十层任意连技术
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1 前言
随着移动通信技术的不断发展，手机不仅能打电话和发短信，还具备音乐播放、视频处理及通话、照相/摄像、导航、网络浏览、文字处理和电子邮件等其他多媒体和办公功能，3G手机、4G手机和智能手机已经成为必然发展趋势。
根据Prismark研究报告显示，全球手机销量将从2009年的11.45亿部提高到2014年的16亿部，全球3G手机和4G手机的市场占有率将从2009年的39%提高到2014年的75%，预计达到12亿部，智能手机的市场占有率将从2009年的15%提高到35%，预计达到5.6亿部。 另据iSuppli研究报告显示，全球智能手机出货量将由2010年的2亿4690万部增加到2014年的5.06亿部。
在2G、2.5G时代，为了节约成本，手机电路板的层数被尽量压缩，布线密度不断提高，使得普通HDI板的加工难度在不断增加的同时，层数和阶数的增长却一直比较迟缓。随着移动通信技术不断地发展，3G手机、4G手机、智能手机的功能应用越来越多，常规HDI设计已经不能满足要求，必须采用任意层互连设计。采用任意层互连设计使机身可以腾出更大的空间容纳电池，而PCB达到厚度减薄的效果还可以缩短信号传输距离，进一步减少耗电量。 目前国内任意层互联板的生产处于刚起步阶段，有关的实际生产和工艺控制鲜有报道，但国际上任意层互联技术已日趋成熟；作为最早实现HDI量产的国内企业，汕头超声印制板公司（CCTC）在2004年已经开始开发4次积层的高阶HDI技术，为任意层互联技术奠定很好的基础，并在2010年达到批量生产能力。
2 任意层定义及应用
所谓任意层互连，指印制电路板的每层之间全部通过激光微孔（Microvia）实现层间互连，不使用机械通孔，采用任意层设计可使每一寸空间都得到充分利用，布线密度大大提高，使设计更加高密度化和更加灵活，比一般HDI板节省约40%~50%空间，可以使PCB变得更薄更小，符合电子产品轻薄短小的发展趋势。采用盲孔堆叠设计取代机械通孔，不仅可以缩短信号传输距离，还可以减少过孔的寄生电容和电感，更适用于高速信号传输，更节电。
图3 任意层与常规HDI结构
除了智能手机、平板电脑采用任意层互连技术以外，高端数码相机、数码摄像机、笔记本电脑等其移动便携式产品也有采用任意层互连技术。随着电子产品不断地向小型化和多功能化方向发展，任意层互连设计必将成为智能手机、平板电脑等移动互联终端产品的主流设计。
3 主要的任意层互联技术
严格来讲，任意层互联并非全新的HDI技术。早在HDI技术开发初期阶段，日本有各种各样的积层技术（Build up），例如比较著名的松下ALIVH（Any Layer Interstitial Via Hole，任意层内导通孔）技术和东芝B2it（Buried Bump Interconnection Technology，埋入凸块焊点互连）技术就已经具备实现任意层互联的潜力。但由于这些技术使用的材料为专有材料且有专利限制，以至于在与后来RCC/激光钻孔的积层技术的竞争中变为另类技术，RCC（后来是B片）激光钻孔成为HDI技术的主流得到普及发展，ALIVH和B2it则只有少数日本厂家使用，且需经过专利授权。
采用上述技术实现的层间互联由于导体是导电膏或类似物质，因此在可靠性和导电率方面比电镀形成的铜层肯定有所不如，这可能是ALIVH和B2it的最大不足。使用激光钻孔电镀的HDI技术在实现任意层互联方面存在的问题是，如何在盲孔上再叠加盲孔?这个问题直到电镀填孔技术成熟之后才得以解决，以电镀填孔为基础的任意层技术也就开发成功。
3.1 ALIVH技术
ALIVH由松下电器产业株式会社所拥有，在国际及中国均有申请专利（ 在中国的专利号为 ZL02800069.2，2002-01-11申请，2006-11-29授权），该技术流程如下[2]：
图4 ALIVH流程图
ALIVH目前授权几家PCB公司应用，主要是本厂家和其他外资厂家。它需要特殊的导电铜膏，早期采用非FR-4体系的芳香族聚酰胺（Aramid）吸水率高也限制了其使用范围。但ALIVH设计灵活，在没有其他任意层互联技术之前一直是日本超轻薄手机主板的首选。
3.2 B2it技术
B2it是东芝开发的积层技术，同样采用非电镀工艺实现层间的电气连接，在中国和美国有申请专__利。其主要流程参考图5[3]。
图5 B2it流程图
