印刷電路板的技術(shù)發(fā)展及制造工藝探密

向更高密度更輕薄發(fā)展

近幾年來，印刷電路板（以下簡稱PCB）市場重點從計算機轉(zhuǎn)向通信，這兩年更是轉(zhuǎn)向智能手機、平板電腦類移動終端。因此，移動終端用HDI板是PCB增長的主要點。以智能手機為代表的移動終端驅(qū)使HDI板更高密度更輕薄。

細線化

PCB全都向高密度細線化發(fā)展，HDI板尤為突出。在十年前HDI板的定義是線寬/線距是0.1 mm/0.1 mm及以下， 現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)基本做到60 μm，先進的為40 μm。

PCB線路圖形形成，傳統(tǒng)的是銅箔基板上光致成像后化學蝕刻工藝（減去法）。這種做法工序多、控制難、成本高。當前精細線路制作趨于半加成法或改進型半加工法。

導體與絕緣基材的結(jié)合力，習慣做法是增加表面粗糙度以增加表面積而提高結(jié)合力，如強化去玷污處理粗化樹脂層表面，用高輪廓銅箔或氧化處理銅面。對于細導線，這種物理方法保證結(jié)合力是不行的。于是開發(fā)出平滑樹脂面上化學鍍銅高結(jié)合力銅箔，如有“分子接合技術(shù)”，是對樹脂基材表面化學處理形成一種官能基團能與銅層密切結(jié)合。

另外還有細線路制作過程中干膜成像圖形轉(zhuǎn)移，銅箔的表面處理是成功的關(guān)鍵因素之一。采用表面清洗劑和微蝕刻劑的最佳組合，以提供一個干凈的表面與有足夠的面積，促進干膜的附著力。采用化學清洗去掉銅箔的表面抗變色處理層，以及除去污垢與氧化物，依照銅箔的類型選擇適當?shù)幕瘜W清潔劑，其次是微刻蝕銅箔表面。為使成像干膜與銅層、阻焊圖形與細線路結(jié)合可靠，也應(yīng)采取非物理粗化表面的方法。

半加成法積層基材

現(xiàn)在半加成法熱點是采用絕緣介質(zhì)膜積層，從精細線路實現(xiàn)和制作成本看SAP比MSAP更有利。SAP積層用熱固化樹脂，由激光鉆孔后電鍍銅形成導通孔和電路圖形。

目前國際上的HDI積層材料以環(huán)氧樹脂搭配不同固化劑，以添加無機粉末提高材料剛性及減少CTE，也有使用玻纖布增強剛性。

鍍銅填孔

從可靠性考慮，互連孔都采取電鍍銅填孔技術(shù)，包括盲孔填銅和通孔填銅。

鍍銅填孔的能力表現(xiàn)在填實性：被銅封閉的孔中是否存在有空洞；平整性：鍍銅孔口存在凹陷（Dimple）程度；厚徑比：板厚（孔深）與孔徑的比例。

倒芯片封裝IC封裝載板技術(shù)

全球半導體封裝中有機基板占到超過三分之一的市場份額。隨著手機和平板電腦產(chǎn)量增長， FC-CSP和 FC-PBGA大增。封裝載板由有機基板取代陶瓷基板，封裝載板的節(jié)距越來越小，現(xiàn)在典型的線寬/線距為15 μm。

未來的發(fā)展趨勢。在BGA和CSP細間距載板會繼續(xù)下去，同時無芯板與四層或更多層的載板更多應(yīng)用，路線圖顯示載板的特征尺寸更小，性能重點要求低介電性、低熱膨脹系數(shù)和高耐熱性，在滿足性能目標基礎(chǔ)上追求低成本的基板。

適應(yīng)高頻高速化需求

電子通信技術(shù)從有線到無線，從低頻、低速到高頻、高速。現(xiàn)在的手機性能已進入4G并將邁向5G，就是有更快傳輸速度、更大傳輸容量。全球云計算時代到來使數(shù)據(jù)流量成倍增加，通訊設(shè)備高頻高速化是必然趨勢。PCB為適合高頻、高速傳輸?shù)男枰?，除了電路設(shè)計方面減少信號干擾與損耗，保持信號完整性，以及PCB制造保持符合設(shè)計要求外，重要的是有高性能基材。

為解決PCB增加速度和信號完整性，主要是針對電信號損失屬性?；倪x擇的關(guān)鍵因素介電常數(shù)（Dk）與介質(zhì)損耗（Df ），當Dk低于4與Df 0.010以下為中Dk/Df級層壓板，當Dk低于3.7與Df 0.005以下為低Dk/Df級層壓板。

