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市场分析
2003年秋,由日本电子信息技术产业协会(JElTA)的“电子封装技术发展规划专业委员会”编写的《2003年版日本电子封装技术发展规划》(以下简称为“规划”)报告正式公开发表。
这份“规划”报告是一份对今后日本印制电路业发展起到指导性作用的重要文件。
它是在对数百个与电子封装业(包括印制电路业)相关的厂家、研究院所进行问卷式调查的基础上,组织各个方面的专家编写的。
在日本,这种具有很高权威性的“规划”报告,每两年发表一次。
这一“规划”报告,对于我国PCB业在研究、了解世界PCB制造技术在未来几年发展趋势是
很难得的参考资料。
笔者以日本近期出版《电子材料》杂志所发表的文章为基本素材,对此报告中的有关印制电路板技术发展趋势方面的内容加以综述。
1“规划”的产生背景与新特点
1.1“规划”产生背景
当前,在印制板技术发展方面,是以高速信号处理的电子产品所用的PCB为典型代表。
这类整机电子产品在高性能化、高密度化要求方面更加突出。
这些重要性能要求,不但影响着整个印制板制造技术发生大的变革,而且还引起了在PCB的构造上产生了新变化。
即主要表现在:
在半导体封装基板(又称为封装载板)和一部分的超高密度主板(又称为母板)上,开始采用类似半导体的制造设备和制造工艺,以达到电路图形的高密度要求;为了满足电气特性,在印制板的内部埋入了IC和无源元件。
占市场份额大半部分的产品群,由于近年日本国内许多整机电子产品生产厂外迁到中国内地,使得在日本国内生产的这类产品的市场比例有所缩减。
同时,日本厂家还面临着来自中国内地、中国台湾地区及韩国等同行的激烈竞争。
1.2“规划”的新特点
面临着上述发展背景,对比2001年版的“规划”报告内容,2003年版的“规划”报告提出了一些新的观点,增加了不少新的内容,特别是它根据半导体封装
基板和高密度印制板的技术发展新动向,提出了“提高制品群之间的整合性认识和实施”的新观点和内容。
“规划”报告中指出:
今后印制电路板厂家所开发的具有挑战性的课题,主要集中表现在配线的超微细化技术、导通孔的微细化技术以及电子部品埋入基板化技术等三方面上。
以下重点综述2003年版的“规划”报告中的有关印制电路板内容的部分。
2主板的发展规划
2.1整机电子产品的要求
整机电子产品制造技术的不断发展,也给PCB不断提出更高、更新的性能要求。
这些要求是驱动印制板制造技术迅速发展的主要原动力。
首先研究了解未来整机电子产品对PCB的要求,才能更准确的预测今后几年PCB制造技术的发展趋向。
表1预测了日本11类主要整机电子产品对PCB(主板)结构的要求。
从表1中的各类整机电子产品所用PCB的品种变化来看,目前已经有很多的产品采用了积层法多层板(几乎占了一大半)。
而到2006年还有很大部分原来采用贯通孔(IVH)型一般多层板,表l中的部分电子产品将在2006年或到2012年间,将全部或部分的使用埋入电子元器件基板。
这类在2003年开始迅速崛起的新
型多层板,可以实现基板的更加小型化、薄型化、信号传输的高速化。
如果今后几年在制造成本上得到降低,那么会有许多类电子产品的模块基板和主板(母板)
用这种基板。
另外,伴随着高速信号处理的进展,预测RF/混合信号电子产品等的三维安装要求将会有很大的增加。
为了满足上述电子信息产品的未来发展,2003年版的“规划”报告对印制电路板提出了技术上的发展课题及具体实施性能的目标。
在本文介绍这些方面内容之前,有必要介绍一下有关JEITA在“规划”报告中,所提及的对PCB在技术水平上划分的三个不同等级的问题。
自JElTA编写2001年版的“规划”报告时起,为了明确PCB在市场上的不同地位,将PCB产品按照不同的技术水平档次,划分为A、B、C三个等级:
A等级PCB产品是指在日本PCB市场上占有80%的销售额的技术水平为一般的PCB产品;B等级PCB产品是指占有15%的PCB产品市场销售额的、具有先进技术水平的PCB产品;而C等级PCB产品是指在整个PCB业中都认为是含有尖端技术水平、已投入工业化生产的PCB产品。
