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第五章 基板技术Ⅰ—有机基板

一、封装基板概述:
1、发展动向:
a.需求:小型、高性能、便携化、个人信息终端;
b.电子装置:小型、薄型、高性能、高周波、低价格;
c.LSI器件:多引脚、窄节距、模块化、超小元器件;
d.实装技术:超小型封装及裸芯片实装(TAB/COB/BGA/CSP/FC/MCM等);
e.市场:手机、网络及通信设备、数码相加、微机、笔记本电脑、PDA、各类平板显示器;
f.PWB:高密度布线、薄型、更高的电气特性、更高的尺寸稳定性、更低的价格、更高的实装密度;
2、性能要求:
a.要减小信号传输延迟时间;
b.特性阻抗要匹配;
c.要尽量降低L、C、R等的寄生效应;
d.为了降低交调噪声(cross-link noise),要尽量避免信号线之间离得太近以及平行布线,同时为了减小此影响,应选用低介电常数的基板材料;
e.电路图形的设计应考虑到防止信号反射噪声;

二、封装基板分类:
1、按基材分类:按基板的基本材料,基板可以分为有机系(树脂系)、无机系(陶瓷系、金属系)及复合系三大类。其中有机系分为:
a.纸基板:
■纸、酚醛树脂覆铜板(FR-1、FR-2、XPC、XXXPC)
■纸、环氧树脂覆铜板(FR-3)
■纸、聚酯树脂覆铜板
b.玻璃布基板:
■玻璃布、环氧树脂覆铜板(FR-4、G10)
■玻璃布、耐高温环氧树脂覆铜板(FR-5、G11)
■玻璃布、聚酰亚胺树脂(PI)覆铜板(GPY)
■玻璃布、聚四氟乙烯树脂(PTFE)覆铜板
■玻璃布、BT树脂覆铜板
■玻璃布、PPE树脂覆铜板
■玻璃布、PPO树脂覆铜板
c.复合材料基板:
■环氧树脂类:纸(芯)、玻璃布(面)的、环氧树脂覆铜板(CEM-1)、玻纤非织布(芯)、玻纤布(面)的、环氧树脂覆铜板(CEM-3)
■聚酯树脂类:玻纤非织布(芯)、玻璃布(面)的、聚酯树脂覆铜板(CRM-7、CRM-8)
d.耐热性塑性基板:
■聚砜系树脂基板;
■聚醚酰亚胺树脂基板;
■聚醚酮树脂基板
e.挠性基板:
■聚酯覆铜膜基板
■玻璃布-环氧树脂覆铜积层板;
■聚酰亚胺覆铜膜基板
f.积层多层板基材:
■感光树脂(液态、干膜)
■热固性树脂(液态、干膜)
■附树脂铜箔(RCC)
■其他半固化片基材(芳酰胺纤维非织布的环氧树脂基材等)
无机系基材包括:
g.金属类基板:
■金属基型
■金属芯型
■包覆金属型
h.陶瓷类基板:
■氧化铝基板Al2O3、3Al2O3.2SiO2
■氮化铝基板AlN
■碳化硅基板SiC
■低温烧成玻璃陶瓷基板LTCC
i.其他基板:
■玻璃基板(用于LCD、PDP显示器等)
■硅基板
■金刚石
2、按结构分类:
a.一层导体型:
■刚性:单面板
■挠性:单金属层板(2层式、3层式)
b.两层导体型:
■刚性:双面板(电镀通孔印制线路板、金属衬底通孔印制线路板)
■挠性:双金属层板
c.多层导体型(3层导体以上)
■刚性:多层印制线路板(电镀通孔方式、积层多层板)
■刚-挠性:刚-挠性多层印制线路板
■挠性:多金属层挠性印制线路板
3、通用PWB:单面板、双面板、多层板;
4、多层印制线路板的结构:
a.电镀通孔多层PCB;
b.金属芯/金属衬底多层PCB;
c.刚-挠性多层PCB;
d.电镀层间连接积层式多层印制线路板;
e.转印积层式多层PCB;
f.利用导体浆料实现层间连接的积层式多层PCB;
g.其他类型的多层板;

三、多层印制线路板的电气特征:一般而言对PCB所要求的特性如下:
1、直流特性:
a.导体电阻
b.绝缘电阻:
2、交流特性:
a.特殊阻抗
b.信号传输速度
c.交叉噪声
d.高频特性
e电磁波屏蔽(EMI)特性

