林旭榮

（汕頭超聲印制板（二廠）有限公司，廣東 汕頭 515065）

1 前言

高密度互連（HDI）印制板（PCB）廣泛應用于智能手機、平板電腦以及其他高端電子產品。HDI發(fā)展至今已有多年歷史，最早的技術起源于日本，并在上世紀90年代開始量產，目前HDI PCB已成為PCB的一個重要分支，代表當今行業(yè)的先進水平。

經過二十幾年的發(fā)展，不論是終端產品還是HDI技術都發(fā)生巨大變化，本文探討這些變化對企業(yè)有怎樣的影響，未來又將如何發(fā)展。

2 HDI的歷史演變

一般認為，最早的HDI技術是當年日本IBM Yasu實驗室在1989年（一說1990年）開發(fā)的SLC（Surface Laminar Circuit，SLC）技術。早期HDI并不叫HDI，日本稱之為Build-up Multilayer，簡稱BUM，中文稱積層板或增層板，后來美國ITRI給出HDI的定義，HDI逐漸流行開來，代替了Build-up成為業(yè)界通用術語。

在HDI的發(fā)展過程中，分為幾個階段：

第一階段，即早期階段，從1989年IBM開發(fā)SLC開始至上世紀九十年代中期，是HDI技術百花齊放的時期，各種工藝技術流程在探索之中，尚未有主流的HDI技術。

第二階段，從1995至2005年，松下電器和東芝分別開發(fā)成功非電鍍填孔的HDI技術，并可實現(xiàn)任意層互聯(lián)；同時，以激光鉆孔和以RCC/半固化片為介質層的HDI技術在競爭中脫穎而出，成為最主要的技術方案。

第三階段，從2005至2010年，在這個階段，多次積層技術開始大規(guī)模應用，IBIDEN公司在ECWC 10發(fā)表FVSS（Free Via Stacked up Structure）[1]，標志著HDI開始進入任意層（Anylayer）時代。

第四階段，2010年至今。劃時代手機iPhone4于2010年上市，這是第一款采用電鍍填孔任意層設計的手機，它標志著任意層大規(guī)模應用開始，并成為高端手機的標準設計。

3 HDI技術的發(fā)展及其影響

3.1 終端產品的發(fā)展變化

近二十年來，各種電子產品發(fā)生了很大的變化，這些變化深刻地影響了行業(yè)的各企業(yè)，并改變了行業(yè)的競爭格局，有的公司崛起，有的衰退。

3.1.1 手機

手機在發(fā)展過程中經歷了由大變小，再由小變大的過程。第一代模擬移動通訊剛剛開始時，手機是身份象征，其體積與大小幾乎與磚頭一樣，攜帶不便；到了第二代數字移動通訊（GSM），手機已經可以做到很小，但主要功能仍以語音通信和文字短信為主，手機越小越方便；從第三代（3G）開始，智能機流行，為了顯示更多內容，手機又重新變大。

手機的變化也導致手機生產商發(fā)生很大的變化，傳統(tǒng)老牌公司衰落，新公司崛起。

3.1.2 電腦

電腦的主要變化是由臺式電腦向筆記本電腦再向平板電腦發(fā)展，傳統(tǒng)電腦市場從2012年已經開始萎縮。

3.1.3 DC/DV，MP3/MP4等數碼產品

隨著手機功能越來越強勁，在手機的擠壓之下，MP3/MP4基本沒有生存的空間，數碼相機僅細分市場的專業(yè)相機（包括單反/單電/微單）還有生存空間，卡片機急劇萎縮，數碼攝像機在手機和數碼相機的雙重擠壓下幾乎消失，僅限于專業(yè)用途。

電視機方面，由CRT向平板化、智能化發(fā)展，顯示方式以等離子失利告終，LCD主宰電視機市場。

3.2 終端變化對PCB行業(yè)的影響

終端的發(fā)展變化對PCB行業(yè)影響非常大。首先，手機的智能化使HDI變得更復雜、制造要求更高；其次，因電腦需求減少導致電腦主板需求減少，意味著龐大的主板產能空閑將擠壓其他PCB廠，致使競爭更激烈；第三，各產品的變化導致部分客戶消失，跟對客戶的PCB公司發(fā)達，跟錯的難受；第四，電視機智能化使電視主板由單面向雙面多層甚至HDI發(fā)展，增加了PCB的需求。

3.3 材料及裝配發(fā)展

近10年來，材料的發(fā)展變化主要有：積層材料由RCC變PP；裝配無鉛化即裝配溫度升高，初期PCB爆板概率增加；歐盟RoHS及無鹵化影響材料供應商和PCB加工條件。

