高频高阶不对称HDI板制作关键技术

2020-06-29寻瑞平刘红刚敖四超

印制电路信息 2020年5期

戴勇寻瑞平刘红刚敖四超

（江门崇达电路技术有限公司，广东省智能工控印制电路板工程技术研究中心，广东江门 529000）

1 引言

HDI（High Density Interconnector）板，即高密度互连板，是含有微盲/埋孔，利用激光钻孔、电镀填孔等工艺实现各层线路之间的电气连接[1]。HDI板具有轻薄短小、高精度化、多功能化等特点，近些年来发展迅速，广泛应用于通信产品、消费电子、汽车电子、医疗电子，甚至航天、军工电子等众多领域[2]。

随着当下5G技术的迅速发展和应用普及，5G通信基站和移动终端设备等产品必须具备大容量、高带宽接入的特征，这就对HDI板在频率、速率、层数、尺寸以及光电集成上提出更高的要求，从目前领先的25 Gbps总线速度向更高的56 Gbps发展。要实现PCB的高频/高速化可以通过高密度布线、微小孔径、薄形等方式缩短信号传输距离，减少传输损失；另一方面则需要采用具有高频、高速特性的覆铜板材料。通信设备承载的信号传输量及频率不断增高，承载性印制电路板的设计也随之多样化，出现了诸如不对称结构设计等多元化的设计方案，这类设计给PCB制作技术带来了更高层次的挑战[3][4][5]。

本文以一款整体10层，包含高频基材、高阶叠孔、非对称结构压合、精密线路、高纵横比电镀等设计的HDI板为例，介绍了其制作过程中高频板料选择、多阶激光盲孔叠孔对位、非对称结构压合防翘曲、高纵横比孔金属化、精细线路制作等技术难点，并针对这些技术难点开发了一些新工艺和新方法。

2 产品结构与工艺

2.1 产品结构特点

本款高阶HDI板产品的具体参数见表1，层压结构见图1。

2.2 制作工艺流程

本10层4阶非对称结构HDI板产品，需要经过四次压合，每次压合均需激光钻孔、电镀填孔、线路图形、蚀刻等，通过埋孔叠孔实现各层电气连接，工艺制作流程繁长，总共超过80个流程，管控点众多，包括高频板料选择、多阶激光盲孔叠孔对位、非对称结构压合防曲翘、高纵横比孔金属化、精细线路制作等技术难点，制作难点非常大，具体流程包括图2所示步骤。

3 制作关键

3.1 板料选择

为了满足客户要求的传输频率要求，选择四种板料进行测试对比，从中选定一种最佳的板料。具体的选择对比结果如表2。

表1 高频高速高阶HDI板产品关键参数

图1 高阶HDI板层压结构图

图2 高阶HDI板工艺流程

表2 高频高速基板选择

从板材介电常数、介质损耗、Tg值、耐金属离子迁移性、耐吸湿性、可加工性等方面进行综合评估，最终选定C材料（松下R5775G）制作本产品。

3.2 多阶激光盲孔叠孔对位

（1）难点描述

常规的一阶和二阶HDI产品多为错孔互连，其对位精准度的要求相对较低，本款HDI板设计为4阶激光埋孔结构，并且是非对称压合叠构设计，制作流程繁长，须经多次激光钻孔、线路、电镀和压合等制程，各层板涨缩控制难度大，层间对位非常困难。

3.2.1 改善方案

本研究首先在图形制作时，选用LDI技术来制作，激光直接成像消除底片成像产生的偏差问题。另外，优化激光钻孔的定位系统和图形制作的对位系统，从而保证层间激光盲孔的对准度，以及外层图形制作时，同时兼顾通孔和激光盲孔的对准度，保证外层图形制作时，不会出现通孔和盲孔不匹配的现象。具体的激光钻孔定位系统和板边图形设计规则如图3和表3所示，其中，靶孔其中3个设计成直角，另1个长边偏移1.6 mm以防呆；激光靶标其中3个设计成直角，另1个长边偏移5 mm以防呆；激光孔环，内径2.5 mm，外径3.2 mm，板内盲孔参数扩孔形成，在板子四角分别设计一个定位孔环。

图3 板边图形设计

通过从内层图形设计、对位系统研究及设计，最终产品获得了良好的对位，对准度符合高阶

表3 外层盲孔/通孔对位系统设计规则

HDI产品的要求，产品切片及X-Ray如图4、图5。

图4 对准切片图

图5 钻孔后X-Ray图

3.3 非对称压合板翘曲控制

3.3.1 工艺难点

此板L1-2和L2-3层为了满足耐电压的要求，介质厚度设计必须要超过0.4 mm，根据客户的要求，L1-2层介质厚度为0.65 mm，L2-3层介质厚度为0.89 mm。而与L1-2和L2-3层对称的L9-10和L8-9层为了满足任意互联的设计，只能使用激光盲孔的方式制作，由于激光盲孔都是叠孔设计，必须要保证激光盲孔的填平度≥90%，激光盲孔最佳孔径为0.1 mm，而激光盲孔的厚径比必须要＜1:1，最佳值为0.8:1，因此，L9-10和L8-9层介质厚度均为0.07 mm。由于压合叠够设计不对称，按照普通对称结构的生产参数和资料，以及生产工具将会导致板子严重翘曲；此外，本产品内部有铜、无铜区残铜率相差大，易造成填胶不良，导致板翘曲。

