HDI 制作流程.ppt

1 HDI板制作的基本流程 美維科学技術集团 東莞生益電子有限公司 Feb 28 2003 2 前言 東莞生益電子有限公司 前言 由于高科技的发展迅速 大部分的电子产品都开始向轻薄短小的方向发展 而高密度互连板 HDI 适应市场的要求 走到了PCB技术发展的前沿 HDI采用激光成孔技术 分为红外激光 紫外激光 UV光 两类 CO2红外激光成孔技术凭借其高效 稳定的特点广泛应用于4 6MIL盲孔的制作 SYE在2000年开始着手HDI制品的开发与研究 并于2001年购入Hitachiviamachine的CO2激光钻机 开始HDI产品的生产 经过一段时间的摸索 HDI制品的生产已经稳定 工艺也逐渐成熟 经过3年多的生产 现总结出一些有关HDI制作的整个工艺流程和CO2激光盲孔制造的经验 在这里和大家探讨研究 美維科学技術集团 3 東莞生益電子有限公司 概述 HDI板 是指HighDensityInterconnect 即高密度互连板 是PCB行业在20世纪末发展起来的一门较新的技术 传统的PCB板的钻孔由于受到钻刀影响 当钻孔孔径达到0 15mm时 成本已经非常高 且很难再次改进 而HDI板的钻孔不再依赖于传统的机械钻孔 而是利用激光钻孔技术 所以有时又被称为镭射板 HDI板的钻孔孔径一般为3 6mil 0 076 0 152mm 线路宽度一般为3 4mil 0 076 0 10mm 焊盘的尺寸可以大幅度的减小所以单位面积内可以得到更多的线路分布 高密度互连由此而来 HDI技术的出现 适应并推进了PCB行业的发展 使得在HDI板内可以排列上更加密集的BGA QFP等 一 概述 美維科学技術集团 4 1 HDI绝缘层材料 1 1常用HDI绝缘材料一览表 東莞生益電子有限公司 材料 二 材料 美維科学技術集团 5 東莞生益電子有限公司 材料 1 3特殊材料的介绍 HDI绝缘层所使用的特殊材料RCC 涂胶膜铜箔 ResinCoatedCopper 涂胶膜铜箔 ResinCoatedCopper 是指将特别的树脂膜层涂在电镀铜箔上 这层膜可以完全覆盖内层线路而成绝缘层 主要有两种 Bstage Mitsui 和B Cstage Polyclad BstageB Cstage特点 不含玻璃介质层 易于镭射以及等离子微孔成形 薄介电层 极高的抗剥离强度 高韧性 容易操作 表面光滑 适合微窄线路蚀刻 铜箔 铜箔 树脂 Bstage 树脂 Bstage 树脂 Cstage 美維科学技術集团 6 東莞生益電子有限公司 材料 涂胶膜铜箔 ResinCoatedCopper 一般来说 HDI板的激光钻孔都是在涂胶膜铜箔上面成孔 孔径的形状与一般机械钻孔的孔的形状不完全一样 激光钻孔的孔的形状为一个倒置的梯形 而一般的机械钻孔 孔的形状为柱形 考虑到激光钻孔的能量与效率 镭射孔的孔径大小不能太大 一般为0 076 0 10毫米 HDI板所需要的其他的材料如 板料 半固化片和铜箔等则没有特别的要求 由于镭射板的电流一般不会太大 所以线路的铜的厚度一般不太厚 内层一般为1盎司 外层一般为半盎司的底铜镀到1盎司的完成铜厚 板料的厚度一般较薄 并且由于RCC中也仅含树脂 不含玻璃纤维 所以使用RCC的HDI板的硬度 强度一般比同厚度的其他PCB要差 美維科学技術集团 7 東莞生益電子有限公司 材料 这些是不同类型的一阶盲孔切片图 A RCC FR4 1080 1 4不同HDI绝缘层材料的效果 美維科学技術集团 8 東莞生益電子有限公司 材料 2 1080 2 106 这些是不同类型的一阶盲孔切片图 B 美維科学技術集团 