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1、增层法多层板与非机钻式导孔Build Up MLB and Non Drilled Via Hole作者：白蓉生先生 前言： 早期多层板之层间互连与零件脚插装，皆依靠全通式的镀通孔 ( PTH ) 去执行。彼时组装不密，布线不多，故问题也不大。然因电子产品功能提升与零件增加，乃由早先的通孔插装改为节省板面的表面黏装。 1980年后SMT开始渐入量产，使得 PCB在小孔细在线成为重耍的课题。然而这种采用钖膏与波焊的双面黏装做法，仍受到零件不断复杂化与引脚持续增多，以及 芯片级封装(CSP)极端轻薄短小的多层板压力下，积极因应的PCB业界又于1990年起推出 非机械钻孔 式的盲孔埋孔甚至通孔，与板
2、外逐次增加层面的增层法 (Build Up Process工研院工材所译为积层式多层板) ，在微薄化方面再次出现革命性的进步。本文即针对该非传统钻孔的各种专密制程加以概述，并专对电浆咬孔与雷射烧孔等两种商用制程做较详细的介绍。 一、传统多层板的制做与受限 1.传统流程 传统多层板对层与层之间互连(Interconnection)的做法，是先在各内层薄基上，以阻剂选择蚀铜做出所需的圆垫Pads)，经压合及钻孔后即可将各层圆垫予以串通。并再以PTH及电镀铜方式使各层孔环得兴孔壁导通。最后完成外层板面蚀刻的线路，即成为每层用孔环衔接全通孔(PTH)的互连系统，其流程概要如下： .先就各内层面上的线路
3、与圆垫进行成像与蚀刻(Print and Etch)，得到所 需的导体图形。 .随即进行黑/棕氧化处理(BlackBrown Oxide Treatment)完成各内层板。 .加入胶片(Prepreg)与外层铜箔进行迭合与压合，成为多层板半成品。 .再进行钻孔、镀通孔(PTH)、成像(Image Transfer;正片法或负片法)及 蚀刻得到外层线路并完成多层板之成品。 2.外层面积的限制 传统多层板系采单次压合为半成品，再行钻孔镀孔与线路蚀刻而达到整体互连之目的。凡欲与孔铜壁导通者则利用孔环(Annular Ring)与其它线路衔接;凡不欲与孔铜壁导通者，则在各层孔环外缘与大铜面之间采用空环
4、(Clearance)予以隔绝(Isolation)。 此种一次成型全板贯穿的传统互连做法，处于目前之多脚零件增量装配，在降低成本减少层数，致使细线布局不断增密而渴求面积情形下，只有尽量缩小孔径兴孔环，甚至出现极其困难的无环(Landless)通孔以为因应。如此将使孔径逼小到 1Omil以下的境界，对生产力与成本方面都造成极大的负面影响。 面临密集组装时传统全通孔所呈现的缺失有： 层间互连用的传统通孔无法直接做在板面SMD的脚垫上，需另以扇出( 图 l. 左为传统 SMD 焊垫进行互连所需之 ”扇出”(Fan Out) 引线与垫上直接盲孔无 Fan Out之比较。右为插孔、SMD 扇接导孔、及
5、电浆法盲导孔等孔径大小之比较。Fan Out)方式连通各脚垫，对板面的有限空间而言可谓十分浪费。 全通孔会破坏多层板内在电压层的完整性，使电容蒙受损失增加噪声。 争夺零件组装所需的面积。 妨碍多层板内在讯号层的布线面桢。 密集组装迫使通孔孔径愈来愈小，成本也愈来愈贵。 早期镀通孔除用于层间互连之目的外，还需担负起零件脚插装的任务，故孔径兴孔距皆有其下限。I986年以后SMT十分成熟之际，除了高功率大 型 CPU(约1OW)与附加卡(Add-on Card)仍需挥装以确保可靠度之外，其余大多数零件的引脚均已改成表面黏装，因而板面上只需留下必要的矩型焊垫以供接脚即可。 此种只扮演层间互连的传统镀通
