试论PCB生产技术和发展趋势

1、PCB生产技术和发展趋势   1 推动PCB技术和生产技术的主要动力集成电路（IC）等元件的集成度急速发展，迫使PCB向高密度化发展。从目前来看，PCB高密度化还跟不上IC集成度的发展。如表1所示表1。            年     IC的线宽     PCB的线宽    比 例       &

2、#160;                                                 &

3、#160;                                                 &

4、#160;                                                 &

5、#160;                                      1979     导线3m     300 m   &

6、#160;        1100      2000   0、18m     10030m    156o 1170      2010     0、05m  10m(HDI/BUM?)    1200     注：导通孔尺寸也随着导线精细化而减小，一般为导

7、线宽度尺寸的35 倍组装技术进步也推动着PCB走向高密度化方向表2 组装技术 通孔插装技术（THT） 表面安装技术（SMT） 芯片级封装（CSP）  系统封装       代表器件 DIP QFPBGA BGA 元件集成       代表器件    I/o数 1664 323041211600 >1000 ？  信号传输高

8、频化和高速数字化，迫使PCB走上微小孔与埋/盲孔化，导线精细化，介质层均匀薄型化等，即高密度化发展和集成元件PCB发展。                     特性阻抗空控制   RFI   EMI世界主导经济知识经济（信产业等）的迅速发展，决定做着PCB工业在21世纪中的发展读地位和慎重生产力。世界主导经济 的发展     

9、      20世纪80年代90年代21世纪经济农业工业经济知识经济美国是知识经济走在最前面的国家。所以在2000年占全球PCB市场销售 量的45%，左右着PCB工业的发展与市场。随着其他国家的掘起，特别是中国和亚洲国家的发展（中国科技产值比率占3040%，美国为7080%）美国的“超级”地位会削弱下去。（3）中国将成为世界PCB产业的中心，23年后，中国大陆的PCB产值由现在的11%上升20%以上。2 PCB生产技术的主要进步与发展趋势。自PCB诞生以来（1903年算起100年整），以组装技术进步和发展可把PCB工业已走上

10、了三个阶段。而PCB生产技术的发展与进步一直围绕着“孔”、“线” 、“层” 、和“面”等而发展着。2.1 PCB产品经过了三个发展和进阶段2.1.1 导通孔插装技术（THT）用PCB产品     （1）主要特点：通孔起着电气互连和政治字支撑元件的作用通孔尺寸受到限制，应0.8mm。原因元件的引脚刚性要求   自动插装要求以多角形截面为主，提高刚性降低尺寸  .       （2）高密度化：通孔尺寸受到元件引脚尺寸限制，不能好象怀想风向换很小。导线的L/S细小化，最小

11、达到0.1mm，大多在0.20.3mm。                      增加层数，最多达到64层。但孔化，特别是电镀的困难。2.1.2 表面安装技术（SMT）用PCB产品 主要特点：通孔仅起电气互连作用，即孔径可尽量小（保证电性能下）；PCB产品共面性能要求，即PCB板面翘曲度要小，焊盘表面共面性要好。高密度化（主要）：    

12、; 导通孔经尺寸迅速走向微小化。  由0.80.50.30.20.150.10（mm）加工方法由数控钻孔激光钻孔。     埋/盲孔的出现      不需要连接的层，不通过导通孔 不设隔离盘        提高布线自由度。                   

13、                缩短导线或孔深        提高密度至少1/3。       改善电器性能。盘内孔结构的诞生。由“狗骨”结构盘内连接，节省连线，同样达到 之  目的板面平整度：PCB整体板面共面性程度，或翘曲度和板面上焊盘的共面性。PCB翘曲度高了，由1%0.7%0.5%元器件贴装要求。焊（连接）盘共

14、面性。高密度化，焊盘上平面性的重要性越高。由HAL（或HASL）OSP，化学Ni/Au，Ag,Sn等。2.1.3 芯片级封装（CSP）用PCB产品主要特点：HDI/BOM板集成元件的HDI板高密度化：孔，线，层，盘等全面走向高密度化                              

15、;                                                  

16、;                                                  

17、;                                                  

18、;                                                  

19、;                                                  

20、;                                                  

21、;                                                  

22、;                                                  

23、;                                                  

24、;                                                  

25、;                                                  

26、;                                                  

27、;                                                  

28、;                                                  

29、;             导通孔走向150um。  导线的L/S80um。介质层厚度80um。焊直径盘300um。       （3)板面平整度：板面不平整度（指高密度基板，如150×150mm2的尺寸）以m计。          30m20m10m5m。   2  

30、 导通孔急速走向微小化和结构复杂化        （1）导通孔的作用电器互连和支撑元器件两个作用仅电器互连作用。        （2）导通孔尺寸微小化         0.80.50.30.20.10.050.03（mm）      机械（数控）钻孔        &#

31、160;                  | 激光成孔导通孔结构复杂化。           全通孔埋/盲孔/通孔盘内孔，埋/盲孔HDI/BUM导通孔微小化的加工方法机械钻微小孔             （A

32、）提高钻床主轴的转速n。   大孔小孔时，                孔壁切削速度V                      1=2R1 n1     2=2R2n2.

