印刷電路板的技術發展及製造工藝探密

2020-12-03 電子工程專輯

文 | 傳感器技術

近幾年來，印刷電路板（以下簡稱PCB）市場重點從計算機轉向通信，這兩年更是轉向智慧型手機、平板電腦類移動終端。因此，移動終端用HDI板是PCB增長的主要點。以智慧型手機為代表的移動終端驅使HDI板更高密度更輕薄。

細線化

PCB全都向高密度細線化發展，HDI板尤為突出。在十年前HDI板的定義是線寬/線距是0.1 mm/0.1 mm及以下，現在行業內基本做到60 µm，先進的為40 µm。

PCB線路圖形形成，傳統的是銅箔基板上光致成像後化學蝕刻工藝（減去法）。這種做法工序多、控制難、成本高。當前精細線路製作趨於半加成法或改進型半加工法。

導體與絕緣基材的結合力，習慣做法是增加表面粗糙度以增加表面積而提高結合力，如強化去玷汙處理粗化樹脂層表面，用高輪廓銅箔或氧化處理銅面。對於細導線，這種物理方法保證結合力是不行的。於是開發出平滑樹脂面上化學鍍銅高結合力銅箔，如有「分子接合技術」，是對樹脂基材表面化學處理形成一種官能基團能與銅層密切結合。

另外還有細線路製作過程中幹膜成像圖形轉移，銅箔的表面處理是成功的關鍵因素之一。採用表面清洗劑和微蝕刻劑的最佳組合，以提供一個乾淨的表面與有足夠的面積，促進幹膜的附著力。採用化學清洗去掉銅箔的表面抗變色處理層，以及除去汙垢與氧化物，依照銅箔的類型選擇適當的化學清潔劑，其次是微刻蝕銅箔表面。為使成像幹膜與銅層、阻焊圖形與細線路結合可靠，也應採取非物理粗化表面的方法。

半加成法積層基材

現在半加成法熱點是採用絕緣介質膜積層，從精細線路實現和製作成本看SAP比MSAP更有利。SAP積層用熱固化樹脂，由雷射鑽孔後電鍍銅形成導通孔和電路圖形。

目前國際上的HDI積層材料以環氧樹脂搭配不同固化劑，以添加無機粉末提高材料剛性及減少CTE，也有使用玻纖布增強剛性。

鍍銅填孔

從可靠性考慮，互連孔都採取電鍍銅填孔技術，包括盲孔填銅和通孔填銅。

鍍銅填孔的能力表現在填實性：被銅封閉的孔中是否存在有空洞；平整性：鍍銅孔口存在凹陷（Dimple）程度；厚徑比：板厚（孔深）與孔徑的比例。

全球半導體封裝中有機基板佔到超過三分之一的市場份額。隨著手機和平板電腦產量增長， FC-CSP和 FC-PBGA大增。封裝載板由有機基板取代陶瓷基板，封裝載板的節距越來越小，現在典型的線寬/線距為15 µm。

未來的發展趨勢。在BGA和CSP細間距載板會繼續下去，同時無芯板與四層或更多層的載板更多應用，路線圖顯示載板的特徵尺寸更小，性能重點要求低介電性、低熱膨脹係數和高耐熱性，在滿足性能目標基礎上追求低成本的基板

電子通信技術從有線到無線，從低頻、低速到高頻、高速。現在的手機性能已進入4G並將邁向5G，就是有更快傳輸速度、更大傳輸容量。全球雲計算時代到來使數據流量成倍增加，通訊設備高頻高速化是必然趨勢。PCB為適合高頻、高速傳輸的需要，除了電路設計方面減少信號幹擾與損耗，保持信號完整性，以及PCB製造保持符合設計要求外，重要的是有高性能基材。

為解決PCB增加速度和信號完整性，主要是針對電信號損失屬性。基材選擇的關鍵因素介電常數（Dk）與介質損耗（Df ），當Dk低於4與Df 0.010以下為中Dk/Df級層壓板，當Dk低於3.7與Df 0.005以下為低Dk/Df級層壓板。

