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PCB多層板技術持續更新 以滿足電子產品輕薄化需求

time : 2019-09-17 09:18       作者:凡億pcb

視電子裝置及設備功能及設計的不同,印刷電路板(PCB)依電路層數,可分為單面板、雙面板及多層板,多層板的層數甚至可多達十幾層。高密度互連(High Density Interconnect;HDI)PCB的出現,更促使手機、超薄型筆記本電腦、平板電腦、數位相機、車用電子、數位攝影機等電子產品得以縮小主板設計,達到輕薄短小的目標,更重要的是,可以將更多的內部空間留給電池,裝置的續航力得以延長。
 
HDI高密度互連技術與傳統印刷電路板的最大差異,在于成孔方式。傳統印刷電路板采用機鉆孔法,而HDI板則是使用雷射成孔等非機鉆孔法。HDI板使用增層法(Build Up)制造,一般HDI板基本上采用一次增層,高階HDI板則采用二次或二次以上的增層技術,并同時使用電鍍填孔、迭孔、雷射直接打孔等先進PCB技術。
 
HDI PCB能讓手機等產品更輕薄。
HDI PCB能讓手機等產品更輕薄。
 
利用3D列印機器可制造多層板。
利用3D列印機器可制造多層板。
 
手機產品大力采用高密度連結板
高密度連結板的使用已非常廣泛,例如,目前智能手機內建主機板就以HDI板為主,甚至是任意層高密度連接板(Any Layer HDI)。任意層高密度連接板HDI制程與一般的HDI差別在于,后者是直接貫穿PCB層與層之間的板層,而任意層高密度連接板則可以省略中間的基材,讓產品的厚度變得更薄。一般來說,一階HDI改采用Any-layer HDI,可減少近4成左右的體積。
 
蘋果及非蘋陣營產品已大量采用任意層高密度連接板,主要訴求就是要讓產品本身更輕薄,并將有限的內部空間讓給電池使用,以提升電池續航力。
 
高密度連結多層板已是市場所趨,且對于臺灣業者來說,具有高度資金、技術門檻的高階HDI板有助于避開紅色供應鏈的價格競爭,因此成為臺灣PCB廠擴充的重點,多家臺灣大型PCB業者,包括華通、欣興及燿華等皆積極布局,擴充的產能多以細線路設備為主。
 
其中,燿華在2015年就已投資新臺幣10?15億元于宜蘭廠,將 Any Layer HDI制程產能由每月30萬平方遲擴充到33萬平方遲,增幅達10%。欣興電子則在2016年將Any Layer HDI制程產能由每月50萬平方遲擴充到70萬平方遲。華通的重慶涪陵廠也增設Any Layer HDI制程產能設備,華通Any Layer HDI制程產能總產能在2016年由目前的35萬平方遲擴大到至少40萬平方遲。
 
由于商機明確,自動化及PCB設備廠也持續推進設備技術,以掌握龐大商機。其中,川寶科技自美國引進的直接成像曝光機生產技術,已完成移轉在臺生產。川寶科技原與美商Maskless Lithography合作,并獲其技術移轉及專利授權方式,引進其直接成像曝光機來臺就地生產。
 
以目前高階的薄板、細線路PCB生產而言,曝光制程舍棄底片曝光而走向直接成像是必然的趨勢。另外,廣運機械則以專案方式切入高階Any Layer HDI制程PCB設備。
 
導入采用IC基板的類基板HDI技術
繼全面導入任意層高密度連接板,據了解,為了有利大量導入系統級封裝(SiP)技術,來達到次系統模組化的目標,蘋果明年(2017)推出的iPhone 7S/8將不再使用普及的高密度連結板,而是改為以IC基板技術生產的類基板(substrate-like)HDI。
 
事實上,蘋果一直致力于手機內建SiP次系統模組的發展,iPhone 6中內建3個SiP次系統模組,iPhone 7增加至6個SiP次系統模組,一般預料iPhone 7S/8手機將搭載更多SiP次系統模組,因此從HDI板改成類基板HDI,以加快導入SiP技術是合理的發展方向。蘋果的iPhone 7S/8會將原本的一大片傳統HDI板拆解成4小塊類基板HDI,除了可加快導入SiP技術,還可空出更大空間來增加電池容量。
 
為了要配合SiP技術,類基板HDI的電路板線距線寬將朝向細間距(fine pitch)方向發展,特別是線距線寬必須微縮到35微米以下,這是與HDI板的最大不同之處。也因為線距線寬的微縮程度極大,因此傳統印刷電路板HDI制程已經不敷所需,類基板HDI必須采用半導體的IC基板制程生產。
 
3D列印多層板已實現
印刷電路板制造技術日新月異,值得一提的是,利用3D機器列印簡單的印刷電路板已不少見,然而,在SolidWorks World 2016大會中,以色列Nano Dimension公司藉由特殊的奈米級導電材料,甚至已開發出全球首款可列印專業多層電路板的3D列印機DragonFly 2020。
 
Nano Dimension公司共同創辦人Simon Fried表示,這是全世界首款可列印多層電路板的3D列印機,可支援電路板的通孔(Through Hole)設計,遇到通孔處就不會噴印電路板材料,而制作完成的電路板,亦可如一般電路板焊接電子零組件。此臺機器在幾小時內可印出4層、甚至多達10層的電路板。
 
Simon Fried并指出,列印多層電路板的重要關鍵,是Nano Dimension獨家的奈米級銀質導電材料AgCite,能噴出極細微的銀質墨滴,以列印平面與立體電子線路。DragonFly 2020是采用噴墨技術,配有兩個噴頭,藉由噴出導電材料與絕緣材料,以堆迭的方式層層噴印,印制出含有平面與立體線路的多層電路板。不過,目前Nano Dimension的列印技術僅能達到90Micron線寬且銀導電材質成本較高,所以僅適用于電路板打樣與小量生產。
 
線路復雜增加驗證難度
HDI板與傳統多層板并不相同,因此各種性能的測試及驗證要求也有所不同。就HDI板而言,由于HDI板厚越來越薄,加上無鉛化發展,因此耐熱性也就受到更大挑戰,HDI的可靠性對耐熱性能的要求也越來越高。
 
耐熱性是指PCB抵抗在焊接過程中產生的熱機械應力的能力,值得注意的是, HDI板的層結構不同于普通多層通孔PCB板,因此HDI板的耐熱性能與普通多層通孔PCB板相比有所不同,一階HDI板的耐熱性能缺陷主要是爆板和分層,而HDI板發生爆板機率最大的區域是密集埋孔的上方以及大銅面的下方區域,這是HDI測試需特別注意的重點。
 
整體而言,包括HDI在內,多層板的線路越來越復雜,加上電路基板尺寸越來越小,導致制程復雜度不斷增加,大幅提高成品驗證的困難度,因此勢必須搭配高階測試設備進行各項電性檢測,以避免問題基板,進而提升電子產品制造品質。