印刷電路板技術的演進
自1927年英國所提出的在介電絕緣材料以網印方式印刷導體的電路形成技術開始迄今剛好80年，圖一是電路板技術世代的演進。1950年代末期，出現了以紙與樹脂系統的複合積層基板材，以家用電器為主的單面電路板開始量產及應用，是第一世代的電路板的開端。到了1960年代，由於鍍通孔(Plate Through Hole，PTH)技術的發展與成熟及玻纖與高耐熱環氧樹脂銅箔積層材的使用，開始了雙面電路板的生產，此一時期可稱為電路板的第二世代，而第三世代電路板也隨著呼之欲出。
1980年代中期以後，由於半導體電子元組件的微細化趨勢，使得其高密度構裝的需求逐漸增加，所搭配的電路板線路密度也必須跟著半導體製造與構裝技術，朝細線與多層化的高密度方向演進。此時表面黏著技術(Surface Mount Technology， SMT)登場，有效的提升電子元件的構裝密度。緊接著BGA(Ball Grid Array)構裝技術的出現，引發了第四世代高密度電路板的問世，其中主要是以增層法(Build Up)製作高密度線路的IC載板技術，不論在構裝設計、基板製程及基板材料都與過去不同。
圖一 印刷電路板技術的世代演進
2000年初期開始有將被動元件(電容、電阻與電感)內埋於電路基板的設計，由於資通訊電子產品行動化的帶動下，輕量薄型的構裝技術需求越來越明顯，而內埋元件的設計正符合基板輕量薄型與功能化的需求，其中最具代表性的就是Motorola在1999-2000年期間，在手機中將內埋被動元件的設計引入，成就了第五世代電路板時代。近來基板的元件內埋已不僅於被動元件，主動元件的內埋也已成為技術重點，但無論主或被動元件的內埋，都尚處於萌芽發展期，在基板設計、製程與材料技術都尚未發展成熟，尤其是基板材料在穩定與可靠性上都需要再提升，與基板設計端還需要一段磨合期，但此一技術趨勢已是必然，只是其實現時機的早晚而已。元件內埋是將基板功能化的開端，Georgia Institute of Technology及Technology University of Berlin相繼提出所謂多功能多層基板(Multi-Function Multilayer Board，MFB)及系統內埋基板(System Integration into Board，SIB)，如圖二所示。
圖二 系統內埋基板(SIB，System Integration into Board)
資料來源 : Georgia Institute of Technology
與單純元件內埋的第五世代技術相較，SIB已將高速傳輸的光波導通道(Channel)迴路也導入到基板之中，形成所謂光電混成的電路系統。從系統及應用面端來看，SIB除了將包括主被動元件及光波導通道的內埋外，還將包括VOC及LNA等射頻(RF)元件、Micro Processor及Memory等數位(Digital)與光元件同時置於一基板之上，不僅在設計端需要過不同應用產品的概念，在材料端也需面臨異質材料的整合議題，甚至在所使用的基板本身的特性需求，也需較傳統電路基板有較佳的特性，例如高耐熱、高尺寸安定、低吸濕與高信賴信等。目前SIB的概念尚處於原創虛擬期，將其歸屬於第六世代電路板技術，這其中包含不同應用產品的設計技術整合，異質半導體與基板材料相容，主動元件內埋所產生的散熱處理及不同於傳統構裝與電路板製程技術的開發等問題需要去思索解決方法，對於技術開發者而言所面臨的困難相當大,需要從設計、製程及材料端的策略性整合研發下手，與過去企業或研究單位獨自承擔的技術研發有很大的不同。但不可諱言的，系統內埋整合電路板技術的確對於將電子產品輕量、積集與功能整合化的需求發揮到最高的境界。
增層電路板(Build-Up Printed Circuit Board)材料發展趨勢
高密度多層電路板是因應電子元件輕量薄型化的對應產物，這是在傳統雙面或4層電路板上以增層(Build-Up)方式於其上下二面製作高密度的薄型電路，並與下層形成表面電路的導通孔(Surface Via)，因為是以薄型絕緣層搭配通孔技術，所以可以製作較高密度之電路，同時是以逐層往上加的方式建置多層電路，所以以增層電路板稱之。一般此法可形成較細微的通孔，孔徑在150um以下(感光形成之通孔)，所以也稱之微孔電路板(Micro Via PCB)，在歐美則常稱之為HDI電路板(High Density Interconnect PCB)。
