先進材料應用技術推動高密度互連板發展

圖1：2021 PCB供應鏈短期發展狀況(來源Prismark)。杜邦

隨著電子設備向輕薄、高性能、多功能的方向發展，新一代高密度互連(High Density Interconnect；HDI)板以導通孔微小化和導線精細化為主導，將成為印製電路板的主流。

近日，行業研究機構Prismark與杜邦電子互連科技為我們全面解讀高密度互連板的市場與發展，並介紹創新的材料解決方案， 推展技術更新發展。

印刷電路板產業飛速成長

從電子整體市場的角度而言，2021年是非常豐碩的一年。 在2021年終端的系統成長了將近12%(圖1)，也就是說幾乎每個應用的領域都有大幅成長，包含居家辦公帶動的電腦類產品，甚至汽車、醫療以及通訊等方面。 隨著終端系統的成長，也帶動了半導體、晶元、印刷電路板(PCB)以及載板的需求。

我們看到PCB產業去年產值的增加超過了23%，而其中載板產值增加超過39%。 這麼高的產值增加是由多方面因素所形成的，除了需求的增長、經濟的復甦帶動了整體需求量之外，還有產品的提升、庫存的回補以及單價的提高，甚至包括運輸的原因，造成整個成本拉升及產品單價升高。

回顧20年的歷史，只有兩個年度的成長超過20%，一次是在2010年金融危機之後，另外一次就是在疫情期間的2021年(圖2)。 20%以上的成長是因為在應用方面有非常大的擴展，而從產品的角度來看，去年載板的成長超乎預期，產值增加39.4%， 多層板成長25.4%，HDI 高密度互連板的成長也出乎意外，達到了19.4%(圖3)。

高密度互連板前景廣闊

從2000年到2020年的20年，HDI的年平均成長達到8.1%，而整個PCB 產業的成長只有2.3%。 高密度連接應對手機、高端消費類的產品、移動式裝置等的應用需求，超過一半的HDI應用與手機相關，而很多穿戴式裝置，甚至AR/VR設備，都用到HDI技術。 這兩年，HDI技術不僅在NB、平板電腦、模組類產品發展非常快，還應用在汽車、醫療、無線通訊以及軍用設備。 我們預測未來在無人駕駛的汽車控制板會有更多應用。

2021年 ，HDI產值接近120億，增幅達19.4%(圖4)。 我們預測未來幾年，不論是在任意層高密度連接板(Any-layer)，還是在mSAP(半加成法類載板)這兩類相對高階的產品，HDI都會有一個非常大的成長空間(圖5)。 此外，HDI在無線通訊的應用也值得關注，無論是衛星，還是5G毫米波基站有源天線。 高階HDI(如Any-layer、類載板)和傳統的HDI應用場景都會越來越多，我們預測整個HDI市場的產值將於2026年成長到150億美元(圖4)。

高密度互連板市場成長機會與挑戰

驅使高密度互連板逐漸走向細線路化的原因，包括IC載板焊接錫球的間距，I/O接點的數量跟密度，以及行動裝置的可容納的空間大小。 印刷電路板的生產技術，也從以前傳統的高密度互連板HDI發展到任意層高密度連接板Any-layer，最後再轉變為類載板SLP的技術。 我們相信未來會朝更薄的介質厚度和更小的盲孔，以及更細的線路和間距發展，介電層的數量也會從現在的10-12層增加到12-14層， 並產生更多的堆疊盲孔設計。

面對未來設計的需求及改變，高密度互連板的生產技術也面臨著更進一步的挑戰，包括(圖7)：

第一：需要更短的應變時間，應對不斷更新的高速高頻基板材料的設計改變。

第二：多次高溫壓合所造成的盲孔底部可能產生的可靠度問題。 如(圖7)所展示的，最內層的盲孔底部會因為多次高溫壓的熱衝擊之後，發生填孔電鍍層與內層銅墊之間分離現象，而導致接觸不良的訊號問題。

第三：對於日益嚴重的散熱問題，未來也可能需要將核心層通孔以電鍍的方式完全填滿，以增加熱的傳導，降低晶片的工作溫度。

第四：由於逐漸變薄的介電層以及管控恆定的特性阻抗值的需要，對於電鍍均勻性以及高填孔能力，以降低電鍍銅厚的需求，就會越來越嚴苛。(圖7)中間圖示用於說明如果電鍍厚度不均，將導致介電層厚度的改變，進而影響到特性阻抗值，這對未來高速的需求將會有重大的影響。

