高密度互连_HDI_印制电路板技术现状及发展前景

高密度互连(HD I)印制电路板技术
现状及发展前景
王慧秀1　何　为1　何　波2　龙海荣2
(1.电子科技大学应用化学系,成都610054;
2.珠海元盛电子科技有限公司技术中心,珠海519060)
摘　要:随着电子设备向轻薄短小、高性能、多功能的方向发展以及电子组装技术的进步,用于电子元器件互连的印制电路板产品从通孔插装技术(THT)阶段全面走上了表面安装技术(SM T)阶段,走向了芯片级封装(CSP)阶段,并正逐步走向系统级封装(SIP)阶段。

一个以导通孔微小化和导线精细化等为主导的新一代HDI板产品已经在PCB业界筹划、建立和发展起来了,并将成为下一代印制电路板的主流。

本文对HDI板定义,特点,关键技术,应用以及目前发展状况进行了综述。

关键词:印制电路板　高密度互连　精细线路　微孔
Present State and Perspectives for Print Circuit Board T echnology of
High Density Interconnection
WANG H uixiu1　HE Wei1　HE Bo2　LONG H airong2　
(1.University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu610054;
2.Zhuhai Yuansheng Electronic Technology CO.L TD,Zhuhai519060)
Abstract:As the trend to further miniaturization,better performance,more functions of electronic equipments continues, PCB products for interconnection has passed the THT,is experiencing SM T,and developing towards the CSP.No doubt, SIP will be the future.High density interconnection technology(HDI)brings micro vias and fine lines into PCB manufac2 ture,and it will become the major techology for the future generation print circuit board.In this paper,the definition,fea2 tures,key technology,applications and development of HDI are summarized.
K ey w ords:Print circuit board,HDI,Fine line,Micro via
前言
印刷电路板作为提供电子零组件安装与插接时主要的支撑体,是所有电子产品不可或缺部分。

近年来信息、通讯、以及消费性电子产品制造业已成为全球成长最快速的产业之一,电子产品日新月异,并朝着体积小,质量轻,功能复杂的方向不断发展;这对印刷电路板提出了更高的要求。

20世纪九十年代初期日本、美国开创应用高密度互连技术(High Density Interconnect Technology,HDI),该技术在常规的线路板中引入了盲埋孔,精细线宽线距,能够制造常规多层板技术无法实现的薄型、多层,稳定,高密度互连印制线路板,适应了电子产品向更轻、更小、更薄、可靠性更高的方向发展的要求,满足了新一代电子封装技术不断提高的封装密度的需要;因此,HDI技术一登上历史舞台,便蓬勃发展起来[1～2]。

1　HDI板定义及其优点
HDI板就是高密度、细线条、小孔径、超薄型印制板。

TechSearch International定义的HDI柔性电路板是节距小于200μm,孔径小于250μm的板。

超HDI是HDI的1个分支,是指节距小于100μm,孔径小于75μm的HDI板。

HDI板从开发到应用迅猛发展,这与它自身的优越性是密不可分的,其在电路板行业的突出优势表现在以下几个方面:①可降低PCB成本;②增加线路密度;③有利于先进构装技术的使用;④拥有更佳的电性能及讯号正确性;⑤可靠度较佳;⑥可改善热性质;⑦可改善射频干扰/电磁波干扰/静电释放(RFI/EM I/ESD)。

⑧增加设
第28卷2006年8月　
第4期
14-18页
世界科技研究与发展
WOR LD SCI2TECH R&D
Vol.28
Aug.2006
No.4
pp.14-18
计效率[3]。

2　从技术看HDI
一种技术的迅速发展必然有相关领域的发展做支撑,HDI板快速发展就是以材料以及技术两个方面的发展做基础的。

2.1　材料方面
HDI板对材料提出了很多新的要求,如更好的尺寸稳定性,抗静电迁移性,无粘胶剂等,诸多新的要求不断推动新材料的诞生,典型的有以下几种。

2.1.1　涂覆树脂铜箔(Resin Coated Copper foil, RCC)
RCC主要有三种类型,一种是聚酰亚胺金属化膜;第二种是使用与膜的化学成分相似的胶粘剂将聚酰亚胺膜与铜箔层压复合在一起,层压后胶粘剂与薄膜及铜箔不分离,也称纯聚酰亚胺膜;第三种是通过将液体聚酰亚胺浇铸到铜箔上,然后进行固化形成聚酰亚胺膜,也称浇铸聚酰亚胺膜。