3.4 對企業(yè)的影響

技術變化對企業(yè)的影響主要表現(xiàn)為設備升級以及產能變化。

設備升級指現(xiàn)有設備精度等技術能力已經無法滿足新的技術要求，必須購買新的設備；例如，線寬/間距由75 μm變?yōu)?0 μm，很多設備都需升級才能生產。

產品技術檔次變化使產能受影響。例如：一階HDI產品變二階HDI，相同的成品面積，層壓產能需增加50%才能滿足

3.5 主要變化及影響

近10年來，最大的變化是手機智能化和移動互聯(lián)的興起，終端的變化使PCB向更高密度發(fā)展，特別是向任意層發(fā)展。業(yè)界兩個主要公司都已采用任意層結構：

A公司從iPhone4開始，手機主板采用任意層技術（10層）

S公司之前并未使用任意層技術，到了S4開始采用任意層（10層）

平板電腦使用任意層技術

使用任意層的結果使電鍍產能、層壓產能急劇下降。

3.6 任意層影響

任意層互聯(lián)HDI是近年來行業(yè)的最大技術進步，所謂任意層互聯(lián)，指在PCB中任意兩層都可以做到互聯(lián)，不受層間隔的限制，任意層互聯(lián)極大提高布線設計的靈活性，大大節(jié)約PCB面積，有報道稱可節(jié)省空間達到30%。任意層互聯(lián)技術難度高，生產成本也高于現(xiàn)有積層板。

圖1 任意層HDI板結構圖

根據任意層的工藝流程[2]，任意層的大量使用有以下影響：

電鍍產能需求猛增

需多次PTH和電鍍填孔

電鍍填孔需專用藥水，電鍍效率低于普通電鍍，4階任意層需5次電鍍填孔，對電鍍產能殺傷力巨大

激光產能需求也猛增

4階任意層需5次激光鉆孔，是2階HDI的2.5倍，3階HDI的1.7倍

單位面積孔數同時增加，進一步降低激光鉆機的單位產能

由于上述因素，PCB廠商若要進軍任意層，除了技術能力，巨額投資必不可少。

3.7 技術進步帶來的其他影響

PCB不斷向輕薄短小發(fā)展，對工藝流程能力提出更高要求，主要表現(xiàn)為（1）更小的孔徑需升級至更高速的機械鉆機。（2）更小的線寬/間距導致：第一，傳統(tǒng)曝光機也許需更換為LDI；第二，蝕刻線可能要換代；第三，電鍍均勻性有更高要求，傳統(tǒng)垂直線已經無法滿足，設備需更新。（3）裝配精度提高，需要更好的產品一致性，要求生產過程進行Cpk控制。所有這些都將迫使企業(yè)更新設備或更換工藝流程以滿足技術變化的需要。

