04mmPitchBGA二阶HDI工艺的开发与研究

0.4mmPitchBGA二阶HDI工艺的开发与研究第1页共34页0.4mmPitchBGA二阶HDI工艺的开发与研究罗永红1余德超2沈彦2吴美2唐国梁21.上海美维科技有限公司研发部2.上海美维电子有限公司项目开发部摘要：本文对0.4mmPitchBGAHDI板在设计上的特点进行了分析，根据设计的特点对0.4mmPitchBGAHDI板在PCB制造工艺上的相关难点进行了分析，确定了相应的解决方案，并通过试验板的制作，验证了方案及工艺路线的可行性。在研究过程中，着重根据0.4mmPitchBGAHDI设计特点，对层间图形的对位精度、激光盲孔与图形的对位精度以及绿油开窗的对位精度进行了详细研究和分析，同时对精细线路的减成法制作工艺也进行了相应的探讨。结果表明，我们所制定的工艺路线能够解决0.4mmPitchBGAHDI板在制造工艺上的相关难点，可满足高端客户对0.4mmPitchBGAHDI板的制作要求。关键词：BGA对位精度Aperture绿油开窗动态蚀刻补偿LDD1研究背景1.1引言电子产品在朝高速化、多功能化、小型化及轻量化发展，相应IC封装的发展也必须随着电子产品及IC设计的发展走向多脚数化、导线细微化、小型化、薄型化及高散热化发展，作为搭载封装基板所用的母板线路板（PCB）也必须超着轻、薄、小、高密度、高性能方向发展。现有的线路板工艺技术已经不能满足这样的要求，必须开发新的工艺技术来应对电子封装的发展，使其适应高密度封装的要求。图表1半导体封装形式的发展趋势。图表2为封装结构示意图。从图中可以清楚看出芯片、封状基板和PCB母板三者之间的关系。图表1半导体封装形式的发展趋势0.4mmPitchBGA二阶HDI工艺的开发与研究第2页共34页图表2封装结构示意图1.2BGA技术的发展BGA（Ballgridarray球栅阵列）技术的研究是始于60年代，最早为IBM公司所采用，但直至90年代初期才正式进入实用化阶段。随着电子技术的不断发展，轻、薄、短、小的特点已经成为电子产品发展的主流方向，对于与之相关的PCB来说正面临着全新的挑战。随着市场需求的不断提高，PCB上BGA焊盘最小接触间距，也逐渐由最初的1.50mm减至现在普遍通用的0.8mm、0.65mm，0.5mmPitchBGA。最近一些高端客户已经提出了对0.4mmPitchBGAPCB的需求，在此种情况下对含0.4mmPitchBGAPCB制作工艺的开发与研究就显得迫在眉睫。目前，国内的PCB公司中，关于0.4mmPitchBGA均在最初的起步阶段，为了走在同行业的前列，我们有必要更是必须尽快把0.4mmPitchBGA的技术开发成功，进而满足高端客户更高的要求，从而为公司赢得更大利益。1.30.4mmPitchBGAPCB的市场需求与制作工艺难点0.4mmPitchBGA与0.5mmPitchBGA设计相比，虽然只是BGA盘之间的节距减小了0.1mm，但是这一个小小的变化，却使PCB的设计和PCB板的制造工艺发生巨大的变化。通常典型的0.5mmPitchBGA的设计规格如表格1所示；按照这样的思路，0.4mmPitchBGA的设计规格将可能是：Padsize=250um，盘之间线宽间距的设计L/S=50um；0.5mmPitchBGA与0.4mmPitchBGA相比，BGA盘尺寸的变化只有不到10%；但是Line/Space却由75um减小到了50um，缩小了33%，这给PCB的制造带来了新的挑战。表格10.4mmPitchBGA与0.5mmPitchBGA的比较0.5mmPitchBGA0.4mmPitchBGA变化率PadSize275um250um9%Line/Space75um50um33.3%注：表格中变化率是与0.5mmPitchBGA相比较而言。