HDI多层板走过二十年（2）——对二十年来HDI多层板及其基板材料技术创新的评析

祝大同

（中国电子材料行业协会经济技术管理部，北京 100028）

（接上期）

3 实现HDI多层板工艺技术发展的四大方面

二十年来HDI多层板在PCB制造技术上都有哪些创新、发展？日本PCB专家近期发表的文献[1]，对此做了高度的归纳总结为四个方面，即HDI多层板用基板材料技术、微孔加工技术、实现电路层之间连接的电镀技术、电路图形的形成技术等。以下，对此文献所提及的四个方面技术发展内容，一一加以介绍（即全部引自该文献）。

3.1 HDI多层板用基板材料技术

二十年来，HDI多层板的四大核心工艺技术发展之首，是它所用的基板材料技术。它的发展为HDI多层板的工艺、结构的创新提供了先决条件。

该文献[1]提出: HDI多层板用基板材料，最早是在感光法形成微孔的工艺技术[即以SLC工艺法为典型代表的技术]中出现。它是利用感光树脂材料形成HDI多层板的绝缘层，并经过对此绝缘层的曝光、显影，一次性完成所需的微孔的加工。再通过对孔的电镀加工，实现电路层间的电气连接。另外，在HDI多层板初期发展阶段，由于开发出CO2激光钻孔设备及附树脂铜箔（RCC），使得形成HDI多层板的薄型绝缘层和微孔就变为简便。随着HDI多层板用基板材料制造技术的深入发展，出现了薄型玻纤布制成的环氧-玻纤布基薄型半固化片。这类基材由于在刚性（机械强度）上获得改善，使得HDI多层板的绝缘可靠性及导通孔连接可靠性都得到了很大提高，这也使得能容易些的制出HDI多层板。

3.2 微孔加工技术

CO2激光钻孔技术是HDI多层板发展中的重大支撑技术之一。该文献[1]提出：HDI多层板微孔形成，所采用的加工技术主流是CO2激光钻孔技术。它在HDI多层板微孔加工初期应用中，面临着需要解决提高生产性的课题。经过几年的努力，CO2激光钻孔方式在生产效率上的大幅提高，而几乎同时登上HDI多层板微孔加工应用舞台的UV-YAG激光钻孔方式，变得有所逊色。UV-YAG激光机目前仍在HDI多层板微孔加工中仍有一席之地。这是因为它具有着可加工HDI多层板中更微小孔径的特点。例如，在制作IC封装用HDI多层板（IC封装基板）中，需要在其绝缘层上进行50 μm以下的微孔形成加工，选用的钻孔设备就以UV-YAG激光钻孔设备为佳。

3.3 电路层间连接的电镀技术

该文献[1]提出：在HDI多层板技术发展中，随着机械钻孔加工技术发展，加工贯通孔的小孔径化得以实现，使得开发、掌握高板厚/孔径比导通孔电镀技术（一般习惯地称为“深孔镀”技术）成为越来越必要的课题。微小孔的深孔镀除需要采用高分散能力的镀液外，还要在电镀设备上实现孔内镀液的畅通交换，以达到整个孔壁镀层的均匀性。以实现电路层间连接为目的的电镀技术，在HDI多层板制造运用中得到了跨跃性的进步。它由原来只对传统多层板的贯通孔进行电镀连接，发展到对非贯通微小孔径（例如盲、埋孔等）的微孔进行镀铜连接。随着这项技术的不断进步，还涌现出HDI多层板微孔、深孔设计自由度的增加、连接可靠性提高的新成果。

为了提高镀铜孔的高度连接可靠性，创造出了“孔上孔”，叠加孔的新结构。这种用于电路层互连的微孔，在提高电路图形高密度方面发挥出了十分关键的作用。提高利用电镀实现连接电路层间的连接可靠性，与提高微细电路的形成性，实际上在入手点上总存在有相互冲突（日文中称为“两立”）的问题。如何更恰到好处的解决这一对矛盾，使这两个重要性得到双双提高——这始终是HDI多层板电镀工艺技术方面中的所要不断研究的课题。

3.4 高密度电路图形的形成技术

该文献[1]提出：高密度电路图形的形成技术也是HDI多层板工艺中的一项重要组成部分。正是由于它突破了传统的形成电路图形的工艺方式，才获得了HDI多层板技术上的进步，才实现了微细线路的制作。