Build Up基板因具有高密的特性，一般主要用於IC構裝之承載載板，過去日本在技術及市場上具有絶大優勢，幾乎獨占整個市場，但近年來包括台灣、韓國與中國大陸的崛起，已從傳統電路板領域進入IC載板市場，使日本逐漸喪失其市場主導地位，但在高階製造及基板材料技術上，日本依然保有其領先的地位，所以要談技術趨勢還是得從日本的國內技術來看。 HDI基板所用的增層材料可分為二種，一是沒有如玻纖補強材的單純樹脂材料,樹脂為環氧樹脂系列，其形式可再區分為液態絕緣樹脂、絕緣樹脂膜及絕緣樹脂貼合有銅薄(RCC，Resin Coat Copper)等三類型。在使用上各有其特色，目前以絕緣樹脂膜為大宗，主要的供應商為日本Ajinimoto公司。近來有研究以LCP樹脂作為絕緣樹脂，主要在考慮到LCP具有低介電常數、介電損失及相當低的吸水率(0.1% in 23 oC/24 Hrs)，對於基板的耐焊及長期可靠性會有幫助。另外為了降低無補強材增層材的熱膨脹係數，使用無機粉體來抑制其熱膨脹，但此法需考慮所添加之粉體不可影響增層材的通孔形成特性，近來奈米級粉體(例如SiO2)的使用已成為主要的研究方向，除了抑制基材熱膨脹，無機粉體對吸水率的下降也會有助益，其主要的研究議題是奈米粉體分散問題如何解決。為了使增層材具有較佳的機械及熱膨脹抑制能力，會使用有補強材的增層材，因為傳統玻纖會影響通孔的品質，起初增層材是採用不織布來做補強材，但近來雷射通孔技術精進與玻纖布的品質改良，以克服通孔品質不良的問題，所以不織布含浸樹脂系統的增層用量已經逐漸減少。
增層基板是在雙面或4層板材上進行高密度線路的增層，我們稱為於增層基板中間位置的核心基板為Core(核心)層，它的材質為環氧樹脂與玻纖布(FR-4)，在2002年此材質之Core基板約佔75%,但隨著構裝基板高耐熱及訊號高速化的要求，高Tg的FR-4、FR-52的使用量逐漸增加，2006年傳統FR-4用量下降到66%,高Tg的FR-4、FR-52的使用量則增加到32%，Tg高於200 oC的BT Resin約佔1-2%左右。未來的趨勢發展則認為具有高耐熱及尺寸安定的熱可塑(Thermalplastic)樹脂，例如LCP、PI、PEEK(Polyetheretherketone)、PES(Polyethersulfone)、PPE等材料，預期在2010年會逐漸倍開始使用。至於高頻的Teflon基材則在2006年起會有少量的採用。表二是將高密度多層電路板(HDI/增層基板)材料的特性趨勢做一整理,分別以有無補強材的增層材料及Core基板材料為種類表示,與表一的多層電路板相同,以一般產品、先進量產與先進開發三個層次來表示高密度多層電路板材料其需求與趨勢。
★詳內文：https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=6358
表一 高密度多層電路板的特性與材料發展趨勢
資料來源：工研院材化所/工業材料雜誌第250期
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項目
|
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2006
|
2008
|
2010
|
2012
|
2014
|
2016
|
|
Tg(OC)
|
一般產品
|
無補強材
|
165
|
165
|
165
|
165
|
165
|
165
|
|
有補強材
|
165
|
165
|
165
|
165
|
165
|
165
|
|
核心基板
|
165
|
165
|
165
|
165
|
165
|
165
|
|
先進量產
|
無補強材
|
190
|
200
|
200
|
200
|
200
|
200
|
|
有補強材
|
190
|
200
|
200
|
200
|
200
|
200
|
|
核心基板
|
190
|
200
|
200
|
200
|
200
|
200
|
|
先進開發
|
無補強材
|
230
|
230
|
260
|
260
|
260
|
260
|
|
有補強材
|
230
|
230
|
260
|
260
|
260
|
260
|
|
核心基板
|
230
|
230
|
260
|
260
|
260
|
260
|
|
介電常數
(1MHz)
|
一般產品
|
無補強材
|
3.8
|
3.7
|
3.7
|
3.7
|
3.7
|
3.7
|
|
有補強材
|
4.7
|
4.7
|
4.7
|
4.7
|
4.7
|
4.7
|
|
核心基板
|
4.7
|
4.5
|
4.5
|
4.5
|
4.5
|
4.5
|
|
先進量產
|
無補強材
|
3.2
|
2.8
|
2.8.
