新一代信息技术将PCB逼上微米级时代

林金堵

CPCA顾问

本刊名誉主编

信息技术[1]代表着当今世界先进生产力的发展方向，它能将信息的重要生产要素和战略资源得到充分发挥、优化资源配置，推动传统产业升级，提高社会劳动生产率和社会运行效率。因此，信息技术已成为世界发展和进步的重要生产力，受到世界各国密切关注和重要投资。

当今世界正处在信息技术革命的时代，信息技术革命正以传统产业难以比拟的“增量效应、乘数效应和技术外溢效应”形式，不断向着其他领域的产品和服务渗透，并推动相应产业产品和服务平台的信息化的快速发展和进步。因此，信息技术领域已经成为国家创新能力，推动经济和社会发展以及提升整体竞争力的最重要的动力引擎！我国早在“十一五”（2006年至2010年）规划中就明确了国家战略新兴产业是国家重点扶持的对象，其中信息技术产业被确定为七大战略产业之一。2010年《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决策》中列出了七大国家战略性产业体系，再次提出了信息技术产业为七大战略产业之一。信息技术产业的重要性和地位在“十二五”规划和“十三五”规划中仍然获得持续的扶持和发展，特别突出了发展“新一代信息技术”的重要性。

新一代信息技术是信息技术的升级和换代性的发展和进步。新一代信息技术的“新一代”意味着不仅是信息技术领域中的分支技术（如集成电路、计算机、无线通信等等）升级，更重要的是指整体信息技术平台和产业实现“代”级变迁和跃升，将更大的推动国家经济社会发展和进步。

1 信息技术

信息技术（Information Technology）是指“用于管理和处理信息时所采用的各种技术的总称”。信息技术的主体（要）内容是：采用计算机科学和通信技术来设计、开发、安装和实施信息系统及其应用软件，它包括了传感器技术、计算机与智能技术、通信技术和控制技术等。从内容来看是以信息和通信两大部分为主体，因此信息技术又可称为信息和通信技术。

1.1 信息技术的分类

信息技术的分类可以按结构组成、工作程序、应用设备类型、功能层次等进行，但大多数是按前两种方法。

1.1.1 按结构组成分类可分为硬件技术和软件技术

（1）硬件技术。硬件技术主要是指各种信息设备及功能部件，如电话机、手机、通信卫星、多媒体电脑等的设备及其功能部件。

（2）软件技术。软件技术主要是指信息的获得和处理的各种知识、方法和技能，如语言文字技术、数据统计分析技术、规划决策技术、计算机软件技术等。

1.1.2 按工作程序分类。

信息技术按工作程序分类可分为以下五大类：

（1）信息获取技术。信息获取技术包括：信息的搜索、感知、接收、整理等，其中包含各种设备，如望远镜、照相机、显微镜、卫星，以及温度计、钟表、互联网搜索器等。

（2）信息传递技术。信息传递技术包括：超越空间的共享信息技术、单向或双向传递信息技术、单通道和多通道传递信息技术、广播传递信息技术等。

（3）信息存储技术。信息存储技术是指跨越时间而保存的信息技术，如印刷/打引技术、照相技术、录音/录像技术、磁盘/光盘技术等。

（4）信息加工技术。信息加工技术是指对信息进行描述、分类、排序、转换、浓缩、扩展、创新等技术，其过程已经由人脑的信息加工走向机械设备自动化加工又发展到计算机与网络化加工。

（5）信息标准化技术。信息标准化技术的目的是使信息的获取、传递、存储、加工等的各个环节能有机融合，提高信息共享交换能力和效率，并为此而制定共享和遵守的相关的标准，如信息管理标准、字符编码标准、语言文字规范化标准等。

2 新一代信息技术

新一代信息技术是信息技术的升级和换代，不仅是信息技术领域中的分支技术（如集成电路、计算机、无线通信等）升级，更重要的是指整体信息技术平台和产业实现“代”级跨越。将促进人类和世界走向“万物互联时代”。

新一代信息技术产业的含义和主体内容：加快建设宽带、泛在、融合安全的信息网络基础设施；推动新一代移动通信、下一代互联网核心设备和智能终端的研发与产业化；加快推进三网融合；促进物联网和云计算的研究和示范应用；着力发展集成电路、新型显示、高端软件、高端服务器等核心基础产业。新一代信息技术的主要方向是：下一代通信网络（NGN，Next Generation Network）是建立在IP（Internet Protocol）、物联网、三网融合、新型平板显示、高性能集成电路和云计算为代表的高端软件等六大内容。