四、电镀通孔多层印制线路板:
1、制作方法概述:
a.电路的形成方法:加成法(全加成法、半加成法、部分加成法)和减成法(全面电镀法、图形电镀法);
b.通用PWB典型的制造工艺:在PWB的制造过程中,通孔的金属化非常关键。全面电镀法是先在PWB上钻孔或冲孔,而后利用化学镀在孔的内壁沉积金属层,实现电气导通,再依次电镀铜、涂(贴或电泳沉积)胶、光刻等制成电路图形。全面电镀法有下述优点:
■镀层厚度均匀,而不必像图形电镀法那样对于每个型号都要严格控制图形的均匀性;
■对光刻胶的性能要求不苛刻,对光刻胶的厚度及侧壁形状等要求不很严格;
c.电镀通孔工艺:多层PCB的制作主要由三大工序完成:
■内层制作-积层工序;
■制孔-外层制作工序;
■后处理工序;
2、减成法:此种方法是利用表面的铜箔,通过蚀刻,使其部分去除,进而形成表面电路图形,故称减成法(subtractive)。而就电镀表面电路图形的方法而论,其中又分为全面(panel)电镀法和图形(pattern)电镀法;
3、加成法:此方法是直接在绝缘基板上电解析出导体金属,并由此形成电路布线。加成法(additive)不是采用铜箔,而是通过化学镀铜来形成电路图形和通孔内壁导通层。加成法又分为全加成法(full-additive)和半加成法(semi-additive);
4、盲孔(blind via)、埋孔(buried via)和层间连接(IVH);
5、顺次积层法:多层PCB不仅在表面,而且在内层也布置有导体布线,按预先设计的层结构积层,并由通孔电镀实现层间的电气连接,积层工序一般是将带有图形的芯材与半固化(prepreg)交互叠层,经过热加压完成积层成型。通常由一次积层完成制品。但是,对于层结构复杂以及层数很多的情况,一次积层往往达不到足够高的精度,为此需要将其分成若干组,分别积层,然后再整体积层,此称为顺次积层法。

五、积层多层印制线路板:
1、发展过程:
a.1988年西门子公司开发制造了名为microwiring substrate的积层多层印制线路板;
b.1991年IBM公司以SLC(surface laminar circuit)名称发表积层多层印制线路板;
c.1995年松下公司开发出ALIVH(all layer inner via hole)型积层多层印制线路板;
d.1996年东芝公司开发出B2it(buried bump interconnection technology)型积层多层印制线路板;
e.1998年开始积层多层印制线路板开始工业应用,此后在先进工业国家迅速推广普及;

2、电镀方式各种积层法的比较:关于材料,涉及到涂树脂铜箔(又称树脂包铜箔、RCC等)、热固性树脂、感光树脂等三大类。积层多层PCB一般由两部分组成,其中间部分为芯板,上下为积层部分。

3、涂树脂铜箔(RCC)方式:采用涂树脂铜箔法进行积层的工艺过程如下:
芯板(多层板)—铜箔粘压—光刻法蚀刻、铜箔成孔做掩膜(或直接)激光制孔—去除孔壁树脂残留、化学镀铜、全面镀铜—表面电路图形蚀刻成形—制成两层导体层

4、热固性树脂方式:采用激光蚀孔-图形电镀法进行积层的工艺过程如下:
芯板(多层板)—热固性树脂涂布或粘压—激光蚀孔—表面粗化、化学镀铜—由电镀阻挡层形成待镀图形、图形电镀铜—电镀阻挡层剥离蚀刻—完成两层导体层积层

5、感光性树脂方式:采用光刻蚀孔—板面电镀法进行积层的工艺过程:
芯板(多层板)—感光树脂涂布或粘压—曝光显像—粗化处理、化学镀铜、全面镀铜—光刻制作表面电路图形—完成两层导体层的积层

6、其他采用电镀的积层方式:转印法实现多层积层的工艺过程:
平面镀铜—待镀电路图形制作图形电镀—粗化处理—激光蚀孔、制作通孔—化学镀铜、电镀铜—第二层积层制作第二层的层间互连孔

7、采用导电浆料的积层方式:ALIVH法(any layer inner via hole structure:任意层内互连孔结构)、B2it法(buried bump interconnection technology:预埋凸块互连技术)、其它方法;

8、一次积层工艺:这里所讲的一次积层工艺是将具有不同电路图形的多层一次积层,严格讲并不属于上述的积层工艺的范畴,但从最终结果看,仍可达到积层式多层PCB的效果;

9、芯片及表面的平坦化;

10、多层间的连接方式:电镀法制作层间互连柱的工艺过程(plated riser 法)
芯板—全面导通化(化学镀铜)—由于膜制作电镀阻挡层图形电镀铜—剥离干膜阻挡层、蚀刻化学镀铜层、涂覆绝缘树脂—表面研磨、粗糙化—化学镀铜、电镀铜、表面电路图形制作

11、积层多层印制线路板用绝缘材料:薄膜电路中可以采用感光性聚酰亚胺、BCB等材料,在以有机系为基材的布线基板上作为积层用的绝缘材料;

12、各种激光制孔方式对比:形成层间互连孔的紫外线曝光法跟微电子工程中的光刻法基本相同,在激光制孔方法中,采用准分子激光的方法早已达到使用化,而采用等离子刻蚀制作互连孔的方式在欧美也达到实用化水平,除此之外,在利用特殊保护膜的条件下,还可以采用喷沙制孔及化学溶解制孔等;

13、可靠性实验:积层多层板的环境试验主要有以下一些方法:
a.热冲击试验(循环试验、液相、气相);
b.热冲击试验(高温浸泡);
c.热冲击试验(砂浴);
d.温湿度偏置循环试验;
e.耐湿性试验(定常加湿);
f.HAST(highly accelerated temperature&humidity stress test)(不饱和);
g.PCT(pressure cooker test)(饱和)

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