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如何为 HDI PCB 制造选择合适的材料

创作时间:

2025-03-13 14:01:13

作者:

@小白创作中心

如何为 HDI PCB 制造选择合适的材料

引用

来源

https://www.viasion.com/zh-CN/%E6%96%B0%E9%97%BB/%E9%80%89%E6%8B%A9%E9%80%82%E5%90%88-HDI-PCB-%E5%88%B6%E9%80%A0%E7%9A%84%E6%9D%90%E6%96%99/

HDI PCB（高密度互连印刷电路板）是现代电子产品中不可或缺的关键组件，广泛应用于手机、电脑、CPU等高科技产品。其制造过程对材料的选择有着严苛的要求。本文将深入探讨HDI PCB制造中各种关键材料的选择标准及其应用，帮助读者全面了解这一前沿技术领域。

HDI PCB 的基板材料

HDI PCB 提供比传统电路板更高的元件密度和更复杂的设计。随着间距越来越小，介电层越来越薄，材料的选择对于稳定的性能至关重要。以下是选择 HDI 材料时需要考虑的一些关键因素：

高Tg FR-4：HDI电路板生产可能需要多轮压合，因此必须使用高TG（> = 170）层压板，例如Isola Isola FR406，FR408，IS420，IS410，370HR，185HR，Shengyi S1170G，S1000-2，ITEQ IT180T等。
高速FR-4：由于HDI PCB广泛应用于电信行业，因此常用高速材料，例如Isola I-SPEED®、TERRAGREEN® 400G、TACHYON® 100G、ASTRA® MT77、I-TERA® MT40、Panasonic MEGTRON 6(R-5775)、MEGTRON 7(R-5785)、TUC TU-872 LK、ThunderClad 1、ThunderClad 2、ITEQ IT-968TC、T-988GTC等。
聚四氟乙烯和增强聚四氟乙烯: PTFE 除了具有优异的电气性能外，还具有出色的耐化学性。因此，PTFE 材料常用于损耗极低的电子设备，例如 Rogers RT/duroid 5880、RO3003、Aron 85N、33N、35N、84N、Ventec VT-901、Taconic RF-30A、TLC-32 等。
聚酰亚胺：这种高性能聚合物具有出色的热稳定性和较低的Z轴膨胀率。聚酰亚胺材料通常用于HDI刚挠电路板。例如，杜邦Pyralux AP等知名品牌，以及松下Felios聚酰亚胺材料，如R-F770和R-F775。

HDI PCB 具有更薄的绝缘电介质层来分隔铜线，因此这些材料的电气特性必须达到最高标准。

使用哪种导体材料？

特别是在密集布线中，线宽和间距小于 50 微米的设计导体完整性至关重要。常见选项包括：

铜：PCB 使用的标准导体也适用于 HDI。但是，一些制造商需要电沉积铜来实现更紧密的走线几何形状。使用有机可焊性保护剂 (OSP) 处理铜可防止氧化。
金：金具有非常好的导电性。因此，HDI 电路板通常采用沉金表面处理，这也能形成非常光滑的表面，非常有利于表面组装。
镍: 在表面处理工艺中，镀金之前，PCB焊盘上会涂一层镍。这将有助于在PCB组装中形成良好的焊点。
白银：银的导电性非常好，可以使用比铜稍细的线。但它更容易出现迁移和氧化问题，而且价格昂贵得多。使用浸银饰面可以保持可焊性。

通孔、电镀、阻焊层的关键信息

对于高可靠性 HDI PCB，从电介质、通孔、镀层到阻焊层，每种材料选择都会影响性能。与设计人员密切合作，选择最适合设计要求的选项至关重要。只要选择正确的材料，就可以制作出具有精细特性和稳定电性能的致密互连。

通孔和电镀

层互连设计需要盲孔和埋孔。通孔壁镀铜，但必须先镀金。典型的通孔壁材料包括：

化学镀铜：最常用的方法是先镀催化化学镀铜，然后再镀较厚的铜。可实现出色的孔壁连续性。
导电复合材料：孔壁可用炭黑或金属填充聚合物进行丝网印刷。工艺更复杂，但导电性比镀铜更高。
直接金属化：使用钯催化剂在镀铜之前直接活化电介质表面。无需化学镀铜。
盲孔和埋孔：HDI PCB 必须有盲孔和埋孔，甚至交错孔和堆叠孔。VIPPO（焊盘内通孔镀覆）技术也常用于焊盘内通孔。
阻焊层：阻焊层保护走线，但允许在焊盘上焊接。掩模必须在非常小的间隙处保持绝缘完整性。一般来说，感光成像阻焊剂的效果比液体阻焊剂更好。LPI 环氧树脂或聚酰亚胺是常见的选择。

