HDI多層板走過二十年（2）——對二十年來HDI多層板及其基板材料技術(shù)創(chuàng)新的評析

祝大同

（中國電子材料行業(yè)協(xié)會經(jīng)濟技術(shù)管理部，北京 100028）

（接上期）

3 實現(xiàn)HDI多層板工藝技術(shù)發(fā)展的四大方面

二十年來HDI多層板在PCB制造技術(shù)上都有哪些創(chuàng)新、發(fā)展？日本PCB專家近期發(fā)表的文獻[1]，對此做了高度的歸納總結(jié)為四個方面，即HDI多層板用基板材料技術(shù)、微孔加工技術(shù)、實現(xiàn)電路層之間連接的電鍍技術(shù)、電路圖形的形成技術(shù)等。以下，對此文獻所提及的四個方面技術(shù)發(fā)展內(nèi)容，一一加以介紹（即全部引自該文獻）。

3.1 HDI多層板用基板材料技術(shù)

二十年來，HDI多層板的四大核心工藝技術(shù)發(fā)展之首，是它所用的基板材料技術(shù)。它的發(fā)展為HDI多層板的工藝、結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新提供了先決條件。

該文獻[1]提出: HDI多層板用基板材料，最早是在感光法形成微孔的工藝技術(shù)[即以SLC工藝法為典型代表的技術(shù)]中出現(xiàn)。它是利用感光樹脂材料形成HDI多層板的絕緣層，并經(jīng)過對此絕緣層的曝光、顯影，一次性完成所需的微孔的加工。再通過對孔的電鍍加工，實現(xiàn)電路層間的電氣連接。另外，在HDI多層板初期發(fā)展階段，由于開發(fā)出CO2激光鉆孔設(shè)備及附樹脂銅箔（RCC），使得形成HDI多層板的薄型絕緣層和微孔就變?yōu)楹啽?。隨著HDI多層板用基板材料制造技術(shù)的深入發(fā)展，出現(xiàn)了薄型玻纖布制成的環(huán)氧-玻纖布基薄型半固化片。這類基材由于在剛性（機械強度）上獲得改善，使得HDI多層板的絕緣可靠性及導(dǎo)通孔連接可靠性都得到了很大提高，這也使得能容易些的制出HDI多層板。

3.2 微孔加工技術(shù)

CO2激光鉆孔技術(shù)是HDI多層板發(fā)展中的重大支撐技術(shù)之一。該文獻[1]提出：HDI多層板微孔形成，所采用的加工技術(shù)主流是CO2激光鉆孔技術(shù)。它在HDI多層板微孔加工初期應(yīng)用中，面臨著需要解決提高生產(chǎn)性的課題。經(jīng)過幾年的努力，CO2激光鉆孔方式在生產(chǎn)效率上的大幅提高，而幾乎同時登上HDI多層板微孔加工應(yīng)用舞臺的UV-YAG激光鉆孔方式，變得有所遜色。UV-YAG激光機目前仍在HDI多層板微孔加工中仍有一席之地。這是因為它具有著可加工HDI多層板中更微小孔徑的特點。例如，在制作IC封裝用HDI多層板（IC封裝基板）中，需要在其絕緣層上進行50 μm以下的微孔形成加工，選用的鉆孔設(shè)備就以UV-YAG激光鉆孔設(shè)備為佳。

3.3 電路層間連接的電鍍技術(shù)

該文獻[1]提出：在HDI多層板技術(shù)發(fā)展中，隨著機械鉆孔加工技術(shù)發(fā)展，加工貫通孔的小孔徑化得以實現(xiàn)，使得開發(fā)、掌握高板厚/孔徑比導(dǎo)通孔電鍍技術(shù)（一般習(xí)慣地稱為“深孔鍍”技術(shù)）成為越來越必要的課題。微小孔的深孔鍍除需要采用高分散能力的鍍液外，還要在電鍍設(shè)備上實現(xiàn)孔內(nèi)鍍液的暢通交換，以達到整個孔壁鍍層的均勻性。以實現(xiàn)電路層間連接為目的的電鍍技術(shù)，在HDI多層板制造運用中得到了跨躍性的進步。它由原來只對傳統(tǒng)多層板的貫通孔進行電鍍連接，發(fā)展到對非貫通微小孔徑（例如盲、埋孔等）的微孔進行鍍銅連接。隨著這項技術(shù)的不斷進步，還涌現(xiàn)出HDI多層板微孔、深孔設(shè)計自由度的增加、連接可靠性提高的新成果。