高速PCB中導體銅的表面粗糙度（輪廓）也是影響信號傳輸損耗的一個重要因素，特別是對10 GHz以上範圍的信號。在10 GHz時銅箔粗糙度需要低於1 µm，使用超平面銅箔（表面粗糙度0.04 µm）效果更佳。

伴隨著電子設備小型化、高功能，產生高發熱，電子設備的熱管理要求不斷增加，選擇的一個解決方案是發展導熱性印製電路板。要求PCB有高導熱性和耐熱性，近十年來一直為此努力。已有高散熱性PCB如平面型厚銅基板PCB、鋁金屬基PCB、鋁金屬芯雙面PCB、銅基平面型PCB、鋁基空腔PCB、埋置金屬塊PCB、可彎曲鋁基PCB等。

採用金屬基板（IMS）或金屬芯印製電路板，起到發熱組件的散熱作用，比傳統的散熱器、風扇冷卻縮小體積與降低成本。目前金屬基板或金屬芯多數是金屬鋁。鋁基電路板的優點有簡易經濟、電子連接可靠、導熱和強度高、無焊接無鉛環保等，從消費品到汽車、軍品和航天都可設計應用。

電子設備的小型化、輕薄化，必然大量使用撓性印製電路板（FPCB）和剛撓結合印製電路板（R-FPCB）。

隨著應用面的擴大，除了數量增加也會有許多新的性能要求。聚醯亞胺膜有無色透明、白色、黑色和黃色等不同種類，具有高耐熱與低CTE性能，以適合不同場合使用。成本效益佳的聚酯薄膜基板同樣有市場，新的性能挑戰有高彈性、尺寸穩定性、膜表面品質，以及薄膜的光電耦合性和耐環境性等，以滿足最終用戶不斷變化的要求。

FPCB與剛性HDI板一樣要適應高速度和高頻率信號傳輸要求，撓性基材的介電常數和介電損耗必須關注，可利用聚四氟乙烯和先進的聚醯亞胺基板構成撓性電路。在/聚醯亞胺樹脂中添加無機粉末和碳纖維填料，可產生一種三層結構的可撓曲導熱基板。選用無機填料有氮化鋁（AlN）、氧化鋁（Al 2O3）和六角形氮化硼（HBN）。

FPCB製造技術方面，在聚醯亞胺（PI）膜上直接金屬化製造雙面FPCB技術一直在發展，有一種分子接合劑水溶液新技術，並不改變PI膜表面粗糙度而可增加與化學沉銅層結合強度。採用PI膜進行分子接合處理後直接化學鍍銅，經過半加成法流程製作雙面撓性印製線路板，簡化工序及有利環保，對結合力、彎曲性和可靠性等都達到要求。

還有用印刷自催化電子線路技術，以成卷式生產（R2R），先在PET膜上印刷塗覆具有自催化性的油墨，然後進入化學鍍銅槽中，由於油墨具有自催化能力在油墨上沉積銅層，形成銅導體圖形，完成PET膜上的金屬細線路製作。

FPCB應用市場如智慧型手機、可穿戴設備、醫療設備、機器人等，對FPCB性能結構提出新要求，開發出FPCB新產品。如超薄撓性多層板，四層FPCB從常規的0.4 mm減薄至約0.2 mm；高速傳輸撓性板，採用低Dk和低Df聚醯亞胺基材，達到5 Gbps傳輸速度要求；

大功率撓性板，採用100 µm以上厚導體，以適應高功率大電流電路需要；高散熱金屬基撓性板是局部使用金屬板襯底之R-FPCB；觸覺感應性撓性板，由壓力傳感膜和電極夾在兩個聚醯亞胺薄膜之間，組成撓性觸覺傳感器；可伸縮撓性板或剛撓結合板，其撓性基材為彈性體，金屬導線圖案的形狀改進成為可伸縮。

