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高密度互连HDI向 mSAP演变

十月 16, 2018 | I-Connect007
高密度互连HDI向 mSAP演变

HDI PCB的发展

自20世纪90年代早期到中期以来,HDI PCB经历了几次变化,现在可以说是进入了第三个发展期。 早期的HDI板基于减成法或印刷蚀刻工艺,利用传统的板芯和顺序层压步骤可生产线宽/线距约为60μm的高端电路板。最重要的是,依靠微通孔来达到当时用其他技术很难实现的高密度互连特性。

随着PCB制造商不断改进工艺,HDI电路板性能也得到了改善;随着智能手机的发展,21世纪初,第二代HDI应运而生。在保留激光钻微通孔的同时,堆叠的通孔开始取代交错的导通孔,并结合“任意层”构建技术,HDI板最终的线宽/线距达到了40μm。

这种任意层的方法仍然基于减成法工艺,而且可以肯定的是,对于移动电子产品来说,大多数高端HDI仍然采用这种技术。然而,在2017年,HDI开始迈入新的发展阶段,开始从减成法工艺转向基于图形电镀的工艺。

半加成法(SAP)采用图形电镀工艺,可使电路特征<15μm,主要为应对封装载板尺寸要求。 然而,半加成法(mSAP)和改良型半加成法(amSAP)是经过修改和高级修改后的版本,现在有望成为下一代HDI PCB主要采用的工艺。

 

市场发展趋势及驱动力

手机设计

通常情况下,改进PCB技术的驱动力通常来自市场,对于HDI板,移动手机设计端的要求完全改变了其技术工艺。

图1:智能手机的演变(资料来源:iFixit、TechInsights、Teardown.com、IHS、Prismark Partners)

通过图1,我们观察到手机的发展演变,表现出有趣的结果:

· 手机厚度逐渐下降,目前为7~8毫米

· 手机面积增加,目前通常为90 cm2 ~100 cm2

· 电池尺寸通常随整体手机尺寸成比例增加

· 主PCB面积从约25 cm2下降到15 cm2~20 cm2

· PCB层数一直保持不变,约为 10层

· PCB复杂性增加,线宽/线距从60μm降至约 30μm

因此,为了实现现代手机设计,同时为所有装入手机的其他部分留出足够的空间,HDI必须变得更薄、更小、更复杂!

 

芯片封装

PCB厚度和面积需求的变化归因于手机的结构设计,这无疑会增加PCB的复杂性,但大部分额外的复杂性要追溯到芯片封装的需求。而且,由于许多元器件现在被封装在一些面阵列形式中,所以我们需要考虑焊料球的数量、直径和节距。

简单来说,芯片比以前更加复杂,不管芯片是否封装,这通常意味着它们具有比过去更多的I/O。为了推动I/O数的增加,并且仍然最小化封装占用面积,一个总的发展趋势是减小焊料球直径和焊料球之间的节距。与此同时,I/O数的增加也意味着需要更多的布线来扇出那些I/O,通常可以通过更细的走线来实现,前提是遵循以上概述的面积和层数限制。

图1显示了最近的手机设计对最小线宽/线距的要求从前几代的50μm降至了目前的30μm。采用全减成法PCB工艺无法达到这一要求,因为蚀刻期间出现的问题是不可接受的,因此需要采用加成法工艺的一种变体,而这种工艺反过来又需要对PCB生产工艺进行全面审查。

缩小线宽/线距的最新驱动力与2016年iPhone 7的发布有关。由于iPhone 7,Apple选择放弃基于应用处理器(AP)封装的载板,选择台积电新的InFO(集成扇出)封装。

对于InFO,典型的IC载板被直接沉积在芯片和封装模具表面上的精细特征再分布层(RDL)取代。这些封装类型集中分组为扇出晶圆级封装(FO-WLP),不仅可以减小厚度,还可以在RDL中应用低于5μm的线宽/线距,从而显著增加I/O数量,并且随着焊盘节距的减小,可以在不增加占用面积的前提下实现。更重要的是,所有这些都是在最大化电气和热性能的同时实现的,这在现代智能手机设计中显得至关重要。

