下一代超薄HDI印制电路板制作挑战

【摘要】结合行业发展趋势以及在PCB加工过程中的实战经验,通过分析通盲孔固有矛盾以及电镀原理分析,对高厚径比的通盲孔同时并存的产品从溶液交换机理分析加工难度,从而探寻解决同时加工通盲孔问题之道。

随着智能手机、平板电脑和可穿戴式设备等产品向小型化、多功能化方向发展,高密度互连印制电路板技术不断提升,PCB导线宽度、间距,微孔盘的直径和孔中心距离,以及导体层和绝缘层的厚度都在不断下降,使得在PCB尺寸、重量和体积不增加的情况下,提升PCB的层数,容纳更多的元器件。另外,随着无线数据传输带宽和处理速度的增加,PCB的电气性能变得极其重要。

正如集成电路产业为了性能扩展和符合摩尔定律,而遇到了障碍,PCB产业为了不断提升互连密度和电气性能,在工艺能力和材料性能上也面临挑战。即使PCB采取任意层互连高密度(ALV HDI)设计,性能扩展和提高仍有局限性,制造成本也提高,有性价比的问题。

PCB业界面临层数不断上升以及厚度下降的挑战,绝缘层的厚度已经低于50 μm的临界值,PCB尺寸稳定性和电气性能(特别是信号阻抗和绝缘电阻)下降。同时,信号走线密度不断增加,线路宽度小于40 μm,采用传统减成法制作这样的线路非常困难。而加成法技术虽然可以实现更加精细的线路的制作,但是存在成本高,生产规模小的问题。

而复杂的和自动化的适宜设备使用增加,如激光直接成像(LDI)设备和激光直接钻孔(LDD)100 μm激光孔技术能够改善上述的问题,但是成本会增加,材料性能方面也有些局限。这些也意味着我们需要将精力集中在基础方面,使我们的系统更强大、成本更低。

本文介绍最近ALV HDI技术在量产上面临的挑战及进展,以满足其在电子封装领域批量,可靠、价格上有竞争力的需求。
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1  概述
随着社交媒体的普及,越来越多的交流是通过智能手机或平板电脑来实现。社交媒体是现在任何成功的企业营销计划的重要组成部分。它提供了我们一个平台,能与现有和潜在客户进行交流,也能经常为我们提供反馈和新的想法。这意味着,近年来信息传输的数据量大大增加了,并且还将继续增加。后续功能的增加以及部件尺寸上的减小将会是PCB发展的主要驱动力。半导体技术的发展速度几乎是指数形式,每两年翻一番,而这种发展速度将在最近的几年持续进行。

当我们比较第一代手机用的经典刚性PCB结构和当前智能手机用的最新PCB时,能看到巨大的差异。可以说,小型化是近几年的主要趋势。虽然手机的外形尺寸没有很大变化,但可以明显看出元器件和PCB在不断缩小,以适应更强的功能。在一个典型的智能手机或平板电脑里面,大部分空间被显示屏和电池占据,而剩下的电子器件都已减小尺寸并且被整合到小区域内。

由于组件间距减少,I/O数量增加,最显著的变化之一也许就是板变薄和层数增加。十年前,典型的刚性PCB厚度超过1毫米。而现在,典型的智能手机PCB厚度约为0.5~0.7毫米。但是有明显的趋势显示,板厚度减少的同时,层数在增加。根据产业路线图可以预期,未来几年小于0.4毫米厚的PCB将出现在手持设备内。根据产品的复杂性不同,含微孔的层数将增加到10甚至12层。显然这会导致薄介质和导体层的使用。
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在几年前,0.6 mm ~ 0.8 mm节距技术用在了当时的手持设备上。而今天的智能手机,由于元件I/O数量和产品小型化,使得PCB广泛使用了0.4 mm节距技术。如预期的一样,这一趋势正向0.3 mm发展。事实上用于移动终端的0.3 mm间距技术开发工作已经在几年前就开始了。同时,微孔大小和连接盘直径已分别下降到75 mm和200 mm。行业的目标是在未来几年内将微孔和盘分别下降到50 mm和150mm。
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图2  0.3mm间距设计规范
小型化驱使ALV HDI PCB内的线宽、间距和表面贴装盘的尺寸的下降。随着任意层技术的使用,使得小型化成为可能。由于可以使任意一层之间形成互连,这给予设计师更多的自由度。细线制造过程的能力提高是明显的。而且新的制造和加工的解决方案对于满足这些新设计的要求是必需的。