6、孔，似乎无需一定要贯穿全板，大可改 变成为只在部份层次间连通的盲孔(Blind Hole)与埋孔(Buried Hole)，以省下通孔在板面上的用地，让有限的外层面积尽量用以布线与焊接零件。这就是板外逐次增层法(Build-up)与非机钻式(Non-drilled)导孔(Via)的起因。 图2. 全通 PTH 之传统多层板经部份改成盲孔埋孔后之挤缩小型化情形。3.传统埋导孔(Buried Via)与盲导孔(Blind Via) 传统多层板的埋孔制作并不困难，只要按一般双面板做法，先将各内层薄板进行钻孔、镀孔及线路蚀刻后，再用真空压合法以胶片之流胶去填满各内导孔，即可压合成为有埋孔的多层板。 至
7、于传统盲孔的做法也不难，常见的六层板可分别先做两片有通孔的薄双面板当成外层，与另一片无孔的内层板一并压合成为六层板，即出现已填胶的盲孔。再进行整体全通孔的制作，则成为有盲孔与通孔的MLB。若欲另做埋孔时，则也可将中间的内层板先做成双面板，三片双面板压合后即可达到有盲孔埋孔的六层板。此类制程称为逐次压合(Sequential Laminated)式多层板。此等做法流程太长，占用生产线资源太多，成本并不便宜。 至于压合后外层板面所特做的机钻式盲孔，其制作并不容易。首先要精 确设定锁头在Z轴的下钻深度，使恰好到达某一内层铜垫上，形成有锥底的杯状盲孔。所钻出的裸盲孔还要再经小心镀铜才能成为可连通的盲导
8、孔。其 工程中不但设定深度十分不易，而且化学铜与电镀铜也因其槽液无法流动替换，在不易赶走氢气下一旦其纵横比超过1：1时，则锥底即很难镀满。 图3. 左为机钻定深盲孔，孔径 48mil 孔深 44mil之镀后情形。中为 CO2雷射四个脉冲 二、增层法(Build Up Process)与非机钻式之埋孔与盲孔 现以双面或四层板为基础，采纳上述逐次压合(Sequential Lamination)的 观念，于其板外逐次增加线路层，并以非机钻式 之盲孔做为增层间的互连，已成为时下最受全球业界注目的增层法，(Build Up Process)。为避免在发音上 与原有加成法(Additive Proces
9、s)混淆起见，特译之为增层法以资区别。此等新开发非钻孔式各种超薄多层板，其做法极多各种花样不胜枚举，大体上可分四类： 1.感光成孔式导孔(Photo-Via) 图4. 以感光成孔所做的两增层，及与 FR-4 核板压合再经机械钻做全通孔(PTH)之示意图。利用感光阻剂层兼做为久性的感光介质层（Photo-Imageable Dielectric 简称PID)，先在完工的双面核心板上进行涂布PID层，并针对特定孔位处加以显像(Developing)，使露出碗底所预留的铜垫即形成碗状裸盲孔。再以化学铜与电镀铜进行全面加成，经选择性蚀刻后即可得外层到线路与盲导孔。也可不镀铜而改成塞银膏或铜膏填孔而完成
10、导通。此双面核心板得到第一次两面增层后，还可再继续涂布PID与加成镀铜及蚀刻，做出高密薄形的Build up多层板。 此类感光导孔之商业制程很多，其中IBM公司l989年在日本Yasu工厂所推出的SLC制程(Surface Laminar Circuits)最早夺得先声。该法是以CibaGeige濂涂式绿漆Probimer 52的油墨做为感光介质(PID)，比法可得 3mil/3mil之线宽线距，盲孔之底径约5mil，孔口约10mil。杜邦亦于推出一种干膜式的 PID，其商名为ViaLux 100，使得施工为方便，介质平坦性也将更好。 图5.此为采用 PID 所感光及显像而成的增层光孔 (Ph
