良率，而缺點(diǎn)在于其產(chǎn)能過低。[6]

3 總結(jié)

本文主要介紹任意層互聯(lián)PCB板在制作過程中的關(guān)鍵制程及其對(duì)成本的影響。在選擇工藝制程時(shí)，應(yīng)該考慮這種技術(shù)必須滿足當(dāng)前和未來電子封裝產(chǎn)品的需求。HDI PCB面臨的挑戰(zhàn)是：PCB功能的增加和尺寸的減小，以及在最近的終端產(chǎn)品中頻繁出現(xiàn)的超薄結(jié)構(gòu)。為了使得材料和生產(chǎn)方法及時(shí)準(zhǔn)備好，必須有效管理供應(yīng)鏈，縮短樣板制作周期，使自己的產(chǎn)品更快的推向市場。

減成法（銅箔或電鍍）制作精細(xì)線路會(huì)面臨銅厚和銅厚偏差的限制，這些對(duì)導(dǎo)線間距、厚度偏差和基銅粗糙度都很敏感。加成法具有更高的解析度，制作精細(xì)線路時(shí)線型好，但是對(duì)工程師而言，控制比較復(fù)雜，并且，可能需要投入大量的資金。mSAP工藝的精細(xì)線路具有更直的側(cè)壁，因此傳輸損耗和串?dāng)_比較低，使PCB信號(hào)完整性提高。

對(duì)于生產(chǎn)過程的選擇而言沒有簡單的答案，因?yàn)樯a(chǎn)過程的選擇主要取決于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的特性。如果工程師早期參與產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程，將有利于找到最經(jīng)濟(jì)的解決方案。

感謝Chris Katzko對(duì)于本文支持和貢獻(xiàn)。

注：本文原發(fā)表于2014年世界電子電路大會(huì)。現(xiàn)文譯自PCB Magazine 2015/04期。

[1]Joachim N. Burghartz, Editor, Ultra-thin Chip Technology and Applications, Institut fur Mikroelektronik Stuttgart(IMS CHIPS)Allmandring30a, Germany, pp. 17, April 201.

[2]Erkko Helminen, Tarja Rapala-Virtanen,Miniaturization In fl uence on Electrical Functionality of High Density Printed Circuit Board in press ECWC13, 2014.

[3]International Data Corporation(IDC), Worldwide Quarterly Smart Connected Device Tracker,2013-Q3 edition, 2013 September 11;Smart Connected Device Market by Product Category.

[4]T. Katahira, J. Scanlan, J. W. Park, K.S.Oh, 0.3 mm Pitch CSP/BGA Development for Mobile Terminals,International Microelectronics and Packaging Society, IMAPS, November 11-15, 2007, San Jose,CA, USA, pp.393-401.

[5]Stephan Kunz, Schmoll-Maschinen GmbH, EIPC Winter Conference Geneva, Switzerland, January 30& 31, 2014.

[6]JPCA 2014 Show Technology Summary.