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HDI的结构与制作过程
2021-09-07
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传统PCB板钻孔受钻头影响,钻孔直径达到0.15mm时,成本已经很高,很难再提高。 HDI板的钻孔不再依赖传统的机械钻孔,而是采用激光钻孔技术。 (所以有时也叫镭射板。)HDI板的孔径一般为3-5mil(0.076-0.127mm),线宽一般为3-4mil(0.076-0.10mm),尺寸垫可以大大提高。因此,单位面积上可以获得更多的电路分布,高密度互连由此而来。
HDI技术的出现适应并推动了PCB行业的发展。这使得可以在 HDI 板中布置更密集的 BGA、QFP 等。目前HDI技术已得到广泛应用,其中一阶HDI已广泛应用于0.5PITCH BGA的PCB生产。
HDI技术的发展推动了芯片技术的发展,芯片技术的发展反过来又促进了HDI技术的完善和进步。
目前0.5PITCH BGA芯片已经逐渐被设计工程师采用,BGA的焊脚也逐渐从中心挖空或中心接地的形式转变为中心有信号输入输出需要走线的形式。
因此,一阶HDI板已经不能完全满足设计师的需求,二阶HDI开始成为研发工程师和PCB厂商共同关注的目标。一阶HDI技术是指激光盲孔仅连接表层及其相邻次层的成孔技术。二阶HDI技术是对一阶HDI技术的改进,包括直接从表面钻出的激光盲孔。到第三层,以及从表层到第二层再从第二层到第三层两种形式,难度远大于一阶HDI技术。
二。材料:
一、材料分类
a.铜箔:构成导电图形的基本材料
b.芯板(CORE):线路板的骨架,双面覆铜板,可用于内层制作的双面板。
c.半固化片(Prepreg):生产多层板不可缺少的材料,芯板与芯板之间的粘合剂,同时起绝缘作用。
d.阻焊油墨:具有板面防焊、绝缘、防腐蚀等作用。
e.字符油墨:标识作用。
f.表面处理材料:包括铅锡合金、镍金合金、银、OSP等。
2.层压绝缘层材料
HDI绝缘层使用的特殊材料RCC:
涂胶膜铜箔(Resin Coated Copper)是指在电镀铜箔上涂上一层特殊的树脂膜层。这层薄膜可以完全覆盖内层线路形成绝缘层。
主要有两种类型:B stage(Mitsui)和 B+C stage(Polyclad)

HDI板的基本结构和制造工艺介绍
特点:
*无玻璃介质层,易镭射及等离子微孔。
*薄介电层。
*极高的剥离强度。
*韧性高,操作方便。
*表面光滑,适合微窄电路蚀刻。
涂胶膜铜箔(Resin Coated Copper):一般来说,HDI板的激光钻孔是在涂胶膜铜箔上打孔。孔径的形状与一般机械钻孔的形状并不完全相同。激光钻孔的形状为倒置的梯形。在一般机械钻孔中,孔的形状为柱形。考虑到激光钻孔的能量和效率,镭射孔的孔径尺寸不能太大。一般为0.076-0.10mm。
HDI板所需的其他材料如:板料;半固化片和铜箔等没有特殊要求。由于激光板的电流一般不会太大,所以电路的铜厚一般不会太厚。内层一般为1盎司,外层一般为半盎司底铜镀至1盎司成品铜厚。板材的厚度一般较薄。并且由于RCC只含有树脂,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。
三。流程:
下面我们以一块2+4+2的8层板为例来说明HDI的制作过程:
1.开料(CUT)
开料是将原覆铜板切割成可以在生产线上制作的板子的过程。
2.内层干膜:(INNER DRY FILM)
内层干膜是将内层线路图形转移到PCB板上的过程。
在PCB制作中我们会提到 图形转移这个概念,因为导电图形的制作是PCB制作的根本。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、内层蚀刻等多道工序。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。曝光显影是将贴好膜的板将进行曝光,透光的部分被固化,没透光的部分还是干膜。然后经过显影,褪掉没固化的干膜,将贴有固化保护膜的板进行蚀刻。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。
我们最主要考虑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。
3.黑化和棕化:(BLACK OXIDATION)
黑化和棕化的目的
1. 去除表面的油污,杂质等污染物;
2. 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;
3. 使非极性的铜表面变成带极性CuO和Cu 2 O的表面,增加铜箔与树脂间的极性键结合;
4. 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。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Cu 2 O为红色、CuO为黑色,所以氧化层中Cu 2 O为主称为棕化、CuO为主的称为黑化。
4.层压:(PRESSING)
1. 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。
2. 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。
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。
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。
5.钻盲埋孔:(DRILLING)
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。
目前来说,机械孔的孔径必须在8mil以上。机械钻孔的形式决定了盲埋孔的非交叉性。就以我们这块八层板而言,我们可以同时加工3 6层的埋孔、12层的盲孔和7 8层的盲孔等等形式。但如果设计的是既有3-5层的埋孔,又有4-6层的埋孔,这样的设计在生产上将无法实现。另外,从前面的层压我们可以了解到对称的必要性,如果此时不是3-6层的埋孔而是3-5层或4-6层的埋孔,制作难度与报废率将大幅提高,其成本将是3-6层埋孔的6倍以上。
6.沉铜与加厚铜(孔的金属化)
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。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。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)。
孔的金属化涉及到一个制成能力的概念,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。

