PCB生产技术和发展趋势(PDF 8)

PCB生产技术和发展趋势1推动PCB技术和生产技术的主要动力集成电路（IC）等元件的集成度急速发展，迫使PCB向高密度化发展。从目前来看，PCB高密度化还跟不上IC集成度的发展。如表1所示表1。年IC的线宽PCB的线宽比例1979导线3μm300μm1∶1002000∽0、18μm100∽30μm1∶56o∽1∶1702010∽0、05μm∽10μm(HDI/BUM?)1∶200注：导通孔尺寸也随着导线精细化而减小，一般为导线宽度尺寸的3∽5倍组装技术进步也推动着PCB走向高密度化方向表2组装技术通孔插装技术（THT）表面安装技术（SMT）芯片级封装（CSP）系统封装代表器件DIPQFP→BGAμBGA元件集成I/o数16∽6432∽304121∽16001000？信号传输高频化和高速数字化，迫使PCB走上微小孔与埋/盲孔化，导线精细化，介质层均匀薄型化等，即高密度化发展和集成元件PCB发展。特性阻抗空控制RFIEMI世界主导经济—知识经济（信产业等）的迅速发展，决定做着PCB工业在21世纪中的发展读地位和慎重生产力。世界主导经济━的发展20世纪80年代━━━→90年代——→21世纪←经济农业——→工业经济———→知识经济———→美国是知识经济走在最前面的国家。所以在2000年占全球PCB市场销售量的45%，左右着PCB工业的发展与市场。随着其他国家的掘起，特别是中国和亚洲国家的发展（中国科技产值比率占30∽40%，美国为70∽80%）美国的“超级”地位会削弱下去。（3）中国将成为世界PCB产业的中心，2∽3年后，中国大陆的PCB产值由现在的11%上升20%以上。2PCB生产技术的主要进步与发展趋势。自PCB诞生以来（1903年算起100年整），以组装技术进步和发展可把PCB工业已走上了三个阶段。而PCB生产技术的发展与进步一直围绕着“孔”、“线”、“层”、和“面”等而发展着。2.1PCB产品经过了三个发展和进阶段2.1.1导通孔插装技术（THT）用PCB产品（1）主要特点：通孔起着电气互连和支撑元件的作用通孔尺寸受到限制，应≥Φ0.8mm。原因—元件的引脚刚性要求●自动插装要求以多角形截面为主，提高刚性降低尺寸（2）高密度化：通孔尺寸受到元件引脚尺寸限制，不能好象怀想风向换很小。导线的L/S细小化，最小达到0.1mm，大多在0.2∽0.3mm。增加层数，最多达到64层。但孔化，特别是电镀的困难。2.1.2表面安装技术（SMT）用PCB产品主要特点：通孔仅起电气互连作用，即孔径可尽量小（保证电性能下）；PCB产品共面性能要求，即PCB板面翘曲度要小，焊盘表面共面性要好。高密度化（主要）：①导通孔经尺寸迅速走向微小化。由φ0.8→φ0.5→φ0.3→φ0.2→φ0.15→φ0.10（mm）→加工方法由数控钻孔→激光钻孔。②埋/盲孔的出现不需要连接的层，不通过导通孔不设隔离盘提高布线自由度。∟缩短导线或孔深┛提高密度至少1/3。改善电器性能。盘内孔结构的诞生。由“狗骨”结构→盘内连接，节省连线，同样达到②之目的板面平整度：PCB整体板面共面性程度，或翘曲度和板面上焊盘的共面性。PCB翘曲度高了，由1%→0.7%→0.5%……元器件贴装要求。焊（连接）盘共面性。高密度化，焊盘上平面性的重要性越高。由HAL（或HASL）→OSP，化学Ni/Au，Ag,Sn等。2.1.3芯片级封装（CSP）用PCB产品主要特点：HDI/BOM板→集成元件的HDI板高密度化：孔，线，层，盘等全面走向高密度化①导通孔走向≤Φ150um。②导线的L/S≤80um。介质层厚度≤80um。焊直径盘≤Φ300um。（3）板面平整度：板面不平整度（指高密度基板，如≤150×150mm2的尺寸）以μm计。30μm→20μm→10μm→5μm。⒉2导通孔急速走向微小化和结构复杂化η（1）导通孔的作用电器互连和支撑元器件两个作用→仅电器互连作用。