印製電子歷史很早，只是近幾年勢頭興盛。印製電子技術應用於印製電路產業，是印製電路技術的一部分。

印製電子不斷發展可看到商業應用的前景非常廣闊，現在已有PCB製造商投入印製電子，他們從撓性板開始，用印製電子電路（PEC）替代印製電路板（PCB）。印製電子技術最接近FPCB，目前基材和油墨材料繁多，一旦性能與成本有突破就會大量應用，降低成本就會開闢更大的市場。

有機和印製電子的混合系統有助於產業的成長。傳統的矽和印製電子組件結合的混合系統，這可能開闢了新的PCB產業。這些混合技術包括大面積光刻、網版印刷或噴墨列印，及撓性PCB技術。

印製電子技術的重要一方面是材料，包括基材和功能性油墨。撓性基材除現有FPCB適用外，也開發更高性能基材，目前有陶瓷和高分子樹脂混合構成的高介電基板材料，還有高溫基材、低溫基材和無色透明基材、黃色基材等。

印製電子除使用一些聚合物材料外，還需功能性油墨材料，主要是導電油墨，不斷地向提高導電性、印刷適應性、低成本化發展，目前可供印製電子產品選擇的導電油墨種類已很多了。另外還有壓電、熱電、鐵電材料，在印製電子中組合使用能發揮多功能性。

印製電子技術的又一重要方面是印刷工藝與相應的印刷設備，這是傳統印刷技術的創新發展。印製電子可以應用不同的印刷方法，如凹版印刷、凸版印刷、網版印刷和噴墨列印。網版印刷已在PCB製造中應用，工藝成熟與成本低，目前是向自動化、高精細化發展。

噴墨列印在PCB製造中應用的範圍在擴大，從標記符號、阻焊劑到抗蝕圖形，進一步直接列印導電圖形；同時噴墨列印向圖形高精細化和快速化發展。如新的氣溶膠噴射技術明顯優於壓電式噴印，形成導線達到細精與立體化要求，可以在平面或立體構件上直接列印電子電路及元件。

還有噴墨列印同時採用雷射照射瞬時固化油墨的方法，導電線路厚度與寬度比1.0以上，如線寬10µm，線高也有10µm，實例有在PI膜上製作線路寬30 µm、線厚20 µm的FPCB。

印製電子目前重點應用是低成本的製造射頻識別（RFID）標籤，可以成卷印刷完成。潛在的是印刷顯示器、照明和有機光伏領域。可穿戴技術市場是當前新興的一個有利市場。

可穿戴技術各種產品，如智能服裝和智能運動眼鏡，活動監視器，睡眠傳感器，智能表，增強逼真的耳機、導航羅盤等。可穿戴技術設備少不了撓性電子電路，將帶動撓性印製電子電路的發展。

埋置元件印製電路板（EDPCB）是實現高密度電子互連的一種產品，埋置元件技術在PCB有很大的潛力。埋置元件PCB製造技術，提高了PCB的功能與價值，除了在通信產品應用外，也在汽車、醫療和工業應用等領域提供了機會。

EDPCB的發展，從碳膏製作的印刷電阻和鎳磷合金箔製作的薄膜電阻，以及夾有高介電常數基材構成的平面電容，形成埋置無源元件印製板，到進入埋置IC晶片、埋置貼片元件，形成埋置有源與無源元件印製板。現在面對的課題有埋置元件複雜化及EDPCB的薄型化，以及散熱性和熱變形控制、最終檢測技術等。

元器件埋置技術現在已在手機等便攜終端設備中應用。EDPCB製造工藝進入實用的有B2it方法，可以實現高可靠性和低成本；有PALAP方法，達到高層數和低功耗，被用於汽車電子中；有埋置晶圓級封裝晶片的通信模塊，體現良好的高頻特性，今後會有埋置BGA晶片的eWLB出現[19]。隨著EDPCB設計規則的確立，這類產品會迅速發展。

PCB表面銅層需要保護，目的是防止銅氧化和變質，在裝配時提供連接可靠的表面。PCB製造中一些通常使用的表面塗飾層，有含鉛或無鉛熱風整平焊錫、浸錫、有機可焊性保護膜、化學鍍鎳/金、電鍍鎳/金等。