為了提高鍍銅孔的高度連接可靠性，創(chuàng)造出了“孔上孔”，疊加孔的新結(jié)構(gòu)。這種用于電路層互連的微孔，在提高電路圖形高密度方面發(fā)揮出了十分關(guān)鍵的作用。提高利用電鍍實現(xiàn)連接電路層間的連接可靠性，與提高微細(xì)電路的形成性，實際上在入手點上總存在有相互沖突（日文中稱為“兩立”）的問題。如何更恰到好處的解決這一對矛盾，使這兩個重要性得到雙雙提高——這始終是HDI多層板電鍍工藝技術(shù)方面中的所要不斷研究的課題。

3.4 高密度電路圖形的形成技術(shù)

該文獻[1]提出：高密度電路圖形的形成技術(shù)也是HDI多層板工藝中的一項重要組成部分。正是由于它突破了傳統(tǒng)的形成電路圖形的工藝方式，才獲得了HDI多層板技術(shù)上的進步，才實現(xiàn)了微細(xì)線路的制作。

HDI多層板的曝光成像技術(shù)向傳統(tǒng)工藝發(fā)起挑戰(zhàn)，引發(fā)了一場技術(shù)革命。這方面的技術(shù)創(chuàng)新，其核心是激光直接成像技術(shù)。在傳統(tǒng)成像投影式曝光及逐次移動式曝光的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造出直接成像（無掩膜的）的設(shè)備與工藝，其中利用干膜的激光直接成像技術(shù)（Laser Direct Image，LDI）成為最典型代表。激光直接成像替代了傳統(tǒng)PCB生產(chǎn)中圖像轉(zhuǎn)移的方式，直接利用CAM工作站輸出的數(shù)據(jù)，驅(qū)動激光成像裝置，在涂覆有光致抗蝕劑的PCB上進行圖形成像。這項技術(shù)所要解決的關(guān)鍵問題，是開發(fā)在感度波長領(lǐng)域中的光源波長（光束調(diào)節(jié)），以及達到適應(yīng)電路微細(xì)化、高感度化和生產(chǎn)效率的提高。

在高密度電路圖形工藝技術(shù)進步方面，還表現(xiàn)在加成法及半加成法在HDI多層板中得到更為廣泛的采用。這項技術(shù)的發(fā)展，是建立在其配套設(shè)備制造技術(shù)進步之上。例如，在攜帶型電子產(chǎn)品中所用的IC封裝基板等的電路形成加工中，為配合使用的加成工藝的成功實施，開發(fā)出在蝕刻設(shè)備中采用噴霧式藥液噴射的方式。而近年真空方式的蝕刻設(shè)備也開始在工業(yè)化生產(chǎn)HDI多層板中得到采用。這些新型的蝕刻設(shè)備及工藝法，對應(yīng)于微細(xì)化電路的形成，改善、提高了蝕刻加工的精度。

具有高密度互聯(lián)特點的IC封裝基板，它的超微細(xì)線路形成是一項系統(tǒng)工程。在其加工過程中的清潔化工作，許多PCB企業(yè)取得新進展。涌現(xiàn)出在基板運送方式及非接觸驅(qū)動等方面的很多創(chuàng)新成果。在半加成法工藝制造HDI多層板電路圖形方面，其可制作微細(xì)程度已經(jīng)達到了電路線寬與線間距（L/S）為10 μm/10 μm以下。由此也推進了清潔化方面的設(shè)備與工藝技術(shù)上的進步，以及促進了更嚴(yán)格的管理模式的建立。

在IC封裝基板的超微細(xì)線路形成上，還需要解決由于干膜的形狀不良所引起的線路剝離、絕緣不良等質(zhì)量問題。近期在PCB業(yè)界中已發(fā)表了在微細(xì)電路所接觸的絕緣樹脂層一側(cè)的表面，進行粗化處理或者先形成“種底層”的研究成果。以此去克服上述出現(xiàn)的質(zhì)量問題，形成高品質(zhì)的超微細(xì)電路。運用這些新發(fā)明的電路形成技術(shù)，有望在不久的將來，會有更加超微細(xì)的電路圖形（L/S = 5 μm/5 μm）成功地制作出來。