（2）导通孔尺寸微小化φ0.8→φ0.5→φ0.3→φ0.2→φ0.1→φ0.05→φ0.03（mm）←—机械（数控）钻孔—→|←—激光成孔—→导通孔结构复杂化。全通孔→埋/盲孔/通孔→盘内孔，埋/盲孔→HDI/BUM→导通孔微小化的加工方法机械钻微小孔（A）提高钻床主轴的转速n。大孔→小孔时，㈠孔壁切削速度Vν1=2πR1n1ν2=2πR2n2.㈡小孔转速n2（得到同样生产率和同样质量孔的话）.n2.=n1R1/R2.㈢根本出路提高主轴转速6∽8万转/分→10∽12万转/分→16∽18万转/分→25万转/分。(Hitachi已开发30万转/分的钻机，可配合使用0.10mm的钻针)（B）提高数控钻床的稳定性。㈠整个主轴转动→夹钻头部分转动。↓m，降低动能1/2mv218磅—→16盎司。㈡台面移动：由丝杆传动（慢且磨损）→线性马达移动（特稳定）。（C）改进微小钻头㈠改进微小钻头组成：Ｃo和WC比例改变。↑韧性。㈡减小WC的粒度，由２―３μm→０.２∽０.３μm→０.０5μm.→(D)常规E—玻纤布基材→扁平(MS或LD)E--玻纤布基材.㈠采用单丝排列原理形成的扁平E--玻纤布.㈡共有均匀玻纤密度和树脂密度的介质层基材.(E)降低孔壁粗造度:孔密度化和CAF等要求.常规孔壁粗造度40∽50μm→20∽25μm→10∽15μm.→激光钻孔技术.激光成孔技术的出现㈠机械钻孔面临挑战.*钻孔能力≥φ100μm.*生产率低*成本高(特别是钻孔).㈡激光波长与被吸收*光波分布*铜、玻纤布和树脂对波长的吸收.㈢激光成孔类型.*CO2激光成孔.φ200μm→φ100μm→φ50μm→φ30μm→*UV激光成孔←—CO2激光成孔—★—UV激光成孔—→*混合激光成孔←——————混合激光成孔————→（B）CO2激光成孔㈠连接机械钻孔，φ100∽φ200μm孔为最佳加工范围。㈡成孔原理：*波长为10.6μm9.4μm红外波长。*热效率、烧蚀之、热加工㈢优缺点：*功率大、生产率高。*易存残留物和引起下面连接盘分离，不能加工铜金属等*光束直径大，适宜加工大孔径（φ100∽φ200μm）。（C）UV激光成孔㈠适于连接CO2激光成微孔（φ100μm）㈡成孔原理*波长355nm266nm*破坏结合键（金属键、公价键、离子键）冷加工。㈢优缺点：*适宜于更小的微孔如φ100μm的孔和任何PCB基材。*不存任何残留物、可加工金属。*对于φ100μm孔，成本高，效率低（D）CO2激光和UV激光的优缺点（表3所示）表3项目CO2激光成孔UV激光成孔蚀孔机理热加工(烧蚀,需O2气)冷加工(破坏结构键)敷开窗口是不要蚀孔功率大小发射波长长(10.6、9.4μm)短(0.355或0.266μm)加工微小孔尺寸大(Ф80μm)小(Ф100μm)加工厚径比小C0.5大C∽1.0加工铜箔需氧化处理后的薄铜箔是加工玻纤布扁平E—玻纤布是去钻污处理是可不要生产率孔径≥Ф100μm高低孔径Ф100μm低高生产成本孔径≥Ф100μm低高孔径Ф100μm高低(E)混合激光成孔.充分发挥各自特长来加工.㈠先由UV激光开”窗口”→CO2激光加工介质层,(RCC或扁平E—玻纤基材)㈡”清道夫”作用(由UV激光清除残留外物或检修)㈢提高孔位精度㈣提高生产效率(5)微小孔(含微盲孔)的孔金属化和电镀.常规的孔金属化和直流电镀.直接电镀.脉冲电镀.2.2导体精细化技术与发展.导体精细化是IC集成度化、组装高密度化和信息处理高速化的迫切要求.2.3.1导体精细化的发展趋势.目前和今后导线的线宽/间距(L/S)发展趋势(μm为单位):100/100→80/80→50/60→40/50→30/40→20/25→15/20→┄8/10.2.3.2导体精细化的实质是导体精细化的制作要求:导体精细化内容是导线宽度微细化和导线宽度的精度(尺寸偏差)化两个方面.其中导线宽度精度是核心问题,即在相同误差要求下,随着导线精细化发展,线宽的偏差绝对值越来越小,精度要求越来越高.