用于PCB行業(yè)的LDI設(shè)備發(fā)展?fàn)顩r

曲魯杰 杜衛(wèi)沖

（中山新諾科技股份有限公司，廣東 中山 528437）

用于PCB行業(yè)的LDI設(shè)備發(fā)展?fàn)顩r

曲魯杰 杜衛(wèi)沖

（中山新諾科技股份有限公司，廣東 中山 528437）

PCB行業(yè)向多層、高精度的HDI板、IC-載板方向發(fā)展，在這個(gè)領(lǐng)域里，傳統(tǒng)曝光機(jī)已無(wú)法滿足這種技術(shù)的需求，LDI正在替代傳統(tǒng)曝光而迅速發(fā)展起來(lái)。文章介紹了當(dāng)前在PCB行業(yè)中兩種主流的LDI設(shè)備的技術(shù)以及發(fā)展?fàn)顩r。

激光成像；高密度互連；印制電路板；IC-載板

印制電路板（PCB）行業(yè)是電子信息產(chǎn)業(yè)中最重要的細(xì)分行業(yè)之一。2011年至2015年期間，全球PCB將保持6.5%的速度穩(wěn)定增長(zhǎng)，2015年整體規(guī)模將有望達(dá)到598億美元。在全球 PCB產(chǎn)值分布中，亞洲占到全球產(chǎn)量的80%以上，其中，我國(guó)已成為全球 PCB第一大國(guó)，PCB企業(yè)數(shù)量世界第一。全球 PCB產(chǎn)值分布及變化圖1示。

圖1 全球 PCB產(chǎn)值分布及變化

然而，由于 PCB產(chǎn)業(yè)未形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈條，造成了中國(guó) PCB產(chǎn)業(yè)大而不強(qiáng)的困境。PCB生產(chǎn)所需的設(shè)備、儀器和原輔材料等關(guān)鍵配套產(chǎn)業(yè)均發(fā)展不足，雖然中低端設(shè)備已經(jīng)可以替代進(jìn)口，但是高端設(shè)備以及 PCB生產(chǎn)所需的主要物料一直為國(guó)外壟斷，自給率較低。在我國(guó)成為電子消費(fèi)第一大國(guó)的今天，大力發(fā)展 PCB配套行業(yè)，是我國(guó)PCB產(chǎn)業(yè)由大轉(zhuǎn)強(qiáng)的必要途徑，將成為未來(lái)我國(guó)PCB產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。

隨著PCB朝向高密度連接 HDI板、IC載板、剛撓結(jié)合板、多層板等趨勢(shì)發(fā)展，傳統(tǒng)的掩膜（Mask）曝光顯影制程（Lithography）已面臨生產(chǎn)技術(shù)瓶頸。為了解決良率與產(chǎn)出率的問(wèn)題，新興的無(wú)掩模直接光刻技術(shù)日益受到 PCB產(chǎn)業(yè)的重視，這種直接成像的數(shù)碼影像設(shè)備將在未來(lái)數(shù)年之內(nèi)，成為曝光制程技術(shù)的主流。

這種曝光技術(shù)與市場(chǎng)上的其它產(chǎn)品相比，具有更高的成品率和投資回報(bào)率?；跓o(wú)掩模直接曝光成像技術(shù)，其在傳統(tǒng)的干膜抗蝕劑上具有超高印刷速度，同時(shí)還能進(jìn)行畸變校正。此外，一般光刻技術(shù)最好可達(dá) 25 μm的線寬，但無(wú)掩模直接光刻技術(shù)卻可高達(dá) 8 μm甚至到3 μm的水平。除了前述優(yōu)勢(shì)，無(wú)掩模曝光設(shè)備，具有高產(chǎn)出、高良率、最低成本等特色。眾多優(yōu)勢(shì)將使無(wú)掩模光刻設(shè)備受到PCB廠商的青睞。