HDI多层板的曝光成像技术向传统工艺发起挑战，引发了一场技术革命。这方面的技术创新，其核心是激光直接成像技术。在传统成像投影式曝光及逐次移动式曝光的基础上，创造出直接成像（无掩膜的）的设备与工艺，其中利用干膜的激光直接成像技术（Laser Direct Image，LDI）成为最典型代表。激光直接成像替代了传统PCB生产中图像转移的方式，直接利用CAM工作站输出的数据，驱动激光成像装置，在涂覆有光致抗蚀剂的PCB上进行图形成像。这项技术所要解决的关键问题，是开发在感度波长领域中的光源波长（光束调节），以及达到适应电路微细化、高感度化和生产效率的提高。

在高密度电路图形工艺技术进步方面，还表现在加成法及半加成法在HDI多层板中得到更为广泛的采用。这项技术的发展，是建立在其配套设备制造技术进步之上。例如，在携带型电子产品中所用的IC封装基板等的电路形成加工中，为配合使用的加成工艺的成功实施，开发出在蚀刻设备中采用喷雾式药液喷射的方式。而近年真空方式的蚀刻设备也开始在工业化生产HDI多层板中得到采用。这些新型的蚀刻设备及工艺法，对应于微细化电路的形成，改善、提高了蚀刻加工的精度。

具有高密度互联特点的IC封装基板，它的超微细线路形成是一项系统工程。在其加工过程中的清洁化工作，许多PCB企业取得新进展。涌现出在基板运送方式及非接触驱动等方面的很多创新成果。在半加成法工艺制造HDI多层板电路图形方面，其可制作微细程度已经达到了电路线宽与线间距（L/S）为10 μm/10 μm以下。由此也推进了清洁化方面的设备与工艺技术上的进步，以及促进了更严格的管理模式的建立。

在IC封装基板的超微细线路形成上，还需要解决由于干膜的形状不良所引起的线路剥离、绝缘不良等质量问题。近期在PCB业界中已发表了在微细电路所接触的绝缘树脂层一侧的表面，进行粗化处理或者先形成“种底层”的研究成果。以此去克服上述出现的质量问题，形成高品质的超微细电路。运用这些新发明的电路形成技术，有望在不久的将来，会有更加超微细的电路图形（L/S = 5 μm/5 μm）成功地制作出来。

4 从手机用PCB技术变迁，看HDI多层板技术的发展

在世界电子产品发展历程中，1989年是一个发生重要变革的一年。就在这一年中，日本电器市场上同时首次亮相了三种“标新立异”的、第一代携带型电子产品。它们是：手持摄像机VTR（索尼公司产“CCD-TR55”）、笔记本电脑（东芝公司产“DynoBook SS001”）、手机（摩托罗拉公司产“Micro Tac”）。 这三类新问世的携带型电子产品在技术发展上有着一个共同的特点，即不断追求产品的“薄、轻、小型化”和“高速化”。为此，它们对所用PCB也不断提出“更薄”（基板厚度薄型）、“更密”（布线高密度）、“更快”（信号传送快速）的性能要求。不断推陈出新的携带型电子产品，不仅催生了HDI多层板的横空出世，而且始终扮演着驱动 HDI多层板技术向更高阶发展的“推进器”的角色。

手机是这三大类新型携带型电子产品中最具对HDI多层板技术推进的代表。目前，它所用的主板及IC封装基板约有90 %以上是采用了HDI多层板。它不仅成为现今在电子产品中HDI多层板用量最大的一类产品，而且在对HDI多层板技术要求上也很“前卫”，代表着HDI多层板最前沿技术的水平。

本节通过从剖析手机用HDI多层板的技术变迁，探讨二十年以来HDI多层板技术发展，梳理、归纳HDI多层板技术在不同阶段中所表现出的发展特点、主要提升的技术层面。

图4给出了在2004年～2010年期间手机主板采用HDI多层板在其结构、板厚、微孔形式、搭载IC封装凸点间距、布线密度等方面的变化。

图4中所示的手机用HDI多层板主流技术的变迁，在不同时段（以年份为计）有着不同的重点。大致归纳如下：“2阶”结构，盲、埋孔的广泛应用（2004年）→ 基板薄型化获新进展（2005年）→ 利于更高密度布线的叠加孔结构开始采用（2006年）→适应0.4 mm端点间距的IC封装（CSP封装）搭载，基板更进一步的实现电路微细化（2007年）→薄型化的高多层HDI板（10层）采用（2008～2009年）→ 开始实现更加薄型化的任意层结构（2010年）。