如表所示表4标称线宽允许误差±20%时不同线宽的精度要求标称线宽(μm)合格线宽尺寸(μm)偏差尺寸(μm)最大偏差值(μm)10080∽120±20△=408064∽96±16△=325040∽60±10△=203024∽36±6△=12随着线宽尺寸偏差的减小(如±10%),精度化将提高.2.3.3导体精细化的制造技术2.3.3.1薄铜箔或超薄铜箔层压板基材.提高导线精度.①↓侧蚀②↑整个线宽均匀性铜箔的薄型化将随导线精细化而发展.导线精细化发展100μm→80μm→50μm→30μm┄铜箔厚度发展18μm→12μm→9μm→5μm→┄薄铜箔表面处理.保存条件的重要性.图形转移前表面处理:机械檫板→磨板(Al2O3)→电化学或化学处理→免处理(双面已处理)铜箔.2.3,3,2图象转移技术.光致抗蚀剂干膜光致抗蚀剂厚度大≥25μm需载体膜，≥15μm，曝光时折射等湿膜光致抗蚀剂★厚度8∽12μm。无载体。但加工过程多正性湿膜光致抗蚀剂厚度可很薄。可在常规光F操作。成本高。⑵照相底片曝光点光源曝光，带来线宽的尺寸偏差。威胁导线精度（光入射角的差别）。光致抗蚀剂厚度与类型引起偏差。平行光曝光。能较好的解决问题。投资昂贵，成本高⑶显影①显影均匀性，中心区域与四周边区域的均匀。②显影干净无余胶（精细间隙）。⑷蚀刻常规蚀刻受到挑战。蚀刻不均匀性—抗蚀剂厚度；区域效应；扩散层厚度。摆动真空蚀刻：原理—防止布丁效应。精度：精细线可达±2μm（限超薄铜箔）。碱性蚀刻优于酸性蚀刻。2.3.3.3激光直接成像（LDI）。⑴激光直接成像的提出照相底片成像技术受到严重挑战；特别是高密度HDI/BUM板或L/S≤80μmS时。导线的尺寸精度达不到要求（特别是Z0控制时）。尺寸变化大。层间对位度要求越来越小时。简化了加工步骤。消除了照相底片成像引起的各种缺陷。缩短了生产周期，特别是多品种，少批量的产品。降低了成本。⑵激光直接成像的类型。涂覆光致抗蚀剂的激光直接成像。在制板上涂覆（湿膜或干膜）光致抗蚀剂。要求低的感光能量（高光敏性材料）：如表5所示。表5光敏抗蚀剂类型液态阻焊（油墨）膜光致抗蚀膜（干膜）LDI光致抗蚀膜→感光能量200∽250mj/cm280∽120mj/cm28∽12mj/cm2→5∽6mj/cm2激光直接成像（UV光）。LDI设备从CAD或已存储的图形数据于在制板上扫描曝光成像。目前最快速度可达24”×24”/分钟。（C）显影：相当于平行光得到的图像。（D）蚀刻：最好采用真空蚀刻。（E）去膜涂锡层抗蚀剂的激光直接成像。于在制板涂（镀）锡层。厚度为0.8∽1.2μm。UV激光直接成（刻）像：蚀刻去锡层厚度，并继续蚀刻去3∽5μm铜厚度碱性蚀刻。退除Sn层。直接于覆铜板上的激光直接成像。UV激光直接成（刻）像。蚀刻去铜厚度到离底面铜3∽5μm停止。控制（或快速）蚀刻铜，从蚀刻去余下铜厚度（3∽5μm），同时表面也会蚀刻去相应（或稍多）的铜厚度。各种激光直接成像的比较。表6项目光致抗蚀剂的LDI化学镀薄锡的直接在覆铜箔上的负性正性抗蚀剂高光敏性高光敏性非光敏镀锡层不要求激光光源UV光源红外激光较高能量UV激光高能量UV激光蚀刻要求要求碱性蚀刻要求（快速控制）退除抗蚀剂抗蚀剂镀锡层不要求线宽精度差中等中等最好加工步骤多多多少成本低高高中等2.4.PCB多层化技术与发展。2.4.1PCB多层化现状与未来。常规多层板→埋/盲孔多层埋→HDI/BUM板→集成元件多层板。由于PCB不断扩大应用领域，可派生出各种各样特殊功能的多层板，如导热功能，高频特性，（微波等）等多层板和复合多层板2.4.2常规多层板。开始出现于20世纪60年代，到了80年代，竟高达60多层。主要用于当时大型计算机的母（底）板上。目前还用于移动电讯总台上的背板。尺寸很大如610×1200（mm2），厚度4∽10mm层数为18∽24层，今后还会发展下去。2.4.3埋/盲孔（含盘内孔）多层板。SMT的采用，诞生和推动了埋/盲和微小孔化多层板的发展。多层板采用埋/盲孔结构将带来很