高速PCB中導體銅的表面粗糙度（輪廓）也是影響信號傳輸損耗的一個重要因素，特別是對10 GHz以上范圍的信號。在10 GHz時銅箔粗糙度需要低于1 μm，使用超平面銅箔（表面粗糙度0.04 μm）效果更佳。

提高耐熱散熱性

伴隨著電子設(shè)備小型化、高功能，產(chǎn)生高發(fā)熱，電子設(shè)備的熱管理要求不斷增加，選擇的一個解決方案是發(fā)展導熱性印制電路板。要求PCB有高導熱性和耐熱性，近十年來一直為此努力。已有高散熱性PCB如平面型厚銅基板PCB、鋁金屬基PCB、鋁金屬芯雙面PCB、銅基平面型PCB、鋁基空腔PCB、埋置金屬塊PCB、可彎曲鋁基PCB等。

采用金屬基板（IMS）或金屬芯印制電路板，起到發(fā)熱組件的散熱作用，比傳統(tǒng)的散熱器、風扇冷卻縮小體積與降低成本。目前金屬基板或金屬芯多數(shù)是金屬鋁。鋁基電路板的優(yōu)點有簡易經(jīng)濟、電子連接可靠、導熱和強度高、無焊接無鉛環(huán)保等，從消費品到汽車、軍品和航天都可設(shè)計應(yīng)用。

撓性、剛撓板技術(shù)新趨勢

電子設(shè)備的小型化、輕薄化，必然大量使用撓性印制電路板（FPCB）和剛撓結(jié)合印制電路板（R-FPCB）。

隨著應(yīng)用面的擴大，除了數(shù)量增加也會有許多新的性能要求。聚酰亞胺膜有無色透明、白色、黑色和黃色等不同種類，具有高耐熱與低CTE性能，以適合不同場合使用。成本效益佳的聚酯薄膜基板同樣有市場，新的性能挑戰(zhàn)有高彈性、尺寸穩(wěn)定性、膜表面品質(zhì)，以及薄膜的光電耦合性和耐環(huán)境性等，以滿足最終用戶不斷變化的要求。

FPCB與剛性HDI板一樣要適應(yīng)高速度和高頻率信號傳輸要求，撓性基材的介電常數(shù)和介電損耗必須關(guān)注，可利用聚四氟乙烯和先進的聚酰亞胺基板構(gòu)成撓性電路。在/聚酰亞胺樹脂中添加無機粉末和碳纖維填料，可產(chǎn)生一種三層結(jié)構(gòu)的可撓曲導熱基板。選用無機填料有氮化鋁（AlN）、氧化鋁（Al 2O3）和六角形氮化硼（HBN）。

FPCB制造技術(shù)方面，在聚酰亞胺（PI）膜上直接金屬化制造雙面FPCB技術(shù)一直在發(fā)展，有一種分子接合劑水溶液新技術(shù)，并不改變PI膜表面粗糙度而可增加與化學沉銅層結(jié)合強度。采用PI膜進行分子接合處理后直接化學鍍銅，經(jīng)過半加成法流程制作雙面撓性印制線路板，簡化工序及有利環(huán)保，對結(jié)合力、彎曲性和可靠性等都達到要求 。

還有用印刷自催化電子線路技術(shù)，以成卷式生產(chǎn)（R2R），先在PET膜上印刷涂覆具有自催化性的油墨，然后進入化學鍍銅槽中，由于油墨具有自催化能力在油墨上沉積銅層，形成銅導體圖形，完成PET膜上的金屬細線路制作。

FPCB應(yīng)用市場如智能手機、可穿戴設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、機器人等，對FPCB性能結(jié)構(gòu)提出新要求，開發(fā)出FPCB新產(chǎn)品。如超薄撓性多層板，四層FPCB從常規(guī)的0.4 mm減薄至約0.2 mm；高速傳輸撓性板，采用低Dk和低Df聚酰亞胺基材，達到5 Gbps傳輸速度要求；

大功率撓性板，采用100 μm以上厚導體，以適應(yīng)高功率大電流電路需要；高散熱金屬基撓性板是局部使用金屬板襯底之R-FPCB；觸覺感應(yīng)性撓性板，由壓力傳感膜和電極夾在兩個聚酰亞胺薄膜之間，組成撓性觸覺傳感器；可伸縮撓性板或剛撓結(jié)合板，其撓性基材為彈性體，金屬導線圖案的形狀改進成為可伸縮。

印制電子技術(shù)

