PCB熱門技術發展趨勢分析

隨著電子產品設計概念逐漸走向「輕薄短小」，印刷電路板（PCB）設計也走向小孔徑、高密度、多層數、細線路發展。隨著整合製程複雜度提高，電路板作業製程溫度增加，原來的基材已無法應付日益升高的作業溫度，業者必須開發新的基材。目前去除接著劑的軟板基材，已達到高密度及可靠度的製程要求，加上其符合無滷素的環保要求，未來將逐漸取代現有軟板基材。同時隨著電阻及電感等週邊零組件微型化發展，加上為簡化線路設計，目前PCB技術已朝向嵌入式基板發展，直接將元件放在電路板夾層中，這種技術難度極高，如何確保電路訊號品質成為產品設計的重要課題。由於嵌入式基板有許多盲埋孔設計，要確保盲埋孔的訊號傳送品質，有賴良好的電鍍技術。二層基板基本介紹目前常用的軟性銅箔基板（Flexible Copper Clad Lamination；FCCL）基材，可分為二層基板及三層基板。二層基板主要結構為底材加上銅箔導體，三層基板則在前兩者中間多了一道接著劑製程，然後再加以壓合。傳統三層軟板基材在PI膜上塗佈接著劑後，再經銅箔熱壓，形成三層結構基材，而二層軟板則是由PI及銅箔所組成，去除接著劑的使用，避免受其在製程能力上的限制。傳統三層基板因接著劑的材料特性限制無法進行高溫製程，已無法應付目前部份高階製程要求，為避免接著劑所造成的製程干擾及配合歐盟的環保禁令，現有三層軟性銅箔基板業者莫不全力投入二層軟性銅箔基板的開發。目前各家業者開發二層軟性銅箔基板的技術已逐漸成熟，多利用PI做為底材，再配合各家業者自行開發的生產方式，去除接著劑的使用，來進行二層軟性銅箔基板生產。另外，也有部份業者利用自行開發的PI配方，再加上現有銅箔使用。二層基板性能分析與傳統三層基板比較，二層基板具有較佳的耐熱性、電氣特性、耐藥性及高密度化能力。在耐熱性方面，壓克力及環氧樹脂長期使用溫度約在100℃左右，無法承受高溫，在高溫製程下容易造成基板有分層或氣泡產生。二層軟性銅箔基板因PI及銅箔皆可耐高溫500℃以上，長期的使用溫度可達200℃以上，相對具有較佳的製程穩定性的產品可靠度。在難燃及電氣特性方面，三層軟板基材必須在接著劑的配方中加入滷素的難燃劑，但這可能無法符合歐盟2004年電子產品全面禁用滷素材料的規定，將限制其未來發展。且這些添加劑往往存在離子性不純物，使基板介電及絕緣特性變差，在高溫下容易造成基板扭曲變形，這些都會降低基板的可靠度。在其他方面，二層軟性基板厚度較薄，半加層法銅厚僅達3～9μm，PI膜則可達12μm。此外接著劑會因化學品侵蝕，造成PI與銅的接著介面產生問題，抗撕強度因而下降，二層軟性基板不會有此問題，耐藥性較佳。二層軟板因銅導體厚度降低，在製程技術上也較三層基板容易達到高密度線路的生產要求。二層基板製作方式介紹自1992年發展二層基板材料以來，二層軟性銅箔基板的主要製程方式有下列3種：半加成法（Sputtering／Plating）、塗佈法（Casting）及熱壓法（Lamination）。次要的製程或發展中的製程，包括使用蒸鍍技術的半加成法、液晶聚合（Liquid Cryatalline Polymer）、PBO及PIBO等方法，但因目前所佔市場比重尚小，仍以上述3種製程為主。半加成法又稱為濺鍍／電鍍法，以PI膜為基材，先濺鍍上一層薄銅（1μm以下），再以電鍍法在薄銅上進行電鍍，使銅的厚度增加以達到所需厚度，類似電路板之半加成法。優點在於可控制所需成長的銅厚，而PI基材的厚度須仰賴供應商現有產品，以及生產設備投資高昂則為主要缺點。塗佈法則以銅箔為基材，先塗上一層薄的高接著性PI樹脂，經高溫硬化後，再塗上第二層較厚的PI樹脂增加基板剛性，經高溫硬化後形成2L，此方式需要塗佈兩次，製程成本較高，關鍵技術在於PI配方。此法的優點為設備投資較低，自動連續式生產速度快，缺點為無法製造出薄銅（12μm以下）的軟性基板。熱壓法以PI膜為基材先塗上一層薄的熱可塑性PI（Thermoplastic Polyimide；TPI）樹脂，先經高溫硬化，再將銅箔放置在已硬化之熱可塑性PI樹脂上，利用高溫（300℃以上）高壓將熱可塑性PI重新熔融與銅箔壓合在一起形成二層。此法的優點為製程良率高，設備投資低；缺點則為多了一道壓合製程，且基材厚度無法降低。