HDI板HDI Board 201 6秋季国际PCB技术/信息论坛 超薄化技术在H D I I ̄P制电路板中的应用研究 Paper Code:A-01 0 陈世金 (博敏电子股份有限公司,广东梅州514768) 摘要 文章主要讲述在高阶HDI印制电路板制作过程中涉及到的几类超薄化技术的应用, 包括超薄芯板、超薄粘结片、超薄面铜等制作新技术,对其加工难点的解决方案 进行解析和探讨,并针对后续超薄化技术的发展趋势提出了展望。 关键词 超薄化;高密度互连;芯板;粘结片;铜箔;制程能力 中图分类号:TN41 文献标识码:A 文章编号:1009—0096(2016)增刊一0342—08 Research on application of ultra・-thin technology in HDI PCB CHENShi-jin Abstract In this article,it mainly told about several kinds of ultra—thin technology application in high steps HD!PCB manufacturing,including the ultra—thin core,ultra—thin prepreg,ultra—thin copper foil and other new technology.It makes analysis and discussion on the solution of the processing dificulfty,and the prospects for future research are put forward. Key words Ultra—Thin;High Density lntercOnnectiOn:Core;Prepreg;Copper Foil;Process Capability ^。U 月IJ一。J舌 。一 近年来,智能于机、 板电脑和可穿裁设备等时尚消费类电_『产品向小型化、薄 化和集成化方向快速发 展,推动PCB设计的商桁度化逐渐向高阶HDI ̄H任崽层HDI方向发展,使PCB更趋于多结构、超薄化、多功能化 和高密度化,布线密集化和微孔化已逼近设计“极限”( 1)。高阶HDI及任意 HDI板m绕“微孔、薄层、 细线、高频、散热”五大特点不断将其自身制造技术向更深层次延伸,其中“薄层化”是HDI板技术发展的摹 硼1,它直接影响着“微孔”和“细线”技术实现的难易程度,实现薄层化的绝缘介层材料影响了HDI板足 叮以 完整传播“高频”信号以及“敞热”情况的好坏[ H引。高阶HDI及侄意层HDI的芯板及各层问的粘结片均足彳6{薄 的,并向着越来越薄的趋势发 ,超薄 板、超薄粘结片、超薄铡箔的大批艟使用必将给HDI印制板的JJlJ工带米 更大的挑战。凶此,研究并掌握超薄化技术在HDI印制板中的应片J技术就显得尤为重要和迫切了。 目前,针对以上提及的超薄芯板、超薄粘结片、超薄铜箔等在业界并没有一个统一的界定标准,为方便讲 述在本文中将其火致界定为: 板厚度(不含钉¨])≤0.075 mm称之为超薄芯板;粘结片厚度≤0.030 mm称之为 超薄粘结片;铜箔厚度≤12 um的称之为超薄铜箔。芯板、粘结片和铜箔越薄,埘』J【】:工:设备年fl技术的要求也就越 高,也会带来一系列的技术难点,如刚性问题、翘曲问题、压合缺胶问题、板ffI『起皱问题、l5fl抗问题、板材涨 缩和尺寸变化问题等。以上涉及剑的“超薄”^ 垂,要将其解决并不是仪仪增加JL台先进设备就可以摘定的, 342.. ..HDI板HDI Board 2016秋季国际PCB技术/信息论坛 图3激光钻孔未完全穿透介电层 超薄芯板或粘结片还需要考虑CAF问题的发生,首先当然足从配方和选材L入 ,如降低 板I及J水性、 提高刚化树脂对玻纤浸润性和结合力、选择合适的固化荆以及减少不纯物的存在等,总之降低通道的行 ,避 免铜离子的生长环境。