印制電子歷史很早，只是近幾年勢頭興盛。印制電子技術(shù)應(yīng)用于印制電路產(chǎn)業(yè)，是印制電路技術(shù)的一部分。

印制電子不斷發(fā)展可看到商業(yè)應(yīng)用的前景非常廣闊，現(xiàn)在已有PCB制造商投入印制電子，他們從撓性板開始，用印制電子電路（PEC）替代印制電路板（PCB）。印制電子技術(shù)最接近FPCB，目前基材和油墨材料繁多，一旦性能與成本有突破就會大量應(yīng)用，降低成本就會開辟更大的市場。

有機和印制電子的混合系統(tǒng)有助于產(chǎn)業(yè)的成長。傳統(tǒng)的硅和印制電子組件結(jié)合的混合系統(tǒng)，這可能開辟了新的PCB產(chǎn)業(yè)。這些混合技術(shù)包括大面積光刻、網(wǎng)版印刷或噴墨打印，及撓性PCB技術(shù)。

印制電子技術(shù)的重要一方面是材料，包括基材和功能性油墨。撓性基材除現(xiàn)有FPCB適用外，也開發(fā)更高性能基材，目前有陶瓷和高分子樹脂混合構(gòu)成的高介電基板材料，還有高溫基材、低溫基材和無色透明基材、黃色基材等。

印制電子除使用一些聚合物材料外，還需功能性油墨材料，主要是導電油墨，不斷地向提高導電性、印刷適應(yīng)性、低成本化發(fā)展，目前可供印制電子產(chǎn)品選擇的導電油墨種類已很多了。另外還有壓電、熱電、鐵電材料，在印制電子中組合使用能發(fā)揮多功能性。

印制電子技術(shù)的又一重要方面是印刷工藝與相應(yīng)的印刷設(shè)備，這是傳統(tǒng)印刷技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。印制電子可以應(yīng)用不同的印刷方法，如凹版印刷、凸版印刷、網(wǎng)版印刷和噴墨打印。網(wǎng)版印刷已在PCB制造中應(yīng)用，工藝成熟與成本低，目前是向自動化、高精細化發(fā)展。

噴墨打印在PCB制造中應(yīng)用的范圍在擴大，從標記符號、阻焊劑到抗蝕圖形，進一步直接打印導電圖形；同時噴墨打印向圖形高精細化和快速化發(fā)展。如新的氣溶膠噴射技術(shù)明顯優(yōu)于壓電式噴印，形成導線達到細精與立體化要求，可以在平面或立體構(gòu)件上直接打印電子電路及元件。

還有噴墨打印同時采用激光照射瞬時固化油墨的方法，導電線路厚度與寬度比1.0以上，如線寬10μm，線高也有10μm，實例有在PI膜上制作線路寬30 μm、線厚20 μm的FPCB。

印制電子目前重點應(yīng)用是低成本的制造射頻識別（RFID）標簽，可以成卷印刷完成。潛在的是印刷顯示器、照明和有機光伏領(lǐng)域?？纱┐骷夹g(shù)市場是當前新興的一個有利市場。

可穿戴技術(shù)各種產(chǎn)品，如智能服裝和智能運動眼鏡，活動監(jiān)視器，睡眠傳感器，智能表，增強逼真的耳機、導航羅盤等?？纱┐骷夹g(shù)設(shè)備少不了撓性電子電路，將帶動撓性印制電子電路的發(fā)展。

埋置元件印制電路技術(shù)

埋置元件印制電路板（EDPCB）是實現(xiàn)高密度電子互連的一種產(chǎn)品，埋置元件技術(shù)在PCB有很大的潛力。埋置元件PCB制造技術(shù)，提高了PCB的功能與價值，除了在通信產(chǎn)品應(yīng)用外，也在汽車、醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域提供了機會。

EDPCB的發(fā)展，從碳膏制作的印刷電阻和鎳磷合金箔制作的薄膜電阻，以及夾有高介電常數(shù)基材構(gòu)成的平面電容，形成埋置無源元件印制板，到進入埋置IC芯片、埋置貼片元件，形成埋置有源與無源元件印制板?，F(xiàn)在面對的課題有埋置元件復雜化及EDPCB的薄型化，以及散熱性和熱變形控制、最終檢測技術(shù)等。

元器件埋置技術(shù)現(xiàn)在已在手機等便攜終端設(shè)備中應(yīng)用。EDPCB制造工藝進入實用的有B2it方法，可以實現(xiàn)高可靠性和低成本；有PALAP方法，達到高層數(shù)和低功耗，被用于汽車電子中；有埋置晶圓級封裝芯片的通信模塊，體現(xiàn)良好的高頻特性，今后會有埋置BGA芯片的eWLB出現(xiàn)[19]。隨著EDPCB設(shè)計規(guī)則的確立，這類產(chǎn)品會迅速發(fā)展。