|
2.8
|
2.6
|
2.6
|
|
有補強材
|
3.5
|
3.5
|
3.0
|
3.0
|
3.0
|
3.0
|
|
核心基板
|
3.5
|
3.5
|
3.0
|
3.0
|
3.0
|
3.0
|
|
先進開發
|
無補強材
|
2.8
|
2.4
|
2.4
|
2.4
|
2.0
|
2.0
|
|
有補強材
|
3.0
|
3.0
|
2.0
|
2.0
|
2.0
|
2.0
|
|
核心基板
|
3.0
|
3.0
|
2.0
|
2.0
|
2.0
|
2.0
|
|
介電常數
(1GHz)
|
一般產品
|
無補強材
|
3.5
|
3.4
|
3.4
|
3.4
|
3.4
|
3.4
|
|
有補強材
|
4.5
|
4.2
|
4.2
|
4.2
|
4.2
|
4.2
|
|
核心基板
|
4.5
|
4.2
|
4.2
|
4.2
|
4.2
|
4.2
|
|
先進量產
|
無補強材
|
3.0
|
2.6
|
2.6
|
2.6
|
2.4
|
2.4
|
|
有補強材
|
3.5
|
3.5
|
3.0
|
3.0
|
3.0
|
3.0
|
|
核心基板
|
3.5
|
3.5
|
3.0
|
3.0
|
3.0
|
3.0
|
|
先進開發
|
無補強材
|
2.6
|
2.2
|
2.2
|
2.2
|
2.0
|
2.0
|
|
有補強材
|
3.0
|
3.0
|
2.0
|
2.0
|
2.0
|
2.0
|
|
核心基板
|
3.0
|
3.0
|
2.0
|
2.0
|
2.0
|
2.0
|
|
介電損失
(1MHz)
|
一般產品
|
無補強材
|
0.024
|
0.024
|
0.024
|
0.024
|
0.024
|
0.024
|
|
有補強材
|
0.015
|
0.015
|
0.015
|
0.015
|
0.015
|
0.015
|
|
核心基板
|
0.015
|
0.015
|
0.015
|
0.015
|
0.015
|
0.015
|
|
先進量產
|
無補強材
|
0.015
|
0.014
|
0.014
|
0.014
|
0.014
|
0.014
|
|
有補強材
|
0.007
|
0.007
|
0.005
|
0.005
|
0.005
|
0.005
|
|
核心基板
|
0.007
|
0.007
|
0.005
|
0.005
|
0.005
|
0.005
|
|
先進開發
|
無補強材
|
0.006
|
0.005
|
0.005
|
0.005
|
0.003
|
0.003
|
|
有補強材
|
0.002
|
0.002
|
0.002
|
0.001
|
0.001
|
0.001
|
|
核心基板
|
0.002
|
0.002
|
0.002
|
0.001
|
0.001
|
0.001
|
|
介電損失
(1GHz)
|
一般產品
|
無補強材
|
0.025
|
0.025
|
0.025
|
0.025
|
0.025
|
0.025
|
|
有補強材
|
0.015
|
0.015
|
0.015
|
0.015
|
0.015
|
0.015
|
|
核心基板
|
0.015
|
0.015
|
0.015
|
0.015
|
0.015
|
0.015
|
|
先進量產
|
無補強材
|
0.015
|
0.014
|
0.014
|
0.014
|
0.014
|
0.014
|
|
有補強材
|
0.007
|
0.007
|
0.005
|
0.005
|
0.005
|
0.005
|
|
核心基板
|
0.007
|
0.007
|
0.005
|
0.005
|
0.005
|
0.005
|
|
先進開發
|
無補強材
|
0.006
|
0.005
|
0.005
|
0.005
|
0.003
|
0.003
|
|
有補強材
|
0.002
|
0.002
|
0.002
|
0.001
|
0.001
|
0.001
|
|
核心基板
|
0.002
|
0.002
|
0.002
|
0.001
|
0.001
|
0.001
|
|
熱膨脹係數(ppm)
X-Y方向
|
一般產品
|
無補強材
|
60
|
60
|
60
|
60
|
60
|
60
|
|
有補強材
|
15
|
15
|
15
|
15
|
15
|
15
|
|
核心基板
|
15
|
15
|
15
|
15
|
15
|
15
|
|
先進量產
|
無補強材
|
30
|
20
|
20
|
20
|
20
|
20
|
|
有補強材
|
14
|
14
|
14
|
12
|
12
|
12
|
|
