深度剖析從PCB到IC載板的加成法工藝

SAP、mSAP、SLP——看看我們現(xiàn)在采用的技術(shù)，其首字母縮寫是多么得瘋狂！我們真正應(yīng)該了解的技術(shù)又有哪些？在消費(fèi)類電子產(chǎn)品方面，你每天都不離手的智能手機(jī)或者至少是下一代智能手機(jī)里面安裝的PCB將采用mSAP技術(shù)生產(chǎn)制造。目前的PCB設(shè)計(jì)和制造完全依賴于所應(yīng)用的技術(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)減成蝕刻法一直應(yīng)用于PCB行業(yè)。材料、化學(xué)品和設(shè)備的不斷發(fā)展使傳統(tǒng)PCB制造工藝能夠達(dá)到30 μm的線寬與線距及其他特征尺寸。目前，具備復(fù)雜工藝生產(chǎn)能力的大型工廠正在研發(fā)最新的技術(shù)。主流PCB制造工藝所生產(chǎn)出的線寬與線距只能達(dá)到50 μm 至75 μm。電子行業(yè)的發(fā)展十分迅速，行業(yè)對(duì)電子產(chǎn)品復(fù)雜程度的要求越來越高，PCB設(shè)計(jì)的走線越來越細(xì)、使用的材料越來越薄、導(dǎo)通孔尺寸也越來越小。傳統(tǒng)的發(fā)展過程是首先轉(zhuǎn)變到在制造過程中使用微導(dǎo)通孔和多個(gè)層壓周期的HDI技術(shù)。如今的mSAP 和SAP技術(shù)為我們提供了更先進(jìn)的方法，因?yàn)椴捎眠@種技術(shù)我們能生產(chǎn)出小于25 μm的線寬和線距，并能夠滿足極其復(fù)雜的設(shè)計(jì)要求。

先明確幾個(gè)術(shù)語(yǔ)的定義

·減成蝕刻法：通常用于生產(chǎn)印制電路板。該工藝首先從覆銅箔層壓板開始，在層壓板上覆上膜，再進(jìn)行蝕刻（蝕刻掉銅）從而形成布線

·加成法PCB制造：這種工藝使用加成法，而不是減成法，形成布線

·SAP：半加成法，采用IC生產(chǎn)方法

·mSAP：改良型半加成工藝，采用IC生產(chǎn)方法

·SLP：類載板PCB；使用mSAP或SAP技術(shù)（而不是減成蝕刻法）生產(chǎn)的PCB

SAP和mSAP是IC載板生產(chǎn)過程中常用的工藝。隨著PCB生產(chǎn)采用并集成這一技術(shù)，該技術(shù)有望能夠填補(bǔ)IC制造能力和PCB制造能力之間的差距。減成蝕刻在制造較細(xì)線寬/線距方面有一定的局限性，而IC生產(chǎn)則受制于小尺寸。PCB制造采用了SAP和mSAP工藝后，可以有機(jī)會(huì)在較大尺寸的在制板上生產(chǎn)出小于25μm的線寬和線距。

在PCB生產(chǎn)過程中，SAP和mSAP工藝都是從內(nèi)芯介質(zhì)和薄銅層開始的。這兩種工藝流程的一個(gè)基本差異是種子銅層的厚度。一般情況下，SAP工藝從一層薄化學(xué)鍍銅涂層（小于1.5um）開始，而mSAP從一層薄的層壓銅箔（大于1.5mum）開始。實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)的方式有很多種，可以根據(jù)產(chǎn)量要求、成本、所需資本投資和研發(fā)工藝能力來選擇。

