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印制电路板行业为适应新市场需求又产生了哪些变化与新技术热点呢?

作者:幸运28 日期:2019-04-06 15:36 人气:

  当前,全球经济环境严峻复杂,存在不确定性,整个经济下行压力较大。而中国经济运行总体平稳、稳中有进的态势在持续发展。中国电子信息产业砥砺前行,保持平稳增长,代表中高端制造业的高技术制造业、装备制造业,还有战略性新兴产业都继续保持较快增长。对于中国印制电路产业,2018年上半年市场很旺,下半年趋于下降,虽有波动起伏,而全年仍有增长。

  市场的变化驱动技术的发展,在过去的一年里印制电路板(PCB)行业为适应新市场需求又产生了哪些变化与新技术热点呢?

  “中国制造2025”这是我国政府2015年5月下发的文件正式提出,这作为中国在制造行业崛起的标志。“工业4.0”此概念来自2011年德国政府报告《未来图景“工业4.0”》,也就是开展第四次工业革命。近几年来这些都是热门话题,在印制电路制造业也已启动,在2018年更是紧锣密鼓,进入实质性阶段。

  美国惠伦(Whelen)公司自动化PCB制造工厂项目始建于2015年,属世界最先进的完全自动化PCB生产工厂。由于该项目取得了巨大成功,2016 年该公司又开始建设一个更先进的PCB制造工厂,名为Greensource Fabrication子公司,于2018 年投入生产。自动化PCB制造工厂的核心是连续传送带式系统,其速度快、无需人工搬运移动,制造步骤减少了60%。他们的产品周转时间也从几周缩短到不到一周。其制造工艺为绿色/无废水的零排放技术,不需要用新水和废水排放,化学品/水回收方案使他们采购化学品的成本降低了30%,总成本为原来中国代工价格的三分之一至二分之一之间。Whelen工厂中的自动化创新是一个突破性进展,更符合产业持续发展的战略。

  Greensource工厂是通过与关键设备供应商Atotech(电镀线)、AWP(显影蚀刻线)、Schmoll(钻床)、InduBond(层压机)、CIMS(检测设备)等合作,将一系列自动化设备和工艺汇集起来付诸实现。整个工厂是朝着未来10年发展而设计的,与其他工厂相比技术上已经遥遥领先,实现了多层板、HDI板和类载板(SLP)的生产能力。工厂采用半加成工艺(SAP)达到超细的走线、间距和微导通孔,并且有望实现高达40∶1以上的微导通孔厚径比。

  PCB制造工厂趋于智能化,先是生产过程自动化装卸,在制板有条形码数据跟踪。目标是创建机器人操作系统,实现完全自动化、集成化的PCB工厂。智能工厂实现智能制造的基本条件:一是硬件 自动化设备,二是软件 工厂连接数据交互(CFX:Connected Factory Exchange)。PCB制造设备种类繁多,设备供应商不同,设备之间信息数据需要有一套统一规范的数字化系统交互连接。

  还有设备供应商的智能化设备要向许多PCB工厂提供,若不同工厂采用各自不规范的数字化系统,这会对智能设备的应用带来了障碍。为此需要有连接工厂数据互换规范,CFX为工业4.0的基础。创建一个具有工业4.0功能并能够满足数字工厂中的智能、现代制造需求的标准至关重要。IPC已有CFX标准工作组,定义设备加工数据完整性、有效性、互联互通,实现数据釆集、连接、传输与应用的规范化,CFX标准的关键要素已经就绪。同时,IPC也组建了CFX标准的中国技术组。TPCA也成立了PCB智慧制造联盟(A-Team),以一个标准(PCBECI)及两个平台(智慧制造技术平台+解决方案服务平台)发展产业智慧制造的应用,加速PCB产业全体步入工业4.0。

  工欲善其事,必先利其器,PCB制造企业对设备更加重视,正确选择设备是企业的一项重要决策。PCB制造商评估新设备的采购出于三个目的:第一个是解决产能问题,第二个是满足技术要求,第三个是跟随路线图寻求新技术。PCB制造商应与客户多沟通,掌握市场产品方向与需求,公司自己有个发展路线图,确定何时需要什么新的设备。希望零排放和自动化的绿色工厂在不久将来成为行业规范。现在中国PCB产业有许多企业在新建、扩建工厂,必须有智能化工厂的设计理念,跟上时代步伐。

