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导入mSAP设计 扩展机构空间亦满足电路连接需求

  • 魏淑芳

DIGITIMES企划

从最新iPhone 8/X导入更大屏幕、双镜头相机模块、更强大的运算处理器等,硬件功能增加机体尺寸却只能更薄型,在关键零组件无法有效缩小下,新一代产品必须找出更小、更精密的PCB载板满足设计需求。

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智能手机使用HDI已渐渐不敷需求,产品开发需寻求更高集成度载板。Dalian Jinseo Electronic Technology

新一代iPhone X硬件功能增加,透过新一代PCB技术挤出更多机内空间装载电池,提供用户更好的行动运算体验。Apple

mSAP制作方式可以具更小线宽∕线距,挑战HDI极限。AT&S

电子产品追求轻薄短小、高速、高频是明显的趋势,这也带动了下游PCB载板朝高密度、高集成、封装化、微小化与多层化方向推展,HDI(High Density Interconnect)需求激增,在板材配线长度短、电路阻抗低,可支持高频、高速运行、性能稳定、可扩增更多复杂化集成功能,正是电子产品朝高速∕高频∕多功能与大容量发展的必然发展趋势。

产品越精密所使用PCB层数越多

现有8层以下PCB,主要用在家电、桌上型计算机等电子产品载板;高性能服务器、航空∕航天设备等高阶应用则PCB电路层数需在10层以上,HDI形式PCB在布线密度具优势,成为现有智能手机优选载板选项。

高密度互联机路PCB板(HDI)采行积层法制作,简单说就是用普通多层板作为核心板材进行叠加与积层,再运用钻孔、孔内金属化的制作程序使各层电子电路形成内部电路连结效用,者会比仅有单纯通孔的普通多层板在PCB可更省布线面积用量、提高元器密度。

HDI的制作技术差异,主要是在「增层阶数」方面,一般增层的数量多、技术难度大,HDI依阶数可分一阶HDI、二阶HDI与高阶HDI,其层数表示以C+N+C,其中的N为核心板层数,C则为增层次数(即HDI阶数)。

高阶的HDI布线密度会更高、压合次数多,同时也可能导致多层板材在对位、打孔与孔内镀铜技术难度提升,无法无限制地扩增层数,有其物理极限,厂商在技术工艺与制程能力难以达到更高的要求标准。近年旗舰级智能手机会运用任意层HDI最高阶再要求任意相邻层间以盲孔连接,就能在HDI基础上再压缩一半板材体积,腾出更多空间容纳电池或其它零组件。

高密度PCB迎合旗舰智能手机设计需求

如Apple iPhone 8/X等新一代旗舰智能手机,可能在功能上内建指纹扫描仪、3D Touch、更大尺寸屏幕、双摄相机镜头,对于机内可用空间只会越来越有限,应用FPC搭配任意层互联HDI集成,优化产品内机构与元器的最佳化布局设计方法,亦吸引其它智能手机大厂相继跟进。

其中,FPC又称为软板,是采用聚醯亚胺或聚酯薄薄膜柔性基材制作的电路板,特色为电路板可以挠曲而不影响其线路导通目的,同时有线路密度高、质地轻、厚度极薄、板材布局灵活等优点,iPhone设计中就导入多达16组FPC。

然而,新一代智能手机装载功能太多,消费者亦要求需扩增电池效能,开发端自然需要再想办法扩增机内空间,如主流旗舰手机、iPhone 8等就导入类载板材料将主板能搭载元件数逼到极限值,同时更进一步再针对线宽缩小化。

类载板(Substrate-Like PCB;SLP)作法是在HDI技术基础上采行mSAP制程,以进一步将电子电路线宽缩小,也是是新一代提升PCB线路密度的新制程。例如,高阶智能手机若改导入类载板连接元器,可将单片HDI细分多片类载板混搭HDI形式集成,透过sSAP极细化线路再叠加SIP封装,进一步提高线路密度,解决智能手机机构空间限制下零件过多、电池元件无法扩充的设计困警。

类载板更小体积下集成更多元件

新一代导入类载板的旗舰智能手机,一般会采类载板作为主要机板使用,用以连接行动处理器、NAND flash快闪存储器、DRAM动态存取存储器等核心元件,至于类载板采行半加成法(modified-semi-additive process;mSAP)的封装方案,将智能手机、平板计算机甚至是穿戴电子设备达到更显著、积极的小型化、薄型化设计。

SIP为将多个相异功能的有源电子元件、无源元器或是MEMs、光学元器等组装到一起,形成一组功能集成的标准封装元件,如同系统或子系统的封装体。

现有使用的PCB制造工序,主要会有减成法、全加成法与半加成法3种制程技术。减成法一般为使用光敏性抗蚀材料完成电子电路图形转移,运用化学材料保护不需蚀刻铜箔线路区块,制程的缺点是在关键的蚀刻程序会使裸露的铜箔层于往下蚀刻过程中、可能成产生该线路侧面蚀刻(侧蚀)问题,这会在制作PCB线宽∕线距在小于50μm会产生成品良率过低问题,但减成法制作PCB因应普通用途PCB、FPC与HDI等电路板产品绰绰有余。

不同PCB制作程序线宽∕线距差异大

另一种PCB制作方案为全加成法(SAP),全加成法制程为采含光敏催化剂绝缘基板进行加工处理,以线路图形进行曝光程序、再透过以化学沉铜完成导线图形形成,相对于减成法PCB制作,全加成SAP适合适合制作精细线路,但线路导通连接质量是以基材、化学沉铜效果而定,并不容易掌握,制程与传统PCB制造方法差很多,成本高、制程相对复杂难掌控,产量不大,全加成法可用于生产覆晶载板,线宽∕线距可达12μm/12μm。

半加成法(mSAP)制作方案,主要是针对减成法制作困境、与加成法精细线路制作的既存问题进行改良,半加成法为在基板上进行化学铜、并于其上制作抗蚀图形,再经由电镀工法将预作基板金属线路图形增厚,再经去除抗蚀图形后经过闪蚀去除多余化学铜层,保留下来的部分即形成精细电子电路。

mSAP制程的特点是图形在形成过程主要为依靠电镀、闪蚀处理,而在闪蚀过程所蚀刻化学铜层相当地薄,因此,蚀刻耗时相当短,较不会产生电子电路线路侧向蚀刻问题。

再与减成法比较,半加成法制成线路宽度不受电镀铜厚影响、较容易控制,同时线路具更高分辨率,在制作高精细线路线宽、线距可以制作更为一致,同时提升成品良率,半加成法量产能力可以达到最小线宽∕线距14μm/14μm、最小孔径55μm。类载板虽然算PCB制法的一种,其实制程观察其最小线宽∕线距分别为30μm/30μm,为无法使用减成法生产的高精密度PCB。

更多关键字报导: FPC 系统级封装(SiP) HDI iPhone 8 PCB板 mSAP