9 東莞生益電子有限公司 材料 1 42 2 n 2 HDI板一般结构 美維科学技術集团 10 東莞生益電子有限公司 材料 下图是SYE制作的一个16层HDI板的结构 美維科学技術集团 11 三 能力 東莞生益電子有限公司 能力 SYEHDI板制程能力 美維科学技術集团 12 東莞生益電子有限公司 流程 下面我们将以一个1 4 1的6层板为例来简单说明一下HDI的制作流程 四 流程 美維科学技術集团 13 東莞生益電子有限公司 流程 开料是把我们采购回来的敷铜板切割成能在生产线上制作的板子的过程 首先我们来了解几个概念 UNIT UNIT是指客户设计的单元图形 SET SET是指客户为了提高效率 方便生产等原因 将多个UNIT拼在一起成为的一个整体图形 它包括单元图形 工艺边等等 PANEL PANEL是指PCB厂家生产时 为了提高效率 方便生产等原因 将多个SET拼在一起并加上工具板边 组成的一块板子 我们采购回来的大料有以下几种尺寸 36 5INCH 48 5INCH 40 5INCH 48 5INCH 42 5INCH 48 5INCH等等 而我公司目前能制作的最大尺寸为23INCH 41INCH 而且考虑到利用率等原因 实际制板尺寸根据不同的板子而不同 所以开料就是将我们采购回来的大料切割成一个个PANEL大小的板子的过程 1 开料 CUT 美維科学技術集团 14 東莞生益電子有限公司 流程 内层干膜是将内层线路图形转移到PCB板上的过程 2 内层干膜 INTTERDRYFILM 美維科学技術集团 在PCB制作中我们会提到图形转移这个概念 因为PCB制作就是也就是将设计好的布线图形转移到PCB板上 并用导通孔的方式保证每层电性能的连通 所以图形转移过程对PCB制作来说 有非常重要的意义 内层干膜包括内层贴膜 曝光显影 内层蚀刻等几道工序 首先将切好的芯板经过前处理 除去氧化膜和油污 进行内层贴膜 所谓内层贴膜就是在铜板表面贴上一层特殊的感光膜 这种膜遇光会固化 在板子上形成一道保护膜 贴好膜的板将进行曝光 我们将绘制有线路图形的负片菲林挡在光源前进行曝光 透光的部分被固化 没透光的部分还是干膜 我们褪掉没固化的干膜 将贴有固化保护膜的板进行蚀刻 这样没有膜的铜皮将被蚀刻掉 有保护膜的铜皮会被留下来 再经过退膜处理 这时内层的线路图形就被转移到板子上了 对于设计工程师来说 我们要注意的是布线的最小线宽 间距的控制及布线的均匀性 因为间距过小会造成夹膜 膜无法褪尽造成短路 线宽太小 膜的附着力不足 造成线路开路 所以电路设计时的安全间距 包括线与线 线与焊盘 焊盘与焊盘 线与铜面等 都必须考虑生产时的安全间距 15 東莞生益電子有限公司 流程 内层干膜 内层贴膜 美維科学技術集团 16 東莞生益電子有限公司 流程 内层干膜 对位与曝光 美維科学技術集团 17 東莞生益電子有限公司 流程 内层干膜 蚀刻后的检板与AOI 美維科学技術集团 18 東莞生益電子有限公司 流程 内层干膜 美維科学技術集团 线宽对报废率的影响 19 東莞生益電子有限公司 流程 黑化和棕化的目的去除表面的油污 杂质等污染物 增大铜箔的比表面 从而增大与树脂接触面积 有利于树脂充分扩散 形成较大的结合力 使非极性的铜表面变成带极性CuO和Cu2O的表面 增加铜箔与树脂间的极性键结合 经氧化的表面在高温下不受湿气的影响 减少铜箔与树脂分层的几率 3 黑化和棕化 BLACKOXIDATION 美維科学技術集团 内层线路做好的板子必须要经过黑化或棕化后才能进行层压 它是对内层板子的线路铜表面进行氧化处理 一般生成的Cu2O 氧化亚铜 为红色 CuO 