2009年初中國(guó)臺(tái)灣電路板協(xié)會(huì)（TPCA）曾經(jīng)公布的數(shù)據(jù)顯示，全球LDI設(shè)備需求總量約為6000臺(tái)，截至2009年10月，總安裝量約為550臺(tái)，而且以每年140～150臺(tái)的速度擴(kuò)張中， 而在當(dāng)時(shí)已有的數(shù)據(jù)中欣興電子和富士通的安裝量最大，均約占整個(gè)已安裝量的32%；而相對(duì)中國(guó)大陸前10位的PCB廠家沒(méi)有一家超過(guò)10臺(tái)LDI的安裝。

而事實(shí)上在過(guò)去幾年的發(fā)展事態(tài)遠(yuǎn)快于TPCA的預(yù)測(cè)，由于近年來(lái)智能手機(jī)、便攜式消費(fèi)電子和封裝載板的需求比重變大，印制電路板加速朝向高密度連接HDI板、多層板等趨勢(shì)，對(duì)于PCB電路線寬及對(duì)位精度要求愈來(lái)愈高，傳統(tǒng)的掩膜（Mask）曝光顯影制程（Lithography），將面臨生產(chǎn)技術(shù)瓶頸。為了解決良率與產(chǎn)出率等問(wèn)題，激光直接成像技術(shù)越來(lái)越受到PCB產(chǎn)業(yè)的肯定，將逐漸成為PCB產(chǎn)業(yè)的主要制作手段，未來(lái)將完全取代傳統(tǒng)曝光機(jī)，全球市場(chǎng)裝機(jī)總量預(yù)估在30 000臺(tái)。 到目前為止全球PCB廠商購(gòu)買的LDI設(shè)備數(shù)量在加速成長(zhǎng)，至2014年底全球LDI裝機(jī)量已超到1600臺(tái)，包括廣東珠海的方正越亞現(xiàn)有LDI裝機(jī)54臺(tái)，深南電路18臺(tái)，多家PCB大廠已經(jīng)開始停止采購(gòu)傳統(tǒng)PCB曝光機(jī)，只評(píng)估和采購(gòu)LDI設(shè)備， 并預(yù)測(cè)在未來(lái)十年里PCB生產(chǎn)線將全部用LDI取代傳統(tǒng)曝光機(jī)。

當(dāng)前LDI設(shè)備主要供應(yīng)商為以色列的奧寶科技（Orbotech）、日本的ORC、FujiFilm、 Dainippon Screen和Hitachi Via Mechanics。國(guó)內(nèi)廠家主要有新諾科技、大族激光、芯碩半導(dǎo)體等。其中市場(chǎng)占有量最大的為奧寶科技，全球市場(chǎng)占有量約60%（截至2014年12月統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)）。同時(shí)越來(lái)越多的設(shè)備商開始進(jìn)入此設(shè)備的開發(fā)和市場(chǎng)開拓，例如：美國(guó)Maskless、歐洲Appolon、日本Ushio。

在技術(shù)上主要分為兩種技術(shù)，一種是以?shī)W寶科技為主的單激光束轉(zhuǎn)鏡掃描成像技術(shù)，一種是以日本四大家為主采用的新諾公司梅文輝博士為主要發(fā)明人的DMD投影芯片多光束掃描成像技術(shù)。

圖2所示為Orbotech的激光直接成像裝備的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖1可知，該系統(tǒng)由UV 355 nm激光光源、聲光調(diào)制系統(tǒng)（AOM）、光束整形系統(tǒng)、轉(zhuǎn)鏡系統(tǒng)、F-θ透鏡系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)等組成。該技術(shù)是采用單一的激光光源先后經(jīng)過(guò)光路的整形準(zhǔn)直后進(jìn)入聲光調(diào)制器模塊，該模塊是利用聲光相互作用原理，使激光束被超聲波調(diào)制而形成光束的通斷開關(guān)。利用轉(zhuǎn)鏡和F-θ透鏡系統(tǒng)使得激光束垂直于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向形成均勻掃描，再利用曝光圖形信號(hào)同步控制聲光調(diào)制器的通斷掃描激光光束和機(jī)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上基底表面不同位置的感光，實(shí)現(xiàn)光阻的圖形轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)是利用高功率單束激光光源，曝光功率強(qiáng)，精度高，焦深范圍大，曝光均勻性較好，圖形質(zhì)量高。但也存在曝光速度受聲光調(diào)制器的調(diào)制頻率的限制，以及系統(tǒng)控制系統(tǒng)復(fù)雜，轉(zhuǎn)鏡系統(tǒng)、F-θ透鏡系統(tǒng)都是非線性系統(tǒng)，加工難度大，也容易出現(xiàn)兩端與中部光束能量不均勻的現(xiàn)象。由于受到光學(xué)系統(tǒng)及聲光調(diào)制器的限制，無(wú)法再提高產(chǎn)速，也不宜擴(kuò)展到大尺寸曝光、雙面曝光、柔性曝光等應(yīng)用領(lǐng)域。