如果按照上述的演变过程，PCB工厂很难在制造工艺上马上适应这种设计的转变，纵观市场对0.4mmPitchBGA的需求来看，我们认为0.4mmPitchBGAPCB的发展会经过表格2所示的几个阶段:0.4mmPitchBGA二阶HDI工艺的开发与研究第3页共34页表格20.4mmPitchBGA不同阶段的设计特点0.4mmPitchBGA设计线路设计PCB制造工艺难点内层外层内层外层第一阶段BGA中间不走线L/S=3/3mil及3/3mil以上1、对位精度的提高。2、激光盲孔电镀填平。第二阶段APadSize=250um,内层BGAPad间走2mil线PadSize=250um,外层BGAPad间不走线内层BGA盘中间为2mil线，其他区域为3mil及3mil以上外层为3mil及3mil以上1、对位精度的提高。2、激光盲孔电镀填平。3、精细线路（2mil）制作。BPadSize=220um,内层BGAPad间走2.4mil线PadSize=220um,外层BGAPad间不走线内层BGA盘中间为2.4mil线，其他区域为3mil及3mil以上外层为3mil及3mil以上第三阶段内、外层BGAPad间走2mil线内外层BGA盘中间为2mil线设计（局部区域2mil线），其他区域为3mil及3mil以上1、对位精度的提高。2、激光盲孔电镀填平。3、精细线路（2mil）制作。第四阶段内、外层BGAPad间走2mil线内外层BGA盘中间及其他区域均为2mil1、对位精度的提高。2、激光盲孔电镀填平。3、精细线路（2mil）制作。备注：对位精度的提高包括：1、层间对位精度的提高；2、激光盲孔与图形对位精度的提高；3、绿油开窗对位精度的提高；从表格3中0.4mmPitchBGAPCB发展的四个阶段来看，他们都有一个共同的特点，就是由于Pitch的减小，造成BGA盘、线宽、间距的减小，从而给PCB制造带来的两个共同难点，一是对对位精度要求的提高，二是引入了精细线路的制作。两者相比较而言，精细线路制作的难度要大过对位精度的要求，因此在第二阶段的设计中，我们考虑了通过减小BGA盘的尺寸、增加线条宽度的方案，以此来降低PCB的制作难度，表格3为两种0.4mmPitchBGA设计的比较。总的来说这几个开发阶段遵循了由简单到复杂的循序渐进的开发过程。表格3两种0.4mmPitchBGA设计的比较PadSize变化率Line/Space变化率0.5mmPitchBGA275um75um0.4mmPitchBGA-A250um9%50um33.3%0.4mmPitchBGA-B220um20%60um20%注：表格中变化率是与0.5mmPitchBGA的设计相比较而言。目前，市场已经开始有对第一个阶段产品的需求了，比如高通新近推出的一款芯片设计，就需0.4mmPitchBGA二阶HDI工艺的开发与研究第4页共34页要这样设计的PCB板。SME也为这类设计生产过与之相配套的PCB板（SMEP/N：DSF083592A1、TFI100780A1、TFI100784A1）。我们预测在未来一、两年的时间内，针对0.4mmPitchBGAPCB板的需求，也只能是在第二个阶段，第三、四阶段的设计是着远于更远的未来；图表3为BGA发展趋势示意图。因此，本项目主要针对第二个开发阶段的A方案进行分析和实验研究。图表3PCBBGA发展趋势20.4mmPitchBGA制作工艺难点及工艺开发路线的选择2.1工艺难点分析及解决方法由上述分析可知，对0.4mmPitchBGAPCB板的设计来说，其制作工艺难点主要有以下三个方面：①对位精度的提高②激光盲孔电镀填平③精细线路（2mil）的制作2.1.1对位精度的提高由于0.4mmPitchBGAPCB板Pitch节距设计的减小，引起焊盘、线宽、间距的减小，由此引发一系列的对位问题，开发0.4mmPitchBGAPCB板的制作工艺，必须首先解决对位精度这个问题，包括：①层间图形对位精度的提高；②激光盲孔与图形对位精度的提高；③绿油开窗对位精度的提高；图表4为几种对位情况的比较；下面我们从三个方面来论述如何提高对位精度。