氧化铜 为黑色 所以氧化层中Cu2O为主称为棕化 CuO为主的称为黑化 20 美維科学技術集团 東莞生益電子有限公司 流程 3 黑化和棕化 棕化线 21 美維科学技術集团 東莞生益電子有限公司 流程 3 黑化和棕化 黑化线 22 美維科学技術集团 東莞生益電子有限公司 流程 层压层压是借助于B 阶半固化片把各层线路粘结成整体的过程 这种粘结是通过界面上大分子之间的相互扩散 渗透 进而产生相互交织而实现 目的 将离散的多层板与黏结片一起压制成所需要的层数和厚度的多层板 4 层压 PRESSING 23 美維科学技術集团 東莞生益電子有限公司 流程 层压 层压排版将铜箔 黏结片 半固化片 内层板 不锈钢 隔离板 牛皮纸 外层钢板等材料按工艺要求叠合 如果六层以上的板还需要预排版 层压过程 将叠好的电路板送入真空热压机 利用机械所提供的热能 将树脂片内的树脂熔融 借以粘合基板并填充空隙 24 美維科学技術集团 東莞生益電子有限公司 流程 层压 层压周期的控制 压制周期主要由层压过程中温度 压力 时间决定 相应地影响因素有压力 温度 升温速率 层压后处理 压板 二次切板 后固化 X ray钻孔 铣边 磨边 打钢印 25 美維科学技術集团 東莞生益電子有限公司 流程 层压 对于设计人员来说 层压首先需要考虑的是对称性 因为板子在层压的过程中会受到压力和温度的影响 在层压完成后板子内还会有应力存在 因此如果层压的板子两面不均匀 那两面的应力就不一样 造成板子向一面弯曲 大大影响PCB的性能 另外 就算在同一平面 如果布铜分布不均匀时 会造成各点的树脂流动速度不一样 这样布铜少的地方厚度就会稍薄一些 而布铜多的地方厚度就会稍厚一些 为了避免这些问题 在设计时对布铜的均匀性 叠层的对称性 盲埋孔的设计布置等等各方面的因数都必须进行详细考率 26 美維科学技術集团 東莞生益電子有限公司 流程 印制板上孔的加工形成有多种方式 目前使用最多的是机械钻孔 机械钻孔就是利用钻刀高速切割的方式 在板子 母板或子板 上形成上下贯通的穿孔 对于成品孔径在8MIL及以上的穿孔 我们都可以采用机械钻孔的形式来加工 机械钻孔的形式决定了盲埋孔的非交叉性 如果设计的是既有2 4层的埋孔 又有3 5层的埋孔 这样的设计在生产上将无法实现 就我们这块6层板而言 此时我们加工的是2 5层的埋孔 如图 5 钻埋孔 DRILLING 2020 3 15 27 可编辑 28 美維科学技術集团 東莞生益電子有限公司 流程 6 沉铜与加厚铜 孔的金属化 概念 电路板的基材是由铜箔 玻璃纤维 环氧树脂组成 在制作过程中基材钻孔后孔壁截面就是由以上三部分材料组成 孔金属化就是要解决在截面上覆盖一层均匀的 耐热冲击的金属铜 流程分为三个部分 一去钻污流程 二化学沉铜流程 三加厚铜流程 全板电镀铜 29 美維科学技術集团 東莞生益電子有限公司 流程 6 沉铜与加厚铜 孔的金属化涉及到一个能力的概念 纵横比 又叫厚径比 厚径比是指板厚与孔径的比值 当板子不断变厚 而孔径不断减小时 化学药水越来越难进入钻孔的深处 虽然电镀设备利用振动 加压等等方法让药水得以进入钻孔中心 可是浓度差造成的中心镀层偏薄仍然无法避免 这时会出现钻孔层微开路现象 当电压加大 板子在各种恶劣情况下受冲击时 缺陷完全暴露 造成板子的线路断路 无法完成指定的工作 所以 设计人员需要及时的了解制板厂家的工艺能力 否则设计出来的PCB就很难在生产上实现 需要注意的是 厚径比这个参数不仅在通孔设计时必须考虑 在盲埋孔设计时也需要考虑 30 美維科学技術集团 東莞生益電子有限公司 流程 7 第二次内层干膜 当3 