  电子信息产业即将进入5G时代!5G意味着第五代移动网络,并不局限于手机通讯,从物联网、智慧城市到无人驾驶汽车,都需要5G,如图1所示。几乎各行各业都在摩拳擦掌,为在5G这块大蛋糕切得一角,印制电路板同样如此,5G设备带来了新一代印制电路板。

  5G设备用印制电路板的一个重要特征是高频高速信号传输,高频应用例如图2。因此技术上从设计、材料到制造都要符合高频高速要求。

  从信号完整性的角度对印制电路板设计提出八个基本点,包括:基板材料选择,考虑到介质损耗角正切和介电常数; 基材的纤维编织疏密度,会影响介电性能; 铜表面粗糙度,带来信号传输集肤效应;埋孔与背钻孔残桩最小化,以减少信号串扰; 线路间交叉性,减少耦合电容引起的阻抗失配等等。

  为了成功实现高速PCB设计需要考虑10个最重要的基本规则,产品方能可靠地达到预期目标。这10个基本原则是:

  在高频PCB表面的最终涂覆层与阻焊层会影响PCB电路性能,尤其是加大了插入损耗。插入损耗是射频电路的总损耗,主要包括导体损耗、介电损耗,涉及到导体铜类型与厚度及表面粗糙度、基板介质类型与厚度。现发现阻焊层树脂类型与厚度、最终涂覆层的导电性这些变量也能影响高频和高速电路的插入损耗。设计师应该正确选择高频PCB用层压基板和铜箔,以及选择PCB最终涂覆层与阻焊层。

  印制电路板(PCB)制造的关键首先是原材料基材,没有基材就无法制造PCB。从PCB材料的角度来看,在过去从2G到4G都没有太大的变化,原因是在频率上只有很小的差异。PCB基材基本上选择FR-4一种介质材料就可以了,并没有线 GHz频率,其后就到了28 GHz的毫米波,对材料的要求有很大的变化,因为频率要高得多,所以材料损耗要小得多,铜箔亦必须更薄、更光滑。5G用PCB有更多的集成电路,需要更为复杂的多层PCB,这类高速高频PCB更复杂、更厚,如有超过77GHz的雷达用PCB。高频层压板从介电常数(Dk)、介质损耗(Df)、Dk的热系数(TCDk)、吸湿性、耐热性和导热性、铜表面粗糙度等方面显示了与FR-4的差异。

  PCB基材中影响Dk和Df的主要是树脂类型,低损耗材料如聚四氟乙烯(PTFE)和液晶聚合物(LCP)更有优势,然而由于成本高和加工性差而使其应用受限。现在认定LCP基材PCB在RF和MW领域有广阔市场,生产能力可以制造25 mm线宽/线距的LCP电路板,包括挠性板、刚挠结合板、封装载板和高达20层的多层板,因此LCP基材应用在增多。决定介电性能除了树脂成分外,增强材料玻璃纤维布也是重要因素,一是玻璃纤维布种类,有E玻璃布和NE玻璃布差异,前者Dk6.6、Df0.0012,后者Dk4.4、Df0.0006; 二是玻璃纤维布编织类型,编织的稀疏不同会影响到线路穿越不同区域而产生信号传输速度差别。通过案例分析,应用具有致密编织的NE玻璃纤维,可以减小衰减和增强信号的完整性。

  5G用PCB为有利于高频信号完整性和电气性能,希望PCB高密度小型化,其互连线路长度较短,导通孔较小,以及介质层较薄,从而减少布线延迟可以提高信号的完整性。如PCB上高频高速电路为克服噪声、射频干扰(RFI)和电磁干扰(EMI),采用HDI板的微通孔技术是目前最可行的解决方案之一。以智能手机为代表的HDI板趋向更高密度,及更先进的制造工艺,具体体现在类载板和改进型半加法。

