印制電路板技術(shù)的最新發(fā)展動(dòng)向

田民波（清華大學(xué)，北京 100084）

印制電路板技術(shù)的最新發(fā)展動(dòng)向

田民波
（清華大學(xué)，北京 100084）

本刊編委會(huì)委員 馬 明誠

［專家點(diǎn)評(píng)］：

Expert Review Opinion

清華大學(xué)田教授的這篇文章和上期刊登他的《印制電路板及電子封裝今后的技術(shù)發(fā)展》值得我們認(rèn)真閱讀，對(duì)我們行業(yè)由大向強(qiáng)發(fā)展的方向有重要的指導(dǎo)意義。我們應(yīng)針對(duì)我們“短板”或“軟肋”有的放矢的下工夫，不斷創(chuàng)新，才能縮短變強(qiáng)的時(shí)間。

隨著半導(dǎo)體芯片向微細(xì)化、多端子、高速化，電子產(chǎn)品向輕、薄、小，高性能，多功能方向發(fā)展，要求采用的PCB及電子封裝與之匹配，進(jìn)而對(duì)二者在形式、結(jié)構(gòu)、制作方法、加工工藝、特別是材料方面提出越來越高的要求。文章介紹了印制電路板和電子封裝技術(shù)的最新發(fā)展動(dòng)向。

ITRS 2010路線圖；高密度；集膚效應(yīng)；積層式PCB；無芯板積層式PCB

1 引言

在全社會(huì)向信息化進(jìn)展的潮流中，電子信息設(shè)備正在從社會(huì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（infrastructure）到個(gè)人，迅速廣泛滲透，其性能也在日新月異地變化。

電子設(shè)備是由大量電子元器件相互連接制作成的。這些電子元器件需要以LSI為中心，構(gòu)成高度協(xié)調(diào)一致的整體，而將它們搭載、連接在一起的場(chǎng)所就是印制電路板（PCB）。在電子設(shè)備中，不使用印制電路板的情況絕無僅有。

無論是輕量、小型、功能日益完善的智能手機(jī)、平板電腦，還是薄型、大畫面、高清晰度的電視，各種新型電子設(shè)備層出不窮，規(guī)格樣式不斷翻新。支撐電子設(shè)備的基礎(chǔ)要素之一，便是印制電路板的高度發(fā)展。下面簡要介紹印制電路板的最新動(dòng)向。

2 對(duì)印制電路板的要求

構(gòu)成印制電路板的材料，不是導(dǎo)體就是絕緣體，似乎僅僅是單純的板而已。但是，這種板有硬質(zhì)的，有撓性的，依應(yīng)用機(jī)器不同，不僅類型不同，而且對(duì)其性能要求各異。從電氣上講，為了傳輸超高速信號(hào)，要求高度特殊的絕緣材料；電子元器件的小型、高集成化要求高精度微細(xì)化布線；無鉛化導(dǎo)致回流焊溫度上升；而且，高功率元件需要耐熱性、導(dǎo)熱性、散熱性等。這些所要求的特性，在材料選擇、工藝過程實(shí)現(xiàn)等方面不少是相互矛盾的，全部實(shí)現(xiàn)十分困難。受惠于眾多技術(shù)者的努力，不斷與時(shí)俱進(jìn)地滿足了上述特性要求。

3 高密度化的傾向

印制電路板的發(fā)展直接受其所搭載的電子元器件進(jìn)步的推動(dòng)，特別是伴隨著LSI的進(jìn)步而發(fā)展。表1根據(jù)ITRS2010版（2011版未發(fā)表）概要地列出半導(dǎo)體芯片的發(fā)展路線圖和由其決定的印制電路板的變化趨勢(shì)。輸入到印制電路板的時(shí)鐘頻率，預(yù)計(jì)在2016年會(huì)達(dá)到46.1 GHz。芯片上三極管的搭載數(shù)會(huì)有飛躍性增加。芯片的I/O端子數(shù)增加，但芯片的大小幾乎不變。因此，I/O端子的密度會(huì)增加，對(duì)微細(xì)化布線提出更高要求。