工藝

SAP和mSAP所使用的工藝類似。首先在基板上涂覆薄銅層。隨后進(jìn)行負(fù)片圖形設(shè)計(jì)，再電鍍上所需厚度的銅層，之后移除種子銅層。

為了進(jìn)一步了解PCB加成法的工藝步驟，我和Averatek公司的總裁兼CTO—— Mike Vinson就這一主題進(jìn)行了深入的交流。Averatek公司位于加利福尼亞州，是一家專門生產(chǎn)催化油墨的公司，這種油墨能夠完成加成法工藝。他分享了Averatek的IP技術(shù)信息和個(gè)人見解。Averatek公司的原子層沉積（ALD）母體油墨可用于小批量樣板生產(chǎn)或大批量量產(chǎn)應(yīng)用，既適用于全加成法，也適用于半加成法。催化油墨控制線寬和線距的水平尺寸，而加成法工藝則只將金屬沉積在光致抗蝕劑界定的圖形上，從而控制金屬厚度的垂直尺寸。

Averatek的工藝流程包含六個(gè)基本步驟：

1.使用機(jī)械鉆孔或激光鉆孔的方式在基板上鉆導(dǎo)通孔。（提示：如果客戶的工藝流程要求在Averatek工藝完成后再鉆孔或者不需要鉆導(dǎo)通孔，那么這一步是可選的。）

2.隨后準(zhǔn)備好基板以便進(jìn)行后續(xù)加工。大多數(shù)情況下，這一步就是在適當(dāng)?shù)奶幚硐到y(tǒng)中對(duì)材料進(jìn)行簡(jiǎn)單的清洗和安裝。

3.使用Averatek的ALD母體催化油墨涂覆基板并固化，形成催化材料次納米層（厚度<1nm）。

4.將化學(xué)鍍銅沉積到母體上。銅層厚度在0.1 μm至1.0 μm之間。

5.使用光刻技術(shù)在光致抗蝕劑層上成像，得到可以沉積銅材料的圖形。此時(shí)生成的線寬和線距要大于5 μm。

6.最后用電解鍍銅形成電路，然后剝除殘余的抗蝕劑并做閃蝕處理。

這一技術(shù)能夠在撓性、剛性基板或其他材料上制造出非常細(xì)的走線，成本也非常有競(jìng)爭(zhēng)力。因?yàn)榭资茄刂季€進(jìn)行電鍍，所以能夠?qū)崿F(xiàn)平滑的無縫過渡。很多要求配有細(xì)走線圖形的應(yīng)用都支持傳輸高速、高頻信號(hào)，所以導(dǎo)電金屬的光滑程度和質(zhì)量非常關(guān)鍵。上述工藝所生成導(dǎo)體的橫截面是圓形的，導(dǎo)體表面也非常光滑。這些屬性非常適合高頻線路，因?yàn)樗梢宰畲蟪潭鹊販p少串?dāng)_、短路和能量損耗。

采用加成法工藝的市場(chǎng)

智能手機(jī)市場(chǎng)是將mSAP工藝用于批量生產(chǎn)的最引人注目的市場(chǎng)，隨著蘋果公司在2017年率先發(fā)布采用了該技術(shù)的iPhone 8和iPhone X，其他制造商也爭(zhēng)相采用這種技術(shù)。目前的設(shè)計(jì)是混合使用減成蝕刻法和mSAP工藝。mSAP工藝能夠應(yīng)用于更薄、更小的母板設(shè)計(jì)。這一點(diǎn)對(duì)于設(shè)計(jì)而言非常重要，因?yàn)檫@種工藝能夠?yàn)殡姵仳v出更多空間，從而可為消費(fèi)者延長(zhǎng)電池壽命。iPhone X所使用的工藝實(shí)現(xiàn)了30μm的線寬和線距（圖1）。未來預(yù)計(jì)線寬和線距可以達(dá)到10μm以下。

圖1：iPhone X的母板

采用不同工藝制成電路板層——使用mSAP工藝制成的細(xì)間距引腳扇出和密集布線的層，再結(jié)合使用減成蝕刻工藝制成的層——這一概念在智能手機(jī)市場(chǎng)已經(jīng)被證實(shí)是非常有效的，并且已經(jīng)推廣到其他市場(chǎng)，如可穿戴產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)備、醫(yī)療植入產(chǎn)品、汽車及航空國(guó)防市場(chǎng)。從4次層壓周期的10層HDI設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換到單次或兩次層壓周期的6層HDI設(shè)計(jì)，這其中的優(yōu)勢(shì)是無法否認(rèn)的。但這確實(shí)也讓我們不得不從一個(gè)新的角度去看待設(shè)計(jì)和制造。制造商為了這類需求開發(fā)出了新的工藝流程，所以需要建立新的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則并需要完成可靠性測(cè)試。

