龔永林

本刊主編

2019年過去了，回想在2019年年初時，由于世界經(jīng)濟(jì)變化的不確定性，普遍對經(jīng)濟(jì)形勢包括印制電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展持不樂觀看法。印制電路行業(yè)內(nèi)悲觀情緒也不少，預(yù)測是負(fù)增長。然而，5G通訊技術(shù)投入商業(yè)化應(yīng)用，互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和汽車電子升溫，加上中美貿(mào)易摩擦出現(xiàn)緩解，在下半年電子信息產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)上升趨勢，印制電路產(chǎn)業(yè)也順勢增長，尤其是高端印制電路板（PCB）增幅較大。從全球主要PCB產(chǎn)地的數(shù)據(jù)來看，2019年產(chǎn)值都有所增長或微增長，因此全球PCB總量不會是負(fù)增長。

市場的需求是技術(shù)發(fā)展的動力，技術(shù)提升會助推市場發(fā)展。PCB新市場不斷涌現(xiàn)，PCB新技術(shù)不斷創(chuàng)新，現(xiàn)在對過去一年的印制電路產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展做些梳理，以下談一些我見之2019年P(guān)CB技術(shù)熱點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)重要性突顯

1.1 一切都從設(shè)計(jì)開始

PCB的性能特征源于設(shè)計(jì)。這PCB是用于手機(jī)還是計(jì)算機(jī)？決定于設(shè)計(jì)；這PCB是如何布線，最細(xì)線、最小孔多少？決定于設(shè)計(jì)；這PCB是多少層數(shù)、多大尺寸？決定于設(shè)計(jì)；這PCB復(fù)雜性如何、可加工性如何、成本如何？決定于設(shè)計(jì)。PCB是定制產(chǎn)品，由設(shè)計(jì)而定。

現(xiàn)今，PCB布線越來越復(fù)雜，近來有許多專業(yè)PCB設(shè)計(jì)軟件，例如針對物聯(lián)網(wǎng)（IOT）、自動汽車、5G通訊等都開發(fā)有專用PCB設(shè)件軟件。電子設(shè)計(jì)創(chuàng)新有通過更快的原理圖編輯器、高速設(shè)計(jì)和增強(qiáng)的交互式布線功能來改善設(shè)計(jì)，PCB設(shè)計(jì)講究高效和快速。

小型化驅(qū)動PCB更加復(fù)雜和緊湊，因?yàn)楠M小空間承擔(dān)更多功能具有更大挑戰(zhàn)，手機(jī)用類載板（SLP）是一個先進(jìn)技術(shù)的完美例子。對于復(fù)雜PCB設(shè)計(jì)步驟，首先進(jìn)行設(shè)計(jì)評審，考慮到設(shè)備高頻高速、電磁輻射性能，散熱、防水、防震等要求，以及連續(xù)工作的可靠性；根據(jù)功能要求進(jìn)行電氣工程、機(jī)械工程以及信號、電源和熱管理等多方面分析，這些需要詳細(xì)的計(jì)劃。PCB設(shè)計(jì)工作基本是物理布局，由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）完成，由于受到信號和電源完整性的影響，現(xiàn)在比以往任何時候都更要進(jìn)行信號和功率完整性模擬和熱分析。設(shè)計(jì)完成必須進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)則核查（DRC）和設(shè)計(jì)可制造性、可測試性、可裝配性等檢查。最終PCB的完美與缺失都始于設(shè)計(jì)！

1.2 注重信號完整性

進(jìn)入5G時代，2019年是5G 商用元年。5G是移動通信領(lǐng)域的新一代產(chǎn)品，因?yàn)樗鼡碛懈咚降某咚贁?shù)據(jù)傳輸能力和網(wǎng)絡(luò)覆蓋，也被應(yīng)用于軍事、汽車、工業(yè)和醫(yī)療等。5G的優(yōu)勢是信號速度更快、視頻分辨率和清晰度更高。5G技術(shù)特點(diǎn)是高頻，使用30～300 GHz范圍的頻段，帶寬頻譜覆蓋率高，低延遲是最重要的特性之一[1]。

從5G基站、5G終端到5G車載、物聯(lián)網(wǎng)與智慧城市與智能制造，這些應(yīng)用都與高速、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸息息相關(guān)，信號完整性成了這類PCB設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。在設(shè)計(jì)時考慮影響PCB信號完整性的因素有多方面，除了基板材料介電性能，有線路的布局、層次的結(jié)構(gòu)、導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)、表面涂飾層類型等諸多因素。

例如PCB厚度設(shè)計(jì)，一般主要是從機(jī)械強(qiáng)度考慮，而高頻板層間厚度也會影響信號完整性，包括串?dāng)_、阻抗和信號損耗，因此對于高頻信號、阻抗控制要正確確定板的厚度。

電路中電流和信號傳輸?shù)募w效應(yīng)已成常識，高頻電路就需要銅導(dǎo)體表面平滑，即銅箔為甚低、極低粗糙度。電路除了集膚效應(yīng)（Skin Effect），還有鄰近效應(yīng)（Proximity Effect）[2]。電路中導(dǎo)體電流會產(chǎn)生磁場，多層印制電路板在約低于30 MHz頻率下，線路中電流的變化引起的磁力太小，這些效應(yīng)顯示不出。隨著頻率增加會發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線有相鄰線路一側(cè)的電流密度大于另一側(cè)的電流密度，電流傾向于集中在兩個相向邊緣的表面上。鄰近效應(yīng)是高速電流在相鄰線路表面附近趨于集中的表現(xiàn)，設(shè)計(jì)時就要考慮到對信號質(zhì)量的影響。