這些變化趨勢(shì)必然對(duì)涉及印制線路板及母板的布線基準(zhǔn)產(chǎn)生影響。如表1所示，所有類型的布線都向微細(xì)化方向發(fā)展。搭載的邏輯門數(shù)與I/O端子數(shù)的關(guān)系服從表2所示的Rent經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，隨著集成度增加，I/O端子數(shù)表現(xiàn)出增加趨勢(shì)，表3列出印制電路板布線基準(zhǔn)的變化。

表1 ITRS路線圖給出的半導(dǎo)體芯片與印制電路板的發(fā)展動(dòng)向（2010）

表2 Rent經(jīng)驗(yàn)規(guī)則

表3 印制電路板布線基準(zhǔn)的變化

近年來，功率型的印制電路板要求采用高電壓、大電流的模塊。對(duì)于這種印制電路板也有特別考慮的必要，在這些功率型印制電路板上，組合高速控制系統(tǒng)或微細(xì)布線的必要性也會(huì)大大增加。

4 印制電路板的電氣特性

對(duì)于印制電路板來說，要求的性能包括電氣特性、機(jī)械特性、化學(xué)特性、安裝性等。其中，電氣特性最為重要。印制線路板上傳輸?shù)男盘?hào)逐年向高頻方向發(fā)展，目前已達(dá)數(shù)十GHz水平，進(jìn)一步，由于采用矩形波脈沖，與公稱周波數(shù)相比，是由數(shù)倍以上的高次諧波構(gòu)成，需要能不失真地傳輸這種周波。作為所要求的電氣特性，通常包括下述幾個(gè)方面。

4.1 特性阻抗

高頻傳輸?shù)幕净芈啡鐖D1所示。其特性阻抗（Z0）由下式表示

式中，R為電阻；G為電導(dǎo)；L為電感；C為電容；ω=2πf。

在高速傳輸中，特性阻抗的匹配及其精度極為重要。

圖1 高周波傳輸線路中導(dǎo)體回路的等效電路

4.2 集膚效應(yīng)

隨著信號(hào)向高頻發(fā)展，信號(hào)電流會(huì)主要靠近導(dǎo)體表面流動(dòng)。作為頻率的函數(shù)，集膚深度（δ，即電流降低到表面1/e的深度）由下式表示。集膚深度與頻的關(guān)系如表4所示。

式中，δ為集膚效應(yīng)的深度；σ為電導(dǎo)率；ω為角頻率；μ為磁導(dǎo)率。

考慮集膚效應(yīng)的導(dǎo)體損耗（αR）由下式給出，其中β為常數(shù)。

另外，信號(hào)的傳輸速度與基板材料相關(guān)，傳輸速度（v）以及介電損耗（αD）分別表示為

表4 集膚深度與頻率的關(guān)系

因此，低介電常數(shù)、低介電損耗的材料十分重要。

上述特許需要與機(jī)械的特性、封裝性相互匹配。為實(shí)現(xiàn)符合要求的印制電路板，絕緣材料的改善和生產(chǎn)技術(shù)的提高是不可缺少的。

5 印制電路板的構(gòu)造及其生產(chǎn)工藝

為滿足對(duì)印制電路板高密度化、高特性化的要求，現(xiàn)在所采用的都是多層印制線路板。制造多層板的工藝，長期以來都以通孔連接法為主流，直到現(xiàn)在這也是最廣泛采用的工藝。

但是，為了實(shí)現(xiàn)高密度化的目標(biāo)，從1991年前后起不斷開發(fā)出積層式（built-up）多層印制電路板，到1998年，隨著工藝、材料、裝置等的齊備與成熟，已形成世界范圍內(nèi)的產(chǎn)業(yè)，其應(yīng)用也在各種產(chǎn)品中普及。

