微导孔与手机板：高密度互连技术
一、技术背景
大哥大手机(Cellular Phones)在外形体积不断缩小下，其所用PCB势必走向非机械钻孔式的增层法多层板，孔径将被逼小到5mil 左右的微导孔(Micro-Via)境界。再搭配细线与密距，於是造就了HDI(High Density Interconnection)“高密度互连技术＂的热门话题。
非机钻式微导孔最早是於1989年，由IBM在日本YASU 工厂开发的SLC感光成孔(Photo-Via)所展开的序幕。之後又有雷射光之烧孔(Laser Ablation)及电浆(Plasma)乾式蚀孔等革命性成孔技术陆续推出。此等空白微孔将续采各种金属化与电镀铜制程，完成局部层次之间互连的盲孔与埋孔等。甚至也可以塞填银膏或铜膏以取代金属化与镀铜等困难制程而完成导通。
由各种非机钻微孔所衍生的增层法HDI多层板，除已应用在大哥大手机外(如Motorola 的小海豚)，其他各种携带式电子产品尚有摄录影机(Camcorders)、数位相机(Digital Camera)与次笔记型电脑及CPU Carrier等。其板面所组装的元件，除了原有的小形超薄伸脚式IC(TSOP)、Mini-BGA、mBGA之外，更有直接安晶(Die Attach)与打线(Wire Bond)的COB(chip on Board，或称Direct Chip Attach的DCA)等封装法，甚至多种CSP元件亦将逐渐被广用。
图1 此为手机板上 m -BGA 之焊垫布局与COB安晶与打垫等放大二十倍之实像。
然而各种可携式电子品所采用的多层板，其难度虽不断提高，但价格却反而日趋低廉。唯其如此HDI板类才有机会与传统密装的小板类一争高低，甚至在又好又便宜优势下，还可能进一步取而代之。尤其各种微小元件在成本与技术考量下，已部份舍弃传统的金属脚架(Lead Frame)，而改采用有机材质做为封装的载板(Substrate)。於是PCB业界顺理成章又跨入此一新领域，继续发挥技术为主的赚钱本事，其所用各种“载板＂当然也少不了非机钻式Microvia之角色。
本文将以Motorola 之某些经验为主，专注於大哥大电话所用HDI多层板，就其设计与市场方面进行讨论，希望对此新制程之性能(Performance)与成本有所了解，以便对HDI的未来做一番准备。
二.布线能力
由於非机钻微导孔之孔径大幅缩小且无需全板贯穿，故在各层面上的布线能力自然得以显著提升。以下图左之示意切片画面为例，L1与L2或L4与L3之间的盲孔，当孔径在4~5mil 时，则板面之孔环与盲孔底部之承垫(Target Pad)等直径，将设定在10~12mil之间。至於板面所匹配的线宽与间距则应在4mil/4mil之谱，局部外层上还可能会再紧缩到3mil/3mil阶段。而传统多层板之量产机钻孔径，目前已缩小至9.8mil~11.8mil(0.25~0.3mil )左右，孔环则在23~25mil上下，内层线宽间距已达5mil/5mil。
图2 左为增层法HDI四层板，右为传统多层板之示意切片结构图。
以上的一般规格仍可再加紧缩，但成本也会跟著上升很多。至於现行的增层法四层板，其布线多半只在L1与L4两层上发展。其外层虽设有盲孔但内层却很少安插埋孔。此等板类之全通钻孔仍将保留，以做为L1与L4之互连，或代替埋孔而令L2与L3得以沟通。
2.1线宽对布线的影响
至於何种细线密距可与那类微径导孔达成良好的匹配，其等经验至为重要。初步研究可采用Mentor Graphics 或Cooper Chyan Technology(CCT)之自动布线程式，以找出指定布线密度所需的线宽与孔径。
图3 以线宽为主要考量之布线能力（%）变化情形。
以六层板为例，当通孔之孔环为25mil 时则其线宽可设定在3-10mil之间，按上图3的经验可知，凡线路愈细者其“未布线＂的线数然会逐渐减少，但降幅尚不致太大；也就是说线路缩细後其布线能力并未明显上升。
2.2通孔孔环对布线的影响
但若将通孔之孔环从25mil降到10mil而线宽仍维持7mil，其布线能力即出现大幅上升。如下图4所示，该六层板布线能力已达100%。故知“环径＂大小对布线才更具影响力。
图4 以孔环环径为主要考量之布线能力（%）变化情形。
2.3垫内导孔(Via-in-Pad) 之运用
传统多层板互连用的通孔、孔环，与表面焊接所用的方型焊垫等，都是各别分开布局设置的。但若将介质层减薄孔径缩小到“微孔＂时，则可将其安置在方形焊垫之内，甚至将其盲孔填塞後还可被焊垫所覆盖(Via in Pad, or VIP)，在未牺牲焊锡性下可使二者合而为一，於是板面的布线能力也得以进一步增强。此等“微导孔 Microvia＂观念之运用促成了HDI的大幅进步。下图5左侧为传统SM焊垫与互连所扇出的线路及通孔之观念，而右侧即为微导孔与SM焊垫合而为一的新观念。
图5.传统布线HDI布线的比较，左图为传统焊垫与扇出互连之布线情形。右为垫内有孔之HDI布局情形。
上述微导孔与焊垫合并的做法也可用於BGA的布局，惠普公司的Clinton Chao博士曾推出一种针对密装BGA布局布线的经验模式，可用以事先决定线宽与微孔径以及布线能力。此时矽晶片封装品之密度，反而成为影响载板布线最重要的参数了。
L=线宽 S=线距
Dr=含微孔之球垫直径 Db=打线垫宽
G=I/O 脚距(指 SMT引脚焊垫之脚距) n=I/O 数
