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PCB加成法设计:相同的工序,不同的顺序

七月 28, 2022 | I-Connect007
PCB加成法设计:相同的工序,不同的顺序

最近I-Connect007编辑团队采访了Winonics公司首席执行官Dave Torp,探讨了该公司的加成法及半加成法工艺,以及如果PCB设计师正在考虑采用这些新工艺设计,需要了解的基本知识。正如Dave所阐释的,加成法设计与传统设计没有太大区别,只是设计周期的工序不同,因此加成法设计师必须与其制造商沟通,因为许多新工艺仍然是专有的。

 

Andy ShaughnessyDave,能否介绍Winonics的概况,以及您对加成法及半加成法工艺的观点?

 

Dave TorpAdditive Circuits Technologies公司是Winonics的母公司,下属两家公司:一家是Winonics,主要生刚性电路板;另一家名为Bench 2 Bench,主要生产挠性电路板。Winonics在加利福尼亚州Brea的工厂,占地面积达52000平方英尺,已通过ISO-9001、AS 9100和ITAR认证。Bench 2 Bench在距离Fullerton约10分钟车程的地方,拥有一家占地25000平方英尺的工厂。

从整体来看,Winonics的业务重点是高可靠性电子产品,如航空航天、国防及医疗电子设备领域。我们的竞争优势是提供优质服务,对公司业务范围没有太多限制。简单地说,我们是一家有技术实力的公司。

我们拥有通过加成法工艺实现电路和金属化的工艺专利。加成法技术可实现超精细特征和超高分辨率,可支撑超高密度结构的金属化,因而可实现高密度互连。我们已经证明这项技术可实现15微米的线宽及线距,这是激光技术所能达到的极限。

随着LDI技术的高速发展,我们将有能力继续开拓这项技术。因此,希望到2023年能够实现8微米以下的线宽及线距。

这项技术的真正驱动力是小型化及产品对更高速度的需求。如果要实现通信所需的一些频率,就会进入5G+的思维模式。电路板层数没有增加,但这些层之间的互连数量正在增加。相互连接的各层以及微通孔相互堆叠和支撑的方式很有趣。有的要叠在一起,有的则会根据想要实现的信号完整性交错分布导通孔。

关于加成法,半加成法技术是相对新的工艺。在很多情况下,可以使用超薄的铜箔,或者使用涂布在基板上的镀层。用感光材料涂布基板,蚀刻去除铜的超薄部分,然后开始电镀。这是半加成工艺。

全加成法工艺是最新的技术,在不使用铜箔的情况下,使用钯或铂基化学药水在基板上印制所需的图形,并用激光或紫外线曝光,然后沉积化学镀铜,接着再电解电镀。

全加成法能够实现15微米以下的超精细走线。我们对这些商机感到兴奋,尤其是可将其用于中间层,使用混合中介层而将这种异构集成封装连接起来。

 

Barry Matties我很想了解设计师所要面临的挑战。你们提供设计服务,还是在与设计师合作,帮助他们了解如何为加成法及半加成法工艺有效设计?

 

Torp我们与设计师合作。经过实践检验的设计技术均基于减成法,而加成法的设计法则略有不同,操作顺序和构建结构的方式不同。如果想盖一座房子,是用物料堆叠搭建,还是从树中凿出一座房子?减成法更像是后者。

而加成法工艺是从下到上构建PCB,就如何将层组合在一起,需要略微不同的方法。我们与设计师合作,许多军用和航空航天企业都在寻求越来越精细的特征,而在美国,这类特征越来越难以实现。很少有PCB制造商能够通过加成法工艺实现。

 

ShaughnessyDave,可否更详细地说明加成法工艺?其设计过程还有什么不同?

 

Torp在某些方面是不同的。如果熟悉传统的层压板结构,会发现超薄铜箔的一面需要一定的粗糙度,才能将箔层压到基板上,无论是FR-4还是BT或PTFE基基板。我们正在使用的技术,是一种涂布于基材或半固化片的化学药水,可与表面轮廓吻合,所以比起这些超薄铜箔,结合效果更好。

加成法制造的电路能够与基板每个角落及缝隙吻合。最终,在所有的基板层上都有非常好的附着力,尤其是多层板的外层,需要非常大的附着强度。内层是层压在一起的,通过小的附着力即可解决问题,但在那些外层上,必须具有良好的剥离强度、剪切强度以及与基板的连接强度。

然后是在层之间形成微通孔的方法,通常情况下,基板是一层一层积沉的。要经历电镀导通孔和所使用的相同电镀技术,但是使导通孔与面环接触的操作顺序有点棘手,与人们习惯的方法有点不同。但我们已经做了可靠性测试,把组件送到实验室进行耐热循环测试,测试性能结果很好。

我相信大家都很熟悉,这种测试是要剖切微通孔成片。在经历-55~205°C的热循环后,没有太多问题。我们有一些国防电子相关的客户对这项技术非常感兴趣,尤其是那些通常很难坚持使用PTFE基层压板材料的客户。简而言之,这就是加成法工艺不同之处。