B2it除了授权日本厂家之外，有部分台湾厂也有授权生产，感兴趣者可以上网查到。与ALIVH相比，以B2it技术生产的板件更少。除了上述两种非电镀填孔的技术，还有其他类似技术就不再赘述了。
3.3 不需专利授权的任意层互联技术
目前应用最广泛的HDI技术是B片激光钻孔后电镀的技术，以此为基础的任意层技术也是应用最多的，即采用电镀填孔的任意层技术。利用电镀填孔实现任意层互联，最早的报道应该是MachimasaTakahashi等发表于ECWC10的FVSS（Free Via Stackup Structure）[4]，该论文对FVSS流程和可靠性测试有详细的描述。FVSS流程参考图6[4]。
图6 FVSS工艺流程
与传统HDI技术相比，FVSS的特点是（1）没有机械钻孔；（2）全部电镀填孔；（3）层压、激光钻孔和电镀填孔次数多。因此，任意层互联板件对激光钻孔、层压和电镀的产能消耗极大，以4+2+4结构为例，需5次激光钻孔、5次电镀填孔和4次层压；而传统的一阶HDI只需1次激光钻孔、2次层压，一般不需要电镀填孔。
3.4 CCTC的技术
与目前国际业界主流一样，CCTC同样采用电镀填孔方式的任意层互联技术。但为了更好实现对位精度，我们将对位技术进行优化，采用“新同层对位技术”，目前已申请专利。利用该项技术可以将多次对位的偏差控制在40 μm以内（图7）。另外，为了提高电镀填孔线的利用率，开发一种新的制作
方式，使芯板电镀填孔的产能得到明显提高。
图7 多次叠孔切片图
4 任意层互联主要关键技术
与传统HDI相比，任意层不仅积层次数多，流程难度也比传统HDI增加不少，主要难点包括激光钻孔、细线路、尺寸控制和电镀填孔等，下面分别说明。
4.1 激光钻孔
激光钻孔有三种方式，即Conformal mask、Large window和Copper direct（LDD，laser direct drill），传统HDI主要采用前两种方式，而对于任意层板件，基本上全部采用LDD方式，因LDD除了精度更高之外，其电填凹陷度（Dimple）更好，更有利于盲孔的叠加。LDD存在的主要问题是擦花导致的钻不透、孔型控制等，各参数需要仔细考究。
汕头超声在LDD方面研究比较早（最早的论文发表于2005年CPCA论坛），对各种表面处理方式有较为深入研究，并且开发出特有的前处理药水，使孔型以及孔径控制达到比较理想的效果，LDD最小孔径可以达到0.075 mm（3 mil），介质厚度最大可做到2张106B片叠加。
图8、图9是早期改善前后的激光直接打铜照片。
图8 LDD改进前
图9 改进后
4.2 细线路
细线路是决定任意层板件成品率的关键之一。由于任意层是最高密度的HDI，因此一般线宽/间距起步是0.075 mm/0.075 mm，0.05 mm/0.05 mm也很常见。细线路的关键技术与普通HDI一样，需控制好洁净度，选择合适的技术路径。目前采用Tenting方式，批量的最小线宽/间距为0.05 mm/0.05 mm，更小的线路如0.025 mm/0.025 mm主要应用小批量及样板。
4.3 尺寸控制
任意层板件需要多次层压，一般都达到4次，因此控制好各次层压的尺寸至关重要，另外，尺寸补偿也需考虑。良好的尺寸控制应该达到图10的效果，各层盲孔偏差不超过50 μm。
图10 各层盲孔对位精度
4.4 电镀填孔
电镀填孔是实现任意层互联的关键技术，没有填孔也就无法实现任意层互联。经过多年开发，电镀填孔技术已经成熟，基本上只要选好药水和相应的设备就可以获得良好的效果，当然，日常的维护必不可少，电填后的切片图参考图11。
图11 电镀填孔切片图
5 驱动任意层技术发展的因素
个人认为，移动互联是任意层发展的根本因素，而智能手机是移动互联时代最好的载体；因此，可以认为，移动互联推动了智能手机等的发展然后再带动任意层的发展。当然，平板电脑也是移动互联的载体之一，与智能手机一起推动任意层技术的发展，根据Gartner研究报告显示，2011年全球平板电脑的出货量将达到5480万台，到2014年全球平板电脑将达到2.08亿台。早期平板电脑采用1+8+1常规HDI设计，而最新平板电脑将则采用4+2+4任意层互连技术。智能手机方面，Prismark预测，2010年至2015年的年均增长率达到27%，到了2015年，智能手机将有57%采用任意层技术；任意层的年增长率则达到36.6%。
目前，MID、高端数码产品、智能3D电视等也纷纷联网，将推动常规HDI技术任意层互联的发展。
6 结论
（1）由智能手机等推动的任意层技术将继续快速发展，未来几年增长可观。
