5G通信用高频高阶HDI印制板制作关键技术研究
时间：2023-02-14 20:10:06 来源：千叶帆 本文已影响人
安 强 寻瑞平 曾维开 潘 捷 谢国瑜
（江门崇达电路技术有限公司，广东 江门 529000）
（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）
印制电路板（PCB）是电子元器件安装与互连的载体，是所有电子产品中不可或缺的基础器件，其应用范围极其广泛，小到电子手表、计算器、手机，大到工控设备、通信基站、军用武器系统、航空航天设备，只要存在电子元器件，它们之间的电气连接就要使用到PCB[1]。
随着全球5G技术的推进，通信基站、通信终端及其衍生应用场景设备，对印制板提出了新的巨大增长需求。并且5G由于其高频微波特性，5G基站密度要远远高于4G，同时各种设备的处理频次、数据传输和处理速度也要远远高于4G时代，这些核心主设备、传输设备、应用设备都对PCB的性能要求更高，因而其单价也要远远高于应用于4G的印制板，在此背景下，布局5G通信用PCB具有广阔的应用前景和巨大市场机会[2]。
文章选取了一款10层3阶的高频HDI板，集合了高密度、高集成度、轻薄等特点为一体的印制板产品，就其制作工艺流程以及技术难点做了详细阐述，希望能给业界同行提供一定的参考。
1.1 产品结构特点
现以这款用于5G通信设备的10层3阶设计的高频高阶HDI（高密度互联）电路板为例，研究探讨印制板的高阶叠孔、精密线路、电镀参数涨缩管控等制作难点及解决技术，产品的主要参数见表1所示，产品压合结构示意图如图1所示。
1.2 制作工艺流程
文章10层3阶HDI板产品，通过埋孔叠孔实现各层电气连接，需要经过4次压合，每次压合均需经激光钻孔、电镀填孔、线路图形、蚀刻等工艺，工艺制作流程繁长，管控点众多，包括压合程序优化、孔叠孔对位、层间图形位偏、精细线路制作等技术难点，产品具体工艺流程设计如下。
L5-L6：开料→内层图形→内层蚀刻→OPE冲孔→内层AOI（自动光学检测）→棕化
第一次压合L4-L7：层压→内层钻孔→内层沉铜→内层板电→树脂塞孔→陶瓷磨板→内层图形（2）→内层蚀刻（2）→内层AOI（2）→棕化（2）
第二次压合L3-L8：层压→LDD（激光直接成孔）棕化→激光钻孔→等离子体处理→外层沉铜→整板填孔电镀→外层图形→外层蚀刻→阻抗测试→外层AOI→棕化（3）
第三次压合L2-L9：层压→LDD棕化（2）→激光钻孔（2）→等离子体处理（2）→外层沉铜（2）→整板填孔电镀（2）→外层图形（2）→外层蚀刻（2）→阻抗测试（2）→外层AOI（2）→棕化（4）
第四次压合L1-L10：层压→打靶位孔→LDD棕化（3）→激光钻孔（3）→退棕化→外层沉铜（3）→整板填孔电镀（3）→阻抗测试（3）→网印阻焊→阻抗测试（4）→回流焊→电测→成型→电测（2）→FQC（线上最终检验）→FQA（成品最终检验保证）→包装
2.1 压合参数优化
本研究选用的是EM285高频高速板材，这类材料与普通材料中的压合加工条件有很大区别，普通压合方法无法满足此类材料压合后的可靠性要求。按照现有压合程序分析，EM285压合程序在温升、固化时间、上压点温度等参数方面有优化空间，见表2所示，所用钢板厚度1.5 mm。
通过优化升温速率及上压点温度，绘制料温曲线图，选取最佳压合程序将温升、上压点及固化时间等锁定在最优状态。由表2的实验结果可知，锁定参数2作为最优压合条件，升温速率在1.85～2.08 ℃/min之间，上压点在80～95 ℃之间，固化时间在60 min以上，此程序下压合保证了材料升温速率及固化时间最优化，提升了材料的可靠性。
表2 压合参数优化前后测试结果表
2.2 层间图形偏位
