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1、PCB 生产技术和发展趋势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 1979 导线 3m 300 m 1100 2000 0、18m 10030m 156o 1170 2010 0、05m 10m(HDI/BUM?) 1 200 注：导通孔尺寸也随着导线精细化而减小，一般为导线宽度尺寸的 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
2、） 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 I/o数 1664 323041211600 1000 ？ 信号传输高频化和高速数字化，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 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
3、 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
4、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
5、好。 高密度化（主要）： 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。 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。
6、 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 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150150mm2 的尺寸）以m 计。 30m20m10m5m。 2 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 | 激光成孔 导通孔结构复杂化。 全通孔埋/盲孔
7、/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）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. 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。(Hitachi 已开发 30万转/分的钻机，可配合使用 0.10mm 的钻针) （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）。 （C
8、）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. 200m100m50
9、m30m * 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 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。 *热效率、烧蚀之、热加工 优缺点： *功率大、生产率高。 *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）。 （C）UV 激光成孔 适于连接 CO2激光成微孔（100m） 成孔原理 *波长 355nm 266nm *破坏结合键（金属键、公价键、离子键）冷加工。 优缺点： *适宜于更小的微孔如100m 孔，成本高，效率低 （D
10、）CO2 激光和 UV 激光的优缺点（表 3所示） 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 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 C0.5 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 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1/3）；缩小板的尺寸或层数；改善了电气性能和可靠性等。 一
11、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%）。 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 prep
12、reg lay 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。 2.4.6 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 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 附加定位槽定来限制
13、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 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
14、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）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
15、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）。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，可经过多次焊接
16、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）， 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
17、.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，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
18、）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
19、/99.2,熔点为 227C 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 Cu3Sn、Cu6Sn 等 IMC 和SnOx（SnO、SnO2）的形成过程，可以多次通过高温焊接（1001000 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， 这个问题越来越突出了，（孔与孔，线与线） 基材方法改进：
20、 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。 改进钻孔质量：粗糙度由 50m30m20m 改进去钻污条件与方法：重量损失控制在 0.20.3mg/cm2 或金相剖析来确定。 2.6.4 介质层厚度均匀性和表面平整度。 介质层厚度均匀性 介质层厚度尺寸均匀性，尺寸（厚度）偏差要小。10%5% 介质层内部结构（厚度）均匀性即增强材料和树脂分布均匀性， 常规玻纤布开纤布扁平布。 介质层表面平整度。 常规 E玻纤布会造成“结点”和“空格子”现象，充填树脂固化后会形成不平的表面，影响精细导线的生产与制造。
21、 2.6.6 特种 CCL 材料 高导热性 CCL 材料 金属基 CCL 材料：铜；铝；殷钢；钼板；炭素板等。 在介质中加入导热性绝缘材料，正在开发中。 平面无源元件用 CCL 材料 平面电容用 CCL 材料 平面电阻用 CCL 材料 平面电感用 CCL 材料（很少应用） 2.6.7 扁平（MS）E玻纤布材料。 扁平 E玻纤布结构与特点。 结构 特点 项 目 常规 E玻纤布材料 开纤布材料 扁平布材料 介质层内部均匀性 差好 图 形 隆 起 大小 树 脂 裂 纹 可能不会 激光加工性 差好 尺寸稳定性 差好 积层 项 目 RCC 材料 常规 E玻纤布材料 扁平布材料 介质层内部均匀性 好 差
22、好 图 形 隆 起 大 中 小 树 脂 裂 纹 可能 不多 不会 激光加工性 好 可用 优 尺寸稳定性 差 好 优 积层层数 12 层 中 多 扁平 E玻纤布的优点。 适用于微小化孔的加工。 机械加工。 激光加工 精细导线的加工。 表面有好的平整度。 好的精细导线陡直度。 增加表面积层层数。 消除了图形隆起（printed through）形成平滑的表面. 易于控制积层的介质层厚度，改进了 Z0 控制范围，抬高了电气性能。 改善了耐 CAF 性能 CAF 的成因。CAF 的形成是指在电场作用下跨越绝缘介质材料而迁移的导电性金属盐类的电化学迁移行为。即： 有金属盐类存在； 有潮湿/蒸汽压存在；
23、绝缘介质材料有缺陷； 施加电场（电压/偏压）。 CAF 可发生在孔与孔 孔与线 线与线 层与层等等之间，但最常见的是在孔与孔之间发生 CAF 问题。 CCL 材料方面的改进 采用新型玻纤布（MS 布或扁平布）。改善树脂与玻纤布（丝）间均匀分布与树脂的渗透，从而增加树脂与玻纤布间结合力和减少树脂与玻纤布间的残留应力。同时可改善钻孔质量（如减低孔壁粗糙度等），改进 CCL 平整度（铜箔与树脂间均匀结合）。 提高树脂对玻纤布的浸润性。选用低表面张力的偶联剂（硅烷类）来提高浸润性。 减少树脂中的离子含量。多种离子会促进铜离子迁移作用，CCL 中会存在 Cl+和 NH4+等。Cl+ 来自树脂中固化剂，NH4+来自树脂合成时残留的水解 Cl. 降低基材吸水率。 PCB 在制板加工的改。 改进钻孔质量。改进钻孔掺数，消除或减少撕裂现象，并使粗糙度从 40m 上下减少到 20m 以下。 改进去钻污条件和方法。保证去污的重量损失在 0.20.3m/cm2 之间，易于清洗并形成干净的孔壁。 改进清洗方法。随着高密度化发展线条间隙减小和精细化，清洁困难。应采用去离子水清洗和离子污染度测试。 采用新型玻纤布的 CCL 和半固化片。当介质层越来越薄时，应采用均匀分布的介质层。