HDI板和IC封裝載板的表面塗飾層現從化學鍍鎳/金（ENIG）發展到化學鍍鎳/鈀/金（ENEPIG），有利於防止元件安裝後出現黑盤而影響可靠性。

現有對ENEPIG塗層中鈀層作了分析，其中鈀層結構有純鈀和鈀磷合金，它們有不同的硬度，因此用於打線接合與用於焊接需選擇不同的鈀層。

經過可靠性影響評估，有微量鈀存在會增加銅錫生長厚度；而鈀含量過多會產生脆性之鈀錫合金，反而使焊點強度下降，因此需有適當鈀厚度。

從PCB精細線路的角度來說，表面處理應用化學鍍鈀/浸金（EPIG）比化學鍍鎳/鍍鈀/浸金（ENEPIG）更佳，減少對精細圖形線寬/線距的影響。EPIG鍍層更薄，不會導致線路變形；EPIG經焊錫試驗和引線鍵合試驗能達到要求。

又有新的銅上直接化學鍍鈀（EP）或直接浸金（DIG），或者銅上化學鍍鈀與自催化鍍金（EPAG）塗層，其優點是適合金線或銅線的打壓接合，因沒有鎳層而有更好高頻特性，塗層薄而更適於細線圖形，並且減少工序和成本。

PCB最終塗飾層的改進，另外有推出化學鍍鎳浸銀（NiAg）塗層，銀有良好導電性、可焊性，鎳有抗腐蝕性。有機塗層OSP進行性能改良，提高耐熱性和焊接性。還有一種有機與金屬複合（OM）塗層，在PCB銅表面塗覆OM塗層有良好的性價比。

「綠色」和「環境友好」現是PCB製造技術進步的重要標誌。除了設法採用印製電子和3D列印這類革命性清潔生產技術外，現有PCB製造技術向清潔生產改良是在不斷進行。如尋找替代有毒有害物質的材料，減少加工步驟，和減少化學藥品的消耗，以及減少水和能源的用量，及材料的可回收利用等。

具體有採用無毒害無機材料作阻燃劑，同時也改善電氣性、導熱性和熱膨脹係數等的無滷素基材；採用雷射直接成像減少作業工序和材料消耗；採用半加成法減少電鍍銅和蝕刻銅的消耗；採用直接金屬化孔工藝，及化學沉銅液中取消有毒有害物質；採用導電膏印刷使導通孔互連加工清潔簡便。

直接金屬化技術很早就存在，多年的發展趨於成熟。直接金屬化工藝有碳黑系和導電聚合物系，用碳或石墨、導電聚合物代替鈀活化，化學沉銅液中取消有毒的甲醛、氰化物和難處理的EDTA絡合劑。

推出膠體石墨直接孔金屬化技術具有穩定的分散性和與多種樹脂良好的吸附牲。膠體石墨直接金屬化工藝在剛性PCB製造應用多年，現可推行於有複雜的盲孔、埋孔和任意層互連的HDI板、撓性板和剛撓板，可減少工序和設備場地、廢水量，有利於環保，並提升生產效率和最終產品的高可靠性[24]。

PCB生產過程中曾經被稱為廢物甚至是危險廢物，現在都不再是「廢物」。如多餘的銅蝕刻液，微蝕刻處理液、電鍍清洗液都趨於在線回收處理。一些新設計的生產線設備，不管是蝕刻線或垂直電鍍線與水平電鍍線，都考慮了配置在線回收再生裝置，還有如分段間氣刀合理配置，循環泵的節能，自動分析添加藥液延長藥液壽命等措施，既有利於提高品質，又有利於節能環保。

印刷電路板的製作非常複雜，這裡以四層印製板為例感受PCB是如何製造出來的。

層壓

這裡需要一個新的原料叫做半固化片，是芯板與芯板（PCB層數>4），以及芯板與外層銅箔之間的粘合劑，同時也起到絕緣的作用。