4 從手機用PCB技術(shù)變遷，看HDI多層板技術(shù)的發(fā)展

在世界電子產(chǎn)品發(fā)展歷程中，1989年是一個發(fā)生重要變革的一年。就在這一年中，日本電器市場上同時首次亮相了三種“標(biāo)新立異”的、第一代攜帶型電子產(chǎn)品。它們是：手持?jǐn)z像機VTR（索尼公司產(chǎn)“CCD-TR55”）、筆記本電腦（東芝公司產(chǎn)“DynoBook SS001”）、手機（摩托羅拉公司產(chǎn)“Micro Tac”）。 這三類新問世的攜帶型電子產(chǎn)品在技術(shù)發(fā)展上有著一個共同的特點，即不斷追求產(chǎn)品的“薄、輕、小型化”和“高速化”。為此，它們對所用PCB也不斷提出“更薄”（基板厚度薄型）、“更密”（布線高密度）、“更快”（信號傳送快速）的性能要求。不斷推陳出新的攜帶型電子產(chǎn)品，不僅催生了HDI多層板的橫空出世，而且始終扮演著驅(qū)動 HDI多層板技術(shù)向更高階發(fā)展的“推進器”的角色。

手機是這三大類新型攜帶型電子產(chǎn)品中最具對HDI多層板技術(shù)推進的代表。目前，它所用的主板及IC封裝基板約有90 %以上是采用了HDI多層板。它不僅成為現(xiàn)今在電子產(chǎn)品中HDI多層板用量最大的一類產(chǎn)品，而且在對HDI多層板技術(shù)要求上也很“前衛(wèi)”，代表著HDI多層板最前沿技術(shù)的水平。

本節(jié)通過從剖析手機用HDI多層板的技術(shù)變遷，探討二十年以來HDI多層板技術(shù)發(fā)展，梳理、歸納HDI多層板技術(shù)在不同階段中所表現(xiàn)出的發(fā)展特點、主要提升的技術(shù)層面。

圖4給出了在2004年～2010年期間手機主板采用HDI多層板在其結(jié)構(gòu)、板厚、微孔形式、搭載IC封裝凸點間距、布線密度等方面的變化。

圖4中所示的手機用HDI多層板主流技術(shù)的變遷，在不同時段（以年份為計）有著不同的重點。大致歸納如下：“2階”結(jié)構(gòu)，盲、埋孔的廣泛應(yīng)用（2004年）→ 基板薄型化獲新進展（2005年）→ 利于更高密度布線的疊加孔結(jié)構(gòu)開始采用（2006年）→適應(yīng)0.4 mm端點間距的IC封裝（CSP封裝）搭載，基板更進一步的實現(xiàn)電路微細(xì)化（2007年）→薄型化的高多層HDI板（10層）采用（2008～2009年）→ 開始實現(xiàn)更加薄型化的任意層結(jié)構(gòu)（2010年）。

下面，以圖4所示的發(fā)展為主線，按照年代綜述、分析手機用HDI多層板技術(shù)發(fā)展的情況。

4.1 2004年間

2004年時，手機用HDI多層板以“2+2+2”（積層法層數(shù)-內(nèi)芯板層數(shù)-積層法層數(shù)）、“2+4+2”結(jié)構(gòu)（即簡稱為“2階”結(jié)構(gòu)）為主流。起著電路層（積層法層）間電氣互連的微孔一般為盲、埋孔的形式。板的厚度盡管比一般多層板有很大的減少（手機主板一般采用的6層HDI多層板厚度在此時間段為0.65 μm左右），但仍然是比較厚，其中主要原因是繼續(xù)再減薄其絕緣層可靠性無法保證。當(dāng)時主要需要解決的是絕緣層的可靠性問題。

圖4 2004～2010年期間手機用HDI多層板的技術(shù)發(fā)展

4.2 2005年間

2005年間手機用HDI多層板的技術(shù)進步主要表現(xiàn)基板的薄型化方面。手機功能的多樣化（如強化的攝像、拍照功能；大容量信息存儲）發(fā)展，促進了PCB布線更多、電路更高密度。當(dāng)時市場上對薄形手機需求強烈，也成為驅(qū)動了基板的薄型化發(fā)展動力。例如日本手機制造商NEC公司在2005年間打破了當(dāng)時摩托羅拉公司所創(chuàng)造的世界上“最薄”折疊手機（牌號為“V3”）記錄，它推向市場厚度為11.9 mm的“魔鬼超薄”折疊手機（在中國大陸稱“N9”、在歐洲的牌號為“e949”）。在這款號稱當(dāng)年“世界最薄”的手機中，所用的HDI多層板實現(xiàn)了極薄型。當(dāng)時許多手機主板生產(chǎn)廠商不斷追求基板的更薄、更密。2005年間手機主板厚度，一般是1層平均為0.1 mm厚，即大都為6層為0.6 mm～0.65 mm厚。發(fā)展到2006年，8層厚度只有0.5 mm ～ 0.55 mm的極薄型手機主板開始正式進入市場。