三、微孔成本
目前微孔的成孔方式有1.感光成孔(Photo Via)；2.电桨蚀孔(Plasma Via)；3.雷射烧孔(Laser Via)等。前二者属瞬间同时大量成孔之快速方法，故当孔数越多时越为有利。至於雷射烧孔法(以二氧化碳为主)，则需逐一烧掉无铜处之板材而成孔，故成本上较不经济。不过由数年来量产经验看来，二氧化碳雷射之成孔法，其後续组装品质方面似已优於前二者，加上二氧化碳雷射钻孔机不断的改善，与多种品牌的彼此竞争，已使得雷射微孔之成本得以降低。
Motorola公司在佛罗里达的行动电话部门，曾在1997年中推出了二十多种不同设计的传统“压合盲孔＂板(指事先做好有通孔的双面板，再压合成为有盲孔的多层板)，分别送往欧、美、及亚洲等地，所选出的十家对HDI已有尝试的PCB公司，去做非机钻成孔方式的打样与评估。同时也要求各厂对传统六层板与HDI盲孔板，就成本方面进行比较，并要求提供量产前热身“练兵＂(Learning Curve)所需的时限。下表1即为打样中所选四种多层板的报价比较。其情况分别为：
“编号 1＂是原来传统六层板，共有800个机钻通孔，板面大小为4.33" 2.01"，每边并有半寸宽的折断边(Breakaway Tabs)，以方便各种制程中的持取动作。
“编号 2＂系HDI之“1-2-1＂(亦可采222方式表达)增层法四层板，有200个机钻导孔及1100个非机微导孔，板面大小与编号1者相同，布孔密度达126孔/寸2。
“编号 3＂功能与编号1 相同，但HDI之板面却缩小了40%，只有2.58" 2.01"，布孔密度达212孔/寸2，外围仍有半寸宽的折断边。
“编号 4＂为传统“压合盲孔＂多层板，其功能及面积与“编号 3＂四层板相同，故布局要增加到八层才行。
以上四种设计的多层板，均采相同的线宽与间距，即使HDI板子也未刻意采用更细的线路。其他各项设计也都按照标准原则进行，以免造成各打样厂商因难度太高而望之却步。
(四种设计之电路功能均相同)
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电路板厂 |
（传统PTH） |
（HDI，1-2-1） |
（HDI，1-2-1） |
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（压合盲孔八层板） |
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注：
後三家之报价太便宜，已被视为“不正常＂。
『编号1』为传统机钻之六层板，板面大小为134.9mm 51.05mm，有800个通孔。
『编号2』为增层法1-2-1之HDI四层板，大小仍为134.9mm 51.05mm ，有机钻200孔，非机钻1100微孔。
『编号3』为增法1-2-1之HDI四层板，大小降为90.3mm 51.05mm，共有200通孔及1100个压合盲孔。
『编号4』为压合盲孔之八层板，板面大小降为90.3mm 51.05mm，共有200通孔及900个压合盲孔。
以上12 种报价，除後三项感觉上“不太合理＂而舍弃外其余都很接近，於是将九种价格整理分析成为下图 6。
图6.在不同设计与不同制程下所见到的价格分析
由上图6约可看出两项特性，其一是布线愈密的板子价格反而愈便宜，也就是说明密集的HDI增层板，其平均价格并不算贵；其二是布孔密度大增的雷射孔，亦未明显加价，感光成孔相差不多。不过在功能不变但层数不同的多层板上，二者都要比压合盲孔便宜多了。从本处结论与其他相关资料可知，采用Micorvia 对完工板的最後价格影响不大。
虽然每家电路板厂在进入HDI时，所经历的“新兵训练＂(Learning Curve)其成效不尽相同，但大多数厂家就1-2-1四层HDI 板而言，其成本确比传统六层板要便宜。也就是说HDI 会使得既有设计的多层板变得面积更小，层次更少，价格上自然就会下降了。当然这还要看每家电路板厂改做HDI时，其『新兵训练』的速度与成效而定。站在下游大哥大系统成品厂商而言，莫不希望电路板供应商能及早进入HDI，以便使电话手机产品变得体积更小功能更强。
四、电性品质
HDI除了价格优势外，设计者还会考虑到其他的好处；如布局的紧密，层数的减少，介质层的逼薄等，除可对既定类比线路(Analog Circuits，现常指微波电子产品)提高其性能外，对高速数位线路(Digital Circuits 常指电脑资讯产品)也极为有利。不过当所用增层法不同时，其电性功能上也自然有所差异。
感光成孔所增加的“感光介质层＂(Photo-Imagible Dielectric 简称PID，一般业者顺口而出随便说说的“介电层＂并不正确)，不管是涂布的液态树脂或贴合的乾膜板材，都是以环氧树脂为基础，其厚度约在1.5~2.5mil之间，介质常数(DK；又称为“相对透电率＂Relative Permitivity ,εr)约在3.3~4.2之间，而其散失因素(Df；Dissipation Factor,又称为损失因素Loss Factor 或Loss Tangent)则在0.01~0.02之间。