这三个产品等级的划分原则是与IPC同样内容的发展规划报告书中的对PCB水平等级划分的原则所对应的。
在日本JEITA2003年版的“规划”报告中,对这三个等级的PCB产品今后多年(至2012年)分别制定了PCB产品所要求达到的性能目标。
鉴于篇幅有限,本文主要介绍的是对B等级要求的PCB品种、技术的发展规划情况。
2.2对基板材料的要求
在今后几年电子信息产品发展对基板材料要求方面,JEIT的“电子封装技术发展规划专业委员会”对PCB厂家广泛调查的结果表明,绝大多数PCB厂家认为:
在今后多年内,在对基板材料要求的众多项性能中,其重要的项目按顺序排在前三位的是介电特性、玻璃化温度和热膨胀系数。
(1)介电特性。
表2所示了B等级印制电路主板的介电特性要求的趋势。
在作为主板的双面板、多层PCB、积层法多层板中,预测将在2004年和2008年分别提高基板材料介电特性。
另一特点是:
它们对所用的基板材料性能要求的幅度,总体低于封装基板用基板材料性能要求的提高幅度。
但是,今后高速信号处理的PCB为了实现更小的传输损失,鉴于主板的配线长度要比封装基板长,所以在介质损失因数方面今后甚至有比封装基板要求更严的倾向。
这—特点,在表2中的基板材料介质损失因数的今后变化方面有所体现。
需要指出的是,在“规划”所提出的今后基板材料介电常数的
变化内容上,JEITA在编写2003年版的“规划”中,参考了“2002年度国际半导体技术发展规划”(ITRS:
InternationalTechnologyRoadmapforSemiconductors)文献的相关内容。
ITRS规划中预测:
目前在笔记本电脑中,从集成块到主板的总线频率是在数百兆赫兹范围,而预测到2007年将上升到1GHz以上的使用范围。
预测高速化服务站和主计算机的频率要求,是会在几吉赫兹的应用范围内。
一般高频率下工作的电子产品,都有要求它的基板材料介电常数值要更低的倾向。
今后在1GHz以上所使用的高频电路用基板材料介电特性的评价方面,ITRS规划中预测会出台以新的实验方法为内容的专一标准。
(2)玻璃转化温度。
与介电特性相同,对基板材料的玻璃转化温度值的要求,在2004年和2008
年分别在两个时间段内,预测会有所提高。
要求基板材料的玻璃转化温度值提高,其主要原因来源于:
今后随着无铅化焊剂的广泛采用及所搭载的电子部品多样
化的推进,装配工程中经历热冲击的环境将会更加恶劣。
今后多层板和积层法多层板的玻璃化温度要求,要比双面板玻璃化温度要求高出30℃左右,如表3所示。
(3)热膨胀系数。
预测在对基板材料的热膨胀系数要求的较大变更,会出现在2008年。
无纤维增强基材类积层法多层板树脂层在X、Y方向(板的面方向)热膨胀系数,由于到2008年面阵列倒芯片连接等形式的直接芯片连接模块基板搭载在主板的情况,会得到广泛应用,因而产生对主板的基板材料热膨胀系数有更加低的要求。
另外,积层法多层板的厚度的减小和电气强度要求的提高,使得采用一次层压法的高密度互连多层板方式增多。
这样,在防止(或减低)基板的翘曲、扭曲方面将有更加迫切的要求。
这需要基板具有更低的热膨胀系数的特性加以保证。
表4给出了未来在对基板材料的热膨胀系数要求的变化趋势。
3.3主板电路图形尺寸的发展
(1)最小导线宽度/间距由于CPS采用率的增加及电子器件的端子窄节距化的进展,主板的最小导线宽度/间距预测今后将更加微细化,特别是高密度安装的积层法多层板的最小导线宽度/间距微细化倾向表现得更加强烈。
主板的最小导线宽度/间距变化,与基板材料性能要求变化规律相同,它会分别在2004年和2008年两个时间段出现较大的变化。
表5表示了今后B等级印制电路主板在最小导线
宽度/间距要求方面的变化。
(2)孔径尺寸
从发展趋势上看,PCB连接盘径尺寸的微细化倾向,要比孔径尺寸的微细化更高。
这是由于在高密度封装工程的进展中,PCB在孔径和连接盘径方面,同时达到它们的更加微细化是十分困难的。
连接盘径的微细化,实质是在保证孔的位置精度和孔环宽度精度上的制造水平提高。
而孔径的微细化的实现,必须在所用基板材料的尺寸稳定性上、在孔加工时的位置精度上、在孔的加工尺寸精度上等获得提高,这在孔径微细化工作中是具有挑战性的课题。