表面涂飾技術(shù)

PCB表面銅層需要保護，目的是防止銅氧化和變質(zhì)，在裝配時提供連接可靠的表面。PCB制造中一些通常使用的表面涂飾層，有含鉛或無鉛熱風整平焊錫、浸錫、有機可焊性保護膜、化學鍍鎳/金、電鍍鎳/金等。

HDI板和IC封裝載板的表面涂飾層現(xiàn)從化學鍍鎳/金（ENIG）發(fā)展到化學鍍鎳/鈀/金（ENEPIG），有利于防止元件安裝后出現(xiàn)黑盤而影響可靠性。

現(xiàn)有對ENEPIG涂層中鈀層作了分析，其中鈀層結(jié)構(gòu)有純鈀和鈀磷合金，它們有不同的硬度，因此用于打線接合與用于焊接需選擇不同的鈀層。

經(jīng)過可靠性影響評估，有微量鈀存在會增加銅錫生長厚度；而鈀含量過多會產(chǎn)生脆性之鈀錫合金，反而使焊點強度下降，因此需有適當鈀厚度。

從PCB精細線路的角度來說，表面處理應(yīng)用化學鍍鈀/浸金（EPIG）比化學鍍鎳/鍍鈀/浸金（ENEPIG）更佳，減少對精細圖形線寬/線距的影響。EPIG鍍層更薄，不會導致線路變形；EPIG經(jīng)焊錫試驗和引線鍵合試驗能達到要求。

又有新的銅上直接化學鍍鈀（EP）或直接浸金（DIG），或者銅上化學鍍鈀與自催化鍍金（EPAG）涂層，其優(yōu)點是適合金線或銅線的打壓接合，因沒有鎳層而有更好高頻特性，涂層薄而更適于細線圖形，并且減少工序和成本。

PCB最終涂飾層的改進，另外有推出化學鍍鎳浸銀（NiAg）涂層，銀有良好導電性、可焊性，鎳有抗腐蝕性。有機涂層OSP進行性能改良，提高耐熱性和焊接性。還有一種有機與金屬復合（OM）涂層，在PCB銅表面涂覆OM涂層有良好的性價比。

清潔生產(chǎn)

“綠色”和“環(huán)境友好”現(xiàn)是PCB制造技術(shù)進步的重要標志。除了設(shè)法采用印制電子和3D打印這類革命性清潔生產(chǎn)技術(shù)外，現(xiàn)有PCB制造技術(shù)向清潔生產(chǎn)改良是在不斷進行。如尋找替代有毒有害物質(zhì)的材料，減少加工步驟，和減少化學藥品的消耗，以及減少水和能源的用量，及材料的可回收利用等。

具體有采用無毒害無機材料作阻燃劑，同時也改善電氣性、導熱性和熱膨脹系數(shù)等的無鹵素基材；采用激光直接成像減少作業(yè)工序和材料消耗；采用半加成法減少電鍍銅和蝕刻銅的消耗；采用直接金屬化孔工藝，及化學沉銅液中取消有毒有害物質(zhì)；采用導電膏印刷使導通孔互連加工清潔簡便。

直接金屬化技術(shù)很早就存在，多年的發(fā)展趨于成熟。直接金屬化工藝有碳黑系和導電聚合物系，用碳或石墨、導電聚合物代替鈀活化，化學沉銅液中取消有毒的甲醛、氰化物和難處理的EDTA絡(luò)合劑。

推出膠體石墨直接孔金屬化技術(shù)具有穩(wěn)定的分散性和與多種樹脂良好的吸附牲。膠體石墨直接金屬化工藝在剛性PCB制造應(yīng)用多年，現(xiàn)可推行于有復雜的盲孔、埋孔和任意層互連的HDI板、撓性板和剛撓板，可減少工序和設(shè)備場地、廢水量，有利于環(huán)保，并提升生產(chǎn)效率和最終產(chǎn)品的高可靠性[24]。

PCB生產(chǎn)過程中曾經(jīng)被稱為廢物甚至是危險廢物，現(xiàn)在都不再是“廢物”。如多余的銅蝕刻液，微蝕刻處理液、電鍍清洗液都趨于在線回收處理。一些新設(shè)計的生產(chǎn)線設(shè)備，不管是蝕刻線或垂直電鍍線與水平電鍍線，都考慮了配置在線回收再生裝置，還有如分段間氣刀合理配置，循環(huán)泵的節(jié)能，自動分析添加藥液延長藥液壽命等措施，既有利于提高品質(zhì)，又有利于節(jié)能環(huán)保。