第五：面對更小線寬線距的需求，需要更高解析度及更好貼附性的乾膜，以達到提升良率和產能。

杜邦高密度互連板全流程解決方案

杜邦在高密度互連板全流程的產品組合，除了擁有優越的化學藥水外，還提供了具有細線路解析能力的乾膜產品，是市場上唯一能夠提供乾、濕製程全流程解決方案的供應商之一。 同時，針對不一樣的製造流程，杜邦也提供了相對應的產品組合，分別可以應用在類載板及傳統的高密度互連板HDI(圖8)。

針對類載板，杜邦產品包括填孔電鍍產品Microfill AHF/LVF VI，化學沉銅Circuposit 6000和具有高解析度、細線路能力直接成像的RistonR DI61M乾膜。針對傳統的高密度互連板HDI，杜邦提供了定製的第三代Microfill EVF III填孔電鍍藥水，搭配另一款直接成像RistonR DI95M 乾膜，有效解決未來細線路化高密度互連板所面臨的技術挑戰，如多次層壓的可靠性問題，核心層的通孔填孔需要，高電鍍均勻性和高填孔能力，以及乾膜的高解析度。

要解決多次高溫壓合所造成的盲孔底部可能產生的可靠度問題，我們認為最有效的方式就是提升銅與銅之間的結合力。 杜邦Circuposit 6000化學沉銅可達到高水平盲孔銅面清潔度，及改善沉銅結晶細緻度，增強電鍍銅層與底銅銅墊之間銅與銅結合力， 以符合多次高溫層壓之盲孔可靠度需求。 在經過50次的迴流焊測試之後，整個迴路電阻的變化可以控制在標準的5%的變異之下(圖9)。 另一個重要的特性是化學銅的藥液穩定性，並且對多種材料提供良好的鍍層覆蓋性，以符合填孔良率的表現。 杜邦化學銅產品在不同基板供應商的材料上所展現出來的良好覆蓋性，將有助於最終電鍍之後信賴度的提升(圖9)。

傳統電鍍載運劑在大銅面區和細線路區的吸附量不會有明顯的差異，導致大銅面區的電鍍載運劑吸附密度會低於細線路區，而形成電鍍不均勻的現象(圖10)。 杜邦 Microfill LVF VI 藉由載運劑的新設計， 可減少在細線路區的擴散，以達到優越的圖形鍍銅均勻性，可適用於小於30μm/30μm線路設計， 達到小於3.5um的最小電鍍厚度差距。 另外， Microfill LVF VI可以在填孔時增加表面和盲孔底部抑制的差異，達到良好的填孔能力(凹陷僅小於 3um，圖11) 。 杜邦Microfill LVF VI更可以達到無空隙、跳鍍和針孔，提供更寬的操作自由度和更好的工藝良率。

杜邦開發的新一代通孔填孔藥水Microfill AHF添加劑，可以藉由新型的脈衝波型的運作(圖12) ，在單一的藥液下，同時完成架橋和填孔工作。 獨特的橋接波型可廣泛適用於不同的通孔直徑和厚度，滿足通孔填充目標。 而這兩個階段的工作都是在同一個具有杜邦添加劑的電鍍藥液中完成的，採用單一鍍液，有利於生產管理。 此產品不僅可以應用在垂直機械鑽孔，還能應用在雷射所形成的X型通孔，均展現出良好的填孔能力。

要達到高解析度及良好附著力的乾膜，最重要的就是乾膜配方上光起始劑的設計。 杜邦RistonR DI61M乾膜擁有最新穎的光起始劑設計，具有更高解析度及良好附著力，其優異解析及附著能力可應對精細線路設計，傑出的填覆性可降低潛在的短路風險，而較快的曝光速度、 較短的去膜時間可提升生產效率。 該產品與直接雷射成像(LDI) 雙波長355/405 nm及單波長405 nm機型，皆有良好搭配性。

總而言之，未來高密度互連板前景廣闊，應用場景將會越來越多，相關技術也將持續創新精進，以滿足不斷發展的市場需求。