PCB(印刷電路板)是提供電子零組件在安裝與互連時的主要支撐體,其依照電路設計,將連接電路零件之電氣布線繪制成布線圖形,并利用機械加工、表面處理等方式,在絕緣體上使電氣導體重現。由于電路板質量好壞將直接影響手機的可靠度,因此是手機上不可或缺的關鍵基礎零件。隨著手機功能的增加,手機的電路設計復雜度亦隨之增加,加上消費者對手機輕薄短小需求日增,也使得電路板的設計朝向如何在單位面積中布更多的線路,以達到搭載更多組件的目的。
因此,隨著手機輕薄短小的需求,PCB技術層次不斷精進,從早期一次成型全板貫穿的互連做法開始,發展至應用局部層間內通的埋孔及外層相連之盲孔技術制造的盲/埋孔板,一直到利用非機械成孔方式制造的高密度互連基板(HDI),手機板的線寬/線距亦由早期的6/6(mils/mils)進步到目前HDI板的3/3~2/2(mils/mils)。
HDI電路板定義
HDI電路板的定義是指孔徑在6mil以下,孔環之環徑在0.25mm以下的微導孔,接點密度在130點/平方吋以上,布線密度于117吋/平方吋以上,其線寬/間距為3mil/3mil以下的印刷電路板。HDI電路板有以下幾項優點:
1.可降低PCB成本:當PCB的密度增加超過八層板后,以HDI來制造,其成本將較傳統復雜的壓合制程來得低。
2.增加線路密度:傳統電路板與零件的互連,必須經由QFP四周所引出的線路與通孔導體作為連接的方式(扇入及扇出方式),因此這些線路需要占據一些空間。而微孔技術可以將互連所需的布線藏到下一層去,其不同層次間焊墊與引線的銜接,則以墊內的盲孔直接連通,無須以扇入及扇出式布線。因此外層板面上可放置一些焊墊(如mini-BGA或CSP之小型球焊)以承接較多的零件,可增加電路板的密度。目前許多高功能小型無線電話的手機板,便是使用此種新式堆棧與布線法。
3.有利于先進構裝技術的使用:一般傳統鉆孔技術因焊墊大小(通孔)及機械鉆孔的問題,并不能滿足新世代細線路的小型零件需求。而利用微孔技術的制程進步,設計者可以將最新的高密度IC構裝技術,如矩陣構裝(Array
package)、CSP及DCA(Direct Chip Attach)等設計到系統中。
4.擁有更佳的電性能及訊號正確性:利用微孔互連除可以減少訊號的反射及線路間的串訊干擾,并使電路板線路的設計可以增加更多空間外,由于微孔的物理結構性質是孔洞小且短,所以可減少電感及電容的效應,也可減少訊號傳送時的交換噪聲。
5.可靠度較佳:微孔因有較薄的厚度及1:1的縱橫比,在訊號傳遞時的可靠度比一般的通孔來得高。
6.可改善熱性質:HDI板的絕緣介電材料有較高的玻璃轉換溫度,因此有較佳的熱性質。
7.可改善射頻干擾/電磁波干擾/靜電釋放(RFI/EMI/ESD):微孔技術可以讓電路板設計者縮短接地層與訊號層的距離,以減少射頻干擾及電磁波干擾;另一方面可以增加接地線的數目,避免電路中零件因靜電聚集造成瞬間放電,而發生損壞。
8.增加設計效率:微孔技術可以讓線路安排在內層,使線路設計者有較多的設計空間,因此在線路設計的效率可以更高。
增層法
為因應電路板上組件密度增加、細線布局不斷增密、層板間互連密度增大,增層法(Build
Up)的技術發展迅速,目前已成為制造HDI板結構的超薄多層線路板及載板,不可或缺的重要技術。所謂增層法就是利用傳統多層板逐次壓合的觀念,在以雙層或四層板為基礎的核心基板的板外,逐次增加絕緣層及導體層,在絕緣層上制造導體線路,并以非機械成孔之微孔做為增層間的互連,而在部分層次間連通的盲孔(Blind
Hole)與埋孔(Buried
