原创 PCB技术详解:HDI技术实现高密度互连板(孔径3-5mil,线宽3-4mil) ... ...

2019-7-18 13:28 1335 2 2 分类: PCB 文集: PCB

一.概述:

HDI板,是指High Density Interconnect,即高密度互连板,是PCB行业在20世纪末发展起来的一门较新的技术。

 

传统的PCB板的钻孔由于受到钻刀影响,当钻孔孔径达到0.15mm时,成本已经非常高,且很难再次改进。而HDI板的钻孔不再依赖于传统的机械钻孔,而是利用激光钻孔技术。(所以有时又被称为镭射板。)HDI板的钻孔孔径一般为3-5mil(0.076-0.127mm),线路宽度一般为3-4mil(0.076-0.10mm),焊盘的尺寸可以大幅度的减小所以单位面积内可以得到更多的线路分布,高密度互连由此而来。

 

HDI技术的出现,适应并推进了PCB行业的发展。使得在HDI板内可以排列上更加密集的BGA、QFP等。目前HDI技术已经得到广泛地运用,其中1阶的HDI已经广泛运用于拥有0.5PITCH的BGA的PCB制作中。

 

HDI技术的发展推动着芯片技术的发展,芯片技术的发展也反过来推动HDI技术的提高与进步。

 

目前0.5PITCH的BGA芯片已经逐渐被设计工程师们所大量采用,BGA的焊角也由中心挖空的形式或中心接地的形式逐渐变为中心有信号输入输出需要走线的形式。

 

所以现在1阶的HDI已经无法完全满足设计人员的需要,因此2阶的HDI开始成为研发工程师和PCB制板厂共同关注的目标。1阶的HDI技术是指激光盲孔仅仅连通表层及与其相邻的次层的成孔技术,2阶的HDI技术是在1阶的HDI技术上的提高,它包含激光盲孔直接由表层钻到第三层,和表层钻到第二层再由第二层钻到第三层两种形式,其难度远远大于1阶的HDI技术。

 

二.材料:

1、材料的分类

a.铜箔:导电图形构成的基本材料

b.芯板(CORE):线路板的骨架,双面覆铜的板子,即可用于内层制作的双面板。

c.半固化片(Prepreg):多层板制作不可缺少的材料,芯板与芯板之间的粘合剂,同时起到绝缘的作用。

d.阻焊油墨:对板子起到防焊、绝缘、防腐蚀等作用。

e.字符油墨:标示作用。

f.表面处理材料:包括铅锡合金、镍金合金、银、OSP等等。

 

2、层压的绝缘层材料

2.1 SYE 使用的板材一览表

 

 

2.2、HDI 绝缘层材料

2.2.1 SYE HDI绝缘材料一览表

 

 

2.3 特殊材料的介绍:

HDI绝缘层所使用的特殊材料 RCC :

涂胶膜铜箔(Resin Coated Copper)

涂胶膜铜箔(Resin Coated Copper) 是指将特别的树脂膜层涂在电镀铜箔上。这层膜可以完全覆盖内层线路而成绝缘层.

主要有两种: B stage (Mitsui)和 B+C stage(Polyclad)

 

 

 

特点:

*不含玻璃介质层,易于镭射以及等离子微孔成形.

*薄介电层.

*极高的抗剥离强度.

*高韧性,容易操作.

*表面光滑,适合微窄线路蚀刻.

 

涂胶膜铜箔(Resin Coated Copper): 一般来说,HDI 板 的激光钻孔都是在涂胶膜铜箔上面成孔。孔径的形状与一般机械钻孔的孔的形状不完全一样。激光钻孔的孔的形状为一个倒置的梯形。而一般的机械钻孔,孔的形状为柱形。考虑到激光钻孔的能量与效率,镭射孔的孔径大小不能太大。一般为0.076-0.10毫米。

 

 

HDI板所需要的其他的材料如:板料;半固化片和铜箔等则没有特别的要求。由于镭射板的电流一般不会太大,所以线路的铜的厚度一般不太厚。内层一般为1盎司,外层一般为半盎司的底铜镀到1盎司的完成铜厚 。板料的厚度一般较薄。并且由于RCC中也仅含树脂,不含玻璃纤维,所以使用RCC的HDI板的硬度/强度一般比同厚度的其他PCB要差。

 

2.4 目前HDI板的一般结构:

 

1-HDI

 

Non stacked 2-HDI

 

Stacked But Non Copper filled 2-HDI

 

Stacked & Copper filled 2-HDI

 

2.5 不同HDI绝缘层材料的效果

这些是不同类型的一阶盲孔切片图(A)

 

RCC

 

FR4(1080)

 

这些是二阶HDI 盲孔的切片图

 

RCC

 

FR4

三.流程:

下面我们将以一个2+4+2的8层板为例来说明一下HDI的制作流程:

 

 

1.开料(CUT)

开料是把原始的敷铜板切割成能在生产线上制作的板子的过程。

 