高頻PCB電路的插入損耗會降低系統(tǒng)的可用信號電平，會影響信號完整性。插入損耗（IL）與介電常數(shù)（Dk）、介電損耗（Df）和信號頻率成正比?？偛迦霌p耗由導(dǎo)體損耗、介電損耗、輻射損耗、泄漏損耗四部分組成[3]。電路輻射損耗相對較低而常被忽略; 泄漏損耗與基板材料的體積電阻率相關(guān)，通常對大功率電路較重要；介電損耗主要在于基板材料的介電常數(shù)（Dk）和介質(zhì)損耗；導(dǎo)體損耗除了導(dǎo)體銅的結(jié)構(gòu)，也涉及到最終表面涂飾層。有試驗(yàn)結(jié)果顯示[3]，各種涂飾層對電路插入損耗的影響程度為化學(xué)鍍鎳浸金（ENIG）＞化學(xué)鍍鎳鍍鈀浸金（ENEPIG）＞浸錫（ImSn)＞浸銀（ImAg）＞有機(jī)可焊性保護(hù)劑（OSP）。

1.3 設(shè)計(jì)的材料選擇

PCB設(shè)計(jì)一開始就應(yīng)該考慮基板材料的選擇，PCB的許多性能是由基板材料決定的或相關(guān)的，設(shè)計(jì)也是以基材性能為基礎(chǔ)謀劃、確立PCB性能。通常低端消費(fèi)類電子設(shè)備的PCB會選擇酚醛紙基（FR-1、FR-2）和酚醛紙與環(huán)氧玻璃布復(fù)合（CEM-3）類低成本基板，一般電子設(shè)備的PCB普遍選用環(huán)氧玻璃布（FR-4）基材，這對于新近的PCB數(shù)字化高速電路就難以勝任了。

現(xiàn)今高速電路相當(dāng)于一個電磁場，能量存在于線路間介質(zhì)材料中，材料的參數(shù)也會影響到電路性能。對于電波的傳播，使用基材的Dk越小，波傳播速度更快，傳播延遲減小?；宓你~表面粗糙度也是因素之一，電路的銅表面越粗糙則波傳播更慢。電流集膚深度取決于頻率，頻率越高集膚深度更淺，射頻電流更趨于導(dǎo)體表面，銅表面粗糙度對毫米波電路的插入損耗（IL）也有很大影響。還有，電路使用的基板較薄與使用較厚基板的電路相比，銅表面粗糙度對波傳播的影響更大[4]。插入損耗與基板厚度的關(guān)系表明較薄的電路以導(dǎo)體損耗為主，而較厚的電路則以介質(zhì)損耗為主。為優(yōu)化電氣電路的性能，銅的表面粗糙度也必須考慮。

設(shè)計(jì)中材料選擇主要考慮的兩個問題是高速和高溫應(yīng)用，涉及到在較高速度下導(dǎo)致信號完整性問題，在較高工作溫度下導(dǎo)致連接可靠性問題。電氣參數(shù)重點(diǎn)是介電常數(shù)（Dk）與介質(zhì)損耗（Df），機(jī)械與熱參數(shù)重點(diǎn)是玻璃化溫度（Tg）、熱分解溫度（Td）、Z軸熱膨脹系數(shù)（Z-CTE）與XY軸熱膨脹系數(shù)（X、Y-CTE），要對這六個參數(shù)最佳值作平衡比較[5]，這幾項(xiàng)指標(biāo)是必須關(guān)注的。另外，從熱可靠性和機(jī)械可靠性的角度考慮有許多機(jī)械因素，包括剝離強(qiáng)度、吸水率、楊氏模量、泊松比等；從材料安全性和環(huán)境保護(hù)角度是否符合UL與無鹵要求；基材加工成PCB的適應(yīng)性和對現(xiàn)行工藝條件的影響；基材的價格以及供貨渠道是否暢通。這些都是基材選擇需要考慮的因素。

1.4 確保可制造性

PCB設(shè)計(jì)的成功，不僅達(dá)到電子設(shè)備性能要求，同時也體現(xiàn)于DFX，即包括可制造性（DFM）、可裝配性（DFA）、可靠性（DFR）、測試性（DFT）和成本（DFC），見圖1[6]。對于PCB的可制造性和可靠性，就關(guān)聯(lián)到設(shè)計(jì)的銅箔厚度與線路寬度，孔徑大小與板厚孔徑比，導(dǎo)通孔、連接盤與阻焊盤尺寸等。PCB產(chǎn)品的80%～90%的成本取決于設(shè)計(jì)，如PCB的尺寸大小、選用基材、銅導(dǎo)體厚度、表面涂飾層，以及線、孔等設(shè)計(jì)的可制造性，這些都是影響成本的重要因素。設(shè)計(jì)師的可制造性做得越好，越可以得到一個較低的價格和優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

圖1 PCB成功設(shè)計(jì)的關(guān)注項(xiàng)

鑒于產(chǎn)品復(fù)雜性，以及設(shè)計(jì)師經(jīng)驗(yàn)有限，缺乏對PCB制造與裝配等了解，在設(shè)計(jì)階段就需要在供應(yīng)鏈中選擇具有這種知識和能力的伙伴合作。當(dāng)前，我們特別強(qiáng)調(diào)供應(yīng)鏈上下溝通，包括客戶與供應(yīng)商之間溝通與協(xié)作，PCB設(shè)計(jì)階段就應(yīng)有制造商加入。優(yōu)化PCB設(shè)計(jì)可制造性的關(guān)鍵之一是選擇制造合作伙伴和選定制造工藝，有PCB制造工程師參與幫助解決設(shè)計(jì)過程中的可制造性難題。

DFM乃至DFX的價值體現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段，以預(yù)測和解決大多數(shù)生產(chǎn)問題。為確保設(shè)計(jì)符合可制造性，從一開始就遵守設(shè)計(jì)規(guī)則，制定詳細(xì)的設(shè)計(jì)指南；選定有較高能力的制造商，與制造工程師溝通；使用設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（DRC），堅(jiān)持DFM的原則，若到制造過程再發(fā)現(xiàn)問題，將對成本和時間都帶來損失。因此，設(shè)計(jì)者與制造、裝配伙伴合作，使得PCB設(shè)計(jì)第一次就做對。