（1）下一代通信网络是建立在IP（Internet Protocol）技术基础上的新型公共电信网络，能容纳各种形式的信息在统一管理平台下实现音频、视频、数据信号的传输和管理，提供各种宽带应用和传统电信业务，是一个真正实现宽带窄带一体化、有源无源一体化、有线无线一体化、输入输出一体化的综（整）合业务网络。

（2）三网融合。三网融合是指电信网、移动互联网和广播电视网的有机融合，而不是物联网的形式。

（3）物联网。射频识别标记（电子标签）（RFID，Radio Frequency Identification）在物联网初期得到极大发展。RFID可分为低频、高频、超高频和微波，目前RFID已向超高频或微波方向发展，同时，物联网也向智能交通、智能监控、手机支付农民和导航等发展。

现在的物联网主体是广泛应用RFID、二维码、传感器等技术，今后将向纳维码数字标识（如光学指纹或纳米“身份证”）技术发展此项技术。集纳米、光学、材料和信息等相关技术突出特点是看不见、不可复制和抗高温等恶劣环境，达到安全可靠，并可应用于多领域[2]如各种设备、部件、印制板产品等。

（4）新型平板显示。目前，新型平板显示是以薄膜晶体管显示器（TFTLCD）为主体方向发展，现在又向有机发光二极管 OLED、电子纸等显示器系统发展。

（5）高性能集成电路。大家知道，集成电路产业是信息技术产业基石，同样的，新一代信息技术产业必须要高性能集成电路产业相适应。在新一代信息技术中，高性能集成电路与物联网、云计算、大数据等的融合必然会推动高性能集成电路产业快速发展壮大（表1）。

表1 近10年来中国IC集成电路布线的发展速度

高性能集成电路的“高性能”主要表现在它的集成度、大功率化和高导热化上，并且正在快速走向光量子芯片[3]方向。

①IC的高集成度。集成电路（IC）是把晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连。在一小块半导体晶片或介质基片上，封装然后在一个管壳内形成具有电路功能的微型组件。集成电路的特点和发展是其集成度按“摩尔定律”（即集成电路上集成元件数量是以每18个月增加一倍，其性能也增加一倍等）的速度发展，集成电路的技术已经由微米技术时代（2000年以前量产的为0.5 μm～1.0 μm）进入纳米技术时代，如2014年量产的集成电路为32 nm，2018年量产的集成电路为16 nm，而试产的集成电路已到达7 nm。可以看到这个发展速度还会继续，其布线密度已经接近物质的原子尺寸大小（极限），未来的集成电路的集成度要创新发展必然要跳出“摩尔定律”。

②IC的大功率化。由于集成电路的高集成度化，不仅在单位面积上要连接更多的元件数量（不是一般的增加，而是成千上万倍的增加），而且要求在更大面积上进行集成元件。因此，从生产效率和成本上看，集成元件的半导体晶片（如硅片）尺寸已经由Φ200 mm→Φ300 mm，将向Φ400 mm或Φ450 mm发展，集成电路的功率将会越来越大。

③IC的导热化。由于集成电路的高集成电度化、大功率化等必然要产生大量热或高导热的课问题。目前，各种各样应用领域的集成电路的工作温度（如表2）。

表2 集成电路在不同领域中的工作温度

（6）云计算。云计算是指计算任务分配到大规模的数据中心或大量计算机集群组成的资源上，使各种应用系统能够根据需要而获得计算能力、存储空间和软件服务，通过互联网将计算资源免费或按需租用方式提供给使用者。在使用者看来，云计算是可以无限扩展的、获取随意的、按需使用、按使用付费，像人们使用水电一样的基础设施。大规模的数据中心或大量计算机集群的核心是超级计算机，而百亿亿次超级计算机（又称e级超级计算机）[4]是世界各国进行高端信息技术上创新和竞争的最高点。2020年将会研制出百亿亿次超级计算机，不仅会带来新一代信息技术的发展与进步，而且也关系到谁能引领世界新一代信息技术的领导者！

3 新一代信息技术对PCB的主要要求

凡是信息产生、加工处理、传输和应用等都离不开PCB，而上述的新一代信息技术特点和主体内容（六个方面）都与PCB密切相关、特别是高性能集成电路的介质基板（片）和支撑等更直接依靠PCB技术和产品来组成，或者说新一代信息技术需要高性能PCB技术和产品来实现！