核心基板
|
14
|
14
|
14
|
12
|
12
|
12
|
|
先進開發
|
無補強材
|
16
|
15
|
15
|
15
|
15
|
15
|
|
有補強材
|
8
|
6
|
6
|
6
|
6
|
6
|
|
核心基板
|
8
|
6
|
6
|
6
|
6
|
6
|
|
熱膨脹係數(ppm)
Z方向
|
一般產品
|
無補強材
|
80
|
80
|
80
|
80
|
80
|
80
|
|
有補強材
|
60
|
60
|
60
|
60
|
60
|
60
|
|
核心基板
|
60
|
60
|
60
|
60
|
60
|
60
|
|
先進量產
|
無補強材
|
60
|
60
|
60
|
60
|
60
|
60
|
|
有補強材
|
40
|
30
|
30
|
30
|
30
|
30
|
|
核心基板
|
40
|
30
|
30
|
30
|
30
|
30
|
|
先進開發
|
無補強材
|
30
|
30
|
30
|
30
|
30
|
30
|
|
有補強材
|
16
|
15
|
15
|
15
|
15
|
15
|
|
核心基板
|
16
|
15
|
15
|
15
|
15
|
15
|
|
耐焊錫
(Max.OC/秒)
|
一般產品
|
無補強材
|
260/120
|
260/120
|
260/120
|
260/120
|
260/120
|
260/120
|
|
有補強材
|
260/120
|
260/120
|
260/120
|
260/120
|
260/120
|
260/120
|
|
核心基板
|
260/60
|
260/120
|
260/120
|
260/120
|
260/120
|
260/120
|
|
先進量產
|
無補強材
|
288/60
|
288/60
|
288/60
|
288/60
|
288/60
|
288/60
|
|
有補強材
|
288/60
|
288/60
|
288/60
|
288/60
|
288/60
|
288/60
|
|
核心基板
|
288/60
|
288/60
|
288/60
|
288/60
|
288/60
|
288/60
|
|
先進開發
|
無補強材
|
288/180
|
288/180
|
288/180
|
288/180
|
288/180
|
288/180
|
|
有補強材
|
288/180
|
288/180
|
288/180
|
288/180
|
288/180
|
288/180
|
|
核心基板
|
288/180
|
288/180
|
288/180
|
288/180
|
288/180
|
288/180
|
|
彈性率
(Gpa)
|
一般產品
|
無補強材
|
2
|
2
|
2
|
4
|
4
|
4
|
|
有補強材
|
24
|
24
|
24
|
24
|
24
|
24
|
|
核心基板
|
24
|
24
|
24
|
24
|
24
|
24
|
|
先進量產
|
無補強材
|
10
|
10
|
10
|
10
|
10
|
10
|
|
有補強材
|
26
|
26
|
26
|
26
|
26
|
26
|
|
核心基板
|
26
|
26
|
26
|
26
|
26
|
26
|
|
先進開發
|
無補強材
|
30
|
30
|
30
|
30
|
30
|
30
|
|
有補強材
|
30
|
30
|
30
|
35
|
35
|
40
|
|
核心基板
|
30
|
30
|
30
|
35
|
35
|
40
|
|
吸水率
(%)
|
一般產品
|
無補強材
|
1.0
|
1.0
|
1.0
|
1.0
|
1.0
|
1.0
|
|
有補強材
|
0.06
|
0.06
|
0.06
|
0.06
|
0.06
|
0.06
|
|
核心基板
|
0.2
|
0.2
|
0.2
|
0.2
|
0.2
|
0.2
|
|
先進量產
|
無補強材
|
0.8
|
0.8
|
0.8
|
0.8
|
0.8
|
0.8
|
|
有補強材
|
0.05
|
0.05
|
0.05
|
0.05
|
0.05
|
0.05
|
|
核心基板
|
0.1
|
0.1
|
0.1
|
0.1
|
0.1
|
0.1
|
|
先進開發
|
無補強材
|
0.04
|
0.04
|
0.04
|
0.04
|
0.04
|
0.04
|
|
有補強材
|
0.04
|
0.04
|
0.04
|
0.04
|
0.04
|
0.04
|
|
核心基板
|
0.01
|
0.01
|
0.01
|
0.01
|
0.01
|
0.01
|