  类载板(SLP,Substrate Like PCB),顾名思义是类似载板规格的PCB,它本是HDI板,但其密度规格已接近IC封装用载板的等级了。类载板的催产者是苹果新款手机,在2017年的iPhone 8中,首度采用以接近IC载板制程生产的类似载板的HDI板,可让手机尺寸更轻薄短小。

  类载板也促进了改进型半加成法(mSAP)的发展。从2017年到2023年预计SLP的产值年均增长率为51%,从1.9亿美元增长到22亿美元。SLP的主要特征是线宽/线距(L/S)密度介于HDI板与载板之间,目前为30/30 m与15/15 m之间;制造工艺是釆用覆薄铜箔(

  HDI板的演进,从早期的芯板顺序层压工艺生产具有60 m线宽/线距(L/S)能力,到堆叠孔取代交错孔的“任意层”互连技术生产出40 m 。现在进入第三代HDI板,采用半加成工艺(SAP)、改进型半加成工艺(mSAP)和优良改进型半加成工艺(amSAP),实现L/S

  在电子设备市场老牌3C产品(计算机、通讯、消费类)已趋饱和,2018年主流产品手机产量也呈下降,而汽车电子前景看好。汽车电子也包含有3C产品,如数字化控制的计算机系统,车载移动通讯设备,车载音频、视频和空调装置等。导致汽车电子产品强劲增长的因素是汽车电子化的需求,从手动换档到自动换档变速器,从FM收音机到视频播放机,以及空调和电动车窗、发动机控制、巡航控制、安全气囊,导航GPS、LED照明、自动速度和距离控制、行车记录等等,甚至无人驾驶的自动汽车。

  估计汽车电子系统的销售额2018年增长7.0%、2019年增长6.3%,2017年到2021年间复合年增长率(CAGR)为6.4%,与其他主要电子系统类别相比增长最快。同时,汽车电子系统销售额在整个电子设备系统中所占比例也在逐年增加,从2017年的9.1%到2021年预计达到9.9%。全球汽车电子市场2016年为2063.3亿美元,到2024年超过3959.1亿美元,复合年均增长率约6.9%。

  由于汽车在功能和环境方面要求的特殊性,PCB是这些电子系统中的关键部分,必须以其必要的质量和可靠性满足汽车行业要求。汽车对PCB的特殊要求包括如温度、湿度的环境负荷和振动载荷,大功率高电流与高热量负荷,高频高速信号负荷,以及高密度小型化。这类PCB首先要有高性能基材,符合高温、高湿、高速、高稳定性要求。

  在电动车中使用的PCB必须要能够经受100万小时寿命时间内几百安培的电流,及高达1000 V的电压等汽车环境。无人驾驶汽车中提供动力的PCB经受几百伏的电压,要保证它的可靠运行。图5列出了汽车运行环境负荷对PCB及基板的要求。为了满足自动驾驶及互联汽车的信号处理要求,汽车的PCB技术还必须向前迈进一大步,图6总结了重要的功能要求。

  汽车内部功能之间以及与外部之间的信号传输需要高速高频,如互连性或图像识别未来会达到10 GHz,高速应用的雷达频率77 GHz,汽车PCB必须保证优质的信号完整性和电源完整性,并具备良好的电磁兼容性。需要特别注意材料的选择,以保证除电气性能外,材料在温度、湿度、偏压方面的稳定性。

  对于位于最靠近汽车发热源的装置而言,能够满足高于120 ℃操作温度的需求是很常见的。如汽车LED灯需要高散热的可弯曲基板。对于动力系统应用,我们看到热循环要求为-40 ℃/150 ℃,超过2000次循环。对于先进的安全探测系统,不仅热循环要求越来越高,而且对细间距电迁移可靠性的需求也越来越高。随着这些先进的汽车电子装置变得越来越复杂和越来越小型化,PCB也密度不断增加和尺寸缩小。

  可穿戴电子设备早先功能为照相(谷歌眼镜)、计时(手表)和装饰(手环),因与传统同类功能产品相比优势不显著而未成气候。现在可穿戴电子设备结合医疗保健功能,于是得到了快速发展,现行许多医疗电子设备(装置)也是可穿戴电子设备。如采用可穿戴设备可监测、收集、传送人体的脉搏、呼吸、体温、血压等重要数据。

