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PCB多层板技术持续更新 以满足电子产品轻薄化需求

发布时间 :2018-07-05 10:38 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCB制板部
视电子装置及设备功能及设计的不同,印刷电路板(PCB)依电路层数,可分为单面板、双面板及多层板,多层板的层数甚至可多达十几层。高密度互连(High Density Interconnect;HDI)PCB的出现,更促使手机、超薄型笔记本电脑、平板电脑、数位相机、车用电子、数位摄影机等电子产品得以缩小主板设计,达到轻薄短小的目标,更重要的是,可以将更多的内部空间留给电池,装置的续航力得以延长。
 
HDI高密度互连技术与传统印刷电路板的最大差异,在于成孔方式。传统印刷电路板采用机钻孔法,而HDI板则是使用雷射成孔等非机钻孔法。HDI板使用增层法(Build Up)制造,一般HDI板基本上采用一次增层,高阶HDI板则采用二次或二次以上的增层技术,并同时使用电镀填孔、迭孔、雷射直接打孔等先进PCB技术。
 
HDI PCB能让手机等产品更轻薄。
HDI PCB能让手机等产品更轻薄。
 
利用3D列印机器可制造多层板。
利用3D列印机器可制造多层板。
 
手机产品大力采用高密度连结板
高密度连结板的使用已非常广泛,例如,目前智能手机内建主机板就以HDI板为主,甚至是任意层高密度连接板(Any Layer HDI)。任意层高密度连接板HDI制程与一般的HDI差别在于,后者是直接贯穿PCB层与层之间的板层,而任意层高密度连接板则可以省略中间的基材,让产品的厚度变得更薄。一般来说,一阶HDI改采用Any-layer HDI,可减少近4成左右的体积。
 
苹果及非苹阵营产品已大量采用任意层高密度连接板,主要诉求就是要让产品本身更轻薄,并将有限的内部空间让给电池使用,以提升电池续航力。
 
高密度连结多层板已是市场所趋,且对于台湾业者来说,具有高度资金、技术门槛的高阶HDI板有助于避开红色供应链的价格竞争,因此成为台湾PCB厂扩充的重点,多家台湾大型PCB业者,包括华通、欣兴及燿华等皆积极布局,扩充的产能多以细线路设备为主。
 
其中,燿华在2015年就已投资新台币10?15亿元于宜兰厂,将 Any Layer HDI制程产能由每月30万平方迟扩充到33万平方迟,增幅达10%。欣兴电子则在2016年将Any Layer HDI制程产能由每月50万平方迟扩充到70万平方迟。华通的重庆涪陵厂也增设Any Layer HDI制程产能设备,华通Any Layer HDI制程产能总产能在2016年由目前的35万平方迟扩大到至少40万平方迟。
 
由于商机明确,自动化及PCB设备厂也持续推进设备技术,以掌握庞大商机。其中,川宝科技自美国引进的直接成像曝光机生产技术,已完成移转在台生产。川宝科技原与美商Maskless Lithography合作,并获其技术移转及专利授权方式,引进其直接成像曝光机来台就地生产。
 
以目前高阶的薄板、细线路PCB生产而言,曝光制程舍弃底片曝光而走向直接成像是必然的趋势。另外,广运机械则以专案方式切入高阶Any Layer HDI制程PCB设备。
 
导入采用IC基板的类基板HDI技术
继全面导入任意层高密度连接板,据了解,为了有利大量导入系统级封装(SiP)技术,来达到次系统模组化的目标,苹果明年(2017)推出的iPhone 7S/8将不再使用普及的高密度连结板,而是改为以IC基板技术生产的类基板(substrate-like)HDI。
 
事实上,苹果一直致力于手机内建SiP次系统模组的发展,iPhone 6中内建3个SiP次系统模组,iPhone 7增加至6个SiP次系统模组,一般预料iPhone 7S/8手机将搭载更多SiP次系统模组,因此从HDI板改成类基板HDI,以加快导入SiP技术是合理的发展方向。苹果的iPhone 7S/8会将原本的一大片传统HDI板拆解成4小块类基板HDI,除了可加快导入SiP技术,还可空出更大空间来增加电池容量。
 
为了要配合SiP技术,类基板HDI的电路板线距线宽将朝向细间距(fine pitch)方向发展,特别是线距线宽必须微缩到35微米以下,这是与HDI板的最大不同之处。也因为线距线宽的微缩程度极大,因此传统印刷电路板HDI制程已经不敷所需,类基板HDI必须采用半导体的IC基板制程生产。
 
3D列印多层板已实现
印刷电路板制造技术日新月异,值得一提的是,利用3D机器列印简单的印刷电路板已不少见,然而,在SolidWorks World 2016大会中,以色列Nano Dimension公司藉由特殊的奈米级导电材料,甚至已开发出全球首款可列印专业多层电路板的3D列印机DragonFly 2020。
 
Nano Dimension公司共同创办人Simon Fried表示,这是全世界首款可列印多层电路板的3D列印机,可支援电路板的通孔(Through Hole)设计,遇到通孔处就不会喷印电路板材料,而制作完成的电路板,亦可如一般电路板焊接电子零组件。此台机器在几小时内可印出4层、甚至多达10层的电路板。
 
Simon Fried并指出,列印多层电路板的重要关键,是Nano Dimension独家的奈米级银质导电材料AgCite,能喷出极细微的银质墨滴,以列印平面与立体电子线路。DragonFly 2020是采用喷墨技术,配有两个喷头,藉由喷出导电材料与绝缘材料,以堆迭的方式层层喷印,印制出含有平面与立体线路的多层电路板。不过,目前Nano Dimension的列印技术仅能达到90Micron线宽且银导电材质成本较高,所以仅适用于电路板打样与小量生产。
 
线路复杂增加验证难度
HDI板与传统多层板并不相同,因此各种性能的测试及验证要求也有所不同。就HDI板而言,由于HDI板厚越来越薄,加上无铅化发展,因此耐热性也就受到更大挑战,HDI的可靠性对耐热性能的要求也越来越高。
 
耐热性是指PCB抵抗在焊接过程中产生的热机械应力的能力,值得注意的是, HDI板的层结构不同于普通多层通孔PCB板,因此HDI板的耐热性能与普通多层通孔PCB板相比有所不同,一阶HDI板的耐热性能缺陷主要是爆板和分层,而HDI板发生爆板机率最大的区域是密集埋孔的上方以及大铜面的下方区域,这是HDI测试需特别注意的重点。
 
整体而言,包括HDI在内,多层板的线路越来越复杂,加上电路基板尺寸越来越小,导致制程复杂度不断增加,大幅提高成品验证的困难度,因此势必须搭配高阶测试设备进行各项电性检测,以避免问题基板,进而提升电子产品制造品质。


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