 

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Shaughnessy对于设计师来说,听起来有很多不同的工序。

 

Torp工序的顺序有点不同,是从内向外,而不是从外向内构建PCB。我们的网站对加成法工艺略做了介绍,但它是非常专有的工艺,未详细介绍。许多客户都对产品严格保密,因此很难介绍如何完成加成法工艺的详细信息。通常,我们与设计师一对一合作。他们在阻抗和信噪比方面有要求,对终端功能需要具备的一切有想法。我们一起研究能够实现的目标,对加成法工艺有什么特殊需求?我们会邀请设计师与我们合作。

我们制作样品,再做耐热循环测试和环境应力测试。他们说:“哇,这是非常有趣的工艺。我们没有像你们这样仔细思考。”这是另一种类型的工艺。通常情况下,这是人们努力通过材料组合所实现的,低Dk、高频材料组合是客户最感兴趣的,尤其是国防电子客户。

 

Matties当你说加成法是专有工艺时,是指设计过程吗?

 

Torp是指制造过程。该工艺的顺序和过去习惯的工艺顺序略微不同,但使用的材料仍是惯用的。从可靠性的角度来看,有相似的结果;只是操作顺序不同。仍然在使用同样的化学镀铜和电解铜,但是连接方式和顺序不同。

 

Matties那么,如果传统的PCB设计师想学习如何进行加成法设计,他们与制造电路板的制造商沟通是否重要?

 

Torp是的,非常需要和PCB的制造商沟通。这就是实际情况,需要沟通产品的实现方式。全球并没有太多的PCB制造商在采用加成法工艺,而且都严格保密。

 

Matties你认为加成法及半加成法工艺的市场在增长吗?

 

Torp是的,它们是非常大的市场增长领域,因为PCB的复杂性和连接数量正在增加,尤其是具有激光钻微通孔的PCB。

 

Matties设计师应该何时考虑采用加成法工艺?做出这个决策的触发点是什么?

 

Torp我认为线宽及线距是触发因素。一旦线宽及线距低于1密耳或25微米时,就会看到人们越来越希望探索加成法工艺,而不是试图采用半加法工艺。归根结底,能够控制工艺中的电镀,尤其是对准线宽及线距低于25微米时非常难实现对准。

此时设计师必须讲明他们的要求,尤其是信噪比阻抗。介质越来越像玻璃,很难达到HF、RF设备运行的工作频率,而这正是加成法工艺的用武之地。

这是严苛的环境所导致的。高速数字产品没有高频产品要求那么高。我知道Happy可以解释这一点。高频工程师具有丰富的知识。

 

Happy Holden你们在平衡介质损耗和铜损耗以及它们产生的电场。随着产品越来越小,有了活跃的电场,一切都变得无限复杂。

 

Torp是的,高速数字技术比高频技术要容易一点。我最近参加了IMAPS器件封装研讨会,器件的线宽、线距都在减小,正向玻璃中介层发展。他们讨论的主题是如何在玻璃上达到2微米的线宽、线距,这是极具挑战性的技术。对于这项技术,重点不在于经济效益,而在于向前沿技术迈进,取决于想距离目标多近。

 

Matties现在,设计师们正在进行加成法设计,应该考虑选择哪些材料或考虑什么因素?这方面有什么不同?

 

Torp我们正在研究很多高频材料,努力保持不依赖覆铜板供应商。有更多温度更高、频率更高的材料:PTFE和陶瓷填充型材料。然后,我们还对FR-4传统环氧树脂材料进行了大量的研究。

开始探究一系列聚酰亚胺材料,各有各的问题,如会略微移动、更具吸湿性,会产生一些必须补偿的尺寸问题。这是在材料选择时需要考虑的重要因素。

在我们对工艺进行标准化之前,加成法还会有很多问题;标准都是事后解决问题的方法。

 

Shaughnessy目前是否有加成法工艺或半加成法工艺的IPC标准?

 

Torp有标准委员会正在线上开展标准开发工作。最近成立了超高分辨率委员会。烧结材料委员会刚刚完成了其第一份标准的发布,他们正在寻找可实现基板金属化的替代材料,正在研究许多纳米烧结材料和铜基材料,以实现铜与铜的互连。

此外,还有专门研究纺织品和替代基板的委员会,因为人们试图将其应用于多种材料上。IPC确实有不少新的标准委员会致力开发加成法工艺标准;其中大部分都是围绕行业的导电油墨展开工作。

 

Shaughnessy你能用常规的场解算器来模拟加成法及半加成法工艺设计吗?

 

Torp是的。我们已经聘请了一些设计师帮助我们模拟信号衰减。这不一定是我们的核心竞争力,但我们确实有一些非常擅长建模的人,他们帮助设计师对电路进行建模。

 

由于篇幅原因,本文节选刊登,更多内容可点击这里查看,文章发表于《PCB007中国线上杂志》22年7月号,更多精彩原创内容,欢迎关注“PCB007中文线上杂志”公众号。

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