2 基板材料高性能化

2.1 高速高頻基材

5G設(shè)備采用高頻PCB首要需先解決高頻高速材料的問題，才能確保訊號的穩(wěn)定性與完整性。5G移動通訊的商機(jī)給PCB及高頻/高速PCB基板材料帶來龐大的現(xiàn)在或潛在市場，吸引眾多廠商投入相關(guān)領(lǐng)域的開發(fā)，現(xiàn)在有許多基材制造商宣稱高頻用覆銅板開發(fā)成功或投產(chǎn)。

高頻材料的重點(diǎn)在于低傳送損失、良好加工性與高可靠度，其中以基材介質(zhì)損耗和介電常數(shù)是目前最關(guān)注的重要參數(shù)。Dk和Df值小有利于提高訊號傳輸速率，可減少訊號在基材中的損失，保持較佳的訊號完整性。

目前高頻基板材料的Dk和Df值水平分別有五個等級[5]（見表1）。

決定基材介質(zhì)電性能Dk和Df值的因素在于構(gòu)成基材的材料：樹脂、填料和玻璃布。樹脂、填料的Dk和Df值是固定的，而玻璃布因其編織結(jié)構(gòu)的差異造成Dk的不一致。層壓板內(nèi)玻璃布用于改善機(jī)械性能，但會提高層壓板的介電常數(shù)。玻璃布是網(wǎng)狀編織，在層壓板內(nèi)玻璃布開孔大小、纖維線粗細(xì)、纖維線交叉點(diǎn)這些不同位置的Dk有差別的，板面導(dǎo)體線寬大的比線細(xì)的受影響小些。毫米波頻率下使用的層壓板要考慮到玻璃布引起的不同位置點(diǎn)Dk差異[7]。

PCB的層壓板中非常小的變化也可能會破壞數(shù)據(jù)路徑，一個主要的變化為差分偏斜，是由玻璃纖維編織偏斜（GWS）又稱“纖維編織效應(yīng)”（FWE）引起，已成為高速數(shù)字設(shè)計(jì)的一個熱門課題。PCB上一對線路的二條線所處基材介電常數(shù)會不同，這因線下玻璃纖維與樹脂位置有差別。結(jié)果組成差分對的兩條線是兩個不同的有效Dk，兩個不同的信號傳播速度，周圍玻璃較多的信號速度將比樹脂較多的信號慢。這種產(chǎn)生延遲差的原因?yàn)椤袄w維編織效應(yīng)”[8]。當(dāng)PCB在低于1 GHz的頻率下工作時，不要擔(dān)心玻璃布的類型，在高頻下PCB的玻璃布編織偏斜就會影響到信號完整性。為了減少玻璃布織物偏斜，玻璃布覆蓋率應(yīng)盡可能高，而“樹脂窗”即玻璃布開窗涂樹脂區(qū)域應(yīng)小。

毫米波和高速數(shù)字應(yīng)用的基材特性，主要有Dk和Df的熱變系數(shù)（TCDk、TCDf）、吸濕率、銅箔的粗糙度、表面處理，以及銅箔類型。有探索銅箔生產(chǎn)技術(shù)，確定軋制銅箔具有最低剖面輪廓和最低損耗，在射頻用基板中使用顯現(xiàn)具有優(yōu)異的性能。

為了適應(yīng)5G用PCB市場熱點(diǎn)，一些覆銅箔層壓板制造商在已有的高頻用CCL基礎(chǔ)上，2019年繼續(xù)推出新產(chǎn)品。如松下公司推出無鹵Megtron6（型號：R-5375），其性能指標(biāo)在12 GHz時Dk3.4和Df0.003；玻璃化溫度（Tg）250 ℃/DMA、熱分解溫度（Td）435 ℃；熱膨脹系數(shù)（Z方向）39×10-6/℃；32層板耐熱性試驗(yàn)回流焊260 ℃、10個周期通過[9]。羅杰斯公司宣布新增加聚四氟乙烯電路材料：RO3003G2高頻層壓板，優(yōu)化了樹脂和填料含量以及引入極低輪廓面的ED銅的組合，為雷達(dá)傳感器設(shè)計(jì)提供低插入損耗和低Dk（10 GHz時3.00）[9]。還有，Isola公司推出了獨(dú)特射頻/微波用PTFE層壓板Astra?MT77，設(shè)計(jì)用于77+GHz雷達(dá)[10]，其性能Tg200 ℃、Td360 ℃，高頻率段Dk3.0、Df0.0017。利昌工業(yè)公司開發(fā)了面向毫米波雷達(dá)基板的低傳輸損失基材CS-3379[11]，是以比PTFE、LCP便宜的聚苯乙烯醚（PPE）樹脂為基礎(chǔ)，100 GHz時Df為0.0028，達(dá)到與PTFE基板具有同等的性能，而可以以半價左右的價格提供。

2.2 高導(dǎo)熱基材

當(dāng)前的電子設(shè)備緊湊、小型化，散熱環(huán)境受限制，尤其在大功率器件應(yīng)用領(lǐng)域，高的功率會產(chǎn)生高熱量，就需要PCB具有耐熱、導(dǎo)熱、散熱特性。當(dāng)前的LED照明和汽車電子應(yīng)用領(lǐng)域就是要求PCB具有相應(yīng)散熱性能的代表。PCB具有耐熱、導(dǎo)熱、散熱特性，首當(dāng)其沖的是所用基板具有更好耐熱、導(dǎo)熱、散熱特性，解決此問題一是提高基板的絕緣介質(zhì)層導(dǎo)熱性，二是增加金屬板為導(dǎo)熱層。