33、60;小孔转速n2 （得到同样生产率和同样质量孔的话）. n2.= n1R1/ R2.根本出路提高主轴转速68万转/分1012万转/分1618万  转/分25万转/分。（B）提高数控钻床的稳定性。   整个主轴转动夹钻头部分转动。m，降低动能1/2 mv2                   18磅16盎司。   台面移动：由丝杆传动（慢且磨损）线性马达移动（特稳定）

34、。（C）改进微小钻头改进微小钻头组成：o和WC比例改变。韧性。减小WC的粒度，由m.m.5m.               (D)常规E玻纤布基材扁平(MS或LD)E-玻纤布基材. 采用单丝排列原理形成的扁平E-玻纤布. 共有均匀玻纤密度和树脂密度的介质层基材.               (E)降

35、低孔壁粗造度:孔密度化和CAF等要求.                  常规孔壁粗造度4050m2025m1015m.激光钻孔技术.激光成孔技术的出现机械钻孔面临挑战.  *钻孔能力100m.  *生产率低  *成本高(特别是钻孔).激光波长与被吸收  *光波分布  *铜、玻纤布和树脂对波长的吸收.激光成孔类型.  * CO2激光成孔.  

36、60;  200m100m50m30m* UV激光成孔       CO2 激光成孔UV激光成孔               * 混合激光成孔     混合激光成孔              （B）CO2激光成孔

37、0;                  连接机械钻孔，100200m孔为最佳加工范围。                   成孔原理：*波长为10.6m  9.4m  红外波长。    &#

38、160;                          *热效率、烧蚀之、热加工                   优缺点：  *功率大、生产率高。

39、60;    *易存残留物和引起下面连接盘分离，不能加工铜金属                        等     *光束直径大，适宜加工大孔径（100200m）。           

40、;    （C）UV激光成孔                    适于连接CO2激光成微孔（<100m）                    成孔原理 *波长 355nm 

41、; 266nm                               *破坏结合键（金属键、公价键、离子键）冷加工。               

42、;     优缺点： *适宜于更小的微孔如<100m的孔和任何PCB基材。                               *不存任何残留物、可加工金属。       &#

43、160;                       *对于>100m孔，成本高，效率低              （D）CO2激光和UV激光的优缺点（表3所示）       

44、;                        表3 项   目 CO2激光成孔 UV激光成孔    蚀孔机理 热加工(烧蚀,需O2气) 冷加工(破坏结构键)    敷开窗口 是 不要   

45、; 蚀孔功率 大 小    发射波长 长(10.6 、9.4m) 短(0.355或0.266m)    加工微小孔尺寸 大(>80m) 小(<100m)    加工厚径比 小C<0.5 大C1.0    加工铜箔 需氧化处理后的薄铜箔 是    加工玻纤布 扁平E玻纤布 是   

46、去钻污处理 是 可不要    生产率  孔径100m 高 低      孔径<100m 低 高    生产成本  孔径100m 低 高      孔径<100m 高 低            

47、60;   (E)混合激光成孔.充分发挥各自特长来加工. 先由UV激光开”窗口”CO2激光加工介质层,(RCC或扁平E玻纤基材) ”清道夫”作用(由UV激光清除残留外物或检修) 提高孔位精度 提高生产效率          (5)微小孔(含微盲孔)的孔金属化和电镀.常规的孔金属化和直流电镀.直接电镀.脉冲电镀.2.2 导体精细化技术与发展.       导体精细化是IC集成度化

48、、组装高密度化和信息处理高速化的迫切要求.2.3.1 导体精细化的发展趋势.目前和今后导线的线宽/间距(L/S)发展趋势(m为单位):100/10080/8050/6040/5030/4020/2515/208/10.2.3.2 导体精细化的实质是导体精细化的制作要求:导体精细化内容是导线宽度微细化和导线宽度的精度(尺寸偏差)化两个方面.   其中导线宽度精度是核心问题,即在相同误差要求下,随着导线精细化发展,线宽的偏差绝对值越来越小,精度要求越来越高.如表所示表4  标称线宽允许误差±20%时不同线宽的精度要求 标称线宽(