4 發(fā)展趨勢

4.1 歷史趨勢，手機發(fā)展至今，其變化是巨大的

早期的手機只有通信功能，即打電話和發(fā)短信，各手機廠拼的是誰能做得更小、更輕，在輕薄方面，日本廠商優(yōu)勢明顯；

接著手機開始加入MP3播放功能；

拍照功能加入；

早期智能手機Windows mobile，Symbian系統(tǒng)，但市場反應一般；

MTK單芯片低成本設計方案，山寨機興起；

3G出現(xiàn)，移動通信進入新階段；

A公司推出iPhone，手機真正進入智能化時代，移動互聯(lián)快速發(fā)展開始（2007）

G公司發(fā)表Android手機操作系統(tǒng)（2008），為其他廠商及用戶提供另一種選擇；

從上述變化可以看到，手機從簡單到越來越復雜，功能越來越多，最終成為智能手機，下圖是歷史上手機的演變：

圖2 歷史上手機演變圖

4.2 手機板演變

為了適應手機的演變，手機板也跟著變化：

早期一般是1+4+1結構

然后是1+6+1，但日本例外，很多ALIVH結構

輕薄功能手機開始使用二階結構

山寨機興起，手機板反而簡化

智能3G手機、數據卡等逐漸應用三階HDI

高端手機開始應用任意層技術

高端智能機向更復雜發(fā)展，PCB跟著變得更復雜、層數更多且線寬間距更小

4.3 手機及手機板新的趨勢

近兩年來，隨著移動互聯(lián)網的興起，更多的人利用手機上網、打游戲、觀看視頻以及辦公，手機又有新的變化，主要有：

越來越薄，最薄厚度不斷被刷新；

屏幕越來越大，基本都為觸摸屏；

手機CPU及GPU越來越強大，并向多核心和高頻發(fā)展，并具備1080p視頻處理能力；

語音輸入日趨成熟；

4G開始導入；

云計算。

受手機變化驅動，手機主板隨之變化：

PCB更薄，10層總厚度僅0.65 mm甚至更?。?/p>

50 μm線寬/間距成為高端手機板常規(guī)設計；

高密度裝配，01005器件大量使用，對阻焊厚度提出更嚴格要求；

無鹵材料逐漸普及；

為滿足超薄手機設計，Low Dk材料將得到更多應用；

在4G時代，預計對材料的Df將有更嚴格要求；

因精度要求提高，以及相關材料的日漸成熟，在先進的PCB工廠，LDI/DI將取代傳統(tǒng)曝光機成為圖形轉移和感光綠油的主要生產設備；

部分機械孔將被激光鉆通孔代替；

尋求40 μm及以下線寬的低成本加工方案

圖3 激光通孔切片圖

4.4 近年HDI新的應用領域

隨著HDI技術逐漸推廣，它的應用領域也從消費電子擴展到工業(yè)應用，包括LED顯示屏、新能源汽車、可穿戴設備如Google glass。新的應用領域將為HDI帶來新的增長點。

5 中國市場分析

5.1 移動互聯(lián)現(xiàn)狀及3G

經過多年的發(fā)展，目前中國已經成為最大的手機市場以及最大的電子產品生產國家。在移動電話/網絡方面，中國擁有世界最大的移動電話網絡，據工信部數據，截至2013年9月底，中國共有手機用戶12.07億。移動互聯(lián)網也得到快速發(fā)展，據統(tǒng)計，2012年6月，手機網民達到3.88億，手機首次超過電腦成為第一上網終端；到2013年6月底，手機網民達4.64億，占網民總數5.9億的78.5%[3]。手機網民的增加，加快了3G的發(fā)展，目前3G用戶已經超過3.7億，約占手機用戶數的31%。

5.2 中國4G規(guī)劃

根據國務院公布《“寬帶中國”戰(zhàn)略及實施方案》：到2020年，中國的3G/4G用戶普及率將達到85%，用戶數超過12億，4G基本覆蓋城鄉(xiāng)；2014年4G將正式啟動，持續(xù)朝2015年3G和4G用戶總量4.5億戶、2020年12億戶的發(fā)展目標前進。世界最大運營商中國移動的TDD-LTE（4G）終端的發(fā)展策略：“2013年仍以3G終端為主，2014年3G與4G終端并舉，2015年以4G終端為主，推動多模多頻的TDDLTE手機終端，實現(xiàn)高中低端產品線的全面發(fā)展[5]。

5.3 移動4G終端商機

綜合各網站的信息，中國政府將優(yōu)先發(fā)放TDDLTE牌照，所有大陸移動運營商都要導入TDD-LTE制式，然后再申請FD-LTE牌照。而國際上以FDD-LTE為主，WCDMA可向FDD-LTE平穩(wěn)過渡，因此，預計電信與聯(lián)通將雙模建網，使原來3G用戶平穩(wěn)過渡到4G而不會流失用戶?？紤]到漫游需要，TDD-LTE手機必須兼容FDD-LTE，否則出境變磚頭。在中國市場銷售的手機必須是多模兼容，有多至5模的（5模指GSM、WCDMA、TD-SCDMA、FDD-LTE和TDD-LTE五種通信模式）。

按照國家規(guī)劃，2020年3G/4G將達12億，這是一個巨大的數字，商機可想而知，并且，根據歷年經驗，通常市場的發(fā)展速度都快于政府規(guī)劃，故未來幾年4G終端的增長將非常迅猛。

世界市場方面，業(yè)內咨詢公司Prismark預測，從2012至2017年，世界范圍的手機年均增長率7.8%，智能手機增長則高達20.1%，而非智能機是負增長。最新數據：據Strategy Analytics最新調研結果顯示，2013年第三季度全球智能手機出貨量同比增長了45%，達到創(chuàng)紀錄的2.51億部[6]。

圖4 世界手機出貨量預測

6 新技術方向及行業(yè)瓶頸

HDI從開發(fā)至今已超過20年，從簡單的一階HDI到復雜的任意層，技術上是取得了很大的進步，但這些進步并非革命性的突破。為了滿足未來的需求，業(yè)界在不斷探索新的技術，下面一些方向值得留意，需要說明的是，這些新技術尚未規(guī)模應用。