表1 覆銅板的Dk和Df水平分級

通常環(huán)氧玻璃布層壓板（FR-4）導(dǎo)熱系數(shù)小于0.3 W/m·K，通過改進(jìn)樹脂和填料以提高層壓板導(dǎo)熱性。如羅杰斯公司推出TC350層壓板，是陶瓷填充聚四氟乙烯玻璃布增強(qiáng)復(fù)合材料，導(dǎo)熱系數(shù)為1.24 W/m·K，為PCB提供了更低的電路損耗和出色的散熱性。騰輝公司為需要散熱的多層PCB應(yīng)用提供了一系列陶瓷填充導(dǎo)熱層壓板和預(yù)浸料，有型號VT-5A2的導(dǎo)熱系數(shù)2.2 W/m·K，已是FR-4的8倍。增加絕緣介質(zhì)層導(dǎo)熱性是有限的，介質(zhì)層在增加導(dǎo)熱性時必須兼顧到絕緣性及可加工性，這使增加導(dǎo)熱性的陶瓷粉類填充量必定有限。然而，填料粒子的種類、大小和形狀以及如何將所有粒子分散到樹脂中對導(dǎo)熱系數(shù)是一件非常有挑戰(zhàn)性的事情，若在樹脂中加入納米顆粒填料達(dá)到了更好的熱導(dǎo)率。有覆銅板公司就通過對填料改進(jìn)制造出一種具有高Tg、低CTE和4 W/m·K導(dǎo)熱率的介質(zhì)層材料[12]。

金屬基（芯）板目前是高導(dǎo)熱、高散熱基材主流，如在汽車中金屬基板（IMS）PCB扮演著重要角色。目前車燈已逐漸改用高亮度LED燈，而高亮度LED燈需要高散熱性，因此多采用氮化鋁基板或鋁基板，散熱性與陶瓷相當(dāng)又具備成本優(yōu)勢，因此開發(fā)銅或鋁等金屬基的基板非常熱門。金屬基板達(dá)到導(dǎo)熱系數(shù)通常都在3.0 W/ m·K以上，高的可達(dá)7 W/ m·K，甚至10 W/ m·K。

金屬基板導(dǎo)熱系數(shù)的高低關(guān)鍵在于金屬底板與銅箔之間絕緣樹脂層的熱導(dǎo)率及膜厚度。想提升金屬基材基板的散熱性能，既有做法是在樹脂絕緣層上，填充約數(shù)十微米等級的陶瓷填充物，但是陶瓷填充物較大會導(dǎo)致樹脂絕緣特性變差及膜厚很難再降低。三菱公司為了解決這些問題，透過獨(dú)特技術(shù)，實(shí)現(xiàn)金屬基材的樹脂絕緣層的薄膜化。該薄膜采用了納米填充物，抑制耐電壓的低下問題的同時，成功提升了熱導(dǎo)率，將樹脂絕緣的膜厚從原本的80～120 μm降至20～30 μm，只有原本的1/4，金屬基材基板的熱阻則降至鋁基板的1/2[9]。金屬基覆銅板其性能除了高導(dǎo)熱系數(shù)外，同時要具有高Tg（如180 ℃）和最大工作溫度（如150 ℃），以及低CTE，這些也是金屬基PCB在高溫下工作的重要性能。

2.3 撓性基材

撓性印制電路板（FPCB）仍以聚酰亞胺（PI）薄膜為主要基材，但隨著應(yīng)用市場發(fā)展，新的基材也不斷產(chǎn)生。5G通訊市場需要高頻低損耗的FPCB，必須有高頻低損耗的撓性基材。適應(yīng)高頻FPCB的基材有液晶聚合物（LCP）薄膜，然而由于產(chǎn)量少、成本高和加工性差因素應(yīng)用有限。有多家材料公司改進(jìn)PI薄膜以適應(yīng)5G通訊要求，賦予PI基材新活力。如有公司在熱固化性PI薄膜的兩面形成熱可塑性PI樹脂的粘著層（三層構(gòu)造），粘著層再在兩面貼合銅箔，就能直接加工FPCB[13]。因?yàn)檫@三層都是PI樹脂構(gòu)成，能夠達(dá)到性能，并促進(jìn)FPCB更進(jìn)一步的薄型化、耐熱化，以及尺寸穩(wěn)定性等。又有公司充分活用功能性PI設(shè)計(jì)技術(shù)，優(yōu)化樹脂設(shè)計(jì)成功抑制低溫帶的分子運(yùn)動，開發(fā)出低Df的PI，20 GHz時Df為0.001[13]。此PI的Df比起LCP要更低，也具備優(yōu)異的介電常數(shù)、粘合性、吸水率等特征，與LCP、TPFE樹脂相比亦極具成本競爭力，成為適用于5G之PI材料。還有公司利用專有覆膜之技術(shù)，在涂布PI樹脂之際，將分子朝同一方向固定，這可大幅降低在CCL上的傳輸損失。當(dāng)該P(yáng)I樹脂涂布膜厚在50 μm以下，介質(zhì)損耗與一般PI相比，降低至一半以下；當(dāng)該P(yáng)I樹脂涂布膜厚在50 μm～125 μm，除了提高PI的介電特性外，亦能確保表面平滑的銅箔與其維持良好的結(jié)合力，與現(xiàn)有LCP覆銅板相比傳輸損耗可減少[14]。已有改進(jìn)型PI（MPI）代替LCP，用于新款手機(jī)之天線。

FPCB基材為適應(yīng)5G應(yīng)用還有開發(fā)聚苯硫醚（PPS）薄膜產(chǎn)品，投入高速傳輸用FPCB市場[15]，雙軸延伸PPS薄膜在Dk、Df等方面與LCP有同等程度的性能，解決了相關(guān)耐熱性問題后可應(yīng)用于5G之FPCB。

對于高頻和高速用FPCB，除了關(guān)注撓性覆銅板基材性能外，不可忽視覆蓋層（覆蓋膜或阻焊劑）的介電特性和吸濕性。通過測試表明，相同線寬和線距的導(dǎo)線在不同介質(zhì)的基板上具有不同的阻抗，使用LCP基材的IL最低，改良的PI其次，傳統(tǒng)PI的IL最大；對于每個電介質(zhì)，較厚的電介質(zhì)層產(chǎn)生較低的IL；具有較低表面粗糙度的RA銅箔的IL較低。

3 制造技術(shù)提升

3.1 電路高密度化

高密度化是PCB技術(shù)發(fā)展永恒的主題，高密度互連（HDI）PCB是在不斷發(fā)展的。對于HDI板按照其密度程度也應(yīng)有高、中、低之分，密度程度區(qū)分見表2。