RCC厚度薄、质量轻、挠曲性和阻燃性好、特性阻抗更匹配、尺寸稳定性好,在HDI多层板的制作过程中,取代传统的粘结片与铜箔的作用,作为绝缘介质和导电层,可以用传统压制成型工艺与芯板一起压制成型,然后采用非机械钻孔方式,如激光等,形成微孔(Mi2 crovia)互连。

为了满足HDI应用对基材的性能的特殊要求,具有感光能力的液态聚酰亚胺已被研制出来,Nitto Denko和Toray开发的几种液态的聚酰亚胺树脂作为HDI软板的基材已经商品化。

这些液态聚酰亚胺树脂已大量应用于采用无线悬浮设计的硬盘中,并将成为IC封装主要的绝缘材料。

该材料相对聚酰亚胺薄膜成本较高,为了降低成本完善产品功能,新的技术有待研发[4]。

RCC的出现和发展使PCB产品类型由表面安装(SM T)推向芯片级封装(CSP),使PCB产品由机械钻孔时代走向激光钻孔时代,推动了PCB微小孔技术的发展与进步,从而成为HDI板的主导材料。

2.1.2　LCP(Liquid Crystalline Polymer)材料
LCP(Liquid Crystalline Polymer)即液晶聚合物,也称为液晶高分子,LCP基材的铜箔也是一种无粘结剂材料,尺寸稳定性好,电气性能优良,吸湿性和尺寸变化率低,物理性能与成型性好,另外, LCP的绝缘性也很好,在酸、碱溶剂中都比较稳定,适合在恶劣环境中应用。

与PI(聚酰亚氨)相比,LCP具有更小的介电常数,吸湿因子,高频损耗因子在1KHz～45GHz的范围内表现十分稳定,在高频应用的时候就会因为串扰减少而相应的调近原来十分敏感的线路,从而制作出更高密度的电路板。

LCP材料适应了高频,高抗化学性,精密线路要求,能够充分满足HDI板的生产[5～6]。

从电子电器设备的防火安全性考虑,PCB必须具有阻燃性,然而阻燃剂往往污染环境,有害人体健康,PCB材料中的Cl和Br对环境的负担尤为严重[7]。

无卤素材料是FPC(柔性印制电路板)材料的一个重要发展方向。

无卤素材料不易研发,与含卤阻燃剂材料相比,会失去一些特性,例如耐燃性及耐折性等,而LCP既具有防燃特性也不象PI一样需要加入卤素来达到防燃的要求,充分满足了环保的要求。

LCP正以其更好的加工性能和物理性能挑战传统的PCB原材料PI的统领地位。

一些大型的电路板厂商已经能够生产以LCP为基材的多层板。

2.1.3　材料的发展前景
HDI技术的发展对应用于软板的主材料提出了更高的要求,其主要的发展方向表现在以下几个方面[8]:
(1)不用黏结剂的挠性材料的开发与应用。

(2)介质层厚度越来越薄,偏差小。

(3)液态光致保护层(L PIC)的开发。

(4)介电常数越来越小。

(5)介电损耗越来越小。

(6)玻璃化温度高。

随着无铅焊料的推广和应用,焊接温度比Sn-Pb焊料温度提高15～30℃,提高焊接时稳定性的问题日益明显。

(7)CTE热膨胀系数匹配要求严格。

CTE热膨胀系数匹,配时元器件引脚的CTE与HDI的匹配和兼容。

LCP材料具有优异物理性能以及加工性能,弥补了PI材料某些方面的不足,作为HDI材料的后起之秀LCP材料有很大的发展空间。

近年来高分子材料,纳米材料等技术的突飞猛进,为材料的发展拓宽了道路,在PCB行业,必然也为HDI基材的发展带来惊喜。

2.2　技术方面
HDI板制作的难点就在于微小孔的制作,小孔金属化,以及精细线路的制作几个方面,
2006年8月 世界科技研究与发展科技前沿与学术评论
2.2.1　微小孔制作
自20世纪90年代出现SLC(表面增层线路)以来,经历了一个开发研究的萌芽期,批量试产的发展期,先后出现了三十多种制造HDI板的方法,但是对于HDI板而言,最核心的问题仍然是如何实现微小孔化的问题,经过近10年的竞争和优胜劣汰,近年来微孔技术相对集中到以下几种:机械钻孔,激光打孔,等离子蚀孔,感光成孔,化学蚀孔等。