6层的埋孔金属化后 我们用树脂油墨塞孔 然后我们的6层板将转回到内层干膜制作第2 5层的内层线路 如下图 做完2 5层的线路后 我们将板子进行黑化或棕化 之后我们将其送入第二次层压 由于与前面步骤相同 就不再详细介绍 31 美維科学技術集团 東莞生益電子有限公司 流程 8 第二次层压 HDI的压板 HDI板的压板 由于涂胶膜铜箔 ResinCoatedCopper 内不含有玻璃纤维 并且树脂的厚度也不是很厚 常用的有12 80 12 65或18 80 18 65 所以压板较为困难 主要的问题就是介电层的厚度比半固化片更难控制 对于整个生产板来说板边的会比中间的偏薄 整个生产板的介电层厚度不均匀造成了镭射钻孔时的困难 内层有盲埋孔的地方线路更容易因凹陷而造成开路 所以如果内层如果有盲埋孔 则外层的线路设计要尽量避开内层的盲埋孔位置 至少是线路不要从盲埋孔的孔中间位置通过 另外如果是在压板时的第二层到倒数第二层之间有太多埋孔的话 压板的过程中将会由于产生了一个通道而导致了位于上面的RCC介电层厚度薄于位于下面的RCC介电层厚度 所以在线路设计时要尽量减少此种孔的数量 32 美維科学技術集团 東莞生益電子有限公司 流程 二次层压 经过二次层压的STAR板 33 美維科学技術集团 東莞生益電子有限公司 流程 CO2激光盲孔工艺 CO2激光盲孔制造的工艺很多 而且各有优缺点 而开铜窗法 Conformalmask 是现在业界最成熟的CO2激光盲孔制作工艺 此加工法是利用图形转移工艺 在表面铜箔层蚀刻出线路的方式蚀刻出与要激光加工的孔径尺寸相同的微小窗口 然后用比要加工孔径尺寸大的激光光束根据蚀铜底片的坐标程式来进行加工的方法 这种加工法多用于减成法制造积层多层板的工艺上 SYE即是采用了此种工艺进行CO2激光盲孔的制作 34 美維科学技術集团 東莞生益電子有限公司 流程 9 conformalmask Conformalmask是打激光孔制作的前准备过程 它分为Conformalmask1和Conformalmask2两个部分 Conformalmask1是在子板上下两面铜箔上用制作线路的方式蚀刻出母板外层周边与子板外层的盲孔 激光孔 对位PAD对应的铜箔 同时蚀刻出母板上对应于设置在子板两面的自动曝光机对位标靶位置铜箔 以供Conformalmask2制作和激光钻孔时使用 Conformalmask2是在板子上下两面铜箔上用制作线路的方式将每个激光孔的位置蚀刻出一个与激光孔大小相同的窗口 以供CO2激光加工 35 美維科学技術集团 東莞生益電子有限公司 流程 10 激光钻孔 LASERDRILLING 用激光将树脂烧开形成连通性盲孔 由于涂胶膜铜箔是树脂上面盖铜箔 HDI板的镭射钻孔由于是由激光钻出 所以当光在从上往下钻的过程中 能量逐渐变少 所以随着孔径的不断深入 孔的直径不断变小 镭射孔的钻孔孔径一般为3 6mil 0 076 0 15mm 按照IPC6016 孔径 0 15毫米的孔称为微孔 micro via 如果孔径大于0 15毫米 则难于一次将孔钻完 而是需要螺旋式钻孔 导致了钻孔的效率下降 成本的急剧升高 镭射孔的钻孔速度一般为100 200个 分钟 并且随着孔径的缩小 钻孔的速度明显加快 比如 在钻孔孔径为0 100毫米时 钻孔速度为120个 分钟 在钻孔孔径为0 076毫米时 钻孔速度为170个 分钟 36 美維科学技術集团 東莞生益電子有限公司 流程 激光钻机 37 美維科学技術集团 東莞生益電子有限公司 流程 11 机械钻孔 钻通孔 激光钻孔后的板子就转到机械钻机上钻通孔 38 美維科学技術集团 東莞生益電子有限公司 