PCB線路越來越精細(xì)使傳統(tǒng)的減去法工藝不適應(yīng)75 μm以下線路的制造，半加成法（SAP）或改進(jìn)型半加成法（mSAP）及全加成法是精細(xì)線路PCB尋求的解決方法。目前mSAP已經(jīng)成熟，有一般銅箔減薄或直接使用超薄銅箔兩種方法，前者的成本低些，而后者線路更精細(xì)。采用AAP和SAP工藝的優(yōu)點(diǎn)，減少工藝步驟、節(jié)約原材料、縮短加工時間，以及制造出更精細(xì)的線路。但面臨挑戰(zhàn)是銅線路與基板的結(jié)合力低、導(dǎo)體很薄導(dǎo)電性弱，行業(yè)人士不斷應(yīng)戰(zhàn)試圖攻克這些問題。

如有Averatek公司發(fā)明了A-SAP流程，應(yīng)用一種液態(tài)金屬油墨（LMI）和半加成工藝。LMI為羧酸鈀的新型催化劑油墨，這種油墨含有有機(jī)溶劑，提供了高潤濕性和催化劑滲透性，能均勻涂布到包括微小盲孔的任何特征基板表面，可打印出非常薄的催化油墨層。在基板上均勻的納米級厚度的鈀粒子作為催化劑具有很高的活性，在化學(xué)鍍銅時沉積0.5 μm或更薄銅就可以給整個板面提供均勻的導(dǎo)電性，然后光致成像和電鍍、蝕刻生成線路圖形，能夠制造出5 μm寬的線路[16]。配合SAP也有新型光致抗蝕干膜開發(fā)，適合線路L/S=5/5 μm以下的PCB生產(chǎn)。另有一種在半導(dǎo)體制造中名為ALD（Atomic Layer Deposition）的原子沉積工藝，利用反應(yīng)氣體與基板之間的氣-固相反應(yīng)來完成金屬化涂層，被引入到COF FPC載板生產(chǎn)?；具^程：清潔的薄膜進(jìn)入ALD機(jī)臺涂覆連接劑層（不到1 nm厚銅種子層），再化學(xué)鍍銅（約0.1 μm厚），涂布感光抗蝕劑、光致成像和電鍍、閃蝕生成線路。有說iPhone手機(jī)的PCB將采用ALD半加成法生產(chǎn)。總之，隨著加成法技術(shù)的不斷開發(fā)，會有更多的選擇方案。

3.2 電鍍與涂覆

電鍍與涂覆至今一直是PCB生產(chǎn)重要工藝，為了提高產(chǎn)量、提高性能、降低成本，以及考慮到環(huán)境問題而在不斷變革，包括化學(xué)溶液、工藝條件和設(shè)備等。為達(dá)到新一代PCB要求，化學(xué)品要改進(jìn)，同時也要配置新的設(shè)備裝置。

在PCB電鍍銅方面，垂直連續(xù)電鍍（VCP）正變得越來越廣泛。VCP是將板子以直線運(yùn)動方式移動，可以很好地解決電鍍分散性和均勻性問題，可提高生產(chǎn)效益，適合薄板生產(chǎn)，有利于設(shè)備自動化等。通常的電鍍槽溶解性陽極無法達(dá)到要求，陽極面積一直在變化及陽極需要經(jīng)常清洗維護(hù)；一種含有金屬氧化物涂層的鈦網(wǎng)作為不溶性陽極，添加氧化銅為補(bǔ)充劑，可以在垂直連續(xù)電鍍銅過程中保持電流一致，達(dá)到電鍍均勻性。同時，它消除了電解質(zhì)溶液的浪費(fèi)和陽極銅的浪費(fèi)[17]。還有使用不溶性銥網(wǎng)陽極可以對陽極區(qū)域進(jìn)行分區(qū)，采用多個整流器將電鍍窗口分割，這些可以實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的鍍銅。由于沒有陽極泥渣遮擋，可以提高電流密度與提高電鍍產(chǎn)量，使用3條垂直連續(xù)電鍍線（VCP）達(dá)到4條的產(chǎn)量[18]。創(chuàng)新的IC載板用直流電鍍銅復(fù)合型添加劑，在圖形電鍍過程同時實(shí)現(xiàn)嵌入線路和鍍通孔與盲導(dǎo)通孔的鍍銅填充，并保持鍍層表面光滑平整[19]。這些電鍍銅創(chuàng)新工藝，經(jīng)過鍍層輪廓和晶粒、內(nèi)應(yīng)力、拉伸延展性等測量分析，都體現(xiàn)出性能優(yōu)異。

表2 HDI印制板密度程度區(qū)分

如今，銅填充微導(dǎo)通孔幾乎是所有HDI板采用的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。電鍍填孔相比樹脂或?qū)щ姼嗳變?yōu)點(diǎn)：與電鍍過程同步進(jìn)行，減少塞孔工藝步驟，降低生產(chǎn)成本；孔中填銅，創(chuàng)建孔上連接盤以節(jié)省空間；電氣連接電阻小，CTE一致，有利于可靠性；孔中填銅，散熱性好，有利于熱管理；填孔充實(shí)，避免孔內(nèi)氣空、污染，品質(zhì)更可靠。先進(jìn)的電鍍液能夠使電流密度高達(dá)2.5 ASD，完全填充100 μm孔徑與深89 μm的微孔，電鍍時間＜40 min，表面銅厚度＜13 μm，凹陷＜5 μm[20]。