實(shí)際應(yīng)用

有哪些應(yīng)用正在考慮或正在采用這種新的PCB工藝呢？需要極其薄銅的應(yīng)用、需要考慮空間和重量的應(yīng)用以及具有復(fù)雜引腳扇出的應(yīng)用，這些應(yīng)用推動(dòng)著傳統(tǒng)PCB制造開始采用SAP或mSAP工藝。

例如使用20μm線寬和線距技術(shù)的醫(yī)療植入產(chǎn)品，它是一種在聚酰亞胺材料上有金導(dǎo)體的雙面設(shè)計(jì)。出于生物相容性的考量，聚酰亞胺和金的組合也是非常有吸引力的（圖2）。

圖2：使用SAP工藝生產(chǎn)的電路

具有高密度互連設(shè)計(jì)的軍事/航空應(yīng)用需要密集的引腳扇出，現(xiàn)在這類應(yīng)用可以選用更細(xì)的走線和更小的導(dǎo)通孔。和智能手機(jī)設(shè)計(jì)使用的堆疊結(jié)構(gòu)類似，采用SAP工藝生產(chǎn)出的電路板層與采用減成蝕刻工藝生產(chǎn)出的電路板層相結(jié)合的方式也獲得了成功，有效減少了層數(shù)和縮短了成本昂貴的層壓周期。

可穿戴產(chǎn)品是另一個(gè)率先使用這種工藝的領(lǐng)域。SAP和mSAP能夠制成更薄、更輕、更靈活的電路——這些優(yōu)點(diǎn)完全迎合了可穿戴技術(shù)市場(chǎng)的需求。

Averatek公司的ALD油墨能夠直接在圓形或不規(guī)則形狀的結(jié)構(gòu)上印制線路圖形，包括3D產(chǎn)品、導(dǎo)液管彎曲端以及其他無法用傳統(tǒng)減成蝕刻技術(shù)處理的結(jié)構(gòu)。這種ALD油墨在新興的電子織物市場(chǎng)也取得了成功。將ALD油墨涂覆到各種織物中再使用化學(xué)鍍銅進(jìn)行電鍍，可以獲得能夠集成到電子織物應(yīng)用中的導(dǎo)體材料（圖3）。這些應(yīng)用領(lǐng)域可以讓PCB制造商服務(wù)范圍以外的發(fā)展中市場(chǎng)。

圖3：Averatek公司的ALD利用其他材料創(chuàng)造新的設(shè)計(jì)可能

重新灌封、SAP、mSAP和SLP工藝目前應(yīng)用于最新最炫的大批量智能手機(jī)市場(chǎng)。對(duì)于那些需要薄銅層、線寬和線距小于25μm且HDI設(shè)計(jì)較復(fù)雜的應(yīng)用，全球PCB行業(yè)正在密切關(guān)注并尋找其他機(jī)會(huì)將這一技術(shù)落實(shí)到這些應(yīng)用當(dāng)中。這項(xiàng)新工藝促使制造商仔細(xì)研究設(shè)備和工藝，從而決定要如何將工藝從減成法轉(zhuǎn)換到加成法，同時(shí)也促使設(shè)計(jì)師用一種新的方式去審視，要采用新的工具去解決更為復(fù)雜的設(shè)計(jì)難題。

在我看來，跳出舒適圈是一件好事，雖然這一過程非常困難，但我們能夠提升技術(shù)能力，從而滿足日益復(fù)雜的電子產(chǎn)品要求。敬請(qǐng)期待SMTA將于2019年召開的研討會(huì)“加成法在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用：從IC到PCB”，該研討會(huì)議將專注傳統(tǒng)減成蝕刻工藝與mSAP和SAP工藝之間的差距。