印制板高密度的变迁

印制板高密度的变迁 ------ 龚永林 Changement of High Density PWB ------ Gong YongLin 摘要: 本文介绍了电子设备对印制板高密度化,印制板高密度特征与变化,印制板技术是围绕 着高密度化而发展。 Abstract: This article introduces that electronic sets require to PWB, characteristic and change of high density PWB. The technology for PWB is Developing around high density. 关键词: 高密度 发展变化 印制板 Key Word: High Density Developing & Change PWB 印制电路问世以来约有六十年,印制板类型和生产技术是在不断发展变化。纵观变化历程,印 制板是越来越轻薄小巧,围绕着高密度化前进。 1. 高密度化是印制板发展的主线 (1)电子设备发展趋势: 多功能,小型化,便携式 以普通的收音机为例,上世纪 50年代时电子管收音机功能仅有接收中长波频率广播电台,体 积相当甚至超过现在的微波炉大小,都是放在桌子上的台式收音机; 到上世纪 70 年代时晶体管 收音机有接收中短波频率广播功能,而大小尺寸近似于一块砖,多数是可放在手提包内的便携式 收音机; 现在进入 21 世纪是集成电路收音机,接收中短波频率与调频调幅广播,有的还有录音放 音功能,外形尺寸也仅似一个肥皂盒大小甚至更小,可以放在口袋里的袖珍式收音机。 现在在城市上班族中基本上人手一部的手机(移动电话),在十多年前还是象块砖头似的又大 又笨重的“大哥大”,功能仅是接发电话; 十年发展现在是名片盒似轻巧,除接发电话外还有可以 传送书写文件与照相、上网等功能,体积更小有腕式载在手腕上,或是装饰挂件吊在身上。 (2) 电子元器件发展趋势: 小型化,轻量化, 高集成. 电子设备发展带动了电子元器件发展,而电子元器件发展又促进了电子设备发展。电子设备 达到多功能化、小型化、便携化,必要条件是电子元器件小型化,轻量化, 高集成化。 电子元器件发展最大区别是从分立元件变成集成元件,从插入安装式元件变成表面贴装式元 件。如在二十年前的彩色电视机中插入式安装的分立元件有数百上千个,“高楼林立”;现在是一 些贴片式高集成化元件,好似平原上几幢别墅。一个集成电路元件可代替成百上千个电阻电容与 晶体管,表面贴装元件 I/O端子节距小密度高,成倍增加了互连密度。 (3) 印制板发展趋势: 小型化,轻量化,高密度化 印制板是电子设备的基础配套件,它是装载元器件的骨架,流通电流信号的血管, 电子设备 1 小型化必定要求印制板小型化。在 1970年代时运算速度每秒几万次的计算机外形比柜式空调机 还大,采用十多块有 18x20 平方英寸这么大双面印制板; 现在的台式个人电脑功能超过它,所用印 制板面积总和不到 18x20平方英寸。再如现在手机用的印制板面积与重量仅是十年前大哥大式手 机中印制板的 1/3～1/4。 电子设备小型化要求逼迫印制板小型化,并且在面积缩小的板面要有更多互连功能,这就迫使 印制板实现高密度化。在电子设备、电子元器件、印制电路板三者的发展中都向着小型化、多功 能化这个目标,并且是互为因果,相互促进。因此,印制板为适应小型元器件安装,适应小型电子设备 中安装,必然要小型化、高密度化, 高密度化是印制板技术发展的主线。 2. 印制板高密度变迁 (1) 印制板高密度特征 正如电子设备小型化在不同时代这个小型化的要求是不同的,印制板高密度化在不同时代也 有不同要求。而体现印制板布线密度特征的要素有线宽、线距、孔径和层数。 有的以单位面积内导线长度与单位面积内孔数表示印制板布线密度, 当然导线长度越长与 孔数越多是印制板布线密度越高。而从印制板的设计数据和加工能力选择,以线宽、线距、孔径 和层数来体现印制板密度更便于理解和直观。印制板的线宽、线距、孔径越小及线路层数越多, 则密度越高。 (2) 印制板高密度变迁 印制板的高密度变迁可从其过去,现在,将来不同时期来说明,达到批量生产基本能力情况如 下表。 