（2）任意层互联比传统HDI密度更高，制造难度也更高，需要各流程小心控制。
随着移动通信技术的不断发展，手机不仅能打电话和发短信，还具备音乐播放、视频处理及通话、照相/摄像、导航、网络浏览、文字处理和电子邮件等其他多媒体和办公功能，3G手机、4G手机和智能手机已经成为必然发展趋势。
根据Prismark研究报告显示，全球手机销量将从2009年的11.45亿部提高到2014年的16亿部，全球3G手机和4G手机的市场占有率将从2009年的39%提高到2014年的75%，预计达到12亿部，智能手机的市场占有率将从2009年的15%提高到35%，预计达到5.6亿部。 另据iSuppli研究报告显示，全球智能手机出货量将由2010年的2亿4690万部增加到2014年的5.06亿部。 在2G、2.5G时代，为了节约成本，手机电路板的层数被尽量压缩，布线密度不断提高，使得普通HDI板的加工难度在不断增加的同时，层数和阶数的增长却一直比较迟缓。随着移动通信技术不断地发展，3G手机、4G手机、智能手机的功能应用越来越多，常规HDI设计已经不能满足要求，必须采用任意层互连设计。采用任意层互连设计使机身可以腾出更大的空间容纳电池，而PCB达到厚度减薄的效果还可以缩短信号传输距离，进一步减少耗电量。 目前国内任意层互联板的生产处于刚起步阶段，有关的实际生产和工艺控制鲜有报道，但国际上任意层互联技术已日趋成熟；作为最早实现HDI量产的国内企业，汕头超声印制板公司（CCTC）在2004年已经开始开发4次积层的高阶HDI技术，为任意层互联技术奠定很好的基础，并在2010年达到批量生产能力。
2 任意层定义及应用
所谓任意层互连，指印制电路板的每层之间全部通过激光微孔（Microvia）实现层间互连，不使用机械通孔，采用任意层设计可使每一寸空间都得到充分利用，布线密度大大提高，使设计更加高密度化和更加灵活，比一般HDI板节省约40%~50%空间，可以使PCB变得更薄更小，符合电子产品轻薄短小的发展趋势。采用盲孔堆叠设计取代机械通孔，不仅可以缩短信号传输距离，还可以减少过孔的寄生电容和电感，更适用于高速信号传输，更节电。
图3 任意层与常规HDI结构
除了智能手机、平板电脑采用任意层互连技术以外，高端数码相机、数码摄像机、笔记本电脑等其移动便携式产品也有采用任意层互连技术。随着电子产品不断地向小型化和多功能化方向发展，任意层互连设计必将成为智能手机、平板电脑等移动互联终端产品的主流设计。
3 主要的任意层互联技术
严格来讲，任意层互联并非全新的HDI技术。早在HDI技术开发初期阶段，日本有各种各样的积层技术（Build up），例如比较著名的松下ALIVH（Any Layer Interstitial Via Hole，任意层内导通孔）技术和东芝B2it（Buried Bump Interconnection Technology，埋入凸块焊点互连）技术就已经具备实现任意层互联的潜力。但由于这些技术使用的材料为专有材料且有专利限制，以至于在与后来RCC/激光钻孔的积层技术的竞争中变为另类技术，RCC（后来是B片）激光钻孔成为HDI技术的主流得到普及发展，ALIVH和B2it则只有少数日本厂家使用，且需经过专利授权。
采用上述技术实现的层间互联由于导体是导电膏或类似物质，因此在可靠性和导电率方面比电镀形成的铜层肯定有所不如，这可能是ALIVH和B2it的最大不足。使用激光钻孔电镀的HDI技术在实现任意层互联方面存在的问题是，如何在盲孔上再叠加盲孔?这个问题直到电镀填孔技术成熟之后才得以解决，以电镀填孔为基础的任意层技术也就开发成功。
3.1 ALIVH技术
ALIVH由松下电器产业株式会社所拥有，在国际及中国均有申请专利（ 在中国的专利号为 ZL02800069.2，2002-01-11申请，2006-11-29授权），该技术流程如下[2]：
图4 ALIVH流程图
ALIVH目前授权几家PCB公司应用，主要是本厂家和其他外资厂家。它需要特殊的导电铜膏，早期采用非FR-4体系的芳香族聚酰胺（Aramid）吸水率高也限制了其使用范围。但ALIVH设计灵活，在没有其他任意层互联技术之前一直是日本超轻薄手机主板的首选。
3.2 B2it技术
B2it是东芝开发的积层技术，同样采用非电镀工艺实现层间的电气连接，在中国和美国有申请专__利。其主要流程参考图5[3]。
图5 B2it流程图
B2it除了授权日本厂家之外，有部分台湾厂也有授权生产，感兴趣者可以上网查到。与ALIVH相比，以B2it技术生产的板件更少。除了上述两种非电镀填孔的技术，还有其他类似技术就不再赘述了。