信号完整性考虑因素

信号完整性极其重要，但也很难保证。材料的选择可用于减少串扰、信号损耗和阻抗不连续性。

低介电常数 (Dk)、低介电常数 (Df) 电介质可减少眼图引线中的信号衰减和散射，从而产生更清晰的眼图。PTFE 或 LCP 比 FR-4 更适合用作材料。
防盗警报传输线上接地-信号-接地迹线几何形状的交替排列有助于维持阻抗并防止串扰。
较厚的铜层可减少导体损耗，但较薄的电介质和较厚的导体层之间的热膨胀匹配不佳会在制造过程中引起应力。这就是为什么累积式 HDI 工艺通常使用较薄的铜。
铜平面层使信号能够抵抗噪声和串扰。具有铜平面的 1-2 mil 厚的芯线比更薄的层压板更好。
由于采用了微孔结构，因此不存在引入反射的短截线连接。这些小型微孔还可实现连续接地平面。
5G、汽车雷达和卫星通信等应用需要天线设计中必须采用低损耗电介质。

HDI PCB 中的热管理

高密度互连 PCB 往往具有更高的功率密度，因此热设计起着重要作用。材料选择有助于缓解热问题：

金属芯基板、绝缘金属涂层产品或高导热性的陶瓷填充材料均可加速散热。
交错之间累积层是导热电介质或预浸料材料，用于改善垂直导热。
散热通孔将热量从内层传导至电路板表面，以便更好地散热。微型通孔越小，密度越高。
具有暴露面的导热垫可使组件与散热器或导热框架直接接触。暴露区域更适合高导热电介质。
嵌入式热管或蒸汽室中充满了特殊的工作流体，通过蒸发-冷凝循环横向扩散和散发热量。

HDI PCB材料的机械性能

由于介电层非常薄，容易发生翘曲，需要仔细选择材料以确保机械稳定性：

由于其高模量，聚酰亚胺等电介质的耐高温性和尺寸稳定性优异。FR-4 存在更多的翘曲问题。
用玻璃纤维增强的层压板比未增强的材料更能抵抗热膨胀和机械应力。
为了最大限度地减少翘曲，堆积电介质的 CTE 应该与下面各层的 CTE 相匹配。
高玻璃化转变温度（Tg）可提高核心材料在升高的组装或工作温度下的机械稳定性。
伸长率和断裂韧性好的材料在破裂之前能够更好地承受弯曲或冲击应力。
芯片、元件和电路板表面之间的热应力和机械应力必须由粘合剂承受。环氧树脂薄膜通常比糊状粘合剂更好。

可靠性因素

为了在恶劣环境下保持长期可靠性，材料必须承受湿气、热量和疲劳应力：

通过使用低吸湿性材料（如聚酰亚胺或增强层压板），可以防止引起薄介电层开裂的吸湿膨胀。
一些介电材料可以承受 BGA 封装所用的回流焊接温度曲线，而不会出现分层或分解问题。
发生电弧时，阻燃介电材料不会燃烧。高Tg树脂在高温下仍能保持阻燃性能。
尺寸稳定的高 Tg 和高模量材料可以抵抗温度循环以及功率/热冲击。铜-因瓦合金-铜芯在这方面表现最佳。
延展性铜箔和镀层可降低其在动态或机械弯曲应力下开裂的可能性。
浸银、ENIG 和 OSP 表面处理均不存在锡须问题。

设计师在选择信号完整性、散热、机械稳定性和长期可靠性解决方案时，如果考虑到材料技术，就可以充分利用高密度互连 PCB，从而打造性能更佳的先进 PCB 组件。设计师和制造合作伙伴必须深入合作，才能选择最佳材料。