首先我们来了解几个概念:

1. UNIT:UNIT是指客户设计的单元图形。

2. SET :SET是指客户为了提高效率、方便生产等原因,将多个UNIT 拼在一起成为的一个整体图形。它包括单元图形、工艺边等等。

3. PANEL:PANEL是指PCB厂家生产时,为了提高效率、方便生产等原因,将多个SET拼在一起并加上工具板边,组成的一块板子。我们采购回来的大料有以下几种尺寸:36.5 INCH × 48.5 INCH、40.5 INCH × 48.5 INCH 、42.5 INCH × 48.5 INCH 等等。 作为PCB设计的工程师与设计的工程师与PCB 制作的工程师,利用率是大家共同关注的问题。

 

2.内层干膜:(INNER DRY FILM)

内层干膜是将内层线路图形转移到PCB板上的过程。

 

在PCB制作中我们会提到 图形转移这个概念,因为导电图形的制作是PCB制作的根本。所以图形转移过程对PCB制作来说,有非常重要的意义。

 

内层干膜包括内层贴膜、曝光显影、内层蚀刻等多道工序。内层贴膜就是在铜板表面贴上一层特殊的感光膜。这种膜遇光会固化,在板子上形成一道保护膜。曝光显影是将贴好膜的板将进行曝光,透光的部分被固化,没透光的部分还是干膜。然后经过显影,褪掉没固化的干膜,将贴有固化保护膜的板进行蚀刻。再经过退膜处理,这时内层的线路图形就被转移到板子上了。

 

对于设计人员来说,我们最主要考虑的是布线的最小线宽、间距的控制及布线的均匀性。因为间距过小会造成夹膜,膜无法褪尽造成短路。线宽太小,膜的附着力不足,造成线路开路。所以电路设计时的安全间距(包括线与线、线与焊盘、焊盘与焊盘、线与铜面等),都必须考虑生产时的安全间距。

 

3.黑化和棕化:(BLACK OXIDATION)

黑化和棕化的目的

1. 去除表面的油污,杂质等污染物;

2. 增大铜箔的比表面,从而增大与树脂接触面积,有利于树脂充分扩散,形成较大的结合力;

3. 使非极性的铜表面变成带极性CuO和Cu 2 O的表面,增加铜箔与树脂间的极性键结合;

4. 经氧化的表面在高温下不受湿气的影响,减少铜箔与树脂分层的几率。内层线路做好的板子必须要经过黑化或棕化后才能进行层压。它是对内层板子的线路铜表面进行氧化处理。一般生成的Cu 2 O为红色、CuO为黑色,所以氧化层中Cu 2 O为主称为棕化、CuO为主的称为黑化。

 

4.层压:(PRESSING)

1. 层压是借助于B€€阶半固化片把各层线路粘结成整体的过程。这种粘结是通过界面上大分子之间的相互扩散,渗透,进而产生相互交织而实现。

2. 目的:将离散的多层板与黏结片一起压制成所需要的层数和厚度的多层板。

 

排版

将铜箔,黏结片(半固化片),内层板,不锈钢,隔离板,牛皮纸,外层钢板等材料按工艺要求叠合。如果六层以上的板还需要预排版。

 

层压过程

将叠好的电路板送入真空热压机。利用机械所提供的热能,将树脂片内的树脂熔融,借以粘合基板并填充空隙。

 

对于设计人员来说,层压首先需要考虑的是对称性。因为板子在层压的过程中会受到压力和温度的影响,在层压完成后板子内还会有应力存在。因此如果层压的板子两面不均匀,那两面的应力就不一样,造成板子向一面弯曲,大大影响PCB的性能。

 

另外,就算在同一平面,如果布铜分布不均匀时,会造成各点的树脂流动速度不一样,这样布铜少的地方厚度就会稍薄一些,而布铜多的地方厚度就会稍厚一些。为了避免这些问题,在设计时对布铜的均匀性、叠层的对称性、盲埋孔的设计布置等等各方面的因数都必须进行详细考率。

 

5.钻盲埋孔DRILLING)

印制板上孔的加工形成有多种方式,目前使用最多的是机械钻孔。机械钻孔就是利用钻刀高速切割的方式,在板子(母板或子板)上形成上下 贯通的穿孔。对于成品孔径在8MIL及以上的穿孔,我们都可以采用机械钻孔的形式来加工。

 

目前来说,机械孔的孔径必须在8mil以上。机械钻孔的形式决定了盲埋孔的非交叉性。就以我们这块八层板而言,我们可以同时加工3 €€ 6层的埋孔、1€€2层的盲孔和7 €€ 8层的盲孔等等形式。但如果设计的是既有3-5层的埋孔,又有4-6层的埋孔,这样的设计在生产上将无法实现。另外,从前面的层压我们可以了解到对称的必要性,如果此时不是3-6层的埋孔而是3-5层或4-6层的埋孔,制作难度与报废率将大幅提高,其成本将是3-6层埋孔的6倍以上。