  全球医疗器械市场前景看好,市场研究公司Lucintel的最新报告显示,到2023年,全球医疗设备市场从2018年到2023年以4.5%的复合年增长率(CAGR)增长,预计2023年将达到4095亿美元。经济增长的主要驱动因素包括医疗保健支出、人口老龄化和慢性病。

  医疗电子和可穿载电子产品将是PCB制造业的推动力之一,有许多新技术、新产品为其而产生。如2018年初的日本东京国际穿戴式装置与技术展会上,杜邦公司发表了最新的智慧服饰科技以及全新品牌产品杜邦Intexar,该产品系列包括一整套独特、兼容、可拉伸的电子油墨和薄膜,可用来制造舒适、耐用、可洗涤的智慧服饰。展示智能健身上衣、户外训练衣以及为健康市场设计的智能背心、智慧运动内衣。这些服饰内都搭载传感器及连接器,能够提供实时监测以及记录各种用户的数据并加以分析,包括心率、呼吸速率、心电图、运动负荷等等。还展示用于柔性及可拉伸材料的印刷电路部件。

  又如瑞士的PCB制造商Cicor专门制造微小型PCB,包括小尺寸HDI板和FPCB。他们的客户群主要为助听器等医疗器材和智能手表制造商。新型助听器不仅有帮助听力功能,还有温度传感器、血氧分离传感器等其他的医疗功能,新产品需要更微小PCB。小型化PCB做到线 mm,而且所有层的铜厚度保持在205 mm,这是助听器的无线功能的一个关键指标,不同于细线 mm的条件;激光钻孔直径为35 mm,连接盘直径100 mm,而保持环宽内层为30 mm、外层为20微米;含有盲孔和盘上孔结构,并镀铜填孔;采用12.5 mm聚酰亚胺芯材,4层厚度小于120 mm的挠性电路;达到最高等级可靠性水平。

  加州大学圣地亚哥分校的一个研究小组研制出一种可伸缩的电子贴片,这种贴片可以像绷带一样贴在皮肤上,用于无线监测人体的各种物理和电信号。这个装置大小如一美元硬币(图7),由四层相互连接的可伸缩的柔性电路板组成,每一层都是用硅橡胶弹性体为基底,在每一层弹性体上形成电路,将它们堆叠起来,然后用激光产生微小孔,之后用导电材料填充通孔,实现层间电连接。电路结构采用“岛-桥”设计,每个“岛”都是一个小的、刚性的电子部件(传感器、天线、蓝牙芯片、放大器等),这些岛屿通过由弹簧形状的细铜线构成有弹性的“桥”连接,可在不损害电子功能的情况下伸展和弯曲。这种 “智能绷带”可以把它贴在身体的不同部位,以无线监测不同的电信号。智能绷带可以与智能手机或笔记本电脑在10米距离内无线:可伸缩的电子贴片

  可穿载电子产品较多是采用印制电子技术,印制电子技术面临需要各种各样的专用油墨和印刷机设备,涉及网版印刷与喷墨打印用导电油墨,喷墨打印设备也有不同类型。印制电子产品有非常适合医疗应用的优势,并且还在扩大应用和增加价值。随着在印刷技术、导电油墨和基板性能方面持续进步,印制电子产品的价值也将推动更新、更复杂和高功能医疗设备的增长。

  有许多印制电子材料被开发应用。如立体线路印刷用富有伸缩性银浆:朝日化学研究所开发出一款立体线」,富有伸缩性,即使固化后施以加热与变形,银浆也不会出现龟裂或破碎的状况,该银浆进行线路印刷并加热、成形后,可制作出3D曲面的电极或电路图案。又如最大可拉伸3倍之导电性油墨 :日本东洋纺开发了一项最大可拉伸3倍之导电性油墨,可印刷于具伸缩性之基板上,形成电子电路。这种液态导电胶是将导电性粒子、树脂及溶剂混合制成,导电性粒子有银或碳两种,印刷于基板上的电子电路弯折之后也不会断线倍仍能传导电气,且经耐久性实验确认经过100次的洗涤,仍可维持其导电性,可望应用于智能衣物或机器人等感应压力之传感器用途。另外,东洋纺开发之智能衣料(COCOMI)可直接接触肌肤,用以接收心脏或肌肉所发出的电气讯号,以进行心跳等生物体信息的量测。未来也将把新制品应用至具有伸缩性需求之机器人或可挠式面板等用途。