机械钻孔用于加工常规尺寸的孔是很普遍的,生产效率高,成本低。

随着机械加工能力的不断提高,机械钻孔在小孔领域的应用也逐渐崭露头角。

NC微孔冲孔系统能在厚度50μm的软板材料上钻小于80μm的孔。

值得一提的是NC微孔冲孔系统和NC钻孔的生产效率差不多,然而多冲头系统能极大地提高生产效率。

reel2to2reel生产方法是有通孔的双面挠性电路生产的一个巨大进步。

激光钻孔是用于HDI板生产的最普遍的一种生产方法。

激光钻孔的原理主要有光热烧蚀和光化学烧蚀两种。

(1)光热烧蚀:指被加工的材料吸收高能量的激光,在极短的时间加热到熔化并被蒸发掉的成孔原理。

(2)光化学烧蚀:是紫外线区所具有的高能量光子(超过2eV电子伏特)、激光波长超过400纳米的高能量光子起作用的结果。

高能量的光子能破坏有机材料的长分子链,成为更小的微粒,而其能量大于原分子,极力从中逸出,在外力的掐吸情况(激光钻孔机有抽气装置,材料在激光作用下断裂成为微小的粒子,在抽气作用下排除系统而形成微孔)之下,基板材料被快速除去而形成微孔。

可同时应用于软板和硬板的激光系统已被开发,主要有三种类型。

一种是受激准分子激光器。

准分子激光的产生可以分三个过程,即:激光气体的激励过程;准分子生成反应过程和准分子解离发生过程。

受激准分子激光器能够在大部分的有机基材上获得小孔,如它能够在25μm厚度的聚酰亚胺薄膜上生产孔径为10μm的孔。

受激准分子激光器的最大缺点是速度太慢,虽然受激准分子激光器也可以钻穿铜箔,但它的速度远不及钻其他的基材,合理的设计能提高生产效率。

另一种是UV激光打孔。

UV激光波长被铜箔吸收,吸收的能量足够多时,铜箔的金属键树脂的共价键断裂呈超细微粒而逸去,从而形成微孔。

树脂对UV激光的吸收也是光化学烧蚀原理,加工过程中不发生高热而获得孔壁和底部干净的孔,因而又成为冷加工成孔。

它尤其适合在柔性板基材上制作孔径25μm到50μm之间的微孔。

当孔径较大,大于150μm时,其生产能力下降,我们可选择CO2激光打孔的方式[1,9]。

最后一种是CO2激光器。

由于铜箔不能吸收CO2激光的红外波长,只有树脂能吸收红外波长。

因此在钻孔前必须先用UV激光或化学蚀刻的方法开窗口,以便树脂吸收红外波长产生热量直至烧蚀去树脂,即通过光热烧蚀的作用形成微孔。

这种微小孔的形成是热引起的,又成为热加工成孔。

适合于加工孔径大于70μm的孔,钻孔速度快,生产效率比前两种方式都要高。

该激光加工方式可以应用于reel2to2reel生产方式[10～11]。

激光技术不仅被应用于打孔,还可以用于切割,成型等方面,特别是利用激光技术,中小型企业也可以实现HDI板的生产[12]。

激光打孔设备投资大,但相对其它方法精确高,工艺稳定,技术成熟,是目前盲埋孔制作的最常用的方式,现今99%的HDI微孔都是采用激光打孔的方式实现的。

等离子蚀孔,首先是在覆铜板上的铜箔上蚀刻出窗口,露出下面的介质层,然后放置在等离子的真空腔中,通入介质气体如CF4/H2/O2/He/Ar,在超高频射频电源作用下气体被电离成活性很强的自由基,与高分子反应起到蚀孔的作用[13～14]。

它的优点是所有导通孔一次加工并且不留残渣,问题是处理时间较长,且成本高不适于大批量生产。

感光成孔量产不易,品质与可靠度困难重重,大部分PCB大厂已逐渐放弃这种加工方式。

化学蚀刻法是利用一般的蚀刻工艺先除去表面的铜箔,再利用强碱性容易除去对应处的有机层而形成的。

由于存在表面张力问题,不易于加工微小孔,且工艺过程不好控制,质量不稳定,并且污染较大,在HDI生产中没有得到广泛的应用。

2.2.2　孔金属化
一般将板厚/孔径比大于5∶1的称为深孔,HDI 板已远远超过这个比例,该比例过大使镀液在孔内流动性较差,孔壁容易产生气泡,孔金属化在整个孔内达到镀层均匀是很困难的。

