隨著智能手機、平板電腦和可穿戴式設備等產(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不斷提升，PCB導線寬度、間距，微孔盤的直徑和孔中心距離，以及導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）設計，性能擴展和提高仍有局限性，制造成本也提高，有性價比的問題。
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50 μm的臨界值，PCB尺寸穩(wěn)定性和電氣性能（特別是信號阻抗和絕緣電阻）下降。同時，信號走線密度不斷增加，線路寬度小于40 μm，采用傳統(tǒng)減成法制作這樣的線路非常困難。而加成法技術雖然可以實現(xiàn)更加精細的線路的制作，但是存在成本高，生產(chǎn)規(guī)模小的問題。
而復雜的和自動化的適宜設備使用增加，如激光直接成像（LDI）設備和激光直接鉆孔（LDD）100 μm激光孔技術能夠改善上述的問題，但是成本會增加，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方面，使我們的系統(tǒng)更強大、成本更低。
本文介紹最近ALV HDI技術在量產(chǎn)上面臨的挑戰(zhàn)及進展，以滿足其在電子封裝領域批量，可靠、價格上有競爭力的需求。
一、ALV HDI技術概述
隨著社交媒體的普及，越來越多的交流是通過智能手機或平板電腦來實現(xiàn)。社交媒體是現(xiàn)在任何成功的企業(yè)營銷計劃的重要組成部分。它提供了我們一個平臺，能與現(xiàn)有和潛在客戶進行交流，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是PCB發(fā)展的主要驅(qū)動力。半導體技術的發(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)進行。
當我們比較第一代手機用的經(jīng)典剛性PCB結構和當前智能手機用的最新PCB時，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，以適應更強的功能。在一個典型的智能手機或平板電腦里面，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)。
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，層數(shù)在增加。根據(jù)產(chǎn)業(yè)路線圖可以預期，未來幾年小于0.4毫米厚的PCB將出現(xiàn)在手持設備內(nèi)。根據(jù)產(chǎn)品的復雜性不同，含微孔的層數(shù)將增加到10甚至12層。顯然這會導致薄介質(zhì)和導體層的使用。
在幾年前，0.6 mm ~ 0.8 mm節(jié)距技術用在了當時的手持設備上。而今天的智能手機，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。如預期的一樣，這一趨勢正向0.3 mm發(fā)展。事實上用于移動終端的0.3 mm間距技術開發(fā)工作已經(jīng)在幾年前就開始了。同時，微孔大小和連接盤直徑已分別下降到75 mm和200 mm。行業(yè)的目標是在未來幾年內(nèi)將微孔和盤分別下降到50 mm和150mm。
圖2 0.3mm間距設計規(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，這給予設計師更多的自由度。細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于滿足這些新設計的要求是必需的。
二、ALV HDI PCB制造所面臨的挑戰(zhàn)
ALV HDI PCB小型化的關鍵生產(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)。
1、微孔激光技術的演變
在1990年代中期，元件引腳間距下降，技術難點在于將高I/O數(shù)量的元件與多層PTH PCB連接起來。PCB行業(yè)為了應對這一挑戰(zhàn)，除了降低機械鉆的通孔到150 mm以下外，還開發(fā)微孔技術，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需要特殊的光敏材料，等離子體對FR-4沒有效果。激光鉆孔由于其靈活性，現(xiàn)在已成為主導的生產(chǎn)方法。
最初，可用的激光是TEA CO2和UV Nd: YAG，有幾個缺點限制了它們的實用性和準確性。
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，應用上有一定的困難。使用這種激光鉆機時，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)會形成碳化層，這種碳化層必須通過比較強的除膠渣參數(shù)才能去除干凈。
1997年推出的第一臺紫外激光鉆機的激光是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，運用套孔和盤旋方法。這些UV激光鉆機在鉆銅和樹脂時效果好。但是在鉆FR-4時出現(xiàn)問題，這是因為FR-4中含有玻璃纖維，而玻璃纖維對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問題，并且UV激光鉆機的產(chǎn)能遠低于二氧化碳激光鉆機，所以UV鉆機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)，而對于批量板而言，這種組合使用的方法并不經(jīng)濟、實惠。