5.1 基本的積層式多層印制電路板

最基本的積層式多層印制電路板如圖2所示，其制作工藝流程由圖3給出。幾乎所有的技術(shù)都與電鍍通孔的工藝相同，但在絕緣材料和微細(xì)孔制孔方法方面是不同的。

圖2 最基本的積層式多層印制電路板

圖3 基本的積層式多層印制電路板的制作工藝流程

其基本結(jié)構(gòu)是采用作為積層層支持體的芯板。由于該芯板的厚度厚、布線密度低，致使傳輸特性差，因此需要采用無芯板的積層板。

5.2 無芯板的積層式多層印制電路板

為實(shí)現(xiàn)無芯板基板，必須對(duì)機(jī)械強(qiáng)度低的builtup層材料進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。為此先后提出各種不同方案，下面就幾種做簡要介紹。

（1）采用薄片積層板的積層式印制電路板。

采用薄片積層板的無芯板積層式印制電路板如圖4所示，采用厚度0.1 mm左右的薄片覆銅板作為芯，在其兩面分別用薄片半固化片（prepreg）和銅箔積層粘結(jié)，激光打孔，電鍍，并按圖3所示的工藝路線制作完成。這種板由于內(nèi)含玻璃布，因此板自身可以保持強(qiáng)度。但是，由于要對(duì)銅箔進(jìn)行蝕刻，在制作微細(xì)布線中，實(shí)現(xiàn)高精度受一定限制。

圖4 采用薄片積層板的無芯板積層式印制電路板

（2）采用薄膜（film）狀積層材料的積層式印制電路板。

為了制作高精細(xì)圖形，需要采用薄膜狀的builtup層用絕緣材料。但由于這種材料薄，機(jī)械強(qiáng)度低，處理起來很難。無芯板built-up多層板的實(shí)例如圖5所示。圖5（a）是無芯板基板的斷面，其制作工藝由圖5（b）概略給出。制作工藝要素與基本的積層式印制電路板相差不大，但在制作過程中需要支持體，待完成后再與支持體分離。在使用過程中也需要加固板等補(bǔ)強(qiáng)。

除此之外，替代電鍍而采用導(dǎo)電漿料進(jìn)行過孔連接的積層也開發(fā)出多種方法，并達(dá)到實(shí)用化。

圖5 無芯板built-up多層板的實(shí)例

6 與積層法相關(guān)的開發(fā)技術(shù)

6.1 全板面電鍍法與圖形電鍍法、半加成法

在多層印制電路板的制作工藝中，用于z方向的連接和外層圖形的制作方法，有板面電鍍法和圖形電鍍法。前者因其工藝合理性而廣為普及。但是，對(duì)于高精細(xì)化圖形所必要的印制電路板來說，采用更薄銅箔的圖形電鍍法越來越多地采用。二者的比較如圖6所示。圖形電鍍法借助光刻膠的高精度與打底層（seed）的蝕刻圖形精度，因此可實(shí)現(xiàn)高精度。這種方法中不采用銅箔的，便是半加成法。在搭載半導(dǎo)體芯片的封裝基板中多為采用。但是，也要考慮與樹脂基板容易結(jié)合，一般采用厚度為2 μm左右的極薄銅箔，稱其為mSAP（改良的半加成法）。這實(shí)際上是采用銅箔的圖形電鍍法。這種圖形電鍍法，在半加成法中需要采用沒有打底層（seed）閃蝕的高精度蝕刻。

圖6 全板面電鍍法與圖形電鍍法的比較

6.2 填孔（filled-up）電鍍法

多層印制電路板需要多數(shù)層間連接，積層式印制線路板也是如此。在圖7所示多層間的連接方式中，過去多采用保形（conformal）過孔電鍍，形成千鳥足連接。若能利用過孔內(nèi)電鍍實(shí)現(xiàn)填充，形成直上直下的堆疊式連接，則有利于布線的高密度化和電氣性能的提高。隨著最佳化電鍍液添加劑的開發(fā)，已達(dá)到實(shí)用化。但對(duì)這種添加劑穩(wěn)定的控制是十分必要的。