49、m) 合格线宽尺寸(m) 偏差尺寸(m) 最大偏差值(m)    100 80120 ±20 =40    80 6496 ±16 =32    50 4060 ±10 =20    30 2436 ±6 =12  随着线宽尺寸偏差的减小(如±10%),精度化将提高.2

50、.3.3 导体精细化的制造技术2.3.3.1薄铜箔或超薄铜箔层压板基材.提高导线精度.  侧蚀  整个线宽均匀性铜箔的薄型化将随导线精细化而发展.   导线精细化发展  100m80m50m30m   铜箔厚度发展     18m12m9m5m薄铜箔表面处理.保存条件的重要性.图形转移前表面处理:机械檫板磨板(Al2O3)电化学或化学处理免处理(双面已处理)铜箔.2.3,3,2 图象转移技术.光致抗蚀剂干膜光致抗蚀剂厚度大25m 需载体膜，15m，曝光时折射等湿膜光致抗蚀剂&

51、#160;  厚度     812m。无载体。但加工过程多正性湿膜光致抗蚀剂厚度可很薄。可在常规光F操作。成本高。         照相底片曝光点光源曝光，带来线宽的尺寸偏差。威胁导线精度（光入射角的差别）。光致抗蚀剂厚度与类型引起偏差。 平行光曝光。能较好的解决问题。投资昂贵，成本高         显影       

52、;     显影均匀性，中心区域与四周边区域的均匀。显影干净无余胶（精细间隙）。         蚀刻常规蚀刻受到挑战。蚀刻不均匀性抗蚀剂厚度；区域效应；扩散层厚度。摆动                          

53、;                                                  

54、;                                     真空蚀刻：原理防止布丁效应。精度：精细线可达±2m（限超薄铜箔）。碱性蚀刻优于酸性蚀刻。 2.3.3.3激光直接成像（LDI）。 &#

55、160;       激光直接成像的提出照相底片成像技术受到严重挑战；特别是高密度HDI/BUM板或L/S80mS  时。导线的尺寸精度达不到要求（特别是Z0控制时）。尺寸变化大。层间对位度要求越来越小时。 简化了加工步骤。消除了照相底片成像引起的各种缺陷。缩短了生产周期，特别是多品种，少批量的产品。降低了成本。         激光直接成像的类型。涂覆光致抗蚀剂的激光直接成像。在制板上涂覆（湿膜或干膜）光致抗蚀剂。要求低的感光能量（高光敏性材料

56、）：如表5所示。表5 光敏抗蚀剂类型 液态阻焊（油墨）膜 光致抗蚀膜（干膜） LDI光致抗蚀膜     感光能量 200250mj/cm2 80120 mj/cm2 812 mj/cm2 56 mj/cm2  激光直接成像（UV光）。LDI设备从CAD或已存储的图形数据于在制板上扫描曝光成像。目前最快速度可达24”×24”/分钟。            &#

57、160; （C）显影：相当于平行光得到的图像。 （D）蚀刻：最好采用真空蚀刻。 （E）去膜涂锡层抗蚀剂的激光直接成像。于在制板涂（镀）锡层。厚度为0.81.2m。UV激光直接成（刻）像：蚀刻去锡层厚度，并继续蚀刻去35m 铜厚度碱性蚀刻。退除Sn层。直接于覆铜板上的激光直接成像。UV激光直接成（刻）像。蚀刻去铜厚度到离底面铜35m停止。控制（或快速）蚀刻铜，从蚀刻去余下铜厚度（35m），同时表面也会蚀刻去相应（或稍多）的铜厚度。各种激光直接成像的比较。表6 项目  光致抗蚀剂的LDI 化学镀薄锡的  直接在覆铜箔上的  &#

58、160;    负  性 正 性        抗蚀剂 高光敏性 高光敏性 非光敏镀锡层 不要求    激光光源 UV光源 红外激光 较高能量UV激光 高能量UV激光    蚀刻 要求 要求 碱性蚀刻 要求（快速控制）    退除 抗蚀剂 抗蚀剂 镀锡层

59、60;不要求    线宽精度 差 中等 中等 最好    加工步骤 多 多 多 少    成本 低 高 高 中等  2.4.  PCB多层化技术与发展。2.4.1 PCB多层化现状与未来。常规多层板埋/盲孔多层埋HDI/BUM板集成元件多层板。由于PCB不断扩大应用领域，可派生出各种各样特殊功能的多层板，如导热功能，高频特性，（微波等）等多层板和复合多层板2