6.1 印制電子（納米材料）

印制電子是近期興起的熱點之一，本文所講的印制電子不是目前RFID工藝的印制電子，而是指采用納米金屬材料即納米銅膏或納米銀膏（它們在低溫即可燒結）用印刷方式形成線路的工藝方法；印制電子的優(yōu)點主要是：（1）無需電鍍及圖形轉移、流程簡單；（2）幾乎沒有廢水污染，容易取得環(huán)保執(zhí)照。缺點主要有：（1）需要納米銅/銀膏，暫時不成熟；（2）可靠性不如傳統(tǒng)工藝。

6.2 嵌入式電路

嵌入式電路指在介質表面先用激光燒出凹槽，然后再沉銅電鍍填平凹槽，最后表面銅磨去，只留下凹槽里面的線路，該制程類似半導體制程。主要優(yōu)點：（1）適合極細線路制作（10 μm以下）；（2）與SAP相比可靠性更好。缺點：成本高、效率低。

6.3 大熱門3D打印技術

3D打印是近期熱門科技，人們熱衷用于打印各種東西。3D打印機使用的原材料是塑料和金屬，與PCB主材非常接近。理論上3D打印機可以打印任何東西，包括PCB在內，但用于生產PCB尚未有報道。但我們不妨猜想一下，若3D打印技術取得突破，真的可以打印PCB，會帶來怎樣的沖擊：首先，樣板的生產門檻大為降低，很多公司或許自己買個機器就自給自足；其次，家庭或個人也能成為樣板PCB公司。因此，未來3D打印是最有想象空間的技術。

6.4 未來猜想

在技術發(fā)展變化中，桌面系統(tǒng)與移動系統(tǒng)有融合趨勢，理由如下

（1）Win8開始有RT版本，其處理器架構與手機是一樣的；

（2）iOS與Mac OX越來越趨于一致，另外，iPhone 5S開始采用64bit 處理器，向桌面系統(tǒng)靠攏；

（3）傳統(tǒng)電腦芯片公司與移動芯片公司互相滲透，例如，Intel 也推出手機處理器，ARM則規(guī)劃用于服務器的CPU。

因此，最終桌面主機與移動主機有可能融合，外出攜帶時（移動）使用手機主機和屏幕，在辦公室則采用手機主機和桌面顯示器，這將使手機將更加強大、復雜，手機板也將更復雜，對PCB廠商提出更高的要求。

6.5 發(fā)展瓶頸

目前手機行業(yè)似乎碰到發(fā)展瓶頸，其表現(xiàn)為（1）除了硬件提升，沒有太大的創(chuàng)新性東西；（2）沒有新的殺手級應用。

PCB行業(yè)發(fā)展瓶頸更明顯，主要表現(xiàn)（1）行業(yè)增長趨緩，已從幾年前的兩位數增長變個位數增長；（2）HDI發(fā)展至今已有二十幾年，至今沒有革命性的新技術出現(xiàn)；（3）IC性能每年都在提升，原來需幾個IC實現(xiàn)的功能整合在一個芯片里面，PCB設計趨向簡單化；（3）云計算的發(fā)展對終端要求降低；（4）中國政府對環(huán)保要求日趨嚴格，PCB的環(huán)保批文越來越難取得。

但對于一些特定的PCB，特別是智能手機所需的PCB如任意層HDI，在未來仍將會保持快速增長。Prismark預測，未來任意層年增長率高達43%。

圖5 任意層增長率預測

7 結論

綜合分析，我們可以得出以下結論：

（1）HDI開發(fā)至今已有二十幾年，仍在不斷發(fā)展和增長中，部分類型如任意層仍有兩位數的增長；

（2）4G的發(fā)展特別是中國4G，將拉動相關產業(yè)包括PCB的發(fā)展，4G智能手機增長可期；

（3）未來幾年，手機仍向更多功能、更高速度發(fā)展，相應的高端HDI板需求仍繼續(xù)增長；

（4）當移動寬帶普及之后，云計算將成為主角，則移動終端的要求將降低，高端HDI的需求也隨之下降，但這個時間估計需要很長時間，特別是在中國；

（5）HDI的應用領域仍在不斷擴展，這也為其帶來新的增長點。

[1]Machimasa Takahashi，Kastumi Sagisaka等. FVSS(Free Via Stack up Structure) ECWC 10 Conference.

[2]林旭榮等. 任意層互聯(lián)技術研究開發(fā)介紹[J]. CPCA 2012春季論壇/印制電路信息, 2012, 4: 157-160.

[3]中國新聞網. 2013, 8,13.

[4]中國移動, 中國電信, 中國聯(lián)通網站資料.

[5]綜合C114通信網及各門戶網站資料.

[6]C114通信網10月30日消息.

[7]Prismark資料.