HDI技術(shù)的變化
HDI板依賴(lài)于微孔實(shí)現(xiàn)高密度互聯(lián)與微細(xì)線路（線寬/間距小于60μm），盡管堆疊孔逐步替代交錯(cuò)孔，進(jìn)而搭配任意層互聯(lián)的全盲孔堆疊結(jié)構(gòu)（Anylayer），新一代HDI板線路的最小線寬/間距要求低至40μm及以下，而微孔的激光加工工藝則一直延續(xù)著。
任意層互聯(lián)仍然是HDI板的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，并且事實(shí)上多數(shù)先進(jìn)HDI板都在使用。自2017年后，HDI板開(kāi)始大量采用在IC載板產(chǎn)品上已經(jīng)是普遍應(yīng)用的線路電鍍工藝。這種工藝被稱(chēng)為半加成法工藝（SAP），是利用線路電鍍技術(shù)，以滿足IC載板小于15 μm的線路結(jié)構(gòu)需求，這種工藝在一般HDI板尚未采用，不過(guò)利用超薄銅皮做半加成技術(shù)（mSAP）的調(diào)整后，已經(jīng)成為HDI制造的主流工藝。
市場(chǎng)趨勢(shì)及手持終端產(chǎn)品的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)
PCB技術(shù)提升的驅(qū)動(dòng)力通常來(lái)源于市場(chǎng)，而移動(dòng)智能終端與高速5G通訊設(shè)備則是最大推手。為了應(yīng)對(duì)先進(jìn)的移動(dòng)智能終端設(shè)計(jì)，并能讓出足夠的內(nèi)部空間，則需要更薄、更小、更復(fù)雜的HDI板，且必須使用低介電常數(shù)、低介質(zhì)損耗的材料。
許多IC模組采用陣列布局，需要關(guān)注的是其引腳數(shù)量，同時(shí)包括焊盤(pán)尺寸及間距。更復(fù)雜的芯片無(wú)疑會(huì)較之前有更多的輸入輸出(I/O)引腳 。為推動(dòng)芯片封裝尺寸的小型化，則需從減少焊盤(pán)尺寸和間距入手，與之對(duì)應(yīng)的則是需要更多的繞線形成相互連接。最新的移動(dòng)智能終端設(shè)計(jì)已經(jīng)需要用到線寬/間距30 μm/30 μm的線路了，且有進(jìn)一步減小的趨勢(shì)。對(duì)于線路尺寸減小的驅(qū)動(dòng)力可以追溯到2016年，當(dāng)時(shí)發(fā)布了采用臺(tái)積電先進(jìn)的扇出型封裝（InFO）處理器芯片的iPhone-7系列手機(jī)。典型的手機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)演進(jìn)過(guò)程如圖1所示。
除了封裝技術(shù)，PCB生產(chǎn)技術(shù)也發(fā)生了較大的變化。目前微孔加工主要還是采用CO2激光，但其存在明顯的缺陷，就是在加工每一個(gè)孔的過(guò)程中產(chǎn)生明顯的熱影響區(qū)域，這種情況直接影響微孔的最小間距、孔徑/孔型能力及品質(zhì)。典型CO2激光加工存在的挑戰(zhàn)如圖2所示。圖2 CO2激光加工缺陷不利于微小孔及未來(lái)材料加工需求為解決CO2激光的熱效應(yīng)問(wèn)題，激光器制造商著手研發(fā)新型超短脈沖激光，嘗試替代現(xiàn)有的納秒脈沖系統(tǒng)。理論上，典型的激光光學(xué)系統(tǒng)特性如圖3所示。圖3 高峰值功率、加工時(shí)間短、更好的材料兼容性等優(yōu)點(diǎn)有利于微小尺寸及窄邊距孔的加工新型的激光不但有利于微孔加工，也將熱效應(yīng)區(qū)域降低了很多，因此可以加工更小間距的孔，且在高頻材料加工時(shí)改善光的吸收率，最終可以獲得更好的微孔質(zhì)量，降低表面爆漿、毛邊的問(wèn)題；在面對(duì)微孔、薄銅結(jié)構(gòu)加工時(shí)，微孔的懸銅、銅皮剝離、樹(shù)脂裂開(kāi)、孔底側(cè)蝕的問(wèn)題將不復(fù)存在。當(dāng)新型激光正式進(jìn)入商用階段，HDI板的微孔制作密度和能力將又一次突破。CO2激光加工小孔的一些問(wèn)題細(xì)節(jié)，如圖4所示。圖4 典型CO2激光微小孔加工的問(wèn)題細(xì)節(jié)除了微孔進(jìn)一步減小面臨的激光加工問(wèn)題以外，孔金屬化的除膠渣可能成為孔互聯(lián)可靠性的隱患。