4.3 2006年間

2006年起，手機用HDI多層板在微孔結(jié)構(gòu)上開始普及疊加孔（Stack Via）式新結(jié)構(gòu)。它首先在高檔手機用基板中得到采用，在之后的一、兩年內(nèi)，具有疊加孔結(jié)構(gòu)的HDI板又開始普及到一般手機中。

在手機中，為什么疊加孔結(jié)構(gòu)的HDI多層板如此之快地得到廣泛應(yīng)用？這在于它有利于手機板的更高密度布線，有利于實現(xiàn)更薄型化以及更快的信號傳輸。關(guān)于疊加孔結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，日本著名PCB專家——高木清先生在2001年5月發(fā)表 “BUM技術(shù)發(fā)展”為內(nèi)容的綜述文章中是如此詮釋的：HDI多層板發(fā)展初期所創(chuàng)造的導(dǎo)通孔“雖然在減少導(dǎo)通孔所占的布線空間方面作出貢獻，但由于它們在各個層間是“曲線狀”（指HDI多層板中的盲、埋孔）的互連，因而會造成電氣特性的降低。因此在近幾年來在導(dǎo)通孔的布設(shè)上出現(xiàn)了“直列狀”（指HDI多層板中的疊加孔）的連接的形態(tài)。它是通過激光激光的孔而形成直列連接下一層導(dǎo)通孔的結(jié)構(gòu)。這種導(dǎo)通孔結(jié)構(gòu)，可更好地整合特性阻抗（Z0）。并由于這種疊加孔結(jié)構(gòu)縮短了層間的導(dǎo)通距離，從而可達到了更快的層間信號傳輸。它還可構(gòu)成了同軸電路信號線的配線方式（引自日本著名PCB專家高木清語）”。

疊加微孔技術(shù)，是在微盲孔填銅技術(shù)日益成熟的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它使得“多階盲孔”成為了現(xiàn)實。它使得“產(chǎn)品的硬件工程師的發(fā)揮空間就被極大地拓展開來，硬件工程師幾乎可以“隨心所欲”的布局和走線，更大程度的滿足產(chǎn)品“小、薄、快”的需求。（引自中興通訊股份有限公司許路語）[2]”

HDI多層板疊加微孔結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新是多項PCB新技術(shù)成果的集成。例如它包括了電鍍技術(shù)[例如：周期性反電流工藝法（即PRC工藝）、直流鍍銅新技術(shù)、電鍍液中新型添加劑制造技術(shù)]、在微孔內(nèi)塞孔新技術(shù)、激光微孔加工技術(shù)、新型基板材料技術(shù)等。

在手機中擔(dān)當(dāng)信息處理和控制基本頻帶功能的集成電路——CSP封裝用基板于2006年間在基板薄型化上也出現(xiàn)突出的進展。例如，當(dāng)時日本有的PCB生產(chǎn)企業(yè)開始采用松下電工公司提供的40 μm厚極薄覆銅板（牌號1515B）及其半固化片，制出的這種CSP封裝基板，其絕緣層減少到30 μm ～ 35 μm厚。

4.4 2007年間

手機中實現(xiàn)HDI多層板面積縮小的重要途徑之一，是使CSP封裝更小型化。在減少CSP封裝基板面積的強烈需求下，2006年間世界上IC封裝制造出現(xiàn)了一個技術(shù)上的重大進步——出現(xiàn)了用于手機的0.4 mm端子（凸點）間距的IC封裝（這種CSP封裝是在手機中擔(dān)當(dāng)信息處理和控制基本頻帶功能的LSI）。并于2007年間在手機得到迅速普及[3]，替代了采用了多年來采用0.5 mm端點間距的CSP封裝。搭載這種更窄小端子間距的CSP封裝的手機主板，其導(dǎo)線寬幅及導(dǎo)線間距（L/S）也隨之得到降低（見圖5所示）。

圖5 CSP封裝端子間距縮小與基板L/S尺寸降低的變化關(guān)系

為了迎合0.4 mm端點間距的IC封裝在手機中應(yīng)用的需要，制造手機板的不少大型PCB企業(yè)，在手機用HDI多層板的制造工藝上進行了不斷的創(chuàng)新。在眾多創(chuàng)新成果中以電路層制作由原來的減成法轉(zhuǎn)變?yōu)椴捎冒爰映煞üに嚪ǖ某晒顬橐邸Ｗ?007年起手機用HDI多層板采用半加成法這種工藝轉(zhuǎn)變的步伐加快。