0.4mmPitchBGA二阶HDI工艺的开发与研究第5页共34页图表4几种对位图形结果的比较2.1.1.1层间图形对位精度的提高PCB制造过程中，内外层图形的对位重合，通常都是使用X光钻定位孔，然后以这个定位孔为定位基准，进行机械钻定位孔，再以机械定位孔为基准进行图形的制作。在这个过程中，影响层间图形对位精度的因素有：①X光钻定位孔的精度（s1），通常为1mil；②机械钻孔的孔位精度（s2），通常为1mil；③在制板的涨缩差异（s3），通常为2-3mil；④图形转移过程，曝光机的对位精度（s4），通常为1.0mil；⑤图形转移过程中，菲林尺寸的变化（s5），通常为1.5mil。因此内外层图形的最大偏差D=s1+s2+s3+s4+s5=6.5-7.5mil；显然，如果使用传统的对位系统，使用手动曝光设备或自动曝光设备，是不能满足0.4mmPitchBGAPCB板批量生产的要求。为此，我们必须考虑设计新的对位系统以及使用新图形转移设备。为了满足0.4mmPitchBGAHDI板制作的需要，我们考虑使用LDI来进行图形转移的制作，优点如下:①图形对位精度可达到0.5mil（s4＇）;②可以消除在使用自动曝光机来完成图形转移过程中，菲林尺寸变化带来的对位偏差；③使用LDI的自动涨缩对位功能，能与千差万别的在制板实现一一对应的尺寸匹配，实现每一块板图形的精确对位；消除自动曝光机因为使用一套菲林,而无法与所有板匹配的困难。另外，为了提高层间图形的对位精度，在外层图形转移的过程，我们不使用机械钻定位孔作为外层图形转移的对位基准；而是以X光定位孔，作为外层图形转移的对位基准，这样就可以减少一个机械钻定为孔的误差环节,这对提高了内外层图形的对位精度有很大的好处。图表5，在这个传递过程中，影响层间图形对位精度的因素有：0.4mmPitchBGA二阶HDI工艺的开发与研究第6页共34页①X光钻定位孔的精度（s1）；②LDI的对位精度（s4＇）有关系;因此，内外层图形的最大偏差D＇=s1+s4＇=1+0.5=1.5mil;完全能满足0.4mmPitchBGAHDI板设计的需要。图表5新对位系统对位基准传递过程此外，对于0.4mmPitchBGA多阶HDI板，盲孔采用叠孔（Stackvia）结构设计时，由于盲孔的垫盘和连接盘设计值都只有10mil，完成后的盘的直径为225±15微米（9±0.6mil），如果采用SME现有叠孔设计HDI板的制作流程的对位系统，即次外层与外层激光孔都以次次外层上的X-ray孔为对位标靶，即叠孔设计的多阶盲孔采用同一层的对位标靶作为对位基准，如图表6所示。按照这样的设计，外层与次外层的最大对位偏差：P=S1+S2；而S1=s1+s4＇，S2=s1+s4＇，因此，P=S1+S2=2（s1+s4＇）=2（1+0.5）=3mil，相对于9±0.6mil的BGA来说，如果激光盲孔的直径为4mil，基本没有安全空间，激光盲孔将出现崩盘现象。为此，针对0.4mmPitchBGA多阶HDI板，盲孔采用叠孔（Stackvia）结构设计时，我们开发了逐层对位系统，如错误！未找到引用源。所示，即次外层激光孔以次次外层图形上的X-ray孔为对位基准，外层激光孔以次外层图形上的X-ray孔为对位基准，次外层与外层分别设置X-ray标靶。按照这样的设计，外层与次外层的最大对位偏差：P＇=S1＇而S1＇=s1+s4＇因此，P＇=S1＇=s1+s4＇=1+0.5=1.5mil，相对于9±0.6mil的BGA来说，如果激光盲孔的直径为4mil，单边至少有0.7mil安全空间，有很高的对位精度。图表6同一对位基准尺寸传递示意图0.4mmPitchBGA二阶HDI工艺的开发与研究第7页共34页图表7逐层对位系统传递过程2.1.1.2激光盲孔与图形对位精度的提高激光盲孔与图形的对位，包括两个方面，一是激光盲孔与内层图形（底盘）的对位，二是激光盲孔与外层图形（孔盘）的对位。激光钻机在进行盲孔制作的时候，可以使用预先设置在内层的标