下面，以图4所示的发展为主线，按照年代综述、分析手机用HDI多层板技术发展的情况。

4.1 2004年间

2004年时，手机用HDI多层板以“2+2+2”（积层法层数-内芯板层数-积层法层数）、“2+4+2”结构（即简称为“2阶”结构）为主流。起着电路层（积层法层）间电气互连的微孔一般为盲、埋孔的形式。板的厚度尽管比一般多层板有很大的减少（手机主板一般采用的6层HDI多层板厚度在此时间段为0.65 μm左右），但仍然是比较厚，其中主要原因是继续再减薄其绝缘层可靠性无法保证。当时主要需要解决的是绝缘层的可靠性问题。

图4 2004～2010年期间手机用HDI多层板的技术发展

4.2 2005年间

2005年间手机用HDI多层板的技术进步主要表现基板的薄型化方面。手机功能的多样化（如强化的摄像、拍照功能；大容量信息存储）发展，促进了PCB布线更多、电路更高密度。当时市场上对薄形手机需求强烈，也成为驱动了基板的薄型化发展动力。例如日本手机制造商NEC公司在2005年间打破了当时摩托罗拉公司所创造的世界上“最薄”折叠手机（牌号为“V3”）记录，它推向市场厚度为11.9 mm的“魔鬼超薄”折叠手机（在中国大陆称“N9”、在欧洲的牌号为“e949”）。在这款号称当年“世界最薄”的手机中，所用的HDI多层板实现了极薄型。当时许多手机主板生产厂商不断追求基板的更薄、更密。2005年间手机主板厚度，一般是1层平均为0.1 mm厚，即大都为6层为0.6 mm～0.65 mm厚。发展到2006年，8层厚度只有0.5 mm ～ 0.55 mm的极薄型手机主板开始正式进入市场。

4.3 2006年间

2006年起，手机用HDI多层板在微孔结构上开始普及叠加孔（Stack Via）式新结构。它首先在高档手机用基板中得到采用，在之后的一、两年内，具有叠加孔结构的HDI板又开始普及到一般手机中。

在手机中，为什么叠加孔结构的HDI多层板如此之快地得到广泛应用？这在于它有利于手机板的更高密度布线，有利于实现更薄型化以及更快的信号传输。关于叠加孔结构的优点，日本著名PCB专家——高木清先生在2001年5月发表 “BUM技术发展”为内容的综述文章中是如此诠释的：HDI多层板发展初期所创造的导通孔“虽然在减少导通孔所占的布线空间方面作出贡献，但由于它们在各个层间是“曲线状”（指HDI多层板中的盲、埋孔）的互连，因而会造成电气特性的降低。因此在近几年来在导通孔的布设上出现了“直列状”（指HDI多层板中的叠加孔）的连接的形态。它是通过激光激光的孔而形成直列连接下一层导通孔的结构。这种导通孔结构，可更好地整合特性阻抗（Z0）。并由于这种叠加孔结构缩短了层间的导通距离，从而可达到了更快的层间信号传输。它还可构成了同轴电路信号线的配线方式（引自日本著名PCB专家高木清语）”。

叠加微孔技术，是在微盲孔填铜技术日益成熟的基础上发展起来的。它使得“多阶盲孔”成为了现实。它使得“产品的硬件工程师的发挥空间就被极大地拓展开来，硬件工程师几乎可以“随心所欲”的布局和走线，更大程度的满足产品“小、薄、快”的需求。（引自中兴通讯股份有限公司许路语）[2]”

HDI多层板叠加微孔结构的创新是多项PCB新技术成果的集成。例如它包括了电镀技术[例如：周期性反电流工艺法（即PRC工艺）、直流镀铜新技术、电镀液中新型添加剂制造技术]、在微孔内塞孔新技术、激光微孔加工技术、新型基板材料技术等。

在手机中担当信息处理和控制基本频带功能的集成电路——CSP封装用基板于2006年间在基板薄型化上也出现突出的进展。例如，当时日本有的PCB生产企业开始采用松下电工公司提供的40 μm厚极薄覆铜板（牌号1515B）及其半固化片，制出的这种CSP封装基板，其绝缘层减少到30 μm ～ 35 μm厚。

4.4 2007年间

手机中实现HDI多层板面积缩小的重要途径之一，是使CSP封装更小型化。在减少CSP封装基板面积的强烈需求下，2006年间世界上IC封装制造出现了一个技术上的重大进步——出现了用于手机的0.4 mm端子（凸点）间距的IC封装（这种CSP封装是在手机中担当信息处理和控制基本频带功能的LSI）。并于2007年间在手机得到迅速普及[3]，替代了采用了多年来采用0.5 mm端点间距的CSP封装。搭载这种更窄小端子间距的CSP封装的手机主板，其导线宽幅及导线间距（L/S）也随之得到降低（见图5所示）。

