Công nghệ PCB - Những thách thức và tiến bộ của công nghệ HDI trong sản xuất hàng loạt bảng mạch

Với sự phát triển của các sản phẩm như điện thoại thông minh, máy tính bảng và thiết bị đeo theo hướng thu nhỏ và linh hoạt, công nghệ của bảng mạch in kết nối mật độ cao tiếp tục được cải thiện, chiều rộng và khoảng cách của dây dẫn PCB, đường kính của đĩa vi mô và khoảng cách giữa các lỗ, Và độ dày của lớp dây dẫn và lớp cách nhiệt tiếp tục giảm, do đó số lượng lớp của PCB có thể được tăng lên để chứa nhiều thành phần hơn mà không làm tăng kích thước, trọng lượng và khối lượng của PCB. Ngoài ra, hiệu suất điện của PCB trở nên cực kỳ quan trọng khi băng thông truyền dữ liệu không dây và tốc độ xử lý được cải thiện.

Cũng giống như ngành công nghiệp mạch tích hợp đã gặp phải những trở ngại trong việc mở rộng hiệu suất và tuân thủ Định luật Moore, ngành công nghiệp PCB cũng phải đối mặt với những thách thức về khả năng xử lý và hiệu suất vật liệu để liên tục cải thiện mật độ kết nối và hiệu suất điện. Ngay cả khi PCB sử dụng bất kỳ thiết kế mật độ cao kết nối lớp (ALV HDI) nào, vẫn còn những hạn chế trong việc mở rộng và cải thiện hiệu suất, chi phí sản xuất tăng lên và có những vấn đề về hiệu quả chi phí. Ngành công nghiệp PCB đang phải đối mặt với những thách thức trong việc tăng số lượng lớp và giảm độ dày. Độ dày của lớp cách điện đã giảm xuống dưới ngưỡng 50 μm, và sự ổn định kích thước và tính chất điện của PCB (đặc biệt là trở kháng tín hiệu và điện trở cách điện) đã giảm.

Đồng thời, mật độ của dấu vết tín hiệu tiếp tục tăng và chiều rộng của dấu vết nhỏ hơn 40 μm. Thật khó để tạo ra một quỹ đạo như vậy với phép trừ truyền thống. Công nghệ cộng, mặc dù có thể cho phép sản xuất mạch tốt hơn, có vấn đề về chi phí cao và quy mô sản xuất nhỏ. Việc tăng cường sử dụng các thiết bị phù hợp phức tạp và tự động, chẳng hạn như thiết bị chụp ảnh trực tiếp bằng laser (LDI) và công nghệ lỗ laser 100 μm (LDD) có thể cải thiện các vấn đề trên, nhưng chi phí sẽ tăng lên và hiệu suất vật liệu bị hạn chế. Điều đó cũng có nghĩa là chúng ta cần tập trung vào những điều cơ bản để làm cho hệ thống của chúng ta mạnh mẽ hơn và tiết kiệm chi phí hơn. Bài viết này trình bày những thách thức và tiến bộ mới nhất của công nghệ ALV HDI trong sản xuất hàng loạt để đáp ứng nhu cầu về khối lượng, độ tin cậy và giá cả cạnh tranh trong lĩnh vực bao bì điện tử.