印刷電路板的制作工藝過程

印刷電路板的制作非常復雜， 這里以四層印制板為例感受PCB是如何制造出來的。

層壓

這里需要一個新的原料叫做半固化片，是芯板與芯板（PCB層數(shù)>4），以及芯板與外層銅箔之間的粘合劑，同時也起到絕緣的作用。 

下層的銅箔和兩層半固化片已經(jīng)提前通過對位孔和下層的鐵板固定好位置，然后將制作好的芯板也放入對位孔中，最后依次將兩層半固化片、一層銅箔和一層承壓的鋁板覆蓋到芯板上。

將被鐵板夾住的PCB板子們放置到支架上，然后送入真空熱壓機中進行層壓。真空熱壓機里的高溫可以融化半固化片里的環(huán)氧樹脂，在壓力下將芯板們和銅箔們固定在一起。

層壓完成后，卸掉壓制PCB的上層鐵板。然后將承壓的鋁板拿走，鋁板還起到了隔離不同PCB以及保證PCB外層銅箔光滑的責任。這時拿出來的PCB的兩面都會被一層光滑的銅箔所覆蓋。

鉆孔

要將PCB里4層毫不接觸的銅箔連接在一起，首先要鉆出上下貫通的穿孔來打通PCB，然后把孔壁金屬化來導電。

用X射線鉆孔機機器對內(nèi)層的芯板進行定位，機器會自動找到并且定位芯板上的孔位，然后給PCB打上定位孔，確保接下來鉆孔時是從孔位的正中央穿過。

將一層鋁板放在打孔機機床上，然后將PCB放在上面。為了提高效率，根據(jù)PCB的層數(shù)會將1~3個相同的PCB板疊在一起進行穿孔。最后在最上面的PCB上蓋上一層鋁板，上下兩層的鋁板是為了當鉆頭鉆進和鉆出的時候，不會撕裂PCB上的銅箔。

在之前的層壓工序中，融化的環(huán)氧樹脂被擠壓到了PCB外面，所以需要進行切除?？磕ｃ姶哺鶕?jù)PCB正確的XY坐標對其外圍進行切割。

孔壁的銅化學沉淀

由于幾乎所有PCB設(shè)計都是用穿孔來進行連接的不同層的線路，一個好的連接需要25微米的銅膜在孔壁上。這種厚度的銅膜需要通過電鍍來實現(xiàn)，但是孔壁是由不導電的環(huán)氧樹脂和玻璃纖維板組成。

所以第一步就是先在孔壁上堆積一層導電物質(zhì)，通過化學沉積的方式在整個PCB表面，也包括孔壁上形成1微米的銅膜。整個過程比如化學處理和清洗等都是由機器控制的。

固定PCB

清洗PCB

運送PCB

外層PCB布局轉(zhuǎn)移

接下來會將外層的PCB布局轉(zhuǎn)移到銅箔上，過程和之前的內(nèi)層芯板PCB布局轉(zhuǎn)移原理差不多，都是利用影印的膠片和感光膜將PCB布局轉(zhuǎn)移到銅箔上，唯一的不同是將會采用正片做板。

內(nèi)層PCB布局轉(zhuǎn)移采用的是減成法，采用的是負片做板。PCB上被固化感光膜覆蓋的為線路，清洗掉沒固化的感光膜，露出的銅箔被蝕刻后，PCB布局線路被固化的感光膜保護而留下。

外層PCB布局轉(zhuǎn)移采用的是正常法，采用正片做板。PCB上被固化的感光膜覆蓋的為非線路區(qū)。清洗掉沒固化的感光膜后進行電鍍。有膜處無法電鍍，而沒有膜處，先鍍上銅后鍍上錫。退膜后進行堿性蝕刻，最后再退錫。線路圖形因為被錫的保護而留在板上。

將PCB用夾子夾住，將銅電鍍上去。之前提到，為了保證孔位有足夠好的導電性，孔壁上電鍍的銅膜必須要有25微米的厚度，所以整套系統(tǒng)將會由電腦自動控制，保證其精確性。

外層PCB蝕刻

接下來由一條完整的自動化流水線完成蝕刻的工序。首先將PCB板上被固化的感光膜清洗掉。然后用強堿清洗掉被其覆蓋的不需要的銅箔。再用退錫液將PCB布局銅箔上的錫鍍層退除。清洗干凈后4層PCB布局就完成了。