印制板的加工过 控制方 导致的CAF问题也足t分常见的,此类 题将在后晰讲述tl 捉及。超薄芯板及粘结片无法从改变其厚度来防ll:CAF 题的产 ,只能从选材及玻纤的开纤程度上l来进行州 整,即根据CAF需求,选择合适不同歼纤程度玻纤布( 4)。 图4不同松散程度的开纤玻纤布 选择了合适的玻纤布材料以及开纤程度,不fI丁可有效改善激光 工效果利捉升效率,还仃利r板材涨缩的 控制,更好地选择较佳的预放系数。板材的稳定性好,也会宵利__J 后续图形转移柑准对化和牲体的层I'nJ刈’准放 果,超薄: 板足“万塔之 ”,是值得花‘定时]hJ ̄J‘其选材和加工难点进行研究的。 1.1.2超制程工序的特殊控制 超薄芯板在进行棕化、减制、水平清洗、电镀、压膜和蚀刻时非常容易 现卜扳,造成扳J 变形、破裂 或卷仆n等,会给层问对位精度带来不利影响。一般仅做刚性印制板的厂‘家在7JII工这类超溥芯板¨寸会觉得卜分棘 手,如宵FPC设捂及水 电镀线等先进设备则其加工难度会大火降低。针’对以RJJriT._难度,笔者总结如卜经验, 供业界技术工作耆参考: (1)水 线采片J“板带板”的方式来制作。即超薄型芯板在石史板设螽上制作时,可采』H“厚板带薄板”牵 引的方式生产,厚板与薄板之问用胶带粘结。如图5所示。 (2)垂直线采片J辅助框架方式来制作。垂直设备的药液搅拌、传动等会造成板了弯折、变形或破损,电镀 均匀性也没有保证,出现蚀刻不净的比例会很大,必然影响整作良率。采J{j一种辅助框架装 来制作超薄 芒=板有非常好的改善效果( 6)。 厚板 板子运行方向 图5厚板带超薄板牵引制作 l_ ■■■■因 图6采用辅助框架完成超薄芯板电镀 1.2超薄粘结片 m于新型智能求超薄概念,国内手机终端厂家OPPO、金立等摊f=¨牾机厚度仪4.4 turn,这无疑给PCB 卡板设计带来了前所未有的“超薄化”挑I!i ̄I41。 I ̄HDI!]-流 用的21 l3、1080等常用的粘结片已经 能满足要 求了,…现以106、1067、1037等为主流 川t n勺粘结”,近 年还仃应用1037、1027等超薄的粘绌 。薄 玻纤 ..344.. 2016秋季国际PCB技术/信息论坛 HDI板HDI Board 布以日本的}_{东纺和旭硝予两家公一J的超薄玻纤布最为著名。},】东纺SP(Super Process)歼纤电子布,采.LH高 喷水针刺法进行加工,使经纱和纬纱均匀成扁 状,玻纤纱交叠处的部分凸起明显减小,孔隙面积大大缩小或 孔隙完全被塞满,布面平滑性大大提高,其采 ̄BC3000玻纤纱开发出的超薄玻纤布厚度只有16/am,对于实现 介层材料的超薄化意义重火,如图7所示,H东纺极薄玻纤布的规格。旭硝于公司MS玻纤布,采刖扁平扩幅技 术, 产出的l027玻纤布厚度为20/am,10l0玻纤布厚度仪有l3/am,叮以制作成更为薄型的介层材料 。 IPC标准 (摘录) 1078 1035 1037 1027 厚度 (gm) 43 30 25 20 质量 (g/m ) 48 30 24 19 密度(t,'g/25mm) 垂直 53 65 69 74 编织方法 水平 53 67 72 74 平织 平织 平织 平织 开发产品 15 12 85 85 平织 图7日东纺超薄玻纤布的规格 超薄粘结片在加工过程中不可避免会出现 个问题:压合缺胶、CAF ̄U非线 !涨缩。以下将埘超薄粘结片 在HDI印制板加工中出现以上问题进行讲述,并探讨其改善方法。 1.2.1 压合缺胶 超薄粘结片的厚度只有20 m~30 m,甚至还有更薄的,由于其玻璃布采用开纤设计,含胶量受其整体厚度控 制也不会太高,一般在55% ̄65%之间。因此,极易出现压合后缺胶,导致分层、爆板等严蕈的品质问题(}銎i8)。 图8超薄粘结片压合后缺胶 m现 合后缺胶的原 火致有几种情形: (1)线路 形设汁影响,即空旷区域与线路密集区域分布 均, 导致 旷1)<域严霞缺胶。