Tổng quan về công nghệ ALV HDI Với sự phổ biến của phương tiện truyền thông xã hội, ngày càng có nhiều thông tin liên lạc được thực hiện thông qua điện thoại thông minh hoặc máy tính bảng. Phương tiện truyền thông xã hội hiện là một phần quan trọng của bất kỳ kế hoạch tiếp thị doanh nghiệp thành công nào. Nó cung cấp cho chúng tôi một nền tảng để giao tiếp với khách hàng hiện tại và tiềm năng và cũng có thể thường xuyên cung cấp cho chúng tôi phản hồi và ý tưởng mới. Điều này có nghĩa là lượng dữ liệu truyền tải thông tin đã tăng đáng kể trong những năm gần đây và sẽ tiếp tục tăng. Tăng chức năng tiếp theo và giảm kích thước thành phần sẽ là động lực chính cho sự phát triển của PCB. Tốc độ phát triển của công nghệ bán dẫn gần như theo cấp số nhân, tăng gấp đôi cứ sau hai năm và tốc độ này sẽ tiếp tục trong những năm gần đây. Khi chúng ta so sánh cấu trúc PCB cứng nhắc cổ điển được sử dụng bởi điện thoại di động thế hệ đầu tiên với PCB mới nhất được sử dụng bởi điện thoại thông minh hiện tại, chúng ta có thể thấy sự khác biệt rất lớn. Có thể nói, thu nhỏ là xu hướng chính trong những năm gần đây. Mặc dù kích thước của điện thoại không thay đổi nhiều, nhưng rõ ràng là các thành phần và PCB đang liên tục giảm để phù hợp với các tính năng mạnh hơn. Trong một điện thoại thông minh hoặc máy tính bảng điển hình, phần lớn không gian bị chiếm bởi màn hình và pin, và các thiết bị điện tử còn lại đã được giảm kích thước và tích hợp vào một khu vực nhỏ. Khi khoảng cách giữa các thành phần giảm và số lượng I/O tăng lên, có lẽ một trong những thay đổi đáng chú ý nhất là độ mỏng của các tấm và số lượng các lớp tăng lên. Một thập kỷ trước, PCB cứng điển hình có độ dày hơn 1 mm. Bây giờ PCB điện thoại thông minh điển hình có độ dày khoảng 0,5 đến 0,7 mm. Tuy nhiên, có một xu hướng rõ ràng cho thấy số lượng lớp đang tăng lên trong khi độ dày của bảng đang giảm. Theo lộ trình của ngành, biphenyls polychloride dày dưới 0,4mm dự kiến sẽ xuất hiện trong các thiết bị cầm tay trong những năm tới. Tùy thuộc vào độ phức tạp của sản phẩm, số lượng lớp có chứa micropores sẽ tăng lên 10 hoặc thậm chí 12 lớp. Rõ ràng, điều này sẽ dẫn đến việc sử dụng các lớp điện môi mỏng và các lớp dây dẫn. Một vài năm trước, công nghệ khoảng cách 0,6 mm đến 0,8 mm đã được sử dụng trong các thiết bị cầm tay vào thời điểm đó. Điện thoại thông minh ngày nay, do số lượng các thành phần I/O và thu nhỏ sản phẩm, cho phép PCB sử dụng rộng rãi công nghệ khoảng cách 0,4 mm. Không có gì đáng ngạc nhiên, xu hướng này đang hướng tới 0,3mm. Trên thực tế, sự phát triển của công nghệ khoảng cách 0,3mm cho thiết bị đầu cuối di động đã bắt đầu từ nhiều năm trước. Trong khi đó, kích thước của micropore và đường kính của tấm kết nối được giảm xuống còn 75mm và 200mm tương ứng. Ngành công nghiệp này đặt mục tiêu giảm micropores và đĩa xuống còn 50mm và 150mm trong vài năm tới. Hình 2: Việc thu nhỏ các thông số kỹ thuật thiết kế khoảng cách 0,3mm thúc đẩy giảm chiều rộng đường, khoảng cách và kích thước bảng gắn trên bề mặt trong PCB ALV HDI. Thu nhỏ có thể bằng cách sử dụng bất kỳ kỹ thuật lớp nào. Vì các kết nối có thể được hình thành giữa bất kỳ lớp nào, điều này mang lại cho các nhà thiết kế nhiều tự do hơn. Khả năng cải thiện quy trình sản xuất dây chuyền tốt là rõ ràng. Các giải pháp sản xuất và chế biến mới là cần thiết để đáp ứng các yêu cầu thiết kế mới này.