2  ALV HDI PCB制造所面临的挑战
ALV HDI PCB小型化的关键生产步骤是多层层压,激光钻孔、成像、蚀刻和电镀过程,以及如何优化工艺以满足大批量、稳健、可靠和低成本的生产。
2.1  微孔激光技术的演变
在1990年代中期,元件引脚间距下降,技术难点在于将高I/O数量的元件与多层PTH PCB连接起来。PCB行业为了应对这一挑战,除了降低机械钻的通孔到150 mm以下外,还开发微孔技术,如:可光致成像的介质层,等离子体蚀刻孔和激光钻孔方法。然而,通过光致成像成孔的技术需要特殊的光敏材料,等离子体对FR-4没有效果。激光钻孔由于其灵活性,现在已成为主导的生产方法。

最初,可用的激光是TEA CO2和UV Nd: YAG,有几个缺点限制了它们的实用性和准确性。

TEA CO2激光的波长是10600纳米,无法钻铜,速度慢,脉冲易缺失,因此,应用上有一定的困难。使用这种激光钻机时,需要在铜表面制作与最终完成的激光孔径等大或略大的窗口(Conformal Mask)。另外,这种长波长激光烧蚀后在PCB内会形成碳化层,这种碳化层必须通过比较强的除胶渣参数才能去除干净。

1997年推出的第一台紫外激光钻机的激光是355 nm波长的Nd: YAG。激光器通过小的光斑直径,可以很好的聚焦,运用套孔和盘旋方法。这些UV激光钻机在钻铜和树脂时效果好。但是在钻FR-4时出现问题,这是因为FR-4中含有玻璃纤维,而玻璃纤维对UV光的吸收非常弱,不易被打断。因此采用UV激光钻孔的PCB产品需要使用树脂涂覆的铜箔(RCC)来代替FR-4作为积层材料。UV激光钻机效率很低,功率稳定性也有问题。而在稳定性有所改善,额定功率急剧增加后,玻璃纤维烧蚀仍然是一个问题,并且UV激光钻机的产能远低于二氧化碳激光钻机,所以UV钻机目前只适用于某些特殊的场合。

后来,一些公司开始将CO2激光与UV激光组合使用,但是这种方案只适合制作PCB样板和小批量生产,而对于批量板而言,这种组合使用的方法并不经济、实惠。

1998年是微盲孔板需求大幅增加的一年。因此,主流PCB制造商标准化了蚀刻+二氧化碳激光这一流程,新的CO2激光钻机开始投入市场,这种钻机没有脉冲损耗,并且速度更快。新的CO2钻机在生产能力的大幅提升最终使其在大批量生产中获得较好的成本效益。钻孔过程也非常稳定。到2000年代中期,业界领先的PCB制造商开始发展直接将铜箔钻穿。将铜减薄到5 mm ~ 12 mm厚,并在钻孔前将铜面粗化变暗。这种激光直接成孔的技术优点是减少铜窗口蚀刻这一步骤,成本明显下降。这是今天为生产任意层互连微盲孔的主要方法。然而,这种方法的缺点在于加工的窗口比较窄而且不能返工。从质量的角度来看,对于稳定量产小于100 μm微盲孔是一个巨大的挑战。因为孔口悬铜、玻纤突出和树脂残留等缺陷会导致后续的除胶渣和电镀制程出现品质问题,因此这些小于100 μm的微盲孔一定要优化孔型,去除孔口悬铜、消除玻纤突出和树脂残留等缺陷。