对于PCB是否产生层间偏位，是判断高层次、高精密度PCB成品质量的关键要素。为解决层偏问题，设计测试3组层间对位环，间距分别为0.05 mm、0.075 mm、0.10 mm，且实行以下管控措施，以获得手机板的层间图形对位的制程能力（客户要求0.075 mm同心圆不相切）。层间对位环设计图如图2所示。
图2 层间对位环设计图
（1）材料：基板、半固化片（PP）使用强度最好的玻布类型；
（2）压合：DOE测试抓取最佳压合参数；
（3）压合使用均匀性最好的压机，确认钢板表面品质；
（4）图形：L4—L7层压合靶孔对位，量比例申请程式，固定涨缩，其余层别激光环对位，LDI（激光线条成像）自动涨缩；
（5）图形后全照X-ray确认各层偏移状况。
对产品进行了X-ray确认信赖度测试（如图3所示），结果显示0.05 mm均无相切现象，符合客户0.075 mm不相切的层间对位精度要求，说明通过制作过程管控，可以有效解决各层图形层偏问题。
图3 X-ray检测图
2.3 叠孔对位技术
三阶以上的HDI结构相对复杂，且通过盲、埋孔结构来增加叠层，增加了对位难度（如表3所示），需要通过靶标设计、对位方式和流程优化减少系统偏差的影响，提高对位精度。传统底片成像尺寸稳定性差是造成多层板层间对位偏差的主要原因，为保证最终的层间对准度良好，选择激光直接成像，通过LDI直接于制板上，消除了底片成像技术产生的偏差问题，同时还从内层图形设计、对位方式的选择等进行控制，保证线路制作对位的精准度。
表3 外层盲孔/通孔对位系统设计表
2.4 高精密线路图形制作
本项目产品部分线路设计类型线宽/线距分别为50 μm/50 μm和60 μm/60 μm，线路图形极其精细，采用常规电镀、蚀刻方法会使面铜过厚，出现侧蚀严重，线路和焊盘无法制作等问题。本研究通过以下管控措施实现精密线路图形制作，避免面铜过厚、侧蚀严重无法制作的问题。
管控措施如下。
（1）在图形线路或者焊盘设计时留边30 mm以上，设计如图4所示。
图4 为线路和焊盘设计图
（2）线宽的补偿按照相关的设计准则来执行，但针对特殊精细线路（如L/S≤75 μm）实行动态补偿和分段补偿，以保证L/S≤75 μm类线宽补偿25～45 μm，最小线距为50 μm，解决线路分布对蚀刻侧蚀的影响，提前测试蚀刻均匀性、DOE抓取蚀刻最佳参数。
（3）电镀进料面铜厚度控制在6～8 μm，DOE抓取电镀参数，即铜箔经微蚀减铜至（12±1）μm，再经LDD棕化控制铜厚至6～8 μm，达到激光钻孔铜厚条件。
（4）使用25 μm干膜进行干膜湿法贴膜，增强铜面与干膜的结合力，曝光使用奥宝LDI机，曝光能量控制在6～6.5级，显影压力0.14 Mpa、显影速度1.6 m/min，避免内层开路等品质不良问题。
（5）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。
从表4、表5的统计结果可知，50/50 μm和60/60 μm类型线宽均在规格范围内。50/50 μm线的Cpk最小1.41，60/60 μm线的Cpk最小1.69，均符合Cpk≥1.33的标准，说明通过线路留边设计和过程管控实现了高频板的精密线路制作。
表4 50/50 μm线宽的Cpk统计表
表5 60/60 μm线宽的Cpk统计表
2.5 测试结果
为了检验制作5G通讯PCB的能力，对其各项制作能力以及可靠性进行了测试，结果如表6和表7所示。由结果可知，各层阻抗以±10%公差计算，Cpk≥1.37、Ppk≥0.61符合生产标准，各项可靠性均达到客户要求，可以进行小批量导入投产。
表6 各层阻抗的Cpk统计结果表
表7 可靠性测试结果表
在5G时代，PCB产业迎来新的利益增长点，布局5G通讯设备用高频高速HDI板产品具有广阔的发展前景以及持续的增长力。文章针对一款10层3阶的高频高阶HDI印制电路板，就其制作工艺流程以及技术难点做了详细阐述，并提出了改善方案。
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