圖2 Orbotech的激光直接成像裝備的結(jié)構(gòu)示意圖

圖3所示為DMD激光直接成像裝備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，由圖3可知，該系統(tǒng)是由405 nm的半導(dǎo)體激光光源、光源準(zhǔn)直系統(tǒng)、DMD芯片、光學(xué)成像系統(tǒng)組成的光引擎及運(yùn)動(dòng)平臺(tái)組成。半導(dǎo)體激光光源是由多個(gè)小功率激光器通過(guò)光纖耦合而成的高功率激光光源。DMD芯片為可編程微反射鏡陣列組成，光成像系統(tǒng)是由上、下兩組鏡頭及中間的微透鏡陣列組成，微透鏡陣列與DMD芯片上的微反射鏡陣列一一對(duì)應(yīng)，主要是為了縮小微反射鏡反射光斑的尺寸。該系統(tǒng)是由激光光束經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直擴(kuò)束，以一定角度投射到空間光調(diào)制器DMD上，經(jīng)過(guò)DMD后光束被陣列微反射鏡調(diào)制成多束光，每束光單獨(dú)控制后面的一個(gè)聚焦微鏡，然后，光束以點(diǎn)陣光斑的形式匯聚到涂有光刻膠的硅片上。根據(jù)所需曝光的圖形控制DMD芯片上的微反射鏡陣列的多光束的通斷，同時(shí)，計(jì)算機(jī)同步控制移動(dòng)帶有感光材料基板的工作平臺(tái)進(jìn)行圖形面陣掃描，在基板的感光材料上形成所需圖案，再通過(guò)引擎與引擎間或引擎自身對(duì)所掃描出的圖形進(jìn)行拼接，即可得到所需要的大面積曝光圖案。該系統(tǒng)的光引擎是獨(dú)立成像系統(tǒng)，應(yīng)用靈活，可以采用多個(gè)光引擎形成高速曝光系統(tǒng)，形成量產(chǎn)設(shè)備。也可組成矩陣分布形成超大面積LDI曝光設(shè)備。像形成平板顯示面板0代線這樣超大面積的量產(chǎn)LDI設(shè)備。也容易實(shí)現(xiàn)高精度曝光、雙面同時(shí)曝光、柔性材料上曝光的LDI設(shè)備，這種DMD系統(tǒng)的LDI設(shè)備更易于廣泛應(yīng)用于高精度多層PCB、大面積平板顯示FPD、半導(dǎo)體封裝行業(yè)。