圖7 多層間的連接方式

圖8 利用填孔積層法實(shí)現(xiàn)高密度封裝的實(shí)例

隨著這種填孔電鍍工藝的普及，已有可能實(shí)現(xiàn)圖8所示的微細(xì)化布線。

6.3 如何在平滑面上實(shí)現(xiàn)可靠的連接

隨著信號(hào)的高頻化，絕緣基板之上導(dǎo)體的集膚效應(yīng)越來越顯著，通過平滑面之上的連接以提高特性的重要性日漸凸現(xiàn)。為此有如下兩方面考慮。

（1）樹脂在導(dǎo)體（銅箔）上的粘接。

覆銅板是通過樹脂熔融而與導(dǎo)體（銅箔）實(shí)現(xiàn)粘結(jié)的。在多層線路板的內(nèi)層，也要布置有導(dǎo)體銅的圖形，通過樹脂的熔融實(shí)現(xiàn)粘結(jié)。為使粘結(jié)力提高，無例外地都要對(duì)導(dǎo)體表面進(jìn)行粗化處理。但是，為適應(yīng)高速、高周波化，要求在平滑面上也要有足夠的粘結(jié)力。為此，開發(fā)了低粗化面的處理法、平滑面的處理法，而且性能不斷提高。

（2）樹脂面上化學(xué)鍍銅的析出。

在平滑的樹脂面上要想密著性優(yōu)良化學(xué)鍍銅是很難的。為此，人們正在積極開發(fā)，下面給出幾個(gè)實(shí)例。

①用紫外線、臭氧等對(duì)樹脂表面改性，再進(jìn)行化學(xué)鍍的方法。

②藉由聚酰亞胺表面形成化學(xué)活性基，以提高鍍層密著性的方法。

③在樹脂內(nèi)分散納米粒子，藉由粒子的溶解形成微細(xì)凹凸的方法。

④進(jìn)行底層（primer）處理（形成微粒子界面）使之產(chǎn)生金屬捕獲層的方法。

⑤包涂親和性層，藉由porphyrine骨架，增加與鍍層間的親和性。

⑥加入填料，從而在樹脂面上形成聚酰亞胺系膜，以提高親和力的方法。

⑦在樹脂面上形成薄膜的活性基，從而獲得與化學(xué)鍍銅膜之間親和力的方法。

⑧藉由含S、N的分子間結(jié)合劑處理，提高鍍層密著性的方法。

以上所述例中，部分已在產(chǎn)品中應(yīng)用，但大規(guī)模的實(shí)用化尚需要進(jìn)一步的研究與完善。

（3）開纖玻璃布及與激光相適應(yīng)的玻璃布的開發(fā)

這種處理在數(shù)十年前已達(dá)實(shí)用化，但作為日本的獨(dú)特的處理技術(shù)，通過這種方法，使玻璃纖維與樹脂間的密著性提高，進(jìn)而制孔性、絕緣性飛躍性地得到改善。進(jìn)一步，隨著上述采用涂樹脂銅箔的built-up法的普及，要求玻璃纖維均勻分布，為此正在開發(fā)如圖9所示，與激光制孔相適應(yīng)的極薄的開纖玻璃布。

Recent development trend of PCB technologies

TIAN Min-bo

Along with the development of IC chip to fine pitch， more I/O pins ，high speed， as well as the electronic products to be lighter， thinner， smaller， with high properties and more performance， it is necessary for PCB and electronic package to match IC Chip and electronic products. Therefore the requirements to PCB and electronic package in the forms， structures， manufacture processes and technologies， particularly in the used materials， are more and more high. This paper introduces recent development trend of technologies.

ITRS 2010 ROAD MAP； High Density； Skin-Effect； Built-up PCB； Coreless Built-up PCB

TN41

：A

1009-0096（2015）10-0010-06