图2:基于载板的AP封装(左);使用台积电InFO的无载板AP封装(右) (来源:左图为Prismark Partners;右图为Atotech)

 

PCB技术发展趋势

除了封装,PCB生产还有许多其他发展趋势,所有这些都关乎制造的关键工艺,并将影响HDI设计的发展。

使用已建立的成套工具,今天大多数的微通孔都是由二氧化碳激光器形成的。 该工艺的一个缺点是会在载板内产生大量的热量,这将导致在每个钻孔位置形成热影响区(HAZ),因此会影响最小导通孔节距、尺寸,以及质量。 

图3:激光脉冲持续时间对HAZ的影响 (来源:IPG Photonics)

为了解决这个问题,激光器制造商正在开发具有超短脉冲(USP)激光器的新工具,该工具用皮秒或飞秒脉冲代替现有的纳秒脉冲。 这种激光系统可以形成更小的导通孔,同时更小的HAZ产生,这意味着可以大大减小微通孔节距,并且随着激光吸收的改善,导通孔获得更好的质量,具有更少的表面碎片或“飞溅”。 随着这些激光系统的出现,微通孔密度的性能将提升至另一高度,从而实现HDI性能的大幅提升。

图4:用纳秒激光(l)和USP激光(r)形成的典型微通孔(来源:Orbotech)

形成微通孔后,下一个问题就是电镀。虽然导通孔没有显著的厚径比变化,通常保持在0.7~0.8,但它们的尺寸不断减小,这对电镀来说是一种挑战。一个重要的发展是能够用铜完全填充导通孔,这使得导通孔能够直接相互堆叠。这一点影响很大,堆叠导通孔是HDI设计的组成部分,因为它们可以节省空间,特别是与交错导通孔相比,改进了热和电气管理,其上佳的表面平整度也有助于最终的组装良率。

最近的一项电镀新进展是通孔填充(THF)工艺的发布。实芯铜柱将改善热关键区域的导热性,从而改善冷却效果,并且因为仍然可能使用焊盘内导通孔,THF还可支持增加的I/O密度。

 

图5:堆叠的导通孔和通孔填充

 

BGA设计规则

在许多情况下,项目的关键设计参数通常与该设计中的其他方面相关联, HDI PCB也不例外。在这种情况下,其控制因素是BGA的焊盘尺寸和节距。

通过表1我们可以看出焊盘尺寸与可能的走线宽度之间的关系,具体取决于焊盘之间通过的走线数量。对于“简单”或低I/O数的封装(图6a),我们只需要在BGA焊盘之间布一条走线,很明显最大走线宽度是焊盘之间可用空间的1/3。在给出的实例中,焊盘节距300mm,焊盘直径为150mm,因此建议的线宽和线距要求为50mm。

表1:指定焊盘尺寸所要求的线宽/线距

 

图6:走线对尺寸的影响(来源:Altera)

如果我们现在使用一个更复杂的封装,其更多的I/O数要求在同样的焊盘节距内布两条走线,那么推荐的线宽/线距就会下降至30µm,并且很明显,随着焊盘节距的减小,将进一步限制线宽和线距。

总的来说,新激光工具的可用性将允许更小的微通孔更密地排列在一起。这将有助于采用更小的BGA焊盘,与更多的 I/O数器件相结合,减小线宽/线距的需求,这将推动HDI路线图(图7)的发展,并继续从现有的每层生产布线转变为半加成法工艺。

图7:HDI路线图中的关键因素(资料来源:IPC、JISSO、AtoTeCo、客户群)

 

ELIC、任意层和半加成法

目前大多数HDI PCB使用减成法ELIC(每层互连)或任意层技术进行生产。 一般流程如图8所示。

图8:ELIC工艺流程的通用示意图

高端HDI PCB需要线宽/线距从40 mm下降到30 mm,而目前的电镀工艺无法实现这一目标,因此需要转换到半加成法工艺。由于这些工艺在IC载板生产中很常见,因此HDI板被称为类载板的PCB(SLP)。