3.3 不需专利授权的任意层互联技术
目前应用最广泛的HDI技术是B片激光钻孔后电镀的技术，以此为基础的任意层技术也是应用最多的，即采用电镀填孔的任意层技术。利用电镀填孔实现任意层互联，最早的报道应该是MachimasaTakahashi等发表于ECWC10的FVSS（Free Via Stackup Structure）[4]，该论文对FVSS流程和可靠性测试有详细的描述。FVSS流程参考图6[4]。
图6 FVSS工艺流程
与传统HDI技术相比，FVSS的特点是（1）没有机械钻孔；（2）全部电镀填孔；（3）层压、激光钻孔和电镀填孔次数多。因此，任意层互联板件对激光钻孔、层压和电镀的产能消耗极大，以4+2+4结构为例，需5次激光钻孔、5次电镀填孔和4次层压；而传统的一阶HDI只需1次激光钻孔、2次层压，一般不需要电镀填孔。
3.4 CCTC的技术
与目前国际业界主流一样，CCTC同样采用电镀填孔方式的任意层互联技术。但为了更好实现对位精度，我们将对位技术进行优化，采用“新同层对位技术”，目前已申请专利。利用该项技术可以将多次对位的偏差控制在40 μm以内（图7）。另外，为了提高电镀填孔线的利用率，开发一种新的制作
方式，使芯板电镀填孔的产能得到明显提高。
图7 多次叠孔切片图
4 任意层互联主要关键技术
与传统HDI相比，任意层不仅积层次数多，流程难度也比传统HDI增加不少，主要难点包括激光钻孔、细线路、尺寸控制和电镀填孔等，下面分别说明。
4.1 激光钻孔
激光钻孔有三种方式，即Conformal mask、Large window和Copper direct（LDD，laser direct drill），传统HDI主要采用前两种方式，而对于任意层板件，基本上全部采用LDD方式，因LDD除了精度更高之外，其电填凹陷度（Dimple）更好，更有利于盲孔的叠加。LDD存在的主要问题是擦花导致的钻不透、孔型控制等，各参数需要仔细考究。
汕头超声在LDD方面研究比较早（最早的论文发表于2005年CPCA论坛），对各种表面处理方式有较为深入研究，并且开发出特有的前处理药水，使孔型以及孔径控制达到比较理想的效果，LDD最小孔径可以达到0.075 mm（3 mil），介质厚度最大可做到2张106B片叠加。
图8、图9是早期改善前后的激光直接打铜照片。
图8 LDD改进前
图9 改进后
4.2 细线路
细线路是决定任意层板件成品率的关键之一。由于任意层是最高密度的HDI，因此一般线宽/间距起步是0.075 mm/0.075 mm，0.05 mm/0.05 mm也很常见。细线路的关键技术与普通HDI一样，需控制好洁净度，选择合适的技术路径。目前采用Tenting方式，批量的最小线宽/间距为0.05 mm/0.05 mm，更小的线路如0.025 mm/0.025 mm主要应用小批量及样板。
4.3 尺寸控制
任意层板件需要多次层压，一般都达到4次，因此控制好各次层压的尺寸至关重要，另外，尺寸补偿也需考虑。良好的尺寸控制应该达到图10的效果，各层盲孔偏差不超过50 μm。
图10 各层盲孔对位精度
4.4 电镀填孔
电镀填孔是实现任意层互联的关键技术，没有填孔也就无法实现任意层互联。经过多年开发，电镀填孔技术已经成熟，基本上只要选好药水和相应的设备就可以获得良好的效果，当然，日常的维护必不可少，电填后的切片图参考图11。
图11 电镀填孔切片图
5 驱动任意层技术发展的因素
个人认为，移动互联是任意层发展的根本因素，而智能手机是移动互联时代最好的载体；因此，可以认为，移动互联推动了智能手机等的发展然后再带动任意层的发展。当然，平板电脑也是移动互联的载体之一，与智能手机一起推动任意层技术的发展，根据Gartner研究报告显示，2011年全球平板电脑的出货量将达到5480万台，到2014年全球平板电脑将达到2.08亿台。早期平板电脑采用1+8+1常规HDI设计，而最新平板电脑将则采用4+2+4任意层互连技术。智能手机方面，Prismark预测，2010年至2015年的年均增长率达到27%，到了2015年，智能手机将有57%采用任意层技术；任意层的年增长率则达到36.6%。
目前，MID、高端数码产品、智能3D电视等也纷纷联网，将推动常规HDI技术任意层互联的发展。
6 结论
（1）由智能手机等推动的任意层技术将继续快速发展，未来几年增长可观。
（2）任意层互联比传统HDI密度更高，制造难度也更高，需要各流程小心控制。