2. Những thách thức đối với sản xuất PCB ALV HDI Các bước sản xuất quan trọng trong thu nhỏ PCB ALV HDI là quá trình cán nhiều lớp, khoan laser, hình ảnh, khắc và mạ và cách tối ưu hóa quy trình để đáp ứng quy trình sản xuất công suất cao, mạnh mẽ, đáng tin cậy và chi phí thấp. Chi phí sản xuất. 1. Sự phát triển của công nghệ laser microporous vào giữa những năm 1990, khoảng cách giữa các chân của các phần tử được giảm. Khó khăn kỹ thuật là kết nối các thành phần I/O cao với PCB PTH đa lớp. Để giải quyết thách thức này, ngành công nghiệp PCB không chỉ giảm lỗ khoan cơ học xuống dưới 150 mm, mà còn phát triển các công nghệ micropore như lớp điện môi hình ảnh, lỗ khắc plasma và phương pháp khoan laser. Tuy nhiên, kỹ thuật tạo lỗ thông qua hình ảnh quang học đòi hỏi vật liệu nhạy sáng đặc biệt, trong khi plasma không ảnh hưởng đến FR-4. Do tính linh hoạt của nó, khoan laser hiện là phương pháp sản xuất chính. Ban đầu, các laser có sẵn là TEA CO2 và UV Nd: YAG. Có một số nhược điểm hạn chế tính hữu ích và chính xác của chúng.

Với bước sóng 10.600 nanomet, laser TEA CO2 không thể khoan đồng, tốc độ chậm và xung dễ bị bỏ lỡ, do đó có một số khó khăn nhất định trong ứng dụng. Khi sử dụng máy khoan laser này, cần phải tạo ra một cửa sổ lớn hoặc hơi lớn trên bề mặt đồng (mặt nạ phù hợp) với khẩu độ laser cuối cùng. Ngoài ra, sau khi triệt tiêu laser bước sóng dài này, một lớp cacbua sẽ được hình thành trong PCB và phải được loại bỏ bằng các thông số loại bỏ cặn tương đối mạnh. Máy khoan laser UV đầu tiên được phóng vào năm 1997 là Nd: YAG với bước sóng 355 nm. Với phương pháp đục lỗ và bao quanh, tia laser có thể tập trung tốt vào các điểm có đường kính nhỏ hơn. Những mũi khoan laser UV này rất hiệu quả khi khoan đồng và nhựa. Tuy nhiên, có một vấn đề khi khoan FR-4. Điều này là do FR-4 chứa sợi thủy tinh có sự hấp thụ tia cực tím rất yếu và không dễ bị gián đoạn. Do đó, các sản phẩm PCB sử dụng khoan laser UV đòi hỏi phải sử dụng lá đồng phủ nhựa (RCC) thay vì FR-4 làm vật liệu xây dựng. Hiệu quả của máy khoan laser UV là rất thấp, và cũng có vấn đề với sự ổn định năng lượng. Sau khi cải thiện sự ổn định và tăng mạnh công suất định mức, việc cắt sợi thủy tinh vẫn là một vấn đề, và công suất sản xuất của giàn khoan laser UV thấp hơn nhiều so với giàn khoan laser carbon dioxide, vì vậy giàn khoan UV hiện chỉ phù hợp cho một số dịp đặc biệt. Sau đó, một số công ty bắt đầu kết hợp laser CO2 với laser UV, nhưng giải pháp này chỉ phù hợp cho việc tạo mẫu PCB và sản xuất hàng loạt nhỏ. Đối với bảng lô, phương pháp kết hợp này không kinh tế cũng như không thể chi trả được.