年代 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 线宽 mm ≥2.0 ≥1.0 ≥0.5 ≥0.25 ≥0.15 ≥0.10 ≥0.05 ≥0.025 线距 mm ≥1.5 ≥0.8 ≥0.5 ≥0.25 ≥0.15 ≥0.10 ≥0.05 ≥0.025 孔径 mm ≥2.0 ≥1.5 ≥1.0 ≥0.8 ≥0.5 ≥0.2 ≥0.1 ≥0.05 盘径 mm ≥5.0 ≥3.5 ≥3.0 ≥2.0 ≥1.5 ≥1.0 ≥0.5 ≥0.3 板厚孔径比 1:1 1:1 1.5:1 2 :1 3 :1 5 :1 8 :1 10 :1 层数 1 2 4 8 12 20 4+C+4 埋置元件 二十年前(1980 年代初期)印制板是安装插入式元件为主,典型的是双列直插式集成电路,引脚 节距 2.54mm(0.1英寸)或 2.5mm。因此设计以是 2.54mm坐标格为标准分布线路的,孔与连接盘中 心位于坐标格交点上,以两个中心距 2.54mm 连接盘间能走线数说明线路密度。如节距 2.54mm, 连接盘直径 1.5mm,中间是一根线条(线宽/线距=0.3/0.35),若走二根线条(线宽/线距=0.2/0.2)是高密 度了。那时印制板高密度化程度划分如下: a.超高密度线路为线宽 6mil (0.15mm); b. 高密度线路 为线宽 8mil (0.20mm); c. 中密度线路为线宽 9～15mil (0.38mm); d. 低密度线路为线宽 16mil (0.40mm)及以上。因此二十年前高密度板概念是连接盘间走二根线,线宽 8mil (0.20mm)以下。 当前(2000 年代初期) 印制板是安装贴片式元件为主,有的甚至直接安装裸芯片,IC 封装载板 也成为印制板的一个分支。现在对于 2.54mm(0.1 英寸)或 2.5mm 坐标节距规范已消失,元件 I/O 2 端子节距小于 1.0mm。现在高密度板概念是线宽/线距在 0.1/0.1mm以下,有埋孔与盲孔,孔径小于 0.15mm。 预计再二十年后(2020 年代初期) 印制板是安装贴片式元件,更多的是直接安装裸芯片板 (COB)。估计那时高密度板概念会是线宽/线距在 0.05/0.05mm 以下,全部由埋孔与盲孔实现层间 互连,微导通孔孔径小于 0.1mm。 印制板高密度化是个动态概念,如下图所示。随着需求变化与技术发展,高密度程度也在不断 提高。 线宽 mm 0.50- 0.40- 0.30- 0.25- 0.20- , 0.15- , 0.10- , 0.05- , , , , , , , 70 80 90 00 10 20 年代 (3) 印制板高密度化变化概要 印制板层数: 单面板 双面板 多层板(低层数) 多层板(高层数) 印制板厚度(mm): 刚性 2.0 1.6 1.2 0.8 … , (每层 0.1 0.075) 挠性 0.2 0.18 0.15 0.12 0.10 0.075 0.05 印制板线宽与线距(mm): 1.0 0.3 0.2 0.15 0.1 0.075 0.05 0.025 印制板孔直径(mm): 机械钻孔 2.0 1.0 0.8 0.5 0.2 0.1 0.075 0.05 激光穿孔 0.2 0.15 0.1 0.075 0.05 0.025 3. 高密度化带动印制板技术发展 印制板技术发展是围绕着怎样实现高密度化展开的,为实现高密度化全方位带动了印制板技 术发展。 (1)设计技术 印制板设计在 1980 年前主要是靠人工进行,设计师进行人工布局与布线,人工进行绘图或贴 图。在线宽大于 0.3mm 密度时凭着人的心灵手巧可制作出完美的印制板原图。随着印制板密度 提高,同时有计算机应田技术发展,就逐步由计算机辅助设计(CAD)代替人工设计;也由计算机辅助 绘图代替人工绘制原图。由计算机控制的电子版设计文件代替了厚厚的书面文件。印制板的照相 底版也由照相机拍摄变为激光扫描成像,得到精细线路图形。 印制板高密度化在设计上使布线结构产生极大变化。原先的布线密度是看固定节距(2.54mm) 连接盘之间能否走线,能走几根线。