流程 12 去钻污与沉铜 P T H 将盲孔与通孔一起金属化 HDI板的镭射孔处理 HDI板的镭射钻孔由于是由激光钻出 激光钻孔时的高温将孔壁灼烧 产生焦渣附着在孔壁 同时由于激光的高温灼烧 将导致第二层铜被氧化 所以钻孔完毕后 微孔需要在电镀前进行前处理 由于板的微孔孔径比较小 又不是通孔 所以孔内的焦渣比较难以清除 去孔污时需要用高压水冲洗 另外普通板的外层一般有正片与负片两种做板方式 但是对于镭射板来说 外层多用负片来做板 这是因为镭射板的激光成型孔孔径很小 正片做板时镀在孔内表面的锡比较难以被褪掉 39 13 外层干膜与图形电镀 DRYFILM PATTERNPLATING 美維科学技術集团 東莞生益電子有限公司 流程 外层图形转移与内层图形转移的原理差不多 都是运用感光的干膜和拍照的方法将线路图形印到板子上 外层干膜与内层干膜不同在于外层干膜有两种加工方式 如果采用减成法 那么外层干膜与内层干膜相同 采用负片做板 板子上被固化的干膜部分为线路 去掉没固化的膜 经过酸性蚀刻后退膜 线路图形因为被膜保护而留在板上 如果采用正常法 那么外层干膜采用正片做板 板子上被固化的部分为非线路区 基材区 去掉没固化的膜后进行图形电镀 有膜处无法电镀 而没有膜处 先镀上铜后镀上锡 退膜后进行碱性蚀刻 最后再退锡 线路图形因为被锡的保护而留在板上 40 减成法与正常法 美維科学技術集团 東莞生益電子有限公司 流程 沉铜后的板子可以有两种方法加工 减成法 全板电镀 外层干膜 酸性蚀刻 正常流程正常法 加厚铜 外层干膜 图形电镀 碱性蚀刻 正常流程 减成法是将铜厚直接电镀到成品要求铜厚25 4 m 然后开始图形转移 最后是酸性蚀刻 而正常法是将铜厚加厚铜到5 8 m然后线路图形转移 接着图形电镀到成品要求铜厚 最后是碱性蚀刻 41 14 湿菲林 绿油阻焊 WETFILMSOLDERMASK 美維科学技術集团 東莞生益電子有限公司 流程 概念 湿菲林工序是在板子的表面加上一层阻焊层 这层阻焊层称为阻焊剂 SolderMask 或称阻焊油墨 俗称绿油 其作用主要是防止导体线路等不应有的上锡 防止线路之间因潮气 化学品等原因引起的短路 生产和装配过程中不良持取造成的断路 绝缘及抵抗各种恶劣环境 保证印制板的功能等 原理 目前PCB厂家使用的这层油墨基本上都采用液态感光油墨 其制作原理与线路图形转移有部分的相似 它也是利用菲林遮挡曝光 将阻焊图形转移到板子上面 42 15 选择性沉金 IMMERSIONGOLD 美維科学技術集团 東莞生益電子有限公司 流程 化学镀镍 金是在印制电路板做上阻焊膜后 对裸露出来需要镀金属的部分采用的一种表面处理方式 由于科技的发展 PCB上的线宽间距变小 表面封装增多 这就要求连接盘或焊垫有良好的共面性和平坦度 要求PCB不能弯曲 而传统的热风整平镀Sn Pb技术虽然能克服线宽间距小的问题 但是其镀层表面不平坦 对电路板的基材造成一定的弯曲和伤害 有机可焊性保护涂层 仅用于锡焊 和化学Ni Au表面镀层则可满足上述的要求 由于这种镍 金的镀层是在印制电路板做上阻焊膜后制作的 所以只能采用化学镍 金的方式来实现选择性涂覆 作为PCB的表面镀层 镍层厚度一般为5 m 而金厚一般在0 05 0 1 m之间 作为非可镀焊层Au的厚度不能太高 否则会产生脆性和焊点不牢的故障 如果太薄则防护性不好 43 16 字符 C MPRINTING 美維科学技術集团 東莞生益電子有限公司 流程 由于要求比线路和阻焊要低 目前PCB上的字符基本采用了丝网印刷的方式 工序先按照字符菲林制作出印板用的网 然后再利用网将字符油