微小孔的深孔镀技术除采用高分散能力的镀液外,还要在电镀设备上促进孔内镀液的及时更新,如可采用强烈的机械搅拌,震动,超声波搅拌和水平喷镀等技术,另外还要注意孔壁镀前处理,设法提高孔壁的湿润性等。

除了以上工艺上的改进外,HDI板的孔金属化方法也有所
科技前沿与学术评论世界科技研究与发展 2006年8月
改进,主要的技术有化学镀加成技术,直接电镀技术[1,15]。

化学镀加成技术孔壁镀层不受电力线不均匀的影响,得到孔壁均匀的化学镀层,是小孔深镀的一种主要方法。

直接电镀技术是把导电膜涂覆在非导体的表面,然后进行直接电镀,按照导电膜的不同可分为碳膜法,钯膜法和高分子导电膜法。

其中碳膜法是主导方法,即我们通常所说的黑孔技术。

黑孔液在吸附过程中呈物理性,不发生化学反应,也就不存在因化学反应而消耗其它成分的现象。

无需分析及调整溶液,根据实际生产的减损来补加新液,即可保证其工作性能。

黑孔液具有良好的稳定性,在完成对钻孔后的覆铜板的吸附过程中无氢气析出,这对保障印制板的层间互连质量是一个不可忽视的重要因素。

该法减少了有害化学药品的使用,使用和维护,简单可靠,降低了成本,并能提高互连的可靠性,是前景看好的一种孔金属化方法。

除金属化外,实现线路导通的还有填充导电胶或导电柱等方式。

直接电镀技术打破传统化学镀的限制,在微孔金属化化方面迈进了新的一步,但不同的金属化方法各有长短,没有一种方法能处于垄断的地位,根据公司的实际情况以及产品的生产要求合理选择。

2.2.3　精细线路
精细线路的实现方法有传统图形转移法和激光直接成像法。

传统图形转移法即我们通用的化学蚀刻做线路的方法。

在覆铜板的铜面上涂覆一层感光膜,然后进行曝光处理,显影掉未感光部份,最后用化学药液腐蚀出电路。

该法成本低,技术成熟,目前用于大批量生产可以制作节距大于150μm的板。

激光直接成像技术不需要照相底片,直接利用激光在专门的感光干膜上成像,采用uv波长光工作,使得液态抗蚀剂能够满足高解像力和简化操作的要求,并且不需要底片,避免了底片缺陷产生的影响以及修板,并可直接连接CAD/CAM,缩短了生产周期,适用于小批量多品种的生产。

随着产品复杂程度的提高,相对传统的DFR(dry film resist),直接成像技术越来越有优势,Pentax最新的精细线路激光直接成像系统DI-2080能够制作低至15μm线宽线距的板[16]。

3　从市场看HDI
HDI技术总的来说有两个市场,一是受稳定性驱动的PC主板市场,另一个就是受成本驱动的IC 封装用载板市场,如B G A球栅阵列,CSP芯片级封装,覆晶技术,L2CSP(Wafer2level CSP)晶圆级CSP, MCM(muti2chip module)多芯片模组等。

N EM I, IPC,SIA等组织预测了HDI载板的的发展,并把HDI产品分成5类:①低成本产品,如照相机,娱乐产品;②便携式产品,如移动电话,个人数码产品;③消费娱乐产品,如个人电脑,高终端游戏等;④高性能产品,如高级电脑,高终端工作站;⑤恶劣环境中用产品,如军事,航空等[17]。

市场的需求是技术进步的源动力,推动HDI印制电路板的蓬勃发展。

4　结论
适用于HDI的材料,技术有较大的选择的空间,并处于不断的丰富发展当中。

就目前形势,涂覆树脂铜箔(RCC)还是材料的主流趋势,激光钻孔是微孔加工的首选,金属化则根据各厂家的实际情况有所区别。

以激光技术、等离子体技术和纳米技术等为代表的HDI技术及其相关材料技术的蓬勃发展为HDI板的发展提供了技术保障,推动PCB产品全面走向高密度化、集成元件印制板等方向。

市场的需要,技术的支持相得益彰,使HDI的发展成为必然。

目前国内电路板市场几乎被美国,日本,以及少量的台湾,香港公司瓜分,他们不仅生产规模大,技术也较中国大陆领先一步。

世界级的PCB企业无不投入对HDI技术的开发,国外的HDI技术、市场、应用已经非常成熟。

国内PCB工业也在积极面对这场HDI新技术变革,加快研发的步伐,增强HDI技术储备,已是关系企业生存的头等大事,绝不容忽视。

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