增层法多层板与非机钻式导孔
Build Up MLB and Non – Drilled Via Hole
作者白蓉生先生前言
早期多层板之层间互连与零件脚插装皆依靠全通式的镀通孔 ( PTH ) 去执行彼时组装不密布线不多故问题也不大然因电子产品功能提升与零件增加乃由
开始渐入量产使得 PCB 早先的通孔插装改为节省板面的表面黏装 1980年后SMT
在小孔细线上成为重耍的课题然而这种采用钖膏与波焊的双面黏装做法仍受到零件不断复杂化与引脚持续增多以及 "芯片级封装"(CSP)极端轻薄短小的多层板压力
式的盲孔埋孔甚至通孔下积极因应的PCB业界又于1990年起推出 "非机械钻孔"
(Build Up Process工研院工材所译为"积层式"多层与板外逐次增加层面的"增层法"
板) 在微薄化方面再次出现革命性的进步本文即针对该非传统钻孔的各种专密制程加以概述并专对电浆咬孔与雷射烧孔等两种商用制程做较详细的介绍
一传统多层板的制做与受限处女双鱼
1.传统流程
传统多层板对层与层之间"互连"(Interconnection)的做法是先在各内层薄基上以阻剂选择蚀铜做出所需的圆垫"Pads)经压合及钻孔后即可将各层圆垫予以串通并再以PTH及电镀铜方式使各层"孔环"得兴孔壁导通最后完成外层板面蚀刻的
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线路即成为每层用孔环衔接全通孔(PTH)的互连系统其流程概要如下.先就各内层面上的线路与圆垫进行成像与蚀刻(Print and Etch)得到所
需的导体图形
.随即进行黑/棕氧化处理(Black Brown Oxide Treatment)完成各内层板
.加入胶片(Prepreg)与外层铜箔进行迭合与压合成为多层板半成品
.再进行钻孔镀通孔(PTH)成像(Image Transfer;正片法或负片法)及
蚀刻得到外层线路并完成多层板之成品指什么骂什么成语
2.外层面积的限制
传统多层板系采单次压合为半成品再行钻孔镀孔与线路蚀刻而达到整体互连之目的凡欲与孔铜壁导通者则利用"孔环"(Annular Ring)与其它线路衔接;凡不欲与孔铜壁导通者则在各层孔环外缘与大铜面之间采用"空环"(Clearance)予以隔绝(Isolation)
此种一次成型全板贯穿的传统互连做法处于目前之多脚零件增量装配在降低成本减少层数致使细线布
局不断增密而渴求面积情形下只有尽量缩小孔径兴孔环甚至出现极其困难的无环(Landless)通孔以为因应如此将使孔径逼小到 1Omil以下的境界对生产力与成本方面都造成极大的负面影响
面临密集组装时传统全通孔所呈现的缺失有
层间互连用的传统通孔无法直接做在板面SMD的脚垫上需另以"扇出"(
图 l. 左为传统 SMD 焊垫进行互连所需之”扇出”(Fan Out) 引线与垫上直接盲孔无 Fan Out
之比较右为插孔SMD 扇接导孔及电浆法盲导孔等孔径大小之比较Fan Out)方式连通各脚垫对板面的有
限空间而言可谓十分浪费
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全通孔会破坏多层板内在电压层的完整性使电容蒙受损失增加噪声
争夺零件组装所需的面积
妨碍多层板内在讯号层的布线面桢
工作经历简述
密集组装迫使通孔孔径愈来愈小成本也愈来愈贵
早期镀通孔除用于层间"互连"之目的外还需担负起零件脚"插装"的任务故孔径兴孔距皆有其下限I986年以后SMT十分成熟之际除了高功率大
型 CPU(约1OW)与附加卡(Add-on Card)仍需挥装以确保可靠度之外其余大多数零件的引脚均已改成"表面黏装"因而板面上只需留下必要的矩型焊垫以供接脚即可
此种只扮演层间"互连"的传统镀通孔似乎无需一定要贯穿全板大可改
变成为只在部份层次间连通的盲孔(Blind Hole)与埋孔(Buried Hole)以省下通孔在板面上的用地让有限的外层面积尽量用以布线与焊接零件这就是板外逐次增层法(Build-up)与非机钻式(Non-drilled)导孔(Via)的起因
图2. 全通 PTH 之传统多层板经部份改成盲孔埋孔后之挤缩小型化情形熏艾草
3.传统埋导孔(Buried Via)与盲导孔(Blind Via)
传统多层板的埋孔制作并不困难只要按一般双面板做法先将各内层薄板进行钻孔镀孔及线路蚀刻后再用真空压合法以胶片之流胶去填满各内导孔即可压合成为有"埋孔"的多层板