图5 CSP封装端子间距缩小与基板L/S尺寸降低的变化关系

为了迎合0.4 mm端点间距的IC封装在手机中应用的需要，制造手机板的不少大型PCB企业，在手机用HDI多层板的制造工艺上进行了不断的创新。在众多创新成果中以电路层制作由原来的减成法转变为采用半加成法工艺法的成果最为耀眼。自2007年起手机用HDI多层板采用半加成法这种工艺转变的步伐加快。

4.5 2008年～2009年间

2008年～2009年由于手机功能不断扩大，使得它的PCB布线、传送信号更加复杂化。在此驱动下，手机用HDI多层板技术发展的主流是更加走向高多层化。当时普遍出现了积层法层由原来的2段增加到3段，制成“3-4-3”的结构形式。而在电路层增加的同时，由于采用极薄玻纤布制成的半固化片，而在板的层间距离上（即板厚度）还在继续减小。2009年生产的手机，出现了10层多层板只有0.60 mm的板厚“新记录”。

4.6 2010年间

2010年间，苹果智能手机iPhone用主板在技术上的革新，将HDI多层板推向一个新发展时期，即“任意层HDI多层板时期”。

进入2010年，苹果智能手机iPhone和苹果平板电脑iPad同时上市。一颗“苹果”，给全球携带型电子产品市场搅得天翻地覆，注入了全新的概念和活力。仅从iPhone用主板水平剖析就可认为：它所用的任意层HDI多层板，就表现出超薄、高密度、高多层（10层）、所搭载元器件布局及基板外形新奇等新特点。它足以作为开启任意层型HDI多层板（Any-Layer HDI）技术发展新时期的重要标志。

可以借助国外专业拆解分析顾问机构UBM TechInsights分析师David Carey之语来进一步了解iPhone中HDI多层板在技术上的新跨越。这位资深专家近期对iPhone4的PCB创新发出如此的感慨[4]：“我们第一次看到10层手机电路板，是在五年或六年前诺基亚(Nokia)推出的一支笔型手机。我们所看到的每一款智慧型手机都是顶多部分遵循这样的路线(多层板)，但很少见到达到iPhone 4这种等级的。”他提出[5]：苹果iPhone 4中由于积极采用3D晶片堆叠，它成为了“主流智慧型手机中将印刷电路板面积做最大化利用的产品之一”。iPhone 4所采用的封装技术策略，使得在这一套系统内“几乎看不到电子元件”。由于晶片是手机系统内部少数能够被微型化的零组件，因此这种作法可为电池、显示器等无法被微缩的零组件，留下尽可能大的内部空间。iPhone 4内部采用了环绕电池的小巧L型电路板，所创造出的如此小型、高密度设计结构，为电路板本身添加了更多的复杂程度；该款手机使用高达十层的电路板、每一层之间都有微小的接头，是以激光或是光学成像技术成孔。

苹果iPhone用主板——10层任意层HDI多层板（已装联上元器件）的照片[4]见图6所示。

2010年是任意层HDI多层板借助苹果iPhone上市之风获得“全面开花”的重要年代。在这一年手机使用的新型HDI多层板事实，对HDI多层板发展具有“里程碑”的重要意义。日本PCB专家上原利久近期著文认为[1]，Any-Layer HDI可以形成更加微细的电路图形，并且由于它去除了绝缘层较厚的内芯层、改换为由全任意层的积层法层结构，因此可以使得基板厚度进一步的实现薄型化。上原利久还用有芯层和任意层（无芯层）两种HDI多层板构造进行实例的对比，以此来说明此项HDI多层板技术的进步（见图7）。

图6 应用于iPhone 4中的10层任意层HDI多层板（已装联上元器件）

图7 两种HDI多层板构造图的实例对比

以上，通过对手机采用的HDI多层板在技术上变迁的分析，更加说明了HDI多层板技术在二十年中的巨大发展。而它的每一阶段技术的攀升，都是与它所用基板材料的技术进步分不开的。

[1]上原利久(日) .高密度配線板の技术[J].エレクトロニクス实装学会誌,Vol.13,No.5 (2010).

[2]许路.HDI电路板新型制造技术发展动态.http://www.cnki.net.

[3]0.4mmピッチCSP对应品, 出そろう8层で厚さ0.4mmの品种も登场.NIKKEI ELECTRONICS.2006,2.27.

[4]UBM TechInsights David Carey.http://www.dzsc.com/news.

[5]Prismark.The Printed Circuit Report Second Qurter– August 2010.