圖3 DMD激光直接成像裝備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)主流的激光直接成像技術(shù)主要是采用新諾公司梅文輝博士為主要發(fā)明人的DMD投影芯片多光束斜掃描成像技術(shù)。無(wú)掩模光刻是一類不采用光刻掩模版的光刻技術(shù)，設(shè)計(jì)的圖形可通過(guò)激光直接成像（LaserDirect Imaging，LDI）掃描到需要制備結(jié)構(gòu)的基板上，從而省去光掩模板的制備。目前LDI技術(shù)分為三代：第一代LDI技術(shù)是直接激光束掃描或步進(jìn)投影，優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，但數(shù)據(jù)效率低，難以向高端量產(chǎn)方向發(fā)展；第二代LDI技術(shù)為斜掃描和點(diǎn)陣列（相關(guān)專利的原始專利權(quán)人為球形半導(dǎo)體），優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)效率高，但如果只是斜掃描，線寬精度及形狀精度受光點(diǎn)大小影響。如果是點(diǎn)陣列，其穩(wěn)定性及焦深是弱點(diǎn)；第三代LDI技術(shù)為子像陣列掃描，由新諾科技獨(dú)自擁有的全球技術(shù)專利，目前正在產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中，優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)效率高，同時(shí)解決點(diǎn)陣列穩(wěn)定性及焦深的問(wèn)題，弱點(diǎn)是對(duì)微透鏡技術(shù)要求較高（新諾科技目前已解決這一關(guān)鍵性問(wèn)題，并專利申報(bào)審查中）。

新諾科技以DMD芯片及微鏡技術(shù)發(fā)明人梅文輝博士為主的北美技術(shù)團(tuán)隊(duì)，在原有的發(fā)明技術(shù)基礎(chǔ)上，開發(fā)出了一系列用于半導(dǎo)體封裝、平板顯示、高精度多層PCB板、印刷網(wǎng)版用LDI設(shè)備，其技術(shù)水平已達(dá)到世界先進(jìn)水平。多品種具有自己知識(shí)產(chǎn)權(quán)的LDI產(chǎn)品出口歐美、新加坡、中國(guó)臺(tái)灣等的發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)。

用于半導(dǎo)體封裝、LED及平板顯示掩模板領(lǐng)域的LDI設(shè)備精度高達(dá)3 μm。

圖4所示為世界上第一臺(tái)雙面同時(shí)曝光兩邊對(duì)位精度達(dá)5 μm的線寬精度25 μm的PCB板生產(chǎn)LDI設(shè)備。

圖4 印制電路板用雙面激光直接成像LDI設(shè)備

如圖5所示為連續(xù)百米不間斷生產(chǎn)的RTR卷對(duì)卷的撓性線路板生產(chǎn)的LDI設(shè)備，線寬精度可達(dá)15 μm。

圖5 撓性板卷到卷激光直接曝光設(shè)備

如圖6所示為高速量產(chǎn)型HDI板生產(chǎn)用的LDI設(shè)備，線寬精度可達(dá)30 μm。

圖6 高速量產(chǎn)型HDI板生產(chǎn)用無(wú)掩模曝光設(shè)備

如圖7所示為用于印刷行業(yè)的網(wǎng)版生產(chǎn)的LDI設(shè)備等。

圖7 絲網(wǎng)（印刷）激光直接制版設(shè)備

現(xiàn)在LDI設(shè)備生產(chǎn)廠家，在光源上已經(jīng)在采用UV LED芯片做光源，其曝光光譜寬度可囊括365 nm ～ 405 nm范圍接近汞燈的譜線，這樣由UV LED光源組成的DI設(shè)備，更能兼容現(xiàn)在的PCB生產(chǎn)的全制程，能真正做到全制程自由漲縮，提高高精度的PCB的產(chǎn)能和良率。但UV LED由于是面光源其光譜范圍寬、光束發(fā)散角大，因此鏡頭分辨率及對(duì)比度很難與激光光源相比，所以其線寬精度還達(dá)不到激光光源的LDI設(shè)備水平?？梢灶A(yù)計(jì)，未來(lái)的高精度PCB、HDI板、IC載板全制程將會(huì)是UV LED DI與LDI設(shè)備混合使用，達(dá)到最佳配合。

The development of LDI equipment for the PCB industry

QU Ru-jie DU Wei-chong

PCB industry is developing in the direction of multi-layer， high-precision， HDI， IC Substrate. In this area， the traditional exposure has been unable to meet the needs of this technology， so LDI exposure as an alternative has developed rapidly. This article describes the current technology and the development direction of the two mainstream LDI equipments in the PCB industry.

LDI； HDI； PCB； IC-Substrate

TN41

A

1009-0096（2015）11-0041-03