图9显示了基于半加成法(mSAP)工艺的SLP生产通用工艺。

 

图9:基于mSAP的类载板工艺的概要示意图

 

工艺挑战

很显然,半加成法(mSAP)工艺与传统的PCB生产路线有相同的步骤,因此原则上,更新和扩展现有设施使从减成法生产到半加成法(mSAP)生产的转变显得相当简单。然而,由于涉及许多变化,这种观点通常是错误的,从最近正进入类载板供应链的公司已经证明了这一点。必须为半加成法(mSAP)工艺量身定制的新设备和流程,同时在进行投资时充分考虑半加成法(mSAP)工艺的预期生命周期问题。幸运的是,这些可以修改为改良型半加成法(amSAP),该方法可以实现>20 mm 的线宽/线距,并且只需要有限的进一步投资。

 

表2:    PCB生产工艺要点对比

表2显示了可用技术的简单对比,包括其性能和主要差异。

对于那些希望进入类载板供应链并开始提供电路板的公司,存在许多需要克服的挑战,其中有些可通过投资得以解决,而其他挑战只能通过与经验丰富的供应商合作来解决。

改进的激光钻孔

虽然新一代激光钻孔机还未出现,目前的二氧化碳设备仍是微通孔加工的主力。 为了满足半加成法(mSAP)中铜箔厚度的降低,可以用化学工艺预处理铜表面,以最大化二氧化碳激光吸收并改善孔形状,同时确保后续电镀操作的最佳条件。

优化的PTH

微通孔中可靠的PTH覆盖不仅对半加成法(mSAP)生产至关重要,而且导通孔尺寸的预期减小以及介电材料范围的扩大意味着化学镀铜工艺也需要审查。结合优化预处理系统的稳定活化系统将需要与高分散力化学镀铜槽一起合作,以确保无论是在垂直方向或更常见的水平方向的导通孔覆盖。

图形电镀铜

填充导通孔,即全通孔或堆叠微通孔对于手机用PCB设计是必不可少的。然而,对于类载板,导通孔填充必须与细走线图形电镀和极佳的表面均匀性一起实现,所有这些都需在可接受的电镀时间内完成。

细走线形成

小于30μm的走线须采用精细线路成像工艺,这对于减成法工艺来说并不常见。低蚀刻表面处理辅助干膜附着,需要新型抗蚀剂和剥离剂以确保没有干膜残留物,而受控的蚀刻工艺必须能够形成最终的图形而不会有过蚀或线宽损失。

改进层粘接

在更精细的图形、更高的布线密度和更高的运行频率的推动下,SLP工艺必须尽可能最小化铜残,尽可能通过低表面粗糙度来最大化信号完整性。

高分辨率表面涂层

由于SLP具有更精细的特征,最后的表面涂层也必须确保兼容性,在大多数情况下这意味着没有额外的镀层(镍脚)。这与增强的抗腐蚀性和可控的金厚度相结合,使得新一代的ENIG化学品成为高端PCB应用的首选。

总结

随着越来越多的移动设备设计师希望利用FOWLP和其他直接连接封装类型的优势,新一代HDI PCB已经在市场上出现。这些类载板PCB采用最新的高端制造工艺和材料,基于半加成法(mSAP)技术,可使线宽/线距小于30μm,来实现高端HDI的新一代变革。

化学药水和原材料供应商正在重新调整封装行业的工艺和产品,以适应新SLP领域的要求,而潜在的SLP生产商正在审查他们现有的工艺并决定是否投资。由于一些人将不可避免地反对投资,未来的SLP供应链中参与者数量是否有限?是否会存在风险?只有时间才能告诉我们答案。面对高端HDI市场再次来临的新挑战,有一点是可以肯定的——我们会奋起迎接挑战。

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标签:
#制造工艺与管理  #加成法  #mSAP 

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