表6是今后B等级的贯通孔型主板在孔径尺寸方面的变化趋势。
表7是今后B等级的非贯通孔型PCB主板在孔径尺寸方面的变化趋势。
3封装基板的发展规划
3.1封装基板主要特性的要求。
(1)介电特性。
表8所示了B等级封装基板的介电特性要求的变化趋势。
封装基板的介电特性要求的变化趋势,预测是以高速信号处理类整机电子产品未来市场需求扩大的预测结果为依据的。
一般型刚性封装基板、刚性积层型封装基板与一般PCB(主板)具有比较相同的变化规律:
在2004年时,对基板材料介电特性的要求要提高一个档次(见表8)。
而在2008年时,带状挠性封装基板在介电特性要求方面,要有较明显的变化(见表8)。
陶瓷基封装基板的介电常数性,所要求的幅度较宽。
随着应用于高速信号处理类电子产品的埋入元器件型陶瓷基封装基板的市场扩大,预测这类陶瓷基封装基板今后在制造技术方面,在不同介电常数的陶瓷基材进行复合、积层在—起的工艺技术及基板产品会获得很大的发展。
(2)玻璃转化温度。
今后数年内B等级封装基板对玻璃转化温度要求的变化趋势见表9所示。
对封装基板的玻璃转化温度要求变化,预测也是会在2004年和2008年两个时间段内发生变化。
今后,由于搭载的半导体芯片的发热量增大以及无铅化焊剂的正规化广泛使用,使得对基板的耐热性的要求有更大的提高。
但在带状挠性封装基板上所使用的Tg在280℃的基板材料的要求,直至2010年前不会有变化。
(3)热膨胀系数。
为了适合封装技术上的面阵列倒芯片连接发展需要,预测在2004年和2008年两个时间段内,对封装基板的热膨胀系数会要求得更加小。
无论是带状挠性封装基板,还是刚性积层型封装基板,今后在更加薄型化的发展方面会有较大的进
展。
鉴于这种发展趋势,要求采用低热膨胀系数会更加强烈。
原因在于:
为此来配合解决(防止或降低)板的薄型化而随之产生的板翘曲的问题。
但是需要注意的
是:
今后在发展低热膨胀系数的封装基板用基板材料方面,不仅需要它的树脂组成具有更低的线热膨胀性,而且还需要有优秀的刚性特性。
这是今后基板材料生
产厂一个具有很大难度的需要解决的课题。
表10所示了今后B等级封装基板对热膨胀系数要求的变化情况。
4.2封装基板电路图形尺寸的发展
(1)最小导线宽度/间距。
在电子封装工程方面,预测今后面阵列倒芯片采用率的增加和半导体器件“叠加法”安装率的增加,使得金属凸块的窄节距化得到快速发展。
封装基板的线宽/间距也会出现更加微细化。
预测带状挠性封装基板的线宽/间距尺寸,在2010年会发展到10μm程度。
而刚性积层型封装基板的导线微细化程度,到2008年导线宽度会发展到15μm。
封装基板导线微细化的发展,使得今后基板的电路形成技术获得新进展:
一方面是改善原有的减成法工艺,另一方面是由半加成法代替,还会开始出现采取如同半导体电路形成工艺方法那样的感光平版印刷法。
针对在基板上晶片的不同而形成许许多多的导通孔的发展趋向,预计今后会以围绕着采用短波长的感光型卷状薄膜基板材料去开展新基板材料的开发工作。
表11中表明了今后B等级封装基板在最小线宽/导线间距上的发展动向。
(2)孔径尺寸。
现在普遍采用的封装基板的孔加工形式有:
机械钻孔法、激光加工孔法以及在带状封装基板上的冲孔加工法等。
而形成微小孔径的孔加工方式,多采用CO2激光加工的方式以及在孔径为50μm以下所采用的UV-YAG激光加工的方式。
从
微小孔径加工的低成本角度考虑,今后在UV-YAG激光加工的方式上降低输出脉冲的能量而达到高速加工的效果是激光微小孔径加工的一个重要课题。
对今后
几年在孔径加工方面的孔径尺寸要求的变化,可从贯通孔型封装基板和非贯通孔型(盲孔、埋孔、叠加孔等)封装基板的两大类,分别进行预测。
从表12(贯通孔型)和表13(非贯通孔型)的两大类封装基板在孔径尺寸方面的变化,可以看出:
非贯通孔型封装基板在孔径尺寸的微细化上会发展得更为严格。
3埋入元器件基板的发展规划
在无源元件埋入基板的开发进展方面,按照当前开发进展的顺序,可排列为:
模块;封装基板;母板(见表14所示)。
而印制电路板厂家加入埋入无源元件基
板产品的开发队伍,主要表现在封装基板和主板的开发项目中。