此种电性品质对一般数位资讯产品的板类也许还可应付，但对高频通信产品则显然已力犹未逮。此时必须改用聚亚醯胺(Polyimide)、聚醯胺(Aramid)、铁氟龙(PTFE)，或Dk 与Df俱低之其他高性能板材(Dk2.6~2.8,Df 0.002~0.004)，一旦如此雷射尚可烧孔加工，至於Photovia 则因其等无法感光，只好拱手让出地盘矣。且所增加之介质层也不宜太厚(以1.5~2.5mil为宜)，以避免带来深盲孔电镀的困难。
当板材之电性(Dk, Df 二者均愈低愈好)不太理想时，用於低速数位电脑之电路冲击还不算大，但对高速数位通信板或射频(RF; Reclio Frequency)级板类在性能上影响极大。因板材之介质不佳时会在电容、串讯，与讯号损失方面带来麻烦。此时传统多层化板上所获取的经验，对HDI增层板则一如往昔仍然有效；也就是说其等“特性阻抗＂仍须加以控制。
图7.可进行特性阻抗控制的三种传输线，图中W表讯号线宽，T表讯号线厚，H表介质层厚度，G表同板面上讯号线与接地区之间距
在高速通信的RF 领域中，常用的传输线有共面波导(Coplanar Waveguide)、微条线(Microstripe)与条线(Stripline)等三种结构。其等电性是否够好，还要仰赖介质材料本身的介质常数(Dk)与散失因素(Df)是否够低。一般传统多层板均采用FR-4板材去生产，也都能达到线宽、线厚、间距，与质层度的公差要求。 Motorola 公司曾设计了一种“样板＂，可采用电脑模拟去检查各种结构的电性品质，下表2 即为液态环氧树脂与另一种高性能板材所制“样板＂电性品质的比较。
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各种参数
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液态环氧树脂
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高性能板材
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介质层厚度（H）
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2mil
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2mil
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厚度公差
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+/-10%
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+/-10%
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介质常数（1GHz）
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3.3
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2.6
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介质常数公差
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+/-0.1
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+/-0.1
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散失因素（1GHz）
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0.02
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0.004
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内层线厚
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0.7mil
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0.7mil
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外层线厚
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1mil
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1mil
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内层起码线宽
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5mil
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5mil
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线宽公差