3.3.2 改善方案

为了改善本产品的板翘曲问题，分别做如下的优化：与客户沟通，在不影响信号传输的前提下，针对无铜区域添加假铜，平衡每层线路的残铜率；使用高膨胀系数钢板与待压合板直接接触，其膨胀产生的“拉力”大于普通钢板产生的拉力，这样以来，可以促进待压合板材得到更好的延展，有利于充分压合填胶，增大板子的舒张力度，防止压合板曲问题，压合时的受力示意图如图6。调整压合参数，热压时降温段继续保持高压段时间20 min，相应降压段时间减少20 min。冷压段时间增加45 min。测试后，全检板曲，针对板曲超标的板子，进行返压，返压参数175 ℃压合2 h，冷却过程中降温速率低于5 ℃/min，以释放内应力，通过使用调整后的压合参数，板曲完全可以满足0.75%的要求。

图6 钢板对压板翘曲影响

3.4 高纵横比孔金属化

3.4.1 难点描述

此产品的贯通孔最大厚径比达到13:1，并且要求孔铜厚≥25 μm，因此孔金属化制作难度比较高，主要难点包括：受高纵横比以及高频板材对水表面张力的影响，孔壁无法对药水提供均匀良好的附着力，故采用传统化学除钻污，容易产生除钻污不足。目前业界针对高频高速板料比较常用的除钻污方式是等离子除胶+化学除胶，但针对不同的板料和不同的产品结构，需要确定最佳的等离子参数；纵横比高，孔内容易产生气泡，阻碍药水流通，容易导致沉铜不良，产生孔无铜；由于高纵横比的限制，采用传统龙门线板电，深镀能力达不到要求，难以达到均匀性要求。

3.4.2 改善方案

除钻污工艺改进：沉铜前分别进行等离子除钻污1次和化学除钻污1次，确保除钻污效果。等离子除钻污方法中起作用的主要是正离子和自由基粒子，不受孔径、孔深及板材的限制，对不同位置能提供均匀良好的蚀刻速度，除钻污效果更好。由于目前的等离子设备功率、以及各种气体的配置比例都已经相对比较成熟，因此，几种气体的配置比例不做调整，主要是通过调整等离子除胶的时间来确定最佳的等离子除胶量。根据此板子的板厚和厚径比，通过除胶拐点试验研究确定此产品等离子除胶的最佳时间参数（见表4）。

表4 不同参数除胶实验结果

运用Minitab对不同除胶时间测试结果进行分析（如图7）得到等离子除胶时间拐点分别为9 min和22 min，最佳除胶时间为15 min，除胶时间工艺范围为9 min～22 min。沉铜采用水平沉铜线生产，水平沉铜通过涌流设计的喷流设计方式，增加了沉铜药水的贯穿能力，更有利于深孔内药水的充分交换，提高微孔的贯孔效果。

全板电镀采用脉冲VCP（垂直连续电镀）线生产，与普通的电镀相比，可以大大缩短电镀时间，不仅可以提高生产效率和降低生产成本，并且还可以在提高深镀能力的同时，提高孔铜厚度及板面铜厚的均匀性（见表5）。

图7 不同参数除胶实验Minitab分析

表5 沉铜板电优化方案

经切片确认（图8），本电镀优化方案可以很好的解决高频板料去钻污的问题，也可以保证孔壁粗糙度≤25 μm的要求；通过孔口铜厚和孔中间铜厚的对比，使用脉冲电镀深镀能力可以达到90%以上，很好的保证孔口和孔中间的孔径一致性。

图8 电镀参数优化后孔切片

3.5 精细线路制作

3.5.1 难点描述

此产品电镀铜在满足孔铜要求的情况下，外层表铜厚度将会达到45～55 μm（要求外层最小铜厚≥35 μm），因此外层线路最小线宽/线距为0.07/0.076 mm制作为一个难点。此外，精细线路的制作难点还包括：板面粗糙度对附着力的影响，干膜厚度、贴膜、曝光、蚀刻对开短路的影响，板面铜厚均匀性对线路蚀刻的影响。

3.5.2 改善方案

针对精细线路实现动态补偿和分段补偿，保证线宽补偿25～45 μm，最小线距为50 μm，解决线路分布对蚀刻侧蚀的影响。

对于线路前处理，采用磨刷的方式来处理铜面，会出现定向的擦伤，有耕地式的沟槽、铜面划痕，不适合精细线路的制作；而采用超粗化（微蚀）的方式，不能保证铜面胶渍、油污、铜瘤和凹痕等缺陷的处理。本研究采用磨刷+化学微蚀的前处理方式，不仅可以保证铜面的粗糙度满足精细线路的制作要求，并且也可以有效去除铜表面的胶渍、油污、铜粒等会导致精细线路开路报废的缺陷。

使用25 μm干膜及湿法贴膜，增强铜面与干膜的结合力，曝光使用LDI（激光直接成像）机，曝光能量控制在6～6.5级，显影压力0.14 Mpa（20 Psi）、显影速度1.6 m/min，避免内层开路等品质不良问题。

采用真空蚀刻设备，扇形喷头，蚀刻过程中将密集线路面朝下放置，避免“水池效应”导致的蚀刻均匀性问题，提高线路的精准度。