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(wú)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50 μm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(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)100 μm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(jìng)爭(zhēng)力的需求。
一、ALV HDI技術(shù)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(yíng)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?jī)赡攴环?,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(shì)。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)。
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(shì)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。
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(shì)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。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。
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。
二、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)。
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(zhǎng)是10600納米,無(wú)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(zhǎng)波長(zhǎng)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(zhǎng)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(chǎng)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(chǎng),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100 μm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(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(chǎng),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(shì)。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(zhǎng)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。
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150 μm,盲孔為75 μm,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。
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。
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)。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(wú)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(gòu)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。
三、ALV HDI技術(shù)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(chǎng)。
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PCB生產(chǎn)過程的選擇而言沒有簡(jiǎn)單的答案,因?yàn)镻CB生產(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。
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