7.第二层内干膜
3-6层埋孔金属化后,我们用树脂油墨塞住孔,然后我们的板将转移回内部干膜,制作内部电路的第3层和第6层。完成第 3 层和第 6 层后,我们将板变黑或变褐,然后将其发送到第二层层压。由于与前面的步骤相同,因此不再详细描述。
8.二次贴合(HDI压板)
HDI板压板:因为HDI的绝缘层厚度比较薄。因此,压板比较困难。由于同等厚度的LDP的强度比RCC好很多,流速也较慢,因此更容易控制。
内层有盲埋孔的线路更容易因为凹陷而造成开路。因此,如果内层有盲埋孔,外层的电路设计应尽量避开内盲埋孔的位置。至少线路不应该穿过盲埋孔的中间位置。
另外,如果压板时第二层和倒数第二层之间的埋孔过多,由于形成了通道,上侧的介电层厚度会比下层的厚度薄在压板过程中。介电层的厚度。因此,在电路设计时应尽量减少此类孔的数量。
CO 2 激光盲孔制造的工艺有很多种,各有优缺点。开铜窗法( Conformal mask)是目前业界最成熟的CO 2 激光盲孔制作工艺。这种加工方法是采用图案转移工艺,蚀刻表面的铜箔层,蚀刻出需要激光加工的孔径。然后根据铜膜的坐标程序,用比要加工的孔径尺寸更大的激光束加工相同尺寸的小窗口。这种加工方法多用于多层多层板的减材制造过程中。 SYE 即此工艺用于制作CO 2 激光盲孔。
9.Conformal Mask

1、Conformal Mask是激光打孔的前期准备工序。它分为两部分:Conformal mask1和Conformal mask2。
2、Conformal mask1是通过在上下的铜箔上划线,蚀刻出母板外围与子板外层盲孔(激光孔)之间的PAD对应的铜箔子板两侧,同时蚀刻母板 上部对应设置在子板两侧的自动曝光机对准目标的铜箔,用于生产保形掩模2和激光钻孔。
3、Conformal mask2是在电路板上下两面的铜箔上,在每个激光孔的位置蚀刻一个比激光孔稍大的窗口,通过做CO 2 激光加工的线条。