至于传统盲孔的做法也不难常见的六层板可分别先做两片有通孔的薄双面板当成外层与另一片无孔的内层板一并压合成为六层板即出现已填胶的盲孔再进行整体全通孔的制作则成为有盲孔与通孔的MLB若欲另做埋孔时则也可将中间的内层板先做成双面板三片双面板压合后即可达到有盲孔埋孔的六层板此类制程称为"逐次压合"(Sequential Laminated)式多层板此等做法流程太长占用生产线资源太多成本并不便宜
至于压合后外层板面所特做的"机钻式盲孔"其制作并不容易首先要精
确设定锁头在Z轴的下钻深度使恰好到达某一内层铜垫上形成有锥底的杯状盲孔所钻出的"裸盲孔"还要再经小心镀铜才能成为可连通的"盲导孔"其
工程中不但设定深度十分不易而且化学铜与电镀铜也因其槽液无法流动替换在不易赶走氢气下一旦其纵横比超过11时则锥底即很难镀满
图3. 左为机钻定深盲孔孔径 48mil 孔深 44mil之镀后情形中为 CO2雷射四个脉冲
二增层法(Build Up Process)与非机钻式之埋孔与盲孔
现以双面或四层板为基础采纳上述"逐次压合"(Sequential Lamination)的
观念于其板外逐次增加线路层并以"非机钻式" 之盲孔做为增层间的互连已成为
时下最受全球业界注目的"增层法"(Build Up Process)为避免在发音上
与原有"加成法"(Additive Process)混淆起见特译之为"增层法"以资区别此等新开发非钻孔式各种超薄多层板其做法极多各种花样不胜枚举大体上可分四类
1.感光成孔式导孔(Photo-Via)
图4. 以感光成孔所做的两增层及与 FR-4 核板压合再经机械钻做全通孔(PTH)之示意图
利用感光阻剂层兼做为久性的感光介质层Photo-Imageable Dielectric 简称PID)先在完工的双面核心板上进行涂布PID层并针对特定孔位处加以显像(Developing)使露出碗底所预留的铜垫即形成碗状裸盲孔
再以化学铜与电镀铜进行全面加成经选择性蚀刻后即可得外层到线路与盲导孔也可不镀铜而改成塞银膏或铜膏填孔而完成导通此双面核心板得到第一次两面"增层"后还可再继续涂布PID 与加成镀铜及蚀刻做出高密薄形的Build up多层板
此类"感光导孔"之商业制程很多其中IBM公司l989年在日本Yasu工厂所推出的SLC制程(Surface Laminar Circuits)最早夺得先声该法是以CibaGeige濂涂式绿漆Probimer 52的油墨做为感光介质(PID)比法可得 3mil/3mil之线宽线距盲孔之底径约5mil孔口约10mil杜邦亦于1997.7推出一种干膜式的 PID其商名为ViaLux 100使得施工为方便介质平坦性也将更好
图5.此为采用 PID 所感光及显像而成的增层"光孔" (Photo Via)孔径 6mil孔深2mil孔壁铜厚 1mil
注意其镀铜层是以低电流所镀故分布十分良好
猴五行属什么IBM另在纽约州的Endicott厂及德州Austin厂均曾将SLC之洛剂显像改成水溶液显像后者称为ALT法曾于笔记型计算机Think Pad的主机板以及工作站绘图卡PCMCIA卡MCM-L与摄录像机之电路板方面有过量产用途
本法所用环氧树脂式的液态感光介质除上述Probimer 52或65外尚另有Shiply FP-9500等十余种湿膜或干膜式的感光介质由于其等树脂之Tg 普遍不高只做为导线或焊接的多层板尚可一旦需芯片直接安装(DCA COB等)而
需高温打线Wire Bond)时则因材质在高温中较软而达不到打线的品质我国工研院工材所亦曾以酚醛树脂添加感光树脂做为介质进行研究试做
2.雷射钻烧孔 Lar Ablation
2.1二氧化碳雷射:
是利用CO
2及掺杂其它如N
2
He CO等气体在增加功率及维持放电时间下产生波
长在9300nm~10600nm之间可实用的脉冲式(Pul)红外雷射光业界用于钻孔者有
RF Excited CO
2及TEA CO
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两种方式激发的雷射可用以制做盲孔之板材以无玻纤布的
特殊背胶铜箔(Resin Coated Copper Foil RCC)最佳一般普通铜箔与传统胶片所压合的增层盲孔也还可行但均需采选择性蚀铜制程除去局部铜箔"盖子"而露出孔位处的基材再以不伤铜箔只能烧毁非金属物质的CO
2
雷射光按钻孔程序带逐一烧出盲孔此等雷射可被树脂大量吸收故能顺利使之烧毁及气化而完成钻孔至于玻纤部份则因吸收不足致使烧除效果也较差
图6. CO2雷射钻孔须先蚀铜才能烧掉正下方的非金属板材见到铜底后即可洗孔镀孔
2.2Nd : YAG雷射