依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，超短脈沖激光加工的殘膠非常低，且所需的除膠渣負(fù)荷也更低，因此更有利于填孔電鍍；另外低熱影響區(qū)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)小孔間距能力的提升有非常大的改善作用。如圖5所示為高頻材料激光孔結(jié)果的對(duì)比。所有這些優(yōu)點(diǎn)，不但可以以全堆疊孔形成任意層互聯(lián)而節(jié)約空間，也能夠改善散熱與電性的管理，這對(duì)于最終的組裝和產(chǎn)品性能一樣大有裨益。
從典型的BGA線路設(shè)計(jì)可以看到焊盤(pán)尺寸和線路的線寬/間距是相互影響的，是由焊盤(pán)間所需要布局的線路數(shù)決定的。對(duì)于低引腳數(shù)的封裝，可能僅需要在焊盤(pán)間通過(guò)一條線，如果BGA焊盤(pán)節(jié)距為300 μm，搭配直徑150 μm尺寸的焊盤(pán)，則線寬/間距的需求為50/50 μm；而對(duì)于高引腳數(shù)的封裝，則焊盤(pán)間需要通過(guò)兩條線路，對(duì)應(yīng)的線寬/間距要求則縮減至30/30 μm。如果繼續(xù)縮小BGA焊盤(pán)節(jié)距，對(duì)于線路寬度的限制會(huì)進(jìn)一步提升。焊盤(pán)與線路外形的關(guān)系，如圖6所示。圖6 焊盤(pán)節(jié)距與線寬/間距關(guān)系新型激光系統(tǒng)可加工更小的孔，則實(shí)現(xiàn)更小的孔壁間距，這樣一來(lái)可有效縮小BGA的焊盤(pán)尺寸，從而匹配高引腳數(shù)封裝芯片的需求，同時(shí)利于HDI板尺寸的縮減和繞線能力的改善。
高階HDI板的線路需求從40 μm推進(jìn)到30 μm，且縮減的趨勢(shì)延續(xù)，必須切換到半加成法工藝才能實(shí)現(xiàn)。半加成法工藝在IC載板領(lǐng)域被普遍采用，而在HDI板上使用后，其對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品則為類(lèi)載板（SLP）。IC載板運(yùn)用的半加成法（SAP）與類(lèi)載板的帶銅箔半加成法（mSAP）的差異在于加工的板材是否是預(yù)壓超薄銅箔。目前市場(chǎng)通常情況下，成熟的SAP工藝加工的都是ABF薄膜材料，采用全板沉銅工藝，這并不適合現(xiàn)存多數(shù)生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)置；因此就催生了改良型方案，即帶超銅箔的半加成工藝技術(shù)。兩種工藝的具體比較如圖7所示。
帶銅箔半加成法工藝的關(guān)鍵就是使用了載體銅，這有助于銅箔的抗剝離強(qiáng)度穩(wěn)定且加強(qiáng)纖維的支撐；但會(huì)損失一部分更細(xì)線路加工的能力，同時(shí)也會(huì)造成激光直接加工的負(fù)面影響。典型的光亮薄銅面激光直接加工問(wèn)題，可參考圖8所示。未來(lái)高頻板的銅結(jié)合面也將是低棱線狀態(tài)，屆時(shí)CO2激光加工吸收率偏低會(huì)導(dǎo)致殘足問(wèn)題的產(chǎn)生。圖8 低棱線銅箔材料加工銅箔分離、孔角開(kāi)裂、測(cè)蝕等問(wèn)題盡管新型激光已經(jīng)到來(lái)，但現(xiàn)有的CO2激光還會(huì)維持一段時(shí)間的主流地位。為了配合帶銅箔半加成法工藝，可通過(guò)銅面前處理來(lái)提升CO2激光的吸收率，并可改善孔型；但當(dāng)載體銅厚度低于3 μm，如何進(jìn)行氧化層清除，維持后續(xù)除膠、電鍍等處理的穩(wěn)定性都將面臨挑戰(zhàn)。特殊情況下，生產(chǎn)企業(yè)根本沒(méi)有空間做氧化處理，而是挑戰(zhàn)在亮面銅上做微孔加工。