Năm 1998 là năm mà nhu cầu về microboard dành cho người mù tăng mạnh. Do đó, các nhà sản xuất PCB chính thống đã chuẩn hóa quy trình khắc+laser carbon dioxide và các giàn khoan laser carbon dioxide mới cũng bắt đầu được đưa ra thị trường, không mất xung và nhanh hơn. Sự gia tăng đáng kể về năng lực sản xuất của các giàn khoan CO2 mới cuối cùng sẽ làm cho chúng hiệu quả về chi phí trong sản xuất hàng loạt. Quá trình khoan cũng rất ổn định. Vào giữa những năm 2000, các nhà sản xuất PCB hàng đầu trong ngành bắt đầu phát triển các lỗ khoan trực tiếp qua lá đồng. Làm mỏng đồng đến độ dày 5 mm~12 mm và làm nhám và làm tối bề mặt đồng trước khi khoan. Ưu điểm kỹ thuật của việc tạo lỗ trực tiếp bằng laser này là giảm các bước khắc cửa sổ bằng đồng và giảm đáng kể chi phí. Đây là phương pháp chính hiện đang được sử dụng để sản xuất micropores mù để kết nối bất kỳ lớp nào. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là cửa sổ xử lý tương đối hẹp và không thể làm lại. Từ quan điểm chất lượng, đây là một thách thức lớn đối với việc sản xuất hàng loạt ổn định các micropores mù dưới 100 μm. Vì các khiếm khuyết như đồng nhô ra trong lỗ, sợi thủy tinh nhô ra và dư lượng nhựa có thể gây ra các vấn đề về chất lượng trong quá trình khử bẩn và mạ tiếp theo, các lỗ siêu mù nhỏ hơn 100 hòn đảo này phải được tối ưu hóa để loại bỏ đồng treo trong lỗ và loại bỏ chúng. Sợi thủy tinh nhô ra, dư lượng nhựa cây và các khuyết tật khác. Việc khoan laser CO2 sẽ vẫn chiếm ưu thế trong thời gian tới. Tuy nhiên, các giàn khoan laser picosecond và femtosecond mới sẽ xuất hiện trên thị trường. Những giàn khoan này có lợi thế về tốc độ xử lý, chất lượng khoan và hiệu quả sản xuất. Các giàn khoan laser này có thể là một hướng phát triển khi ngành công nghiệp phải đối mặt với những thách thức với lỗ mù laser khẩu độ nhỏ. Ngoài ra, các bit laser này gây ra thiệt hại nhiệt cho vật liệu ít hơn so với các bit laser xung dài (chẳng hạn như bit laser CO2). Những mũi khoan laser mới này có thể khoan lỗ trên lá đồng chưa được xử lý. 2. Quá trình mạ và hình ảnh Sự lựa chọn của quá trình mạ PCB phụ thuộc vào chiều rộng/khoảng cách dòng, độ dày của lớp cách điện và độ dày đồng cuối cùng. Trong thiết kế BGA với khoảng cách 0,3mm, đường kính của pad là 150μm, lỗ mù là 75μm và hai đường mỏng với khoảng cách 0,3mm/30mm giữa hai pad. Việc tạo ra mạch tốt này bằng các phương pháp trừ hiện có là một thách thức. Trong phép trừ pha, khả năng khắc là một trong những yếu tố quan trọng và cần tối ưu hóa quy trình chuyển mẫu và tính đồng nhất của mạ. Đó là lý do tại sao ngành công nghiệp PCB sử dụng quy trình mSAP để tạo ra các đường mỏng. So với phép trừ, chiều rộng trên cùng và chiều rộng dưới cùng của các đường mỏng được tạo ra bởi quy trình mSAP gần như giống nhau, nghĩa là dễ dàng hơn để kiểm soát các đường thành hình vuông. Một lợi thế khác của mSAP là nó sử dụng các quy trình PCB tiêu chuẩn như khoan và mạ, cũng như các công nghệ hiện có khác, và việc sử dụng các vật liệu truyền thống có thể cung cấp độ bám dính tốt giữa các lớp đồng và điện môi để đảm bảo độ tin cậy của sản phẩm cuối cùng. Ưu điểm lớn nhất của quy trình mSAP so với phép trừ là loại đường dễ điều khiển và chiều rộng trên cùng và dưới cùng của toàn bộ bảng sản xuất gần như giống nhau. Giảm độ dày đường dây, loại đường dây có thể được kiểm soát, nhiễu xuyên âm thấp, tỷ lệ tín hiệu nhiễu cao và tăng tính toàn vẹn tín hiệu. Trên thực tế, dây mỏng và lớp điện môi mỏng hơn này phải có mức trở kháng đặc trưng.