60、.4.2 常规多层板。开始出现于20世纪60年代，到了80年代，竟高达60多层。主要用于当时大型计算机的母（底）板上。目前还用于移动电讯总台上的背板。尺寸很大如610×1200（mm2），厚度410mm层数为1824层，今后还会发展下去。2.4.3 埋/盲孔（含盘内孔）多层板。SMT的采用，诞生和推动了埋/盲和微小孔化多层板的发展。多层板采用埋/盲孔结构将带来很多好处：提高了密度（>1/3）；缩小板的尺寸或层数；改善了电气性能和可靠性等。一般采用多次钻孔，孔化电镀和层压等的顺序层压法来制造埋/盲孔多层板：其次是注意或采用填充埋孔问题（充值度应>75%）

61、。2.4.4 HDI/BUM板。20世纪90年代初出现并发展起来的HDI/BUM板，现已成熟并量产化生产阶段。已占PCB总产值12.7%(2001年)。2006年约占40%之多。       有芯板的HDIBUM芯板上积层以RCC来形成以MS布来形成以AGSP方法来形成以ALIVH方法来形成       无芯板的HDI/BUM板目前有三种类型：ALIVH技术（无需孔化、电镀）B2It技术（无需钻孔、孔化、电镀）PALAP（patterned prepreg lay

62、up process）方法（热塑性属环保型）           特点：工艺过程缩短，但互连电阻大。非万能型的产品。2.4.5 集成元件印制板目前仅埋入无源元件，又称埋入无源元件印制板，或“埋入什么就称谓什么”。如埋入平面电容印制板等。      无源元件使用量急剧的增加。      埋入无源元件的优点。      集成无源元件PCB类型与结构。2

63、.4.6 多层板层间对位度      层间对位度误差的来源。底片方面基板方面定位方面      层间对位度的改进          消除底片带来的偏差           A玻璃底片          

64、; B激光直接成像          减小基材引起的尺寸偏差           A解决基材内的残面应力和充分固化           B SPC统计，尺寸变化分档应用           CHJ 附加定位槽定

65、来限制基材尺寸变化          改进定位系统，光与机械定位相结合。      层间电器互连        高厚径比（8:1）和微盲孔等应采用脉冲电镀2.4.7 高频信号和高速数字化信号的传输用高密度多层板方面  应注意解决三个主要问题：特性阻抗值控制问题    除了材料介电常数外，应控制好介质层厚度、导线宽度和厚度。甚至阻焊厚度和镀

66、Ni层厚度的影响。注意PCB在制板加工过程引起CAF问题。除了材料会引起CAF问题，高密度化加工引起CAF将越来越严重。特别是孔孔之间的CAF问题，钻孔的质量和粗糙度已经突出起来。       走向集成元件多层板是下一步出路。2.5 连接（焊）盘表面涂覆技术与发展         表面涂覆可分为非电气连接的阻焊膜涂覆和电气连接用涂覆两大类。前者属于表  面保护性涂覆。如起阻焊（防止导线之间、盘间和线盘之间搭焊）和三防（防潮、防腐蚀和防霉

67、）为主的作用，后者属于连接盘上的可焊性（或粘结性）的表面涂覆，如焊盘铜表面防氧化，可焊性等的涂覆。下面内容仅限于后者。2.5.1热风整平     HAL或HASL具有优良的可焊性，其组成（Sn/Pb=63/37）和厚度（57m35m）可控，因而在可焊性焊盘上涂覆占有绝对地位（90%于是以上）。但是，由于THT走向SMT后，加上高密度化发展，特别是焊盘（垫）迅速走向精细化便受到了挑战，其占有率迅速下降下来，目前约占50%左右。HASL会形成龟背现象，威胁着焊接可靠性。因为熔融的焊料具有大的表面张力。薄的Sn/Pb层会形成不可焊层（2m时，会形成Cu3Sn）

68、。只有形成Cu6Sn5或Sn/Pb才是可焊性的2.5.2有机可焊性保护剂（OSP）     机理。新鲜Cu表面与烷基苯咪唑（ABI）络合成0.30.5um厚度的牢固化合物，并具有很高的热分解温度（300）。     工艺流程（略）     优缺点优点：很好的薄而平的平整度；工艺简便、易于操作与维护、且环境友好；成本低廉。缺点：容易损伤；多次可焊性差；存储周期较短2.5.3 化学镀钯化学镀上0.30.6m的Pd层，其优点：高温焊接稳定性好。不与焊料接触时，可经过多次焊