4.5 2008年～2009年間

2008年～2009年由于手機功能不斷擴大，使得它的PCB布線、傳送信號更加復(fù)雜化。在此驅(qū)動下，手機用HDI多層板技術(shù)發(fā)展的主流是更加走向高多層化。當(dāng)時普遍出現(xiàn)了積層法層由原來的2段增加到3段，制成“3-4-3”的結(jié)構(gòu)形式。而在電路層增加的同時，由于采用極薄玻纖布制成的半固化片，而在板的層間距離上（即板厚度）還在繼續(xù)減小。2009年生產(chǎn)的手機，出現(xiàn)了10層多層板只有0.60 mm的板厚“新記錄”。

4.6 2010年間

2010年間，蘋果智能手機iPhone用主板在技術(shù)上的革新，將HDI多層板推向一個新發(fā)展時期，即“任意層HDI多層板時期”。

進入2010年，蘋果智能手機iPhone和蘋果平板電腦iPad同時上市。一顆“蘋果”，給全球攜帶型電子產(chǎn)品市場攪得天翻地覆，注入了全新的概念和活力。僅從iPhone用主板水平剖析就可認(rèn)為：它所用的任意層HDI多層板，就表現(xiàn)出超薄、高密度、高多層（10層）、所搭載元器件布局及基板外形新奇等新特點。它足以作為開啟任意層型HDI多層板（Any-Layer HDI）技術(shù)發(fā)展新時期的重要標(biāo)志。

可以借助國外專業(yè)拆解分析顧問機構(gòu)UBM TechInsights分析師David Carey之語來進一步了解iPhone中HDI多層板在技術(shù)上的新跨越。這位資深專家近期對iPhone4的PCB創(chuàng)新發(fā)出如此的感慨[4]：“我們第一次看到10層手機電路板，是在五年或六年前諾基亞(Nokia)推出的一支筆型手機。我們所看到的每一款智慧型手機都是頂多部分遵循這樣的路線(多層板)，但很少見到達到iPhone 4這種等級的?！彼岢鯷5]：蘋果iPhone 4中由于積極采用3D晶片堆疊，它成為了“主流智慧型手機中將印刷電路板面積做最大化利用的產(chǎn)品之一”。iPhone 4所采用的封裝技術(shù)策略，使得在這一套系統(tǒng)內(nèi)“幾乎看不到電子元件”。由于晶片是手機系統(tǒng)內(nèi)部少數(shù)能夠被微型化的零組件，因此這種作法可為電池、顯示器等無法被微縮的零組件，留下盡可能大的內(nèi)部空間。iPhone 4內(nèi)部采用了環(huán)繞電池的小巧L型電路板，所創(chuàng)造出的如此小型、高密度設(shè)計結(jié)構(gòu)，為電路板本身添加了更多的復(fù)雜程度；該款手機使用高達十層的電路板、每一層之間都有微小的接頭，是以激光或是光學(xué)成像技術(shù)成孔。

蘋果iPhone用主板——10層任意層HDI多層板（已裝聯(lián)上元器件）的照片[4]見圖6所示。

2010年是任意層HDI多層板借助蘋果iPhone上市之風(fēng)獲得“全面開花”的重要年代。在這一年手機使用的新型HDI多層板事實，對HDI多層板發(fā)展具有“里程碑”的重要意義。日本PCB專家上原利久近期著文認(rèn)為[1]，Any-Layer HDI可以形成更加微細(xì)的電路圖形，并且由于它去除了絕緣層較厚的內(nèi)芯層、改換為由全任意層的積層法層結(jié)構(gòu)，因此可以使得基板厚度進一步的實現(xiàn)薄型化。上原利久還用有芯層和任意層（無芯層）兩種HDI多層板構(gòu)造進行實例的對比，以此來說明此項HDI多層板技術(shù)的進步（見圖7）。

圖6 應(yīng)用于iPhone 4中的10層任意層HDI多層板（已裝聯(lián)上元器件）

圖7 兩種HDI多層板構(gòu)造圖的實例對比

以上，通過對手機采用的HDI多層板在技術(shù)上變遷的分析，更加說明了HDI多層板技術(shù)在二十年中的巨大發(fā)展。而它的每一階段技術(shù)的攀升，都是與它所用基板材料的技術(shù)進步分不開的。

[1]上原利久(日) .高密度配線板の技術(shù)[J].エレクトロニクス實裝學(xué)會誌,Vol.13,No.5 (2010).

[2]許路.HDI電路板新型制造技術(shù)發(fā)展動態(tài).http://www.cnki.net.

[3]0.4mmピッチCSP對應(yīng)品, 出そろう8層で厚さ0.4mmの品種も登場.NIKKEI ELECTRONICS.2006,2.27.

[4]UBM TechInsights David Carey.http://www.dzsc.com/news.

[5]Prismark.The Printed Circuit Report Second Qurter– August 2010.