1027、1037等超薄粘结片本身较薄且树脂最较少,加k4Gl ̄J络产品设计巾留有较火的 呃制 旷天线区,必然会导致压合缺胶问题的出现。要解决这类问题一般可以从调整粘结片含胶量、对 形空 旷区域补加铜块或铜点设 等几方面入手。 (2)内层线路分布及铜厚影响,线路分布‘般为客厂1固定要求,不 能做更改或变动,但是对于一块大板子上的单元及SET设计则是可以通过内部工程设计进行涮整的。通过改变单 元及SET的排版设计也可以有效避免板子整体图形的分布,使两面的残铜率尽量比较接近,这样做也会有利于改 善压合缺胶问题。内层线路俐厚的控制相对比较简单,即将整体铜厚控制在满足MI的F限即可,同时尽最确保 电镀均匀性,在此就不做赘述。 (3)压合参数及缓冲材料的影响,压板参数是解决压合缺胶的关键,压合参数 的控制主要是温度、时问、压力三者之间的有机匹配。根据树脂特性及 机性能,设定出合适的压合参数,并 进行多次试验、比对和分析,得出最佳的 合参数。缓冲材料可有效解决 旷区域与铜面区域的落差,落差的 加剧会使得空旷区热量及压力更加不足,树脂流动性变慢,通过缓冲材料使热量及压力均匀性更好,或通过组 合旋转排板错开无铜空旷 ,使树脂局部流动性增强,同时再己合降层的方式,降低整待压板的高度落差,对改 善空f{广区缺胶、气泡等问题有显著的效果。 1.2.2 OAF问题 同样是由于超薄粘结片厚度问题,以及前文中提到的材料和开纤因素影响,导致出现CAF的儿率大增。 ..345.. HDI板HDI Board 2016秋季国际PCB技术/信息论坛 CAFI'.]题会出现层问、4L171J、孔线问和线线问叫种情形,且也是・个十分庞大的 f究课题,限0 篇幅本文 能 作简要概述。一方面要从材料选择和配方上进行改进,这个在Iii『文 卜有提及钊;另一万斯 PcB设 ・It ̄,J『起最 视, 量避免因问距过小或本身设 ‘超出板材的耐CAF能力等情况,在孔的排布上能“错位排列”的尽 避免 使用“平直排列”,如 9所示。 烃 (b)平I!d-tl ̄列1 图9子L的排列方式 除此之外,HDIE1]fl ̄J板加工过程 的钻孔、除胶、沉铡和 合等控制不当也会造成CAFI' ̄U题的…现。'Ui4L¥) 机械和激光两张方式,无论是哪一种都应尽遣以减少钻孔损伤为原则,NilJ,-抛高孔位精度, 保 lI1现孔偏【 导致耐CAF问距不足问题的出现。 1.2.3非线性涨缩 涨缩问题是HDI印制板中的一火难题,无法避免涨缩 题的仔 ,但如果涨缩鞋 I, 控范 或足仃规iit 可循,当然是最好不过的了。针对超薄芯板、超簿粘结片等,尤其是残铜率较低的芯板足最容易¨}脱 线性涨 缩的,也就是说起涨缩变化没有规律或是呈现离散性的涨缩变化 1。粘结片在进行压合过程c {I j:-j], ̄l'/fq:i4j流动小 均,lJ,口其流动厅向及流胶量没有规律,可能会随压合参数发生改变,可能会囚图形分布发生改变,也仃dfR.1, ̄l 残铜率的多少发牛改变,这就给寻找涨缩规律增加了难度。图l0为压板前后流胶示意图。 图1O压合前后树脂流动的移动状况 超薄芯板或粘结片在压合过程中 于 形的分布不均、热涨系数/f 匹配等会使if.;Ui-板受剑/1 均I1勺 在纵横方向 现不规律的涨缩变化。目前业界通常是利J]]横- ̄IhJ预放来改善这平lt'f7k缩变化, f4 ̄Ji,f 由J 实际I,I勺涨缩 变化是具有离散性的变化,很难通过预放来完伞避免(如 II所示)。 (b) 想涨缩图形 (c)实际涨缩 形 图1 1非线性涨缩的表现 ..346.. 201 6秋季国际PCB技术/信息论坛 HDI板HDI Board 一般来说,残铜率越低非线性涨缩的影响越明显,有试验结果表明:20%残铜率的芯板 ̄t80%残制率的芯 板控制能力差±0.012 mm~0.016 mm。