69、接温度。在焊接时，焊料中熔解度仅为金的1/65。同时，熔入焊料中的Pd不与焊料作用而漂浮在焊料表面上而保护焊料。而金会熔入焊料中形成脆性的AuSn4合金，影响焊接可靠性。起着阻档层作用。2.5.4  镀覆Ni/Au层PCB连接盘（垫）涂覆Ni/Au层功用有三种类型2.5.4.1 插件板插接部位镀Ni/Au（金手指）一般采用电镀Ni/Au。属耐磨硬金。先电镀57m（现为35m）Ni层。再镀上1.53m现为0.1 1.3m的 硬         金特点 Ni层为阻挡层（隔离开Cu与Au）， 

70、0;     Au层为电气互连外，具有耐磨特性，属硬金和低应力之特点。2.5.4.2高温焊接用焊盘上的Ni/ Au。       目前大多采用化学镀Ni/沉Au（EN/IG）。      化学镀Ni层为36m厚度，沉Au厚度为0.O50.15m（目前大多数为0.020.05m）。      特点：Ni除作阻档层外，还用来与焊料起焊接作用；Au层仅起保护Ni层表面不氧化作用。焊接时Au会熔入焊料中，

71、并会形成脆性的AuSn4化合物，应控制Au含量，Au在焊点中超过3%重量会影响焊点可靠性2.5.4.3 金属丝搭接（Wire bonding）用焊盘上镀Ni/Au         镀Ni层35m厚度，镀Au层0.52.0m厚度。         金属丝（金丝或 Al丝）搭接（WB）是在Au层上形成焊接的。2.5.5 化学镀银少量Au和Sn可形成低共熔点化合物：即重量比Ag/Sn=3.5/96.5,熔化温度为221，所

72、以化学镀Ag有利于无Pb焊接。化学镀0.13m（目前大多数为0.05m）A厚度，既能很好保护铜表面，又具有好的可靠性。化学镀Ag溶液中加入添加剂，使沉积Ag层中也含有13%的添加剂，可防止氧化和离子迁移问题。避免与硫（或硫化物，会发黑），与卤素（或卤化物，会发黄）接触。从速处理（少与空气接触）用无硫纸包装。2.5.6 化学镀锡Sn与Cu可形成低共熔点化合物，即重量比Uc/Sn=0.8/99.2,熔点为227°C化学镀锡有利于无铅焊接。化学镀锡前焊盘上经过新的调整剂处理清洁Cu表面使Cu表面形成能量均匀的等级，从而可形成同质而致密的镀Su层，为Sn厚度0.85m,可大大延缓C

73、u3Sn、Cu6Sn等IMC和SnOx（SnO、SnO2）的形成过程，可以多次通过高温焊接（<3次）。         加入有机添加剂，使Sn析出为颗粒状结构而非树枝状结构，消除“锡丝”的 隐          患          工艺较简单，易于维护，成本较低。2.5.7  电镀Ni/Pd/Au层。  

74、60;    又可称为“万能”镀层         镀层厚度要求Ni层为36m,Pd为0.30.8m,Au为0.080.20m。         既可用于焊接，又可用于搭接（WB）等。2.6 CCL（覆铜板）材料技术与发展。随着PCB高密度化高性能化的发展，CCL也相应朝着高性能化的发展。2.6.1 向高Tg材料发展  130°C150°C170°

75、C200°C220°C250°C        抗焊接温度F变形能力。          表面安装技术要求。          无铅化焊接温度还得提高30°C50°C        工作温度提高，要求提高耐热性。 

76、60;        高密度化发展，单位体积（面积）发热量高功率化发展，单位面积功率增加了（或电流量增加了）。2.6.2   向低CTE材料发展。高Tg大多拌有低CTE，但概念与含义不同。            高密度化要求低CTE化  1214ppm1012ppm810ppm68ppm        

77、60;   低CTE意味着低焊接应力，可靠性            高密度化要求               对位度（层间） 焊点面积缩小，粘结力减小，要求热机残留应力减小。2.6.2 介电常数材料多样化发展。        低介电常数&#

78、160; 5.04.03.53.02.62.21.15.          用于高频化信号和高速数字化信号的传输。        中介电常数  10100          用于特种场合，如Gps（汽车、士兵、等）        高介电常数  >1001

79、000以上。（已有2000产品了）。          用于埋入电容上，今后数量会大量增加。2.6.3 耐CAF或耐离子迁移之。          产生CAF是两大方面：（一）CCL本身；（二）CCL的加工，随着PCB高密度化，                

80、 这个问题越来越突出了，（孔与孔，线与线）        基材方法改进：新型结构玻纤布，常规E-玻纤布开纤布扁平布                          耐CAF，弱强提高树脂浸润性减小树脂中的离子含量HH4 和Cl为主         CCL加工方面。&