PCB表面連接盤化學(xué)鍍鎳浸金（ENIG）是一種廣泛應(yīng)用的表面涂飾方法，其優(yōu)缺點(diǎn)分明，如何揚(yáng)長避短一直在探索之中。ENIG的短處是出現(xiàn)鎳腐蝕（黑盤）問題，鎳腐蝕發(fā)生在浸金過程，預(yù)防措施是改善鎳層質(zhì)量和浸金過程?；瘜W(xué)鍍鎳（EN）液含有磷，鎳層含磷大于8%有利于消除鎳腐蝕[21]；浸金液pH趨中性，避免在浸金液中停留時間過長，可減少腐蝕；同時，要在ENIG前銅面清洗干凈，阻焊層固化充分，ENIG預(yù)處理清洗、微蝕和酸洗充分，及催化/活化處理適當(dāng)?；瘜W(xué)鍍金反應(yīng)除置換浸金（IG）、自催化金（AG）外，還有還原輔助浸金（RAI），即浸金反應(yīng)和自催化沉金反應(yīng)同時開始，隨后自催化反應(yīng)占主導(dǎo)地位的化學(xué)鍍金。RAI金只需一個混合反應(yīng)金槽，可消除鎳腐蝕，可沉積較厚金層，可替代 IG或AG[22]。

IPC-4552化學(xué)鍍鎳/金（ENIG）規(guī)范最初發(fā)布只規(guī)定浸金的厚度，2017年A版規(guī)定了浸金層厚度上下限（0.04 μm～0.10 μm），目的是控制浸金時間來減少鎳腐蝕；將要發(fā)布的B版要求測量鎳中的磷含量，規(guī)定鎳腐蝕監(jiān)測的要求，目標(biāo)是消除鎳腐蝕。無氰化物浸金液也有新的進(jìn)展，性能與含氰金液之間沒有明顯的差異，可以用于現(xiàn)有的ENIG工藝中替換含氰浸金液[23]。另外，為消除鎳腐蝕和有利于高頻PCB電性能，有化學(xué)鍍鈀浸金（EPIG）代替ENIG。

3.3 噴墨打印的加成制造

噴墨打印PCB表面的字符標(biāo)記、阻焊圖形技術(shù)已經(jīng)在行業(yè)內(nèi)擴(kuò)大應(yīng)用。采用噴墨打印阻焊劑的優(yōu)點(diǎn)有減少工序，縮短生產(chǎn)周期；只在需要阻焊的表面涂覆油墨，甚至在裸層壓板表面也不需涂覆，減少油墨消耗量，節(jié)省原材料；不同區(qū)域功能可以改變阻焊膜的厚度，如局部有高的擊穿電壓要求，就可以在那里涂得較厚；控制噴墨位置不會讓油墨進(jìn)入孔里，可在細(xì)線路節(jié)距間打印阻焊壩，提高了圖形精度。這是加成制造，減少能源、物料消耗和污染物產(chǎn)生，是項(xiàng)清潔生產(chǎn)技術(shù)。噴墨打印阻焊油墨除了綠色外，還開發(fā)白色、黑色油墨和柔性油墨等。新型噴墨打印機(jī)，直接將阻焊和字符油墨打印到剛撓印制電路板上，還能夠打印條形碼和二維碼標(biāo)記?，F(xiàn)在噴墨打印阻焊油墨不再局限于樣板制作，所提供最新機(jī)器工作，其每小時可多達(dá)400塊在制板，對市場有很大的吸引力。

3D打印技術(shù)也發(fā)展到PCB上打印元器件，以加成法制作電子組件有更大優(yōu)勢。如在PCB上直接打印天線、打印射頻放大器等。隨著應(yīng)用程序的開發(fā)，會代替?zhèn)鹘y(tǒng)制造業(yè)而快速、低成本地制造出復(fù)雜、小批量電子產(chǎn)品。3D打印更能適應(yīng)5G時代定制化、個性化需求。Nano Dimension公司又推出全天候電子電路3D打印的加成制造平臺（LDM），技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢：長時間不間斷打印，提高正常運(yùn)行時間和產(chǎn)量；支持3D打印多層PCB、電容器、線圈、傳感器、天線等；操作簡單快捷，維護(hù)工作量小，有打印頭自動清洗系統(tǒng)。LDM：Lights Out Digital Manufacturing意為熄燈數(shù)字化制造方法，系統(tǒng)運(yùn)行時幾乎不需要人工干預(yù)，可晝夜不停每周7天24小時全天候工作，使得打印從樣品制作轉(zhuǎn)向更高的大批量生產(chǎn)[24]。

在美國已有PCB制造公司購買多臺3D打印機(jī)系統(tǒng)，與專用納米墨水和優(yōu)化的軟件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)PCB和其它功能電子模塊產(chǎn)品的快速、高效制作，擴(kuò)展其印制電子產(chǎn)品的加成法制造能力。美國還開設(shè)世界上第一家電子產(chǎn)品3D打印服務(wù)公司，專注于為市場提供小批量的電子產(chǎn)品加成法制造服務(wù)，突破傳統(tǒng)PCB制造工藝限制，快速生產(chǎn)功能性PCB或具有集成功能的產(chǎn)品和組件，如埋置組件的PCB、功能電容器、直流電源轉(zhuǎn)換器、天線和射頻裝置等。

3.4 PCB制造智能

PCB制造智能化是提高公司競爭力的有效途徑。工廠智能化包括物聯(lián)網(wǎng)（IOT）、機(jī)器對機(jī)器（M2M）和人-機(jī)器（H2M），以及機(jī)器到業(yè)務(wù)（M2B）都實(shí)行連接，智能工廠各連接設(shè)備的信息識別、收集分析和傳遞應(yīng)有統(tǒng)一的語言實(shí)行互通。在2019年IPC發(fā)布了IPC-2591連接工廠數(shù)據(jù)互換（CFX）標(biāo)準(zhǔn)，提供了一個即插即用的數(shù)據(jù)通信解決方案，減少了為客戶定制編程所花費(fèi)的時間和過程，使自動化的采用更容易和更有效，幫助制造企業(yè)實(shí)施工業(yè)4.0。另外，TPCA 組織制定了PCBECI標(biāo)準(zhǔn)并正式發(fā)布，成為PCB產(chǎn)業(yè)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的統(tǒng)一通訊標(biāo)準(zhǔn)，加速PCB產(chǎn)業(yè)智能制造的進(jìn)展。雖然IPC-2591標(biāo)準(zhǔn)示范的CFX是SMT工廠，TPCA的PCBECI標(biāo)準(zhǔn)是在半導(dǎo)體行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上改進(jìn)，真正成為PCB產(chǎn)業(yè)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的統(tǒng)一通訊標(biāo)準(zhǔn)還有待實(shí)施驗(yàn)證，但有標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布總會促進(jìn)PCB設(shè)備與制造端通訊邁向統(tǒng)一，隨著實(shí)踐定會建立起完整的PCB設(shè)備數(shù)據(jù)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