二層軟板基材的價格會因PI的種類、厚度而異，也會因銅箔厚度而異。塗佈法因銅導體可利用現有銅箔，厚度則在12μm以上，所以其價格較低。半加成法可生產銅箔在9μm以下的產品，對部份高階製程而言，經濟價值較高。二層基板供應廠商目前半加成法主要製造廠商有杜邦、Gould（日本能源子公司）、Sheldahl、Innovex、3M、住友金屬（Sumitomo Mining）、三井化學（Mitsui Chemicals）及東洋金屬（Toyo metallizing）等。台灣的台虹、律勝、造利也傾向以此技術為基礎來發展二層軟板基材，其中造利原為水平電鍍設備供應商，利用其在連續式軟板的電鍍技術，跨入軟板基材領域。目前塗佈法的主要製造廠商為日鐵化學（Nippon Steel Chemicals）、三井化學、東洋紡（TOYOBO）、旗勝（NOK；又名Mektec）、日東電工（Nitto Denko）、新力化學等，熱壓法主要製造廠商則有宇部興產（Ube）。就未來的市場區隔而言，以塗佈式生產PI 25～50μm，銅箔12μm以上的二層軟板基材將佔市場應用大宗，而在超細線路2mil／2mil以下的技術，則將採用半加成法生產銅箔9μm以下的基材。PCB電鍍製程發展在電鍍製程部份，簡單可以分成一次鍍銅及二次鍍銅，一次鍍銅主要是將面銅增厚及鍍通孔、盲孔，一次鍍銅的過強調面銅的均勻性及孔壁鍍銅的完整性。二次鍍銅則是線路鍍銅，二次鍍銅的過程強調線路的清晰均勻，不會發生斷裂或與其他線路疊合的情況。目前電路板設計不斷朝向小孔徑、多層數、細線路發展，當電路板脫離傳統機械成孔方式進行鑽孔時，其多利用CO2或YAG雷射製作，其所製造的孔徑可以較機械成孔來得小，此時在進行孔內鍍銅時，難度就變得極高。以通孔而言，當小孔徑配合多層數設計時，孔壁因藥水不易流動置換，較難達到良好的鍍銅效果，故一般業界在購買設備時，會相當要求鍍銅設備的貫孔力，良好的設備可以使面銅及孔壁均達到相近的厚度。以盲孔而言，這是目前增層板及手機板最常使用的設計，這種凹型孔更不易使藥水完成置換，所以孔內鍍銅常會出現厚薄不均，甚至在孔壁轉折處容易出現斷裂的現象，這樣就容易造成線路訊號不良，所以一般電路板廠也極力克服這種情況的出現。另外也有業者開始利用電鍍設備完成填孔技術，以降低生產成本。在一次鍍銅的電鍍設備部份，台灣及歐洲多選擇採用水平電鍍設備，代表的設備廠商包括德國的阿托科技及台灣的造利科技，日本則多利用原有的垂直電鍍設備加以改良，採用電纜配合脈衝式電流方式進行生產，也可達到類似水平電鍍的效果。水平電鍍製程介紹水平電鍍與垂直電鍍主要是因電路板處理方式有所不同而產生，目前大多數電路板生產設備均可以進行自動化生產，利用自動輸送裝置連接各項製程，但是若使用垂直電鍍設備，其自動化輸送過程則會被打斷，因此必須利用人工方式將每片電路板放至掛架上挾板，然後再利用天車將電路板放入槽液內，用不斷搖擺的方式進行電鍍，容易因槽液或位置不同而出現銅厚或品質不同的差異。同時因使用挾點方式進行電鍍，故在挾點處的鍍銅會變得較厚，而對於較薄的電路板也容易因人為的操作而產生皺褶。為了達成製造全自動化目的，水平電鍍設備便應運而生，在設備業者加入一些獨特的設計後，水平電鍍設備除可以達到自動化的生產目的之外，也同時提供高階電路板技術製程極大協助，不僅可以減少人員的操作，同時因為採自動化標準流程控制，故對於電路板的產品品質控制較易。另外，在面銅均一性、通孔貫孔力、盲埋孔電鍍部份，水平電鍍設備均可達到較佳的效果。不過水平電鍍設備由於價格較高，中小型廠商採購能力有限，採用水平電鍍設備以大型電路板廠為主。在二次鍍銅部份，因考慮水平輸送裝置容易將線路壓壞，所以目前在發展水平二次鍍銅設備方面進展較緩，許多裝置需要重新設計，故目前二次鍍銅設備均是以垂直電鍍為主，二次鍍銅設備將會是影響電路板線寬線距是否能夠更上層樓的關鍵。整合趨勢帶來影響待觀察電路板近年在高階基板的發展上有長足的進步，尤其是配合半導體封裝要求，使電路板業者已逐步擺脫傳統「黑手」的角色。就技術發展而言，電路板技術與其他電子技術的關係發展將愈為密切，如被動元件、半導體元件等，在整合型製造趨勢下，這些技術已無法各自獨立發展，必須相互配合才能發揮綜效，而這種製造趨勢會不會造成電子製造供應鍊的重新組合，值得產業界多加觀察。