  3D打印是种加成制造技术,在医学领域应用取得了显著成效。医疗方面应用有打印出血管组织、低成本假体、成药、医疗器件、病人专用石膏铸件、骨头和颅骨替代物等,也包括医用3D印制电路。通过3D打印做以前不可能做的事情,带来一个新时代。PCB引入3D打印技术,3D打印电路必将成为颠覆性技术。目前,医疗器械应用的PCB标准:一个棘手的问题!医疗产品种类繁多,有大型的X光设备、假肢手臂到微型助听器或传感器,有人体外部的诊疗设备到植入人体内部的功能装置,不同医疗设备有其特殊要求和承受各种环境条件,要制订适用于所有这些医疗设备的标准就成了难题。IPC接受挑战,成立了开发医疗设备用PCB标准的技术组,制定比IPC-6012和IPC-6013要求更高的IPC补充标准,建议IPC-2220系列中设计可生产性级别从原有的A、B、C三级增加D级(极低设计可生产性),确定所适用的PCB技术规范,为医疗用PCB的可靠性和耐久性提供高度的保证。

  以上陈述了2018年中四个方面PCB技术热点内容。这四个方面PCB技术热点所引述资料基本都是2018年的国外文献,体现出先进新技术的发展。而在常规工艺技术方面也是有改进发展的,例如有欧洲公司的超高分辨率光致抗蚀干膜,这种高性能干膜厚度20微米,可以达到10微米以下的线宽/线距分辨率,干膜成像曝光可以用传统的UV光,也可用DDI(数字数据成像)、LDI(激光直接成像)。化学镀镍/浸金(ENIG)作为最终涂饰,这种浸入式化学镀金的金厚度约为70 nm,现在有自催化镀金工艺,可以实现厚金层,当金层能达到100 nm以上可以不需要镍阻挡层了,因此采用化学镀钯/自催化金(EPAG)最终涂饰是最适合高密度高可靠PCB 要求。一种创新的直流电(DC)硫酸铜填充液配方,采用垂直连续电镀(VCP),能快速填充微通孔,同时表面镀层最小化,如填满一个125 m×755 m的盲孔,在外层表面上仅沉积厚度105 m的铜。在HDI板电镀铜时,在同一电镀槽要同时实现填充盲孔、电镀贯通孔(PTH),并达到较高的厚径比(AR),进行工艺优化,调整硫酸铜、硫酸、氯化物离子配比,及有机添加剂含量,特别是添加剂浓度适宜的配比,以及恰当的阳极、电流密度、镀槽的物理搅拌等,能达到电镀均匀性和填孔要求。对PCB表面阻焊剂有高耐热要求,液态光致成像阻焊剂的组成成分改进,使得阻焊剂达到长期工作温度175℃,对高光反射要求的白色阻焊剂做到长期高热环境下不泛黄。

  挠性电路板(FPCB)、刚挠电路板(R-FPCB)虽然没有专项列为技术热点,而在上述四方面中都包含有FPCB和R-FPCB的技术,它们具有成卷生产(RtR)的条件可能在智能制造先行一步;它们同样有高频高速和高热要求,以及精细化要求,也在采用SAP和mSAP工艺;在可穿载电子和医疗电子中FPCB的应用更多。挠性电路应用之广泛正以惊人的速度向前发展,可以说:挠性电路的可能性是无穷的,它只受想象力的限制。

  技术变化是不停的,只是有速度不同。当前电子技术的发展比以往任何时候都要快,PCB正向高精度、微小化发展。慕尼黑上海电子展顺应国家深化电子制造业改革的趋势,通过大量展出符合数字化、智能化、低碳化、网络化发展潮流的PCB产品,让展商和到场的专业观众充分领略到电路板产业群强大的制造实力,并及时分享代表行业最高水准的新技术和新理念。



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