在上述无源元件埋入基板三大类产品的开发中,对无源元件埋入模块类产品的需求具有很大的潜
力,因此它的市场今后快速扩展的可能性,则预测为最高。
电阻和电容埋入封装基板产品,在美国已经开始形成了一定的市场。
以提高电气特性为目的,埋入一
部分半导体器件或半导体芯片的PCB产品,在开拓市场方面目前已经得到了成果。
在一般型PCB主板内实现元器件的“内藏化”,目前已经在整机电子产品生产厂的设计中出现了“萌芽”。
而这个“萌芽”今后能否“茁壮生长”,不仅需要提高PCB厂的制造能力,更重要的是能够使整机电子产品生产厂家很容易接受和采用。
而后者是这种新型基板技术与产品“生长”的“土壤”。
为了实现这一必要的发展条件,PCB厂在今后要不断努力,去达到整机电子产品生产厂对这种新型基板所提出的要求。
这些要求主要表现在以下三个方面:
(1)更加突出的低成本;
(2)在PCB设计变更时,能实现基板制作的短交货期;
(3)基板品质的稳定性提高。
埋入无源元件基板在实现低成本化中,一项重要的工作是要全面认识它的制造成本。
即不仅要考虑单个PCB的成本,而且还要包括埋入的无源元件及在PCB外侧搭载元器件的成本,装配成本等。
假如无源元件埋入基板的成本要比原来的PCB制造成本高,而在代替了原有在表面上搭载的元器件的成本和削减了装配成本,那么这种新型基板的采用、发展是可行的。
因此要纠正在目前整机电子产品生产厂中普遍存在的不考虑在基板外侧搭载的电子元器件成本和装配成本因素的错误计算成本的方法。
在此项工作的开展中,PCB厂家要与整机电子产品生产厂家共同进行开发和成本的核算。
在基板设计尺寸和图形变更时,埋入元器件基板如何能够迅速适应其变化,已经成为目前发展埋入芯片部品基板的制造技术发展的最大障碍之一。
今后埋入电子元器件的基板技术进展,应该具有这样的功能:
当这种基板设计在尺寸与图形的变化更改时,能够很快的对原有已定的尺寸数据和公差进行修改,甚至是在板的层数上进行改动。
在世界上,目前已经初步开发出适应这种变化的CAD系统软件。
在这项工作开展上,走在最前列的应属以美国电子封装及印制电路业为代表。
此项课题的开发,是要实现在设计变更后,随着对板的原有确定的尺寸数据和公差要求的改动。
在使用材料方面,在设计变更后也要重新选择的应变能力,并且还应达到设计变更后,板制作的短交货期化。
今后提高埋入元器件基板的品质稳定性的工作重点,是所用基板材料在温度、湿度变化的条件下,能够达到其性能的高稳定性,以及在板的加工尺寸精度上得到提高。
在美国,正在开发采用激光法剪裁埋入电阻件的一种新设备。
它可根据测定出的在电路上形成的电阻值,进行对电阻材料的尺寸剪裁,最后达到所要求的电阻值。
在生产这类基板中,增添这种设备,需要有一定的投资。
因此,需要考虑它的制造成本问题。
同时还要考虑其激光加工电阻材料的尺寸公差问题。
在解决埋入电阻件尺寸的高精度的开发中,寄托于所用新材料在此方面对电阻件尺寸精度给以保证。
剪裁埋入电阻件的新工艺及新装备的开发课题的成败,还与对埋入电阻(或电容)进行检测的方法及检测的专用设备紧密相关。
今后开发这种检测方法及专
用检测设备工作,只有获锝突破性的进展,才能会使埋入元器件基板的市场得到更大的扩展。
建立一整套埋入元器件基板品质保证体系是一项十分重要的
工作。
在此体系中,基板的设计者、印制电路板生产业以及元器件装配业等,都需要明确和加强各自所需担负的责任和作用。
4对未来PCB发展特点的预测
4.1PCB发展的总趋势
随着电子产品的高功能化、低成本化的进展,一方面是对印制电路板性能的要求项目的增加,另一方面是PCB的性能技术指标将发展得更加严格。
4.2PCB技术发展的途径
在适应今后电子产品的高功能、高速高频化、轻薄短小化及低成本化发展上,研究今后在印制电路板性能项目上的变化,可以看出:
有的是在现有的制造技术的延长线上解决新问题。
但像PCB微细化的课题,在传统的PCB制造技术上得到解决是件很困难的事情。
这种困境突出表现在封装基板实现微细化上。
在推动封
装基板的微细化工作中,继续走现有的PCB制造技术之路,已经面临着“山穷水尽”的处境。
预测今后在此方面的尖端技术发展,将超越原有采用的无机材料和有机材料的制造界限。