新一代信息技术对PCB的主要要求有“三高”方面：（1）高密度化要求，必须与高性能集成电路的集成度相适应的发展；（2）高速（频）化要求，必须与集成电路的高速（高频）化相适应的发展；（3）高导热化要求，必须与集成电路的高导热设计相适应的发展；（4）高性能化要求，必须与集成电路的高性能化的发展要求相适应，才能达到高可靠性和长使用寿命的目的！

3.1 PCB产品高密度化

新一代信息技术的高性能集成电路的集成度（以IC线宽表示）将进入纳米技术时代，而PCB产品性能和发展进步必须与之相适应从而进入微米技术时代（见表3）。从表3中可以看到，PCB高密度化的发展越来越跟不上IC集成度的发展，或者说PCB高密度化的发展越来越赶不上IC集成度发展的要求。按照20世纪末的数据，2018年的PCB线宽应该小于5 μm，实际上可量产20 μm线宽的企业还是极少数。

大家知道，PCB是用来支撑集成电路等元件的，高性能集成电路必须要有高性能PCB来支撑。在高性能集成电路的发展中，对PCB最突出而迫切要求是高密度化（线宽）发展与进步。这里所指的高性能集成电路是指小于10 nm的“纳米级”互连布线，而高密度PCB是指小于10 μm的“微米级”互连布线。PCB要实现“微米级”连线的高密度化，必须在材料和制造技术等下功夫才能达到。如基材方面，采用“微米级”的超薄铜箔基材，制造过程复杂、成本高；而在PCB制造方面，采用基材铜箔减薄或采用加成方法形成的“微米级”导线。从导线等性能（如强度等）和成本上看，采用基材铜箔减薄技术将是制造微米导线的主体方向。

3.2 PCB产品高速（频）化

新一代信息技术将以移动通信第五代（5G）技术为基础开展和发展，而5G技术的传输频率可高达52 G（在军用领域10年前就超过1000 G！这里的1 G=1000 MHz），而高性能集成电路芯片的速度将以集成的元件数量呈指数式快速增加。因此要求在PCB中信号传输完整性高、失真小，这就要求PCB的介质层的介电常数（如≤3.0）和介质损耗（如≤0.002）等要很小，但环氧树脂系基板很难达到要求，必须采用其他树脂体系（如PPO聚苯醚体系等），制造的导线（孔、盘等）尺寸不仅是微米级细线要求，而且需要精准的尺寸（位置准和偏差小）要求和更加完美的加工。

3.3 PCB产品高导（耐）热化

由于传送信号速度极快或频率极高，必然会增加电阻和介质损耗，导线制造上或多或少的缺陷（如微小的缺口、凹陷、针眼等）都会带来更高的热量，PCB板内的温升越来越严重而且温升到100℃以上将成常态化，因此PCB板的耐热和导热也成为突出的课题！为了解决PCB板内的温升的课题，在选择基板材料方面，除了选用高Tg（≥180℃）、高热分解温度（Td≥360℃）和低CTE（如小于百万分之十）外，重要的是要有高导热性能，其导热系数要根据不同应用场合（领域）来选择不同的导热系数。各种基板材料导热性能等情况（见表4）。

3.4 PCB产品高性能化

PCB产品高性能化主要是指具有高的可靠性和使用寿命。在新一代信息技术中的六个主体内容里都离不开（特别是E级超级计算机和通信设施等）PCB产品，它们要求的PCB产品不仅需要高密度化、传输信号完整化和高导热化，而且要求很小的热膨胀系数（CTE）和很好的耐热温度（即要高的玻璃转变温度Tg），只有高性能化的PCB产品，才能保证新一代信息设备的可靠性和使用寿命！

表3 IC集成度和PCB高密度化发展的情况

表4 各种基板材料的导热性能等概况[7]

3.5 关注印制光路板

近两年来，我国科学家潘建伟等先后研制成功光量子通信、光量子计算机，交通大学金贤敏团队研制成功的光量子芯片[4]等产品，而光量子芯片是由大量的光量子器件集成的（如利用硅基光波导芯片集成了超过200个光量子器件等[8]），这标志着世界光量子应用时代将到来。因此，光量子元组件、光-电转换元件和印制光路板等将走向开发、应用的新时期！印制光路板与目前印制电路板的应用，也是类似连接和支撑光量子芯片、光量子元组件和光-电转换元器件等来实现光量子的传输等功能[5]。因此，印制光路板的开发和研制要摆到日程上来[5]！