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+/-1mil
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+/-1mil
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外层起码线宽
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4mil
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4mil
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线宽公差
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+/-0.5mil
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+/-0.5mil
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起码间距
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5mil
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5mil
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间距公差
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+/-1mil
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+/-1mil
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对准度误差
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+/-3mil
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+/-3mil
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4.1共面结构分析
现将三种阻抗控制结构所模拟的结果，用图示方法加以说明。图8A即为共面结构其各种变数对电性的影响情形。从对其变异性计算中，可预估此种传输线结构需用何种板材去生产HDI板子，以达到 +/-10%(即26db分贝)的“回流损失＂(Return Loss)。
图8A.共面结构的阻抗值与回流损失的变化情形，两横框中浅色区表Root Sum Square之分析而深色区表变异之极点。
图8B.五种影响共面结构变数的重要性
又从图8B中可看出，对共面结构阻抗值影响最大的变数是线宽(W)与介质厚度(H)，此等资料对业者非常重要，必须小心加以掌握，才能使阻抗值达到允收的要求。
4.2微条线之分析
采用液态感光树脂制作加层法多层板时，目前制程能力已可让微条线达到50Ω的一般性要求，但却不易维持阻抗的目标中值。必须采行较厚的介质层并严加管制厚度，再加上对线宽的小心处理才能掌握中值。当然若其介质常数较低时，则较易达成中值的结构。
图9A.微条线之特性阻抗值与回流损失 图9B.影响微条线特性阻抗值四种变数之影响力比较
4.3条线之分析
图10A的实验数据可知，想要用液态环树脂或高性能板材，去做出50Ω稳定阻抗值的HDI多层板几乎不可能，但两种材料却可做出阻抗值较低的多层板，故当用到低阻值的线路设计时，此种条线结构将可派上用场。若欲达到50Ω时，其介质层厚度应增到3.5mil以上，线宽还要细到1mil才行。
图10A.微条线之特性阻抗值与回流损失 图10B.影响微条线特性阻抗值四种变数之影响力比较
由上述各项模拟可知，各种不同结构不同用途中，任何单一板材都不可能永远优越。对传统多层板而言，介质层厚度与讯号线宽要比他两项变数更为重要，对有“条线＂的HDI增层薄板来说，其讯号线宽与内层中各介质厚度之均匀管制，亦为完工板成败的关键。
五、结论
HDI为下一代小型手 机板的主角，其非机钻微孔径变小後，使得手机体积得以紧缩，布线能力增加，制造成本降低，比起传统镀通孔更为有利。对於线路复杂的密装多层板而言，通孔外之环径大小对布线能力影响极大，但在设计与制程上却不易改善。采用Microvia後孔环显著缩小或另采“盖盲孔时，不但可使此一问题迎刃而解，且其焊锡生也能维持正常未受干扰。
从多家电路板厂提供的报价资料可看出，HDI多层板并不比传统多层板来的贵。其操作成本低於机钻也是原因之一。雷射烧孔虽需一个一个来，但其总体良率高，制程难度低以及其他有利点之展现，似乎仍比同步大量成孔的Photo Via 或电浆蚀孔更为有利。而且某些高性能板根本无法感光，也只能用雷射成孔。
又从电脑模拟的经验看来，采用高性能板材的HDI手机板，从线路功能上可取得的利益极少。甚至手机板具有Stripline时若无 FR-4的助厚下，根本无法完成50Ω的要求。不过标准设计以外的低阻抗值线路，将来HDI板或许还有出场亮相的机会。