CO2激光钻孔在未来的一段时间内仍将占主导地位。然而,新的皮秒和飞秒激光钻机将进入市场,这些钻机在加工速度、钻孔质量和生产效率上很有优势。当行业面临的小孔径激光盲孔的挑战时,这些激光钻机可能成为一个发展方向。而且这些激光钻机对材料的热损伤小于长脉冲激光钻机(如CO2激光钻机)。这些新的激光钻机可以对没有进行任何处理的铜箔进行钻孔。
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2.2  电镀和成像工艺
PCB电镀工艺流程的选择是由线宽/间距、绝缘层厚度,最终完成铜厚来决定的。在0.3 mm节距BGA设计中,焊盘直径为150 μm,盲孔为75 μm,间距为0.3 mm的两个焊盘中间走两根30 mm/30 mm的细线。通过现有的减成法制作这种精细线路是具有挑战性的。减成法中蚀刻能力是关键因素之一,图形转移流程和电镀均匀性均需要优化。这就是为什么PCB业界采用mSAP工艺制作精细线路的原因。相比减成法,mSAP工艺制作的精细线路的线顶宽与底宽几乎一致,也就是更容易控制线成方型。mSAP的另一个优点是,采用标准PCB流程,如钻孔和电镀等现有技术,而且使用传统的材料可以在铜和介电层之间提供很好的附着力,保证最终产品的可靠性。
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与减成法相比,mSAP流程的最大好处在于:线型容易控制,整个生产板的线条顶宽与底宽几乎一致。线路厚度降低,线型可以控制,串扰低,信噪比高,信号完整性提高。事实上,这种细导线和较薄的介质层必定有特性阻抗水平的要求。
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目前PCB产品的线路越来越细,介质层厚度不断减小,因此需要选择一种合适的制作pcb工艺。这种工艺必须能够满足电镀填孔的要求,同时能够制作精细线路。

更精细线路、更小间距和孔环需要对图形转移过程进行更严格的控制。对精细线路而言,不能使用修补返工或修理等方法。如果想获得较高的合格率,必须重视图形制作工具的质量,层压半固化片的参数以及图形转移的参数。对于这项技术而言,使用激光直接成像(LDI)替代接触式曝光看起来越来越具有吸引力。但LDI生产效率低、成本高,因此90%以上的PCB产品是采用接触式曝光进行图形转移的。只有当LDI可以大幅度提升良率时,使用LDI才显得更划算。现在,复杂的任意层互联的PCB良率提升是至关重要的,因此,我们倾向于使用LDI。如果没有LDI,将无法生产高端的智能手机使用的PCB。LDI的优点在于:允许每块PCB板使用不同的涨缩,这样会减少由于对位不准引起的报废。

为了充分发挥LDI的优越性,干膜或者湿膜需要与图形转移技术匹配,以获得最佳的产能。最近,干/湿膜的工艺能力和生产能力都有比较大的提升。这可能有助于大家购买LDI来制作图形转移。因为当大家面临一些其它选择时,大家总是希望使用久经考验的技术。另外,还有一种DI机器,也可用于PCB生产中。在新卖出的DI机器中,约25%用于阻焊图形的制作。在阻焊制程中使用DI,可能会大幅度提高良率,而缺点在于其产能过低。

3  总结
本文主要介绍任意层互联PCB板在制作过程中的关键制程及其对成本的影响。在选择工艺制程时,应该考虑这种技术必须满足当前和未来电子封装产品的需求。HDI PCB面临的挑战是:PCB功能的增加和尺寸的减小,以及在最近的终端产品中频繁出现的超薄结构。为了使得材料和生产方法及时准备好,必须有效管理供应链,缩短样板制作周期,使自己的产品更快的推向市场。

减成法(铜箔或电镀)制作精细线路会面临铜厚和铜厚偏差的限制,这些对导线间距、厚度偏差和基铜粗糙度都很敏感。加成法具有更高的解析度,制作精细线路时线型好,但是对工程师而言,控制比较复杂,并且,可能需要投入大量的资金。mSAP工艺的精细线路具有更直的侧壁,因此传输损耗和串扰比较低,使PCB信号完整性提高。

对于生产过程的选择而言没有简单的答案,因为生产过程的选择主要取决于产品设计的特性。如果工程师早期参与产品的设计过程,将有利于找到最经济的解决方案。

感谢Chris Katzko对于本文支持和贡献。

注:本文原发表于2014年世界电子电路大会。现文译自PCB Magazine 2015/04期。
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