在前兩年建立的美國PCB制造智能工廠Greensource，實(shí)際運(yùn)營效果已經(jīng)顯現(xiàn)[25]。該P(yáng)CB工廠是100%自動化，沒有生產(chǎn)工人,大約有十幾名技術(shù)人員監(jiān)察生產(chǎn)過程。他們的成本只有中國購買PCB價格的一半到三分之一，并做到兩天內(nèi)交貨。整個工廠的投資回收期不到三年。該工廠的PCB產(chǎn)品包括五階HDI板，層數(shù)達(dá)到36層，線路能力可以達(dá)到5 μm的線寬/線距。生產(chǎn)過程中每一片層壓板和預(yù)浸料、箔材都有自己的條形碼，在數(shù)據(jù)庫中有各自特征數(shù)據(jù)，直至成品PCB都有追蹤標(biāo)識。內(nèi)層在制板在疊層之前都要進(jìn)行電氣測試和分類,能夠三維描述電路板上的每一條線路，能達(dá)到±2%的控制阻抗，有99%以上的合格率。該工廠是精益與綠色兩方面共進(jìn)，通過設(shè)備通風(fēng)封閉、化學(xué)物自動分析添加控制與回收、清洗水重復(fù)使用，廢水為零，大大減少了生產(chǎn)周期和制造成本。

自動化和智能工廠已為PCB產(chǎn)業(yè)向往，有的制訂了《PCB智能制造里程圖》。許多企業(yè)已經(jīng)進(jìn)入智能工廠建設(shè)，許多PCB設(shè)備供應(yīng)商在努力提供智能化解決方案。在當(dāng)前PCB產(chǎn)品向高端發(fā)展、市場競爭激烈的環(huán)境下，智能化生產(chǎn)是必然趨勢。

4 高性能要求高可靠

4.1 PCB的可靠性需要

如果PCB出現(xiàn)可靠性問題，終端產(chǎn)品會面臨失效風(fēng)險?，F(xiàn)在汽車電子技術(shù)發(fā)展在使汽車成為最終的電子設(shè)備，可靠性與安全性是汽車制造商最嚴(yán)格的性能。如自動駕駛汽車的機(jī)載系統(tǒng)和安全系統(tǒng)必須100%可靠，在汽車上高工作溫度、頻繁的溫度循環(huán)、沖擊和振動以及電遷移都是對可靠性提出挑戰(zhàn)的問題[26]。汽車客戶要求PCB幾乎與嚴(yán)格的航空航天標(biāo)準(zhǔn)一致。電子技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域變得越來越重要，PCB的應(yīng)用也越來越多，對于接觸人體，甚至維持生命裝置所用PCB，完全按照IPC的最高級（3級）PCB性能要求，還附加一些醫(yī)療設(shè)備對PCB特殊要求，最重要的是可靠性和安全性。對于一貫追求高可靠性的軍事、航空航天裝置用PCB，繼續(xù)保持著高可靠性要求。因此有關(guān)PCB的可靠性被反復(fù)強(qiáng)調(diào)，行業(yè)機(jī)構(gòu)正在建議降低風(fēng)險的流程和做法。

4.2 CAF對可靠性影響

PCB的高密度化、小型化是增加了失效風(fēng)險。高密度細(xì)節(jié)距，使得孔間距、線間距縮?。槐⌒突沟脤娱g絕緣介質(zhì)層變薄，這些都縮短了不相連導(dǎo)體之間絕緣間距，一旦有導(dǎo)電陽極絲（CAF）產(chǎn)生與延伸而造成短路，PCB失效的概率增大。CAF產(chǎn)生的條件包括電荷載體的存在、電壓偏差、水分與污染物，由于基板中存在雜質(zhì)，電化學(xué)作用驅(qū)動離子遷移，最終導(dǎo)致電氣短路的故障[27]。常見的CAF現(xiàn)象有微小孔周圍或線條邊緣生長的樹枝狀晶體，這來自于孔壁粗糙和電鍍殘余物所引起，以及相鄰導(dǎo)體之間樹脂缺失或有污染雜物，為電化學(xué)遷移提供了便利。

降低CAF的風(fēng)險首先從設(shè)計(jì)做起，不相連導(dǎo)體之間應(yīng)留有足夠絕緣空間，尤其與電源和接地相鄰區(qū)間；再是選用高速低損耗的抗CAF材料，多層壓合用預(yù)浸材料有充分樹脂填充層間空隙。在生產(chǎn)的各個階段進(jìn)行控制，如多層壓合時絕緣層介質(zhì)緊密、無分層起泡，鉆孔時孔位準(zhǔn)確、孔壁光潔，濕處理過程孔內(nèi)和板面化學(xué)物清洗干凈及干燥等。

4.3 溫度對可靠性影響

由于電子元器件的功率和封裝密度增加，產(chǎn)生的熱量在窄小空間難以散發(fā)而使溫度大幅度上升。當(dāng)前，大多數(shù)電子產(chǎn)品部件和PCB的故障是由溫度升高引起。