1998年是微盲孔板需求大幅增加的一年。因此，主流PCB制造商標準化了蝕刻+二氧化碳激光這一流程，新的CO2激光鉆機開始投入市場，這種鉆機沒有脈沖損耗，并且速度更快。新的CO2鉆機在生產(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優(yōu)點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，對于穩(wěn)定量產(chǎn)小于100 μm微盲孔是一個巨大的挑戰(zhàn)。因為孔口懸銅、玻纖突出和樹脂殘留等缺陷會導致后續(xù)的除膠渣和電鍍制程出現(xiàn)品質(zhì)問題，因此這些小于100 μm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間內(nèi)仍將占主導地位。然而，新的皮秒和飛秒激光鉆機將進入市場，這些鉆機在加工速度、鉆孔質(zhì)量和生產(chǎn)效率上很有優(yōu)勢。當行業(yè)面臨的小孔徑激光盲孔的挑戰(zhàn)時，這些激光鉆機可能成為一個發(fā)展方向。而且這些激光鉆機對材料的熱損傷小于長脈沖激光鉆機（如CO2激光鉆機）。這些新的激光鉆機可以對沒有進行任何處理的銅箔進行鉆孔。
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設計中，焊盤直徑為150 μm，盲孔為75 μm，間距為0.3 mm的兩個焊盤中間走兩根30 mm/30 mm的細線。通過現(xiàn)有的減成法制作這種精細線路是具有挑戰(zhàn)性的。減成法中蝕刻能力是關鍵因素之一，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工藝制作精細線路的原因。相比減成法，mSAP工藝制作的精細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的另一個優(yōu)點是，采用標準PCB流程，如鉆孔和電鍍等現(xiàn)有技術，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。
與減成法相比，mSAP流程的最大好處在于：線型容易控制，整個生產(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，串擾低，信噪比高，信號完整性提高。事實上，這種細導線和較薄的介質(zhì)層必定有特性阻抗水平的要求。
目前PCB產(chǎn)品的線路越來越細，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，同時能夠制作精細線路。
更精細線路、更小間距和孔環(huán)需要對圖形轉(zhuǎn)移過程進行更嚴格的控制。對精細線路而言，不能使用修補返工或修理等方法。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)。對于這項技術而言，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行圖形轉(zhuǎn)移的。只有當LDI可以大幅度提升良率時，使用LDI才顯得更劃算?，F(xiàn)在，復雜的任意層互聯(lián)的PCB良率提升是至關重要的，因此，我們傾向于使用LDI。如果沒有LDI，將無法生產(chǎn)高端的智能手機使用的PCB。LDI的優(yōu)點在于：允許每塊PCB板使用不同的漲縮，這樣會減少由于對位不準引起的報廢。
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。因為當大家面臨一些其它選擇時，大家總是希望使用久經(jīng)考驗的技術。另外，還有一種DI機器，也可用于PCB生產(chǎn)中。在新賣出的DI機器中，約25%用于阻焊圖形的制作。在阻焊制程中使用DI，可能會大幅度提高良率，而缺點在于其產(chǎn)能過低。
三、ALV HDI技術總結
本文主要介紹任意層互聯(lián)PCB板在制作過程中的關鍵制程及其對成本的影響。在選擇工藝制程時，應該考慮這種技術必須滿足當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)的超薄結構。為了使得材料和生產(chǎn)方法及時準備好，必須有效管理供應鏈，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）制作精細線路會面臨銅厚和銅厚偏差的限制，這些對導線間距、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，制作精細線路時線型好，但是對工程師而言，控制比較復雜，并且，可能需要投入大量的資金。mSAP工藝的精細線路具有更直的側壁，因此傳輸損耗和串擾比較低，使PCB信號完整性提高。
對于PCB生產(chǎn)過程的選擇而言沒有簡單的答案，因為PCB生產(chǎn)過程的選擇主要取決于產(chǎn)品設計的特性。如果工程師早期參與產(chǎn)品的設計過程，將有利于找到最經(jīng)濟的解決方案。
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