最小导线宽度/间距在10μm以下的PCB产品的制造,会采用半导体那样的制造技术。
这对于一般PCB厂家来说,在技术上是很难以达到的。
为此,预测有的印制电路板厂家将转向采用复合化工艺技术,去进行这种微细化基板的生产。
在上述导线宽度间距在10μm以下的超微细化印制电路板的应用中,已出现了具有代表性的新技术,那就是无源元件埋入基板内和有源器件埋入基板内的技术。
它的应用制品领域主要是SiP(system-in-a-package,封装
内系统,或称为系统封装)。
SiP是将不同功能的元器件,通过不同种技术,混载于同—封装之内,由此而构成系统集成封装的形式。
它是在单个封装中加入多个芯片、叠层芯片以及无源器件,最后发展到一个体系。
在SiP中,要实现在一块很小面积的底基板上,搭载多个功能的芯片、无源器件,其关键技术是连接技术等的复合化。
可以看出,由于它是将不同材料特性的部品,采用不同连接技术加以组合在一起,因此,进行SiP技术开发的很重要工作,它是在材料特性上的开发和界面分析技术上的开发。
4.3统一设计的重要性提高
为了能够更加迅速地适应于今后电子产品市场的不断变化,预测会加快整机电子产品中的电子系统和半导体元器件共同统一设计的步伐。
目前,日本在设计工具方面的技术开发进展,落后于欧美。
因此,摆在日本电子封装业中的一个非常重要任务之一,是为了确保PCB在国际上竞争的优势,产学官(产业方,研究
院、所方,政府管理部门方)需要联手合作,尽快地开发出包括模型化及模拟化内容在内的统一(协调)的设计工具。
4.4充分挖掘技术资源,设计技术上水平在作为主板的PCB产品方面,尽管今后在发展微细化上比封装基板类产品的要求要和缓些,但由于主板所搭载的半导体封装的信号传输高速化方面的进展,使得对主板的信号传输完整性的要求将更加严格。
提高主板信号传输完整性的普遍对策是要采用优异介电特性的基板材料,以及努力实现作为传输线路的PCB的最佳设计。
PCB的高速电气电路的设计是PCB厂家今后所应具备的技术。
在今后的多年间,只维持一般的PCB设计技术是不可行的。
要确保在与世界PCB业同行,特别是与中国内地、中国台湾的PCB业同行的竞争上优势,就必须在制造技术上得到不断的提高。
而推动这项制造技术进展的关键是它的设计技术。
发展日本PCB的设计技术,就要在努力扩充技术资源上狠下功夫。
单独的发挥PCB厂家的技术资源,去提高今后的设计技术水平是很困难的,必须与整机电子产品厂家、半导体厂家以及无源元器件厂家的战略联盟,去求得更广泛的技术资源地挖掘。
4.5适应新的经营环境,提出新的发展战略
日本PCB业所处的经营环境,一度在2001年全球性IT不景气的情况下,受到很大的冲击。
在这种经营环境下,日本的PCB制造成本比2001年前减少了30%左右。
加之,由于整机电子产品生产的中心移到中国内地而受到了日本国内厂纷纷向海外迁移的影响。
使在日本国内的高附加值PCB产品的竞争就更加激烈。
开发具有代表下一代PCB技术的埋入元器件基板产品的投资环境,预计也并非有多乐观。
在这种恶劣的投资环境下,看来只有少数的具有雄厚资本的大企业才可能在发展埋入元器件基板产品生产方面进行运作。
而造就一个很多PCB厂家都来生产此类基板的“事业化”局面——预测在2012年前实现的可能性是很小的。
今后日本小型PCB厂家,预测在经营上转变为灵敏性的短交货期和在技术上发挥独有的“强项”技术的两方面,会得到长足的进展。
今后日本整体PCB业发展步伐的快慢,很大程度上取决于日本PCB业中的中坚企业。
他们是否能够适应于快速实现高性能的要求,以及是否制定及实施发展市场新空间和发展技术新领域的确实可行的战略,这将是摆在这些中坚企业面前的—个十分重要的问题。
预测在不久的将来,这些中坚企业在以往所从事和把持的PCB业许多领域内,都将会遭遇与中国内地、中国台湾同行的激烈的竞争和残酷的价格大战。
将日本PCB企业与客户之间的以往供需关系转变为之间的共同合作关系,与客户联合开发所需求的PCB新技术——这是今后发展日本PCB业所非常期望出现的新局面。
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