11、oto Via)，孔径 6mil，孔深2mil，孔壁铜厚 1mil。注意其镀铜层是以低电流所镀故分布十分良好。 IBM另在纽约州的Endicott厂及德州Austin厂均曾将SLC之洛剂显像改成水溶液显像；后者称为ALT法曾于笔记型计算机Think Pad的主机板，以及工作站绘图卡，PCMCIA卡，MCM-L与摄录像机之电路板方面有过量产用途。 本法所用环氧树脂式的液态感光介质，除上述Probimer 52或65外，尚另有Shiply FP-9500等十余种湿膜或干膜式的感光介质。由于其等树脂之Tg 普遍不高，只做为导线或焊接的多层板尚可，一旦需芯片直接安装(DCA，COB等)而 需高温打线（
12、Wire Bond)时，则因材质在高温中较软而达不到打线的质量。我国工研院工材所，亦曾以酚醛树脂添加感光树脂做为介质，进行研究试做。 2.雷射钻（烧）孔Laser Ablation 二氧化碳雷射: 是利用CO2及掺杂其它如N2、He、CO等气体，在增加功率及维持放电时间下，产生波长在9，300nm10，600nm之间可实用的脉冲式(Pulse)红外雷射光。业界用于钻孔者有RF Excited CO2及TEA CO2两种方式激发的雷射，可用以制做盲孔之板材以无玻纤布的特殊背胶铜箔(Resin Coated Copper Foil，RCC)最佳，一般普通铜箔与传统胶片所压合的增层盲孔也还可行。但均
13、需采选择性蚀铜制程，除去局部铜箔盖子而露出孔位处的基材，再以不伤铜箔只能烧毁非金属物质的CO2雷射光，按钻孔程序带逐一烧出盲孔。此等雷射可被树脂大量吸收，故能顺利使之烧毁及气化而完成钻孔。至于玻纤部份则因吸收不足致使烧除效果也较差。 图6. CO2雷射钻孔须先蚀铜才能烧掉正下方的非金属板材，见到铜底后即可洗孔镀孔。 : YAG雷射： 系由铌(Neodymium)与钇铝柘榴石(Yttrium Aluminium Garnet)两种固媒体所共同激发出现的雷射光。此等紫外光之能量很强可直接穿过铜皮烧成盲孔，或可调整能旦烧穿两层铜皮成较深的盲孔。但由于尖峰能量很强，常会造成板材的灼伤或烧焦，对整体孔的
14、质量颇有影响。 (Excited Dimer)Laser 准分子雷射 是由某些稀有气态卤化物、二聚物，及氧化物等激发而成的雷射光，系波长在200nm300nm之间的紫外光。此等雷射之功率虽高但却范围很大不易集中，故只能在特殊光罩的局限下，才能对有机树脂进行精密的修整、轻蚀或清洁的工作，用以钻孔则耗时过久效率太差。 图7. 此为目前钻孔用各种雷射的光谱图，可见到 YAG 雷射之原始波(1064nm)，三次倍频后 3.干式电浆蚀孔Plasma Etching 是在核心板材(Core)上进行增层的做法，与上述雷射法颇为相似，只是将盲孔内的非金属板材改用电浆蚀空使露出碗底，不过电浆只能吃掉树脂而不能咬
15、玻璃。经线路制作后即可完成层间的导通互连。 此法最早是1989年由Dr. Walter Schmidt于苏黎世开创的Dyconex公司所推出，现商业化之名称为DYCOstrate法。可于孔位铜箔蚀去后，采多片板子同时送入电桨机中，在 CF4，O2及N2等气体电离后的自由基攻击下，同时做出通孔或盲孔。此DYCOstrate法现已授权IBM及HP两家公司，HP公司在美国及海外PCB业界的名气较大，故乃二房东方式另做技术授权的生意，国内现亦有三家公司签约取得电浆蚀孔制程的使用权。预计此种电浆法将会在高阶板类进入量产的领域。 图8. 此为三种盲孔制程(电浆、雷射、感光）的简明对比情形。 4.湿式化学蚀孔 Chemical Etching 当孔位铜箔被蚀去后，以强碱性化学溶液对特殊配方的基材进行溶蚀，直到露出底部铜垫后即得到被淘空的盲孔。比法曾在日本业界使用。上述四种微盲孔(5mil以下)技术，将在高密度小型薄板上逐渐取代传统通孔(PTH)，进一步使得板面上零件的布局与组装更为紧密。 三、现有增层法(Build Up)