10. 激光钻孔
由于用激光对HDI板用树脂燃烧树脂形成连通盲孔是用激光钻的,当激光从上向下钻时,能量逐渐减小,所以随着孔径不断加深, 孔的直径不断变小。激光孔的孔径一般为4-6mil(0.10-0.15mm)。根据IPC6016,孔径<<=0.15mm的孔称为微通孔。
如果孔径大于0.15mm,一次钻孔困难,但需要螺旋钻孔,导致钻孔效率降低。成本急剧上升。目前激光打孔一般采用三枪成孔,激光打孔速度一般为每秒100-200次。并且随着孔径的缩小,钻孔速度明显加快。
例如:当孔径为0.100mm时,钻孔速度为每秒120次。孔径为0.076mm时,钻孔速度为每秒170个孔。
11. 激光钻孔金属化
由于HDI板的激光钻孔是通过激光钻孔,激光钻孔时的高温会烧毁孔壁。烧焦的熔渣粘附在孔壁上,同时由于激光的高温燃烧,第二层铜被氧化。因此,钻孔后的微孔需要在电镀前进行预处理。由于板的孔径比较小,不是通孔,孔内的焦炭残渣很难清除。去毛孔的时候需要用高压水冲洗。
对于圣2阶HDI板的封装形式,需要特殊的盲孔电镀和铜填充技术,成本会大大增加,所以目前只用于一些高端产品的设计和生产。
12、第三次内层干膜
在金属化盲孔之后,将执行第二个 Conformal mask1。然后开始二次外层图的制作,即内层干膜工艺返回到第2层和第7层图。成品电路将送至黑化工序进行氧化处理。然后将第三次层压 PCB。
层压板将进行第三次盲孔蚀刻铜1和第二盲孔蚀刻铜2的生产。这是为第二次激光钻孔做准备。由上可知,对于二阶HDI需要经过多次对齐,因此对齐误差也会累积,这也是二阶HDI剔除率较大的原因之一。
就制作难度而言,二阶HDI板的各种设计从简单到难的顺序如下:
1.有1-2层和2-3层孔。 2.只有1-3层孔。 3.有1-2层和1-3层孔。 4.有2-3层和1-3层孔。 5.有1-2层,2-3层,1-3层孔。
1、设计HDI孔时,尽量采用对称设计。上面只列出了一侧,另一侧是相同的。
2.上述孔均为HDI孔 13.第二次激光钻孔 14.机械钻孔(钻通孔) 15.去钻沉铜(P.T.H)
将盲孔和通孔金属化在一起
至此,HDI的特殊过程结束,正常转移到普通板的过程结束。
16. 干膜和图案电镀
外层图案转移的原理与内层图案转移相似。两者都使用感光干膜和照相的方法在板上印刷电路图案。
外干膜和内干膜的区别是:
⒈ 如果采用减影法,外层干膜与内层干膜相同,负片为板。板子的固化干膜部分就是电路。去除未固化的膜,酸蚀后退膜,电路图形因膜的保护而留在板上。
⒉ 如果采用正常方法,外层干膜采用正片。板子的固化部分为非电路区(基材区)。去除未固化膜后,进行图案电镀。有膜的地方不能电镀,没有膜的地方先镀铜再镀锡。去除薄膜后,进行碱性蚀刻,最后去除锡。电路图案保留在板上,因为它受到锡的保护。
17. Wet film (solder mask) WET FILM SOLDER MASK
1、概念:阻焊工艺是在板子表面增加一层阻焊层。这层阻焊层称为阻焊层(Solder Mask)或阻焊油墨,俗称绿油。其作用主要是防止导体线路出现不良镀锡,防止线路之间因潮湿、化学药品等原因造成的短路,生产装配过程中操作不良引起的断路,绝缘,耐各种恶劣环境,以确保印制板的功能等
2、原理:目前PCB厂家使用的这层油墨基本都是使用液态感光油墨。制作原理部分类似于线图的转移。它还使用薄膜来阻挡曝光并将阻焊图案转移到PCB表面。具体流程如下:
前处理 》涂装 》预烘 》曝光 》显影 》UV固化 》热固化
与此过程相关的是soldmask 文件。涉及的工艺能力包括阻焊层对位精度、绿油桥尺寸、过孔的制作方法、阻焊层厚度等参数。同时,阻焊油墨的质量也会对后期的表面处理、SMT贴装、储存和使用寿命产生很大的影响。此外,整个过程耗时长,制造方法多,因此是PCB生产中的重要工序。
目前,过孔的设计和制造方式是很多设计工程师比较关心的问题。阻焊层引起的明显问题是PCB质检工程师检查的重点项目。
18.选择性浸金(IMMERSION GOLD)
化学镀镍/金是对镀层后需要电镀的外露部分进行表面处理的一种方法。

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