在汽車電子領(lǐng)域?qū)峁芾硪蟾鼮橥怀?，如汽車的車頭照明LED燈功率強(qiáng)熱量大，在狹小空間靠對流散熱困難，就依靠傳導(dǎo)與輻射原理釆用金屬基PCB來幫助散熱。還有汽車開關(guān)轉(zhuǎn)換快速頻繁，并在幾秒鐘內(nèi)從低溫到高溫，從冷到熱反復(fù)循環(huán)，這對互連接點(diǎn)可靠性是考驗(yàn)，若基材熱膨脹系數(shù)（CTE）大就會引起故障。汽車中還有發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)、電動汽車所需的所有轉(zhuǎn)換器、逆變器和電源等，可以發(fā)現(xiàn)大約20個部位都有熱管理問題，都需要使用散熱界面材料，試驗(yàn)要求從-40 ℃到+150 ℃的3000個循環(huán)周期內(nèi)不會發(fā)生故障[28]。因汽車工作溫度高，還有一種高規(guī)格PCB的最新的熱循環(huán)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，要求能夠承受-40 ℃/+180 ℃（1000次循環(huán)）和-40 ℃/+170 ℃（2000次循環(huán)）的熱循環(huán)試驗(yàn)[29]。

由于熱應(yīng)力與熱膨脹變化會引起孔銅斷裂帶來故障，導(dǎo)通孔設(shè)計(jì)在空間許可范圍內(nèi)，一是孔徑越大越好，可增大機(jī)械強(qiáng)度與導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性；二是適當(dāng)?shù)陌搴窨讖奖?，選擇不大于6∶1；三是導(dǎo)通孔與焊盤位置盡量遠(yuǎn)離，以免焊接熱與焊錫影響孔，為此又可采取阻焊堤隔離、兩面孔口遮蓋或填孔方法[30]?？傊?，設(shè)計(jì)導(dǎo)通孔要有約束，同時采用CTE小和導(dǎo)熱率高的基板。

4.4 微導(dǎo)通孔對可靠性影響

通常對HDI板的微導(dǎo)通孔（盲孔）與貫通孔進(jìn)行比較，認(rèn)為前者的可靠性優(yōu)，原因是一般微導(dǎo)通孔的板厚孔徑比（AR）小于1，而鍍通孔的AR大于6，有的高達(dá)20，相比之下微導(dǎo)通孔的銅層一致可靠。然而，有發(fā)現(xiàn)HDI板通過常規(guī)電氣測試合格后交付裝配應(yīng)用，卻在電子設(shè)備安裝和應(yīng)用中有出現(xiàn)間歇性開路故障，原因竟是HDI板微導(dǎo)通孔的可靠性問題。對此問題IPC發(fā)出了“關(guān)于高性能產(chǎn)品微通道可靠性的警告”[31]。

進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證觀察到HDI板微通孔在再流焊過程中開路，然后在冷卻后重新建立連續(xù)性, 也即PCB成品電氣測試合格，而在裝配過程中經(jīng)受多次再流焊熱沖擊，薄弱的微導(dǎo)通孔接口就會出現(xiàn)故障。IPC已獲得數(shù)據(jù)表明，現(xiàn)在僅使用熱應(yīng)力顯微切片和光學(xué)顯微鏡的傳統(tǒng)檢測技術(shù)不能確定微導(dǎo)通孔電鍍故障，將不再依靠傳統(tǒng)的切片評估。新的再流焊熱應(yīng)力模擬測試方法（IPC-TM-650之2.6.27a），要求具有菊花鏈的測試樣板經(jīng)受再流焊試驗(yàn)，進(jìn)行六次完整再流循環(huán)，同時連接到四線電阻測量裝置，要求菊花鏈線路電阻增加不大于5%。這樣通過四線電阻測量和多次再流焊試驗(yàn)，能夠檢測微導(dǎo)通孔潛在的故障，避免可能的缺陷遺漏。

PCB層間微導(dǎo)通孔可以堆疊結(jié)構(gòu)或交叉結(jié)構(gòu)（見圖2），當(dāng)兩種結(jié)構(gòu)都用于同一印制電路板時，發(fā)現(xiàn)經(jīng)再流焊裝配后堆疊的孔易出現(xiàn)斷裂，而交叉孔則沒有?？赡艿脑蛟谟诮徊娼Y(jié)構(gòu)微孔的底銅是銅箔，而堆疊結(jié)構(gòu)微孔的底銅是電鍍銅。還進(jìn)行了四種不同的激光鉆微孔比較對連接的影響，分別釆用UV激光鉆孔、UV與CO2激光器組合激光鉆孔、銅開窗后CO2激光鉆孔、CO2激光直接鉆孔[32]。加工完成的板子再流焊試驗(yàn)時，有UV激光鉆孔的堆疊孔第一次再流焊就出現(xiàn)失效，而有的CO2激光鉆孔的堆疊孔在30次再流焊循環(huán)中保存完好。采用掃描電鏡（SEM）分析激光鉆孔后孔底銅連接盤的形貌變化，CO2激光孔底銅幾乎沒有變化；而UV激光對銅的形貌進(jìn)行了改性，提高了銅的硬度，降低了銅的延展性，當(dāng)熱應(yīng)力與熱膨脹變化容易引起孔底銅斷裂，這與再流熱應(yīng)力過程中形成的裂紋與失效相吻合。

圖2 HDI板微導(dǎo)通孔a交叉結(jié)構(gòu)與b堆疊結(jié)構(gòu)

要確保PCB的微導(dǎo)通孔可靠性，首先是設(shè)計(jì)時盡可能叉開導(dǎo)通孔位置，特別是高可靠性要求的PCB。當(dāng)然，堆疊導(dǎo)通孔設(shè)計(jì)仍然是一種PCB互連方式，尤其是電路密度的增大迫使采用堆疊導(dǎo)通道結(jié)構(gòu)，只是要注意多層堆疊導(dǎo)通孔相關(guān)的潛在風(fēng)險。

5 結(jié)束語

當(dāng)前， 5G用PCB的設(shè)計(jì)和材料是行業(yè)技術(shù)之薄弱環(huán)節(jié)，制造技術(shù)也遇到許多新問題，產(chǎn)品的可靠性也有新的要求，這些都是技術(shù)之熱點(diǎn)?；仡櫼酝菫檎巴麑恚ㄟ^對上一年來一些技術(shù)熱點(diǎn)的回顧，可借鑒別人的思路與經(jīng)驗(yàn)，考慮我們新的一年發(fā)展途徑。