激光加工新的解決方案，其挑戰(zhàn)主要聚焦在五個(gè)方面：孔徑、孔形、損傷、殘膠和成本。有時(shí)候?qū)τ谛屡f方案成本的比較存在不公平和不合理因素，比如老技術(shù)有時(shí)根本沒(méi)有應(yīng)對(duì)新需求的能力；但是從設(shè)備使用者的角度來(lái)看，新技術(shù)的引進(jìn)都是基于比老技術(shù)要更好或者相當(dāng)?shù)脑u(píng)估策略。因此部分設(shè)備制造商發(fā)出不平之鳴，但無(wú)論怎樣都還是以遵從買(mǎi)方的原則來(lái)處理。高能量密度和短脈沖可降低熱影響區(qū)域，并具有更高的加工性能，但高能量密度可能會(huì)損傷激光光學(xué)組件，因此這對(duì)微孔加工第一階段的研究制造了一些限制，故先設(shè)定目標(biāo)孔孔為30 μm-50 μm。研究團(tuán)隊(duì)采用25 μm-30 μm厚度的介電材料進(jìn)行試驗(yàn)加工，所得結(jié)果如圖9所示。試驗(yàn)中測(cè)試了CO2、UV、皮秒綠光、皮秒U(xiǎn)V等多種可取得的激光，之后因?yàn)榈谝浑A段確認(rèn)皮秒綠光可用沖孔模式作業(yè)而直接排除了皮秒U(xiǎn)V作為研究對(duì)象，最后得到三組結(jié)果。圖9 30-40μm孔不同激光加工結(jié)果對(duì)比接著調(diào)整了介電材料的厚度，再次進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果顯示，孔的厚徑比對(duì)于皮秒加工的表現(xiàn)有明顯影響，特別是在孔徑為30 μm的微小孔，測(cè)試結(jié)果如圖10所示。對(duì)此分析原因是源自于小孔聚焦景深淺，造成介電層的厚度對(duì)極微小孔的影響變得明顯。圖10 厚度15-20μm介電材料不同激光加工對(duì)比研究團(tuán)隊(duì)對(duì)皮秒激光的孔密度加工能力產(chǎn)生好奇，畢竟CO2激光由于其嚴(yán)重的熱效應(yīng)，加工過(guò)程中很難做到維持孔壁損傷不嚴(yán)重；為此設(shè)計(jì)了數(shù)組圖形進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)皮秒激光加工熱效應(yīng)影響較低，可以在超高孔密度下進(jìn)行加工，且沒(méi)有任何材料損傷，這種特性可以延伸到提升散熱效能的應(yīng)用。其結(jié)果如圖11所示。通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以證實(shí)，皮秒激光加工可以實(shí)現(xiàn)微小孔、零懸垂、高孔密度、無(wú)殘膠、無(wú)噴濺、亮面銅加工、無(wú)剝離、低粗糙度處理無(wú)側(cè)蝕等特性。不過(guò)天下沒(méi)有免費(fèi)的午餐，如何提升效率、擴(kuò)大微孔的可加工范圍仍是我們期待解決的方向。
為滿足類(lèi)載板（SLP）線寬/間距小于30 μm/30 μm 線路加工的帶銅箔半加成法工藝（mSAP）的需求，專(zhuān)用加工設(shè)備和材料都需要重新調(diào)整。高速和高帶寬將是平行存在的兩個(gè)必要項(xiàng)，新型HDI板要求采用低介電常數(shù)、低介質(zhì)損耗的材料、微小孔和極佳的質(zhì)量（少量或者無(wú)殘膠）、更小的孔邊距等。帶銅箔半加成工藝（mSAP）將是針對(duì)含玻纖材料加工的長(zhǎng)效解決方案，而高頻材料的低棱線銅箔與樹(shù)脂的結(jié)合力較弱，超短脈沖激光的低熱效應(yīng)加工則是極佳的解決方案。如果超短脈沖激光加工能夠覆蓋鉆孔范圍到70 μm，將成為所有高階HDI產(chǎn)品加工的首選。
研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)努力開(kāi)發(fā)更廣的超短脈沖激光技術(shù)的應(yīng)用，特別是滿足較大孔徑的加工。我們看到了超短脈沖激光的潛力和發(fā)展曙光，有信心克服瓶頸，進(jìn)入略大孔的加工范疇。看上去這有點(diǎn)違反HDI板的發(fā)展趨勢(shì)，但一旦成功，行業(yè)將出現(xiàn)更好微孔質(zhì)量的加工設(shè)備，且免除相關(guān)企業(yè)兩端投資，以節(jié)約資本。
本文作者：
林定皓, 張喬政, 張謙為,臺(tái)灣桃園市新屋區(qū)中華路1245號(hào)景碩科技股份有限公司研發(fā)中心；
呂洪杰, 翟學(xué)濤, 楊朝輝廣東深圳市南山區(qū)深南大道9988號(hào)大族科技中心大廈20樓
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