Hiện nay, mạch của các sản phẩm PCB ngày càng mỏng hơn và độ dày của lớp điện môi tiếp tục giảm. Do đó, cần phải chọn quy trình sản xuất PCB phù hợp. Quá trình này phải có khả năng đáp ứng các yêu cầu về mạ điện và lấp đầy lỗ, đồng thời có khả năng tạo ra các nếp nhăn mịn. Các đường nét mỏng hơn, khoảng cách nhỏ hơn và các lỗ tròn đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ hơn đối với quá trình chuyển mẫu. Đối với dây mỏng, các phương pháp như sửa chữa, làm lại hoặc sửa chữa không thể được sử dụng. Nếu bạn muốn có được tỷ lệ vượt qua cao hơn, bạn phải chú ý đến chất lượng của các công cụ sản xuất đồ họa, các thông số của cán prepre-ngâm và các thông số của truyền đồ họa. Đối với công nghệ này, việc sử dụng hình ảnh trực tiếp bằng laser (LDI) thay vì phơi sáng tiếp xúc dường như ngày càng hấp dẫn. Tuy nhiên, LDI không hiệu quả và tốn kém để sản xuất, vì vậy hơn 90% sản phẩm PCB sử dụng phơi sáng tiếp xúc để chuyển đồ họa. LDI chỉ hiệu quả hơn về chi phí nếu LDI có thể cải thiện đáng kể tỷ lệ sản phẩm tốt. Bây giờ, điều rất quan trọng là phải cải thiện tỷ lệ sản xuất PCB của các kết nối lớp tùy ý phức tạp, do đó, chúng tôi có xu hướng sử dụng LDI. Nếu không có LDI, không thể sản xuất PCB cho điện thoại thông minh cao cấp. Ưu điểm của LDI là nó cho phép mỗi bo mạch PCB sử dụng một sự giãn nở và co lại khác nhau, điều này sẽ làm giảm chất thải do sự liên kết không chính xác. Để phát huy tối đa lợi thế của LDI, cần phải kết hợp màng khô hoặc ướt với công nghệ chuyển đồ họa để có năng lực sản xuất tối ưu. Trong những năm gần đây, công suất chế biến và năng lực sản xuất của màng khô/ướt đã được cải thiện đáng kể. Điều này có thể giúp bạn mua LDI để chuyển đồ họa. Bởi vì bạn luôn muốn sử dụng các kỹ thuật đã được chứng minh khi bạn phải đối mặt với các lựa chọn thay thế. Ngoài ra, có một loại máy DI cũng có thể được sử dụng trong sản xuất PCB. Trong số các máy DI mới được bán, khoảng 25% được sử dụng để sản xuất các mẫu mặt nạ hàn. Sử dụng DI trong quá trình hàn điện trở có thể cải thiện đáng kể sản lượng, nhưng nhược điểm là năng lực sản xuất của nó quá thấp.

3. ALV HDI Technology Summary Bài viết này chủ yếu giới thiệu các quy trình sản xuất quan trọng của bất kỳ lớp nào của bảng mạch PCB kết nối trong quá trình sản xuất và tác động của chúng đối với chi phí. Khi lựa chọn quy trình, cần xem xét rằng công nghệ này phải đáp ứng nhu cầu hiện tại và tương lai của các sản phẩm bao bì điện tử. Những thách thức mà HDI PCB phải đối mặt là: tăng chức năng PCB và giảm kích thước, cũng như cấu trúc siêu mỏng thường thấy trong các sản phẩm cuối gần đây. Để chuẩn bị nguyên liệu và phương pháp sản xuất kịp thời, cần quản lý hiệu quả chuỗi cung ứng, rút ngắn chu kỳ sản xuất nguyên mẫu và đưa sản phẩm ra thị trường nhanh hơn. Trừ (lá đồng hoặc mạ) để làm cho dây mỏng sẽ phải đối mặt với các giới hạn về độ dày đồng và độ lệch độ dày đồng nhạy cảm với khoảng cách dây, độ lệch độ dày và độ nhám của đồng cơ sở. Phép cộng có độ phân giải cao hơn và loại đường là tốt khi tạo ra các đường mỏng, nhưng đối với các kỹ sư, việc kiểm soát phức tạp hơn và có thể đòi hỏi đầu tư đáng kể. Các đường mỏng của quy trình mSAP có các bức tường bên thẳng hơn, do đó tổn thất truyền tải và nhiễu xuyên âm tương đối thấp và cải thiện tính toàn vẹn của tín hiệu PCB. Không có câu trả lời dễ dàng cho việc lựa chọn quy trình sản xuất bảng mạch in, vì việc lựa chọn quy trình sản xuất bảng mạch in chủ yếu phụ thuộc vào các đặc điểm của thiết kế sản phẩm. Nếu các kỹ sư tham gia vào quá trình thiết kế sản phẩm sớm, nó sẽ giúp tìm ra giải pháp kinh tế nhất.