 

6.沉铜与加厚铜(孔的金属化)

€€ 电路板的基材是由铜箔,玻璃纤维,环氧树脂组成。在制作过程中基材钻孔后孔壁截面就是由以上三部分材料组成。电路板的基材是由铜箔,玻璃纤维,环氧树脂组成。在制作过程中基材钻孔后孔壁截面就是由以上三部分材料组成。

 

€€ 孔金属化就是要解决在截面上覆盖一层均匀的,耐热冲击的金属铜。孔金属化就是要解决在截面上覆盖一层均匀的,耐热冲击的金属铜。

 

€€ 流程分为三个部分:一去钻污流程,二化学沉铜流程,三加厚铜流程(全板电镀铜)。

 

孔的金属化涉及到一个制成能力的概念,厚径比。厚径比是指板厚与孔径的比值。

 

当板子不断变厚,而孔径不断减小时,化学药水越来越难进入钻孔的深处,虽然电镀设备利用振动、加压等等方法让药水得以进入钻孔中心,可是浓度差造成的中心镀层偏薄仍然无法避免。这时会出现钻孔层微开路现象,当电压加大、板子在各种恶劣情况下受冲击时,缺陷完全暴露,造成板子的线路断路,无法完成指定的工作。

 

所以,设计人员需要及时的了解制板厂家的工艺能力,否则设计出来的PCB就很难在生产上实现。需要注意的是,厚径比这个参数不仅在通孔设计时必须考虑,在盲埋孔设计时也需要考虑。

 

7.第二次内层干膜

当3--6层的埋孔金属化后,我们用树脂油墨塞孔,然后我们的板子将转回到内层干膜制作第3、6层的内层线路。如下图:

 

 

做完3、6层的线路后,我们将板子进行黑化或棕化,之后我们将其送入第二次层压。由于与前面步骤相同,就不再详细介绍。

 

8.第二次层压(HDI的压板)

HDI板的压板:由于HDI的绝缘层厚度比较薄。所以压板较为困难。由于同样的厚度LDP的强度要比RCC的好很多,流动速度也慢一些,所以也更容易控制。

 

内层有盲埋孔的地方线路更容易因凹陷而造成开路。所以如果内层如果有盲埋孔,则外层的线路设计要尽量避开内层的盲埋孔位置。至少是线路不要从盲埋孔的孔中间位置通过。

 

另外如果是在压板时的第二层到倒数第二层之间有太多埋孔的话,压板的过程中将会由于产生了一个通道而导致了位于上面的介电层厚度薄于位于下面的介电层厚度。所以在线路设计时要尽量减少此种孔的数量。

 

CO 2 激光盲孔制造的工艺很多,而且各有优缺点。而开铜窗法(Conformal mask)是现在业界最成熟的CO 2 激光盲孔制作工艺,此加工法是利用图形转移工艺,在表面铜箔层蚀刻出线路的方式蚀刻出与要激光加工的孔径尺寸相同的微小窗口,然后用比要加工孔径尺寸大的激光光束根据蚀铜底片的坐标程式来进行加工的方法,这种加工法多用于减成法制造积层多层板的工艺上,SYE即是采用了此种工艺进行CO 2 激光盲孔的制作。

 

 

9.conformal mask

1.Conformal mask 是打激光孔制作的前准备过程,它分为Conformal mask1 和 Conformal mask2 两个部分。

 

2.Conformal mask1是在子板上下两面铜箔上用制作线路的方式蚀刻出母板外层周边与子板外层的盲孔(激光孔)对位PAD对应的铜箔,同时蚀刻出母板上对应于设置在子板两面的自动曝光机对位标靶位置铜箔,以供Conformal mask2制作和激光钻孔时使用。

 

3.Conformal mask2是在板子上下两面铜箔上用制作线路的方式将每个激光孔的位置蚀刻出一个比激光孔稍大的窗口,以供CO 2 激光加工。

 

10.激光钻孔 (LASER DRILLING)

用激光将树脂烧开形成连通性盲孔HDI板的镭射钻孔由于是由激光钻出,所以当激光在从上往下钻的过程中,能量逐渐变少,所以随着孔径的不断深入,孔的直径不断变小。镭射孔的钻孔孔径一般为4-6mil(0.10-0.15mm),按照IPC6016,孔径<=0.15毫米的孔称为微孔(micro-via)。

 

如果孔径大于0.15毫米,则难于一次将孔钻完,而是需要螺旋式钻孔,导致了钻孔的效率下降。成本的急剧升高。目前激光钻孔一般采用三枪成孔的方式,镭射孔的钻孔速度一般为100-200个/秒。并且随着孔径的缩小,钻孔的速度明显加快。

 

比如:在钻孔孔径为0.100毫米时,钻孔速度为120个/秒。在钻孔孔径为0.076毫米时,钻孔速度为170个/秒。

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