因此,针对非线性涨缩问题只能通过工程设计合理靶标、提高PE冲孔精 度和 量设汁 形分布均匀的排版图形来改善,当然这 而需要抓的试验数据和寻找的涨缩规律也是 分必婴 的,这对解决非线性涨缩问题有很大的帮助。 1.3超薄面铜 对于高阶HD1; ̄ll任意层HDI板来说,超薄面铜既包括芯板和压合用的超薄铜箔,也包括在印制板加工过程中 对镀铜面铜厚度的控制,二者均需要向“超薄化”方向进行控制。超薄面铜关系到精细线路的制作和激光钻孔 效率提升等问题,尤其是当iiiSHDI均需要走填孔电镀流程,对其电镀而铜的控制特别重要 1。超薄铜箔71=压合 过程中易出现起皱问题,且在减铜、棕化和沉铜等过程Lf1需要避免重工, ‘旦出现重工则仃可能发乍底铜被蚀 尽或验证偏薄等问题,对产品可靠性造成不良影响。 1.3.1压合起皱 超薄铜箔在压合时因局部填胶不足、线路设计、压合参数、排板操作等会出现板面起皱问题(陶l2)。改 善丰要从以FJL,方面入于: (1)9 um及以下厚度超薄铜箔使用载体叮剥离掣的; (2)9 p.m以上的超薄铜箔压 合后减铜,达到满足制作要求的铜厚; (3)粘结片材料的选择及线路设计优化: (4)压合参数的调整和排板 图1 2超薄铜箔压合后板面起皱 9 m【亏12 m两张规格不 的超薄铜箔虽然整体厚度仅相差3 m,但在实际压合控制过 Lf1却存在较人的差 异,H{现起皱的JL牢市u差f艮大,具体可参见图l3。 铜箔厚度 l2 料号 压机类型 油压机 电压机 油压机 电压机 数量(PNL1 40 100 4 6 铜皱数量 (PNL1 不良率 2.75% 1% 10O% 33.3% n M N 1 1 4 2 9 pm Q 电压机 40 l5 37.5 图1 3 9 m与1 2 m两种超薄铜箔压合后板面起皱情况对比 12 um铜箔是口前HDI印制板中最常用的,_其工艺技术丰fj对比较成熟,9 Ixm铜箔!J11J使用的甚少,对其实际应 还存在较多不足,需要在逐步试验和使用巾慢慢摸索出经验。目前大多数PCB厂家均采用12 um铜箔减铜后再 进行后工序的制作,这种方法可有效改善板而起皱问题,但对工艺流程优化和成本节约方面均不利。因此,尝 试其它方法或足掌握9 pm铜箔的量产应刖方法则就 得尤为重要了,仃部分厂家已在此方研的研究开始仞见成 效,相信后续会有越来越多的PCB]- 家会迅速掌握此方法。 1.3.2 超精细线路 超薄铜箔在HDI板的应片J中不可避免会遇到精细线路制作难题,较厚的铜层不利于精细线路的制作,仇超 347.。 ..HDI板HDI Board 201 6秋季国际PCB技术/信息论坛 薄厚度的铜层也不是说很有益于精细线路的制作,尤其足超精细线路。当前,主流的智能手机t]',jPCB线路多为 40 gm/40 gm、40 grn/50 gm或50 ̄tm/50 m等,而FPc的线路则达到30 I.tm/30 gm ̄N25 gm/25 m。如图l4所示。 品牌 苹果 三星 阶数/层数 ELIC 14层 ELIC14层 线宽/线距(岬 ) 40/40 40/50 设计(psn) 60/20 60/30 FPC( m) 25/25 25/25 小米 华为 3+4+3 3+4+3 60/30 60/30 60/30 60/30 30/30 30/30 图14当前主流智能手机最小线宽/线距设计 目前也育少数PCB厂家做这样的超精细线路,但普遍均存在良率偏低问题,且很难保证线宽公差符合±20% 以内的要求。真正要批量来制作这类精细线路,除了从技术角度 考虑外,还必须借助先进的电镀、成像、 影和蚀刻设备,如水平电镀线、LDI、垂直显影机、真空蚀刻机等。VCP电镀线一般能做到铜厚极差在8 um以 内,再好一点的可做到5 gm以内,但更高的要求可能无法达到,而水 F-电镀线则可以控制其铜厚极差在3 gm以 内。因此,要做批量的超精细线路则必须采用水平电镀设备。传统曝光机的解析能力在50 um左右,LDI凶为采 用直径仪为9 gm的激光光源,解析能力可达到15 gm(图15)。