由于板子表面积有限,为实现更多线路互连只能采取多层化, 3 除了有连接盘的插件孔外,又设计出层间连接的导通孔结构。又为适应球栅阵列封装(BGA)IC 高 密度 I/O端点安装,设计出连接盘与导通孔分离(狗骨型)线路结构。现在更进一步是导通孔填塞后 形成连接盘的结构,省去了导通孔占用面积,今后会在板面见不到导通孔,全部密布线与盘。因此高 密度化要求,除了减少线宽/线距外,布线结构也在发展,从盘间走线到 微孔连线、盘孔分线(狗骨 形),再是填孔覆盘。 (2) 图形转移技术 丝网印刷是大批量制作印制板图形最经济的工艺方法,但现有丝网印刷线条宽度局限在 0.2mm以上,其无法适应印制板高密度化要求。高密度板主要用光致成像法转移图形,而光致成像 技术也是在不断改进提高。光致成像用抗蚀剂材料有干膜与湿膜(液态光致抗蚀剂),为符合精细线 路高解像力要求,使光致抗蚀剂成膜更薄和有高分辨力。在曝光设备上光源实现平行光照射,避免 光线折射使线条失真。还有自动贴膜(或涂膜)、曝光及显影、蚀刻生产线出现,既提高生产效率, 也保证高密度板加工过程质量。另外,新的激光直接成像(LDI)技术,使图形转移不需要照相底版, 避免曝光中照相底版形起的图形变形失真,直接用激光扫描板面光致抗蚀剂层得到高密度线路图 形。 (3) 孔加工技术 高密度化特征之一是孔径缩小、孔密度提高。最初孔加工是应用普通台式钻床手工钻孔,钻 速仅有数千转每分钟,刀具也是普通工具钢钻头。为提高钻孔效率和钻孔质量,采用数控 (NC)钻 床钻孔。数控钻床的发展是从单轴向多轴,即钻孔主轴从一个、二个、四个到六个、八个,使钻孔 效率成倍增加。还有是数控钻床主轴转速提高,从每分钟 3 万转、6 万转、8 万转、12 万转到 16 万转、25 万转、30 万转,大大提高了孔壁切屑质量和钻小孔效果。钻孔刀具钻头也在不断改进, 包括钻头的硬质合金材料和钻头几何形状与直径细微化等。激光穿孔是实现印制板上微小孔的新 技术,尤其适合于积层多层板盲孔与埋孔加工,激光钻机已成为加工高密度微小孔必要设备。 (4) 电镀与表面涂覆 印制板多层化使板厚度增加,而孔径在缩小,因此出现板厚与孔径之比提高。即使是 1.5mm厚 的 10 层板若钻 0.15mm 的孔,厚径比就是 10/1。高厚径比的板对孔内电镀铜的均匀性困难很大, 在电镀技术上就有多方面突破。一是电镀液改进,补充添加剂以提高电镀液分散性;二是改变电镀 电源,把通常直流电源换为周期反向脉冲电源,使孔内外电镀层均匀;三是改进电镀槽结构,或者板 子传送方式,增加镀液流动性,达到增加深镀能力。 高密度印制板表面安装的多数是贴片元件,连接盘的涂覆层要求耐热性好,平整度高,适合焊 料焊接或打线接合。另外,要符合环保要求,淘汰原有的锡铅合金焊料。因此,镍/金镀层应用增多, 无铅的锡、银涂层得到推广,经济的有机助焊剂涂层向高耐热性发展。 (5) 检测 高密度印制板的线路图形无法凭肉眼来检查,即使用放大镜也无法全面地检查。因此有自动 光学检查(AOI)技术应用于印制板检测,按照计算机程序光学扫描板面,比较鉴别导体图形的缺陷。 进一步的技术有自动光学测试(AOT)和 X 光透视检查,除了检查板子表面缺陷外还可鉴别出多层 4 板内层缺陷。另外,电气测试(ET)技术也适应板子高密度化,夹具触针更细,触点更多更密间隙更小, 测试速度更快。 (6) 基材 高密度印制板对基板材料也有更高性能要求。安装贴片元件及 IC芯片就要求印制板平整性 好,热膨胀系数小,尺寸稳定性高等,新开发的一些高 Tg 基板就是为符合这些性能特点。大多数高 密度印制板是用于数字电路,有的还是高频高速传输电路。因此要求基板吸水性低、介电常数与 介质损耗小、电性能稳定,除了环氧玻璃布外的一些低介电常数有机树脂基材得到开发应用。为 适应环境保护要求,基材内去除卤素类阻燃剂,采用无卤的绿色基板。还有精细线路加工推动了薄 铜箔应用,开发出延展性好的超薄铜箔。 正如半导体集成电路的高集成化,线宽从 50μm、10μm、1μm、0.2μm、0.1μm、0.08μm、…, 不断精细那样,印制板的高密度化也会不断进展。印制板技术发展中高密度化是个永恒的主。 5 Changement of High Density PWB