先进的制造工艺

实现 HDI PCB 的优良特性和严格公差需要先进的制造技术：

激光直接成像：与传统光刻工艺相比，激光直接成像可实现更精细的焊料掩模和抗蚀剂层图案化分辨率。它可实现更紧凑的走线间距和更小的通孔。
等离子蚀刻：使用等离子蚀刻，可以更精确地蚀刻铜，以获得更窄的线宽和间距。这对于宽度小于 20 微米的线迹尤其重要。它还可以避免化学蚀刻的问题。
薄介电体：积层介电层通常与厚度低至 2 mil 的薄芯层配合使用。介电层越薄，线和间距就越细。
特殊层压：通过连续分层压合和金属化，多层积层工艺不受传统层压方法的限制。可以添加尽可能多的层。连续层压和固化可使各层之间的厚度公差更小，从而减少特征不一致。
选择性电镀：通过选择性电镀电路图案（放弃蚀刻步骤），SAP 细线 SEM 增材加工可以制造紧密的线迹几何形状。
盲孔和埋孔：激光或等离子钻盲孔和通孔以无与伦比的尺寸精度连接埋层。
微孔：根据密度要求，可以使用激光钻孔、光定义或镀通孔技术可靠地制造直径小于 50μm 的微通孔。
直接金属化：有机可焊性保护剂也可以用直接金属化技术取代回蚀工艺。

需要执行的质量控制检查

由于小部件容易出现缺陷，高密度电路板需要严格的流程和质量控制：

每个制造步骤之后，都会立即通过自动光学检测 (AOI) 测试 PCB 是否存在缺陷。
层间配准分析表明，各层彼此对齐良好，并且可以依赖互连。
为了确保质量，横截面和微切片技术向我们展示了微孔的连续性以及走线几何形状。
在高密度走线之间的这个小间隙区域中，通过介电击穿测试检查电压电阻故障。
TDR 用于检测局部阻抗差异 - 因此，如果迹线或空间的宽度不同，则会降低信号完整性。
层压和蚀刻补偿有助于补偿预测的工艺不平衡，如电介质收缩或蚀刻。

采用精密的工艺、严格的检验标准、强大的设计指南以及先进的补偿方法，使制造商能够大规模生产低成本、公差严格的电路板。密切的客户合作是关键。

HDI PCB 的创新应用

持续的技术进步拓展了高密度互连 PCB 的功能并实现了更精细的功能：

新型激光器，例如具有极精细的通孔钻孔和很少的热影响区的皮秒脉冲激光器。
等离子切割可以替代刀片切割，以减少切割过程中对薄而易碎电路的应力。
目前正在研究喷墨打印技术，将介电材料和导电材料直接沉积到基板上。
可以通过类似于半导体制造的细线光刻技术来描绘宽度小至 5 微米的线迹。
在这种双光子聚合技术中，聚焦飞秒激光脉冲3D打印电介质和导电微结构。
融入 HDI 构建层的电感器和电容器不仅节省空间，而且还能提高电气性能。
例如，化学复合铜是一种大面积金属化技术，可用于先进的射频设计和集成天线。

利用先进技术，HDI PCB 的互连密度、电气性能、可靠性和组装工艺的良率不断提高，并实现更高的制造效率。密切的客户合作是关键。

HDI 技术在日常生活中的应用

曾经被视为专业技术，如今，各种技术已得到广泛应用，可以制造出复杂的 PCB：

如今，HDI 能力已不再只是先进制造商的专利。许多知名的制造合作伙伴都以极具竞争力的价格提供优质的高密度互连 PCB 制造服务。
如今，最初为高频射频设计开发的 HDI 工艺越来越多地应用于需要卓越互连密度的商业无线和消费电子产品中。
HDI 可以将更多功能集成到更小的空间内，同时保持汽车电子、医疗设备和工业机电系统等应用的可靠性。
由于计算能力的指数级增长，越来越先进的建模和设计以及制造工具不断增加到 HDI 的功能中。如果设计师拥有合适的工具和 HDI 专业知识，那么工程师就更愿意接受密集、高性能 PCB 设计随着 HDI 制造工艺的成熟，产量正在突飞猛进。随着成本的持续大幅下降，使用正在迅速蔓延。
喷墨打印和 3D 打印以及一般的半加成工艺试图进一步简化 HDI 制造，并提供更精细的功能。随着技术不断改进，高密度互连 PCB 为各个行业和应用带来了变革性优势。