加成法：PCB创新技术的应用

北美地区对超高密度HDI生产能力的需求日益增加。目前行业对SAP / HDI生产制造技术的采纳速度还是比较慢，主要是受到两个原因制约：一是当线宽和线距的达到50微米时，减成法工艺已经无法满足；二是人们尚不清楚超级HDI使用的整体系统购置成本会达到多少。

简介

随着PCB线宽和线距向50微米发展，采用减成法工艺会出现良率和成像问题。半加成法工艺（Semi-additive process，简称SAP）是适用于这类应用的化学工艺。《PCB007 Magazine》一月刊专栏文章介绍了行业采用的各种SAP工艺。另一个制约因素是人们不能确定超级HDI的成本。这一点是行业实施SAP技术的真正障碍。之所以无法确定成本，原因之一是缺失密度衡量指标。需要采取性能措施，以应对组装细间距表面贴装元件的难度，即在指定区域内贴装所有细间距器件时需要的印制电路密度。

在我看来，PCB研发工艺工程师的主要目标就是实现新客户的新产品和/或新工艺，并将其作为业务扩展的组成部分。如图1所示，新技术的实施需要经过一段“S型曲线”。最终，新技术能在企业主或CEO制定实现长期目标所需的战略规划时起到支撑作用，而降低风险就是其中一个长期目标。

图1:新产品和新工艺的创新与应用为公司的快速成长和迅速创收奠定了基础，PCB在这一点上提供了价值。（来源:《25 项电子工程师必备技能》）

降低风险

超级HDI和SAP工艺的优势是实实在在的，但PCB设计师更加关注的是其所涉及的风险。在开发过程中，要将客户遇到的风险都关联起来，并且找到恰当的解决方案来凸显密度增加后的强大优势，从而推动人们采纳这项技术（图2）。

图2:在风险被消除之前，新技术是不会平衡优势和风险的。

20世纪80年代末，我用这种思维方式推广HDI。1982年，为了在FinstrateCOB上添加低感抗的盲孔，惠普公司研发了激光钻孔技术。《HP Journal》上刊登了介绍这项技术的文章，IPC技术论坛也谈到了这项技术。这些技术引起了西门子和IBM等OEM公司的兴趣，但很多OEM还是对这项技术持观望态度。直到1993年，惠普针对当时称之为“便携式电话”的新设备提出了一种替代设计方案，日本才开始对移动电话PCB采用HDI技术。

图3所示的降低风险流程是推广创新技术的重要一环。

图3:系统干预策略的通用模型型。(来源:《25项电子工程师必备技能》)

重新设计报告

因为惠普在微型化便携式计算器方面有20多年的经验，所以有一家生产移动电话的客户找到了我们，咨询有关新手机PCB的建议。他们的PCB很独特——是7层不平衡结构，高压釜层压3个镀通孔子板。我写了一份设计报告，这是我们的第一个提案，建议使用钻孔和退火技术来钻取控制类盲孔，从而减少翘曲。第二个提案是使用新型激光钻取盲孔，精细走线和凸缘键合倒装芯片。在面积只有原先四分之一的4层线路板上就能实现原来的所有功能。

图4展示了这2种替代方案。人们可能觉得将板层数一下子减少到4层有些太冒险了，但盲孔方案效果很好，最终被采用。于是日本制造商采纳了微型化HDI方案。

图4:1993年，新款移动电话的2种方案和3种不同结构

我们按照上述2种方案制造了两个版本的HDI：一种是使用刚性FR-4；另一种是使用聚酰亚胺挠性材料。制造商给出了积极的反馈，他们问：“我们能留下来这些样品继续测试吗？公司研发人员说不可能有人能生产出HDI。”

IPC-2315 HDI设计指南

针对HDI替代方案提交的设计报告大获成功，以至于IPC组建了分委员会来专门制定新标准——《IPC-2315 HDI设计指南》。该指南首次发布于2000年，制定这本指南的委员会由相关OEM、PCB制造商和供应商组成。现在行业仍可用这本指南，并且JPCA也参与共同完成指南的更新。

密度建模

如果使用超级HDI是为了利用其可降低密度的优势，那么在设计报告或新设计指南中使用密度模型就比较恰当了（见图5）。这些模型可以根据超级HDI设计规则计算使用的走线和间距后所能实现的密度、尺寸和层数。如果已经完成了PCB的设计，那么可以查看CAD系统报告中每层走线的“曼哈顿距离”。测量每层上总布线面积后，得到每平方厘米内有多少厘米的走线，然后计算超级HDI的布线。如果还未设计出PCB，可以参考我研究并使用过的7种走线模型，我最喜欢使用的是科罗拉多矿业学院的Coors、Anderson和Seward给出的统计走线模型。