传统曝光机对位精度±25 gm,层 J对位精度火 于50 gm。LD1采用高精度对位系统,对位精度提升到10 um以内,层问对位精度小f20 gm,可有效确保对位质 量。同时,LDI拥有强大的涨缩控制系统,包含了自动涨缩、固定涨缩、分 涨缩、分组涨缩、智能涨缩等,从 而确保了更高的对位精度。 图15采用LD哺0作的15 gm/15 um超精细线路 高阶HDI; ̄H任意层HDI板显影后的线路要求在30 um左右,传统E ̄-W板的线路制作设备均是采用水平式输送设 ;计,输送是滚轮不可避免会因接触而伤及板丽,影响线路质量。故在制作超精细线路时,一般要求线路 域无 外 物触碰,由于电路板越来越薄,加上水平蚀刻线上的水池效应,采片j该方法做超精细线路也就越米越 难。 此, 当前有设备商提出采用“垂直显影+二流体蚀刻技术”的方式来制作超精细线路,可实现线 斑/线距25 m/25 m线 路的制作,蚀刻 子达N7以上,可有效提升产品晶质及制 能力。 1。3.3 电镀超薄面铜 此处提到的超薄面铜与前面有所不同,前面所说的超薄面铜一般是供应商的基板或铜蒲的厚度拎制问题, 以下将要讲到的是在制程过程中控制铜层厚度的问题,多指以化学沉积或电镀等方式而获取的铜层。…】: 层 线路多为25 gm~40 um,要控制线宽公差在±20%以内的话,也就足说总侧蚀星必须控制在5 gm~8 gm的范 内,除了刚才提到的高效、先进蚀刻设备外,还需要对电镀后的面铜厚度进行控制。 电镀薄面铜化技术的基本原理是采用不同电流参数组合U2-13]和对电镀添加剂的组分进行最佳配比试验,利川 电镀填盲孔不同时期(初始期、爆发期、末期)持续时问及盲孔底部沉积锏速率的变化,在较短的时问里得到 较好填充效果,而又利用电镀添加剂(加速剂、抑制剂、整 机)的各自作用机理进行有机、最佳配比,使孔 内铜的沉积速率是线路面的数倍,从而实现薄面铜化。针对此方陌的技术讲解,笔者在《电镀填盲孔簿面铜化 技术研究》一文中有详细讲述,且有几家电镀药液供应商在此方面做了较为深入的研究,在此就不再详述。 348.. ..201 6秋季国际PCB技术/信息论坛 HDI板HDI Boar( 2总结 本文主要讲述了在高阶HDI、任意层HDI等印制板加工过程中所涉及到的超薄化技术,并提出了一些解决方 案,现对此做如下小结: (1)超薄芯板需要谨慎地选择基板材料和开纤方式,重点在控制部分超制程能力的制作,采用一些特殊控 制措施可以实现其顺利制作; (2)超薄粘结片的使用易出现压合缺胶、耐CAF差和非线性涨缩等问题,主要解决方法是从工程设计和制 程管控方面入手; (3)超薄面铜在实际应用过程中易出现板面起皱、精细线路制作和电镀面铜控制困难等难点,建议从压 合参数优化,到选材和工程设计等实施全面科学管控,采用优质电镀药液和结合不同电流参数组合进行填孔电 镀。 3结语及展望 电子产品轻型化、薄型化和多功能化已成为一种势不可挡的发展趋势,高阶、任意层等HD1板的密集化设计 将会越来越多,超精细线路、“甚高密度”线路的出现也将成为一种势不可挡的趋势。超薄化芯板、粘结片、 铜箔的应用将会越来越普遍,由此应用带来的一系列技术难点绝不限于以上讲解的内容,还包括诸多文中未提 及到的,如高频、高速的要求,信号传输及完整性的要求,特性阻抗的控制要求等。需要从PCB产业上下游材 料、先进设备和新技术等进行更深入、全面的研究,不断总结制作体会、积累基础技术、在试验和实践过程中 逐步掌握一套成熟的超薄化控制技术,为公司抢占更多的市场先机,也会为PCB行业的进步作出更多的努力。 本论文得到广东省应用型科技研发专项资金项目(项目编号:20l5B010l27008)的资助。 参考文献 [1]1祝大同.环氧一玻纤布基板材料的薄型化技术fJ].印制电路信息,2008(1):12.16. 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