Hole),可省下通孔在板面上的占用空間,使有限的外層面積可盡量用以布線和焊接零件。一般來說,增層法制程與傳統印刷電路板制程主要差異,是傳統印刷電路板使用半固化片為材料,將已制作線路之雙面板,依需求層數,迭合對位一次壓合而成多層結構的電路基板;而增層法是在既定的基板上,一層一層個別制作而達到多層結構的功能,因此,Build-Up基板的功能特性,與增層前基板材質的特性息息相關。制程上,增層板制程的分類包括了絕緣的材料、微孔制作的方式及金屬化制程。在絕緣材料方面,有液態、膜狀及與其它材料結合之薄膜。微孔成孔方法主要有影像成孔、雷射鉆孔、干或濕式蝕刻等。在金屬化制程方面則有全加成法、半加成法、減成法及導電膠。目前臺灣HDI手機板的制作主要以利用背膠銅箔(RCC)加上雷射鉆孔的方式為主。
以背膠銅箔材質的制程為例:一開始以制作好的雙層板或多層板為核心基材,在將背膠銅箔壓合在基板之前,一般會有預先處理的程序,來增進背膠銅箔與基板間的表面附著力。當背膠銅箔被固定在基板上后,隨著對銅箔的不同處理而有多樣的制造程序。我們可以利用蝕刻的方式將銅箔層的厚度減少到3~5μm,或者完全去除銅箔層,直接以雷射鉆孔、無電鍍銅、除膠渣、全板鍍銅、完成整個表面線路的導線連接,或直接在厚銅上制造銅窗、以雷射法或電漿法成孔、無電鍍銅、全板鍍銅等方式,完成整個表面線路的導線連接,并重復以上程序來增加層板數。通常我們在核心基板的兩側以對稱的方式增層,以防止電路板變形及扭曲,只有特殊的情況下才會在基板的單側做不對稱的增層。
電路(信號完整性)考慮
實際電路的性能因信號上升時間的不同而有所差別,由于這些面積較大、性能要求較高的HDI板處理的是高速的計算機總線或電信信號,它們對于噪聲和信號反射非常敏感。以下5個最本質的特性可描述出信號的敏感度:特性阻抗,低壓差分信號(LVDS),信號衰減,
噪音敏感度,串音干擾,信號完整性因素。
單端的微帶線、帶狀線、共面和差分信號的特性阻抗是由基材的介電常數、板厚、層疊結構、設計規則共同決定的。信號的衰減是材料的介電損耗、設計規則和線路長度共同作用的結果。包括串擾在內的各種噪音如:
地平面反彈噪聲(ground bounce) ,開關噪聲(switching noise),電源峰值噪聲(Power supply
spikes)等,則是由板的疊層結構確定的電源耦合、地層、設計規則和原材料特性共同作用的結果。改善高速信號板的信號完整性的一個主要目標就是降低電感。低電感值的SMT
焊盤通常是那些沒有走線或采用 VIP(Via -in-pad)工藝的焊盤。
基材的考慮
高性能多層板的基材特性是首要考慮的因素,5個基材特性與其它設計因素相互影響。板厚,介電常數(Dk), 耗散因素(Dj)/介質損耗角,線性熱膨脹系數(CTE),玻璃轉變溫度(Tg)。然而介電常數(Dk)和耗散因素是影響電氣性能最主要的兩個特性。許多不含環氧材料的樹脂可被采用,也可使用多種類型的增強纖維材料(包括不含增強材料的背膠銅箔(RCF—Resin
Coated Foil))。前述的兩個因素的結合決定了基材的介電性能,樹脂也有典型的玻璃轉變溫度——Tg值。
疊層的考慮
板的疊層和設計規則的不確定性對印制電路板生產商有一定的影響,這就要求控制在生產商的生產能力范圍內否則設計目標無法達到。如下因素至關重要: 板厚,VIP工藝,設計規則,過孔結構,突破模式。采用微孔工藝的VIP技術很容易達到8mil(0.2mm)的焊盤,要比埋孔大一些。即信號層和設計規則所確定的傳輸線路的容量要比元件和電路要求的傳輸線路的容量大。
手機用HDI板發展趨勢
通常在一支70g左右的手機產品中,電池重約20g,外殼重約15g,印刷電路板(已安裝組件)重約15g,三者分別約占產品總重的30%、20%和20%。在手機朝向輕量化發展的趨勢下,預計透過電路板薄型化與采用高集成化LSI減少安裝面積,可再降低3g重量。而在電路板薄型化的部分即是使用高密度電路布線的HDI電路板,以降低板的層數達到薄型化的目標。手機用HDI板為支持產品設計端的發展,追求單位面積更高密度是未來不斷發展的方向。目前手機產品大約已有75~80%使用到HDI電路板,主要為1+4+1結構的六層板,2003年起手機用HDI電路板將朝2+4+2結構的八層板發展,線寬/距則為60/60μm。
