2019年印制电路技术热点

龚永林

本刊主编

2019年过去了，回想在2019年年初时，由于世界经济变化的不确定性，普遍对经济形势包括印制电路产业发展持不乐观看法。印制电路行业内悲观情绪也不少，预测是负增长。然而，5G通讯技术投入商业化应用，互联网、物联网和汽车电子升温，加上中美贸易摩擦出现缓解，在下半年电子信息产业呈现上升趋势，印制电路产业也顺势增长，尤其是高端印制电路板（PCB）增幅较大。从全球主要PCB产地的数据来看，2019年产值都有所增长或微增长，因此全球PCB总量不会是负增长。

市场的需求是技术发展的动力，技术提升会助推市场发展。PCB新市场不断涌现，PCB新技术不断创新，现在对过去一年的印制电路产业技术发展做些梳理，以下谈一些我见之2019年PCB技术热点。

1 设计重要性突显

1.1 一切都从设计开始

PCB的性能特征源于设计。这PCB是用于手机还是计算机？决定于设计；这PCB是如何布线，最细线、最小孔多少？决定于设计；这PCB是多少层数、多大尺寸？决定于设计；这PCB复杂性如何、可加工性如何、成本如何？决定于设计。PCB是定制产品，由设计而定。

现今，PCB布线越来越复杂，近来有许多专业PCB设计软件，例如针对物联网（IOT）、自动汽车、5G通讯等都开发有专用PCB设件软件。电子设计创新有通过更快的原理图编辑器、高速设计和增强的交互式布线功能来改善设计，PCB设计讲究高效和快速。

小型化驱动PCB更加复杂和紧凑，因为狭小空间承担更多功能具有更大挑战，手机用类载板（SLP）是一个先进技术的完美例子。对于复杂PCB设计步骤，首先进行设计评审，考虑到设备高频高速、电磁辐射性能，散热、防水、防震等要求，以及连续工作的可靠性；根据功能要求进行电气工程、机械工程以及信号、电源和热管理等多方面分析，这些需要详细的计划。PCB设计工作基本是物理布局，由计算机辅助设计（CAD）完成，由于受到信号和电源完整性的影响，现在比以往任何时候都更要进行信号和功率完整性模拟和热分析。设计完成必须进行设计规则核查（DRC）和设计可制造性、可测试性、可装配性等检查。最终PCB的完美与缺失都始于设计！

1.2 注重信号完整性

进入5G时代，2019年是5G 商用元年。5G是移动通信领域的新一代产品，因为它拥有更高水平的超高速数据传输能力和网络覆盖，也被应用于军事、汽车、工业和医疗等。5G的优势是信号速度更快、视频分辨率和清晰度更高。5G技术特点是高频，使用30～300 GHz范围的频段，带宽频谱覆盖率高，低延迟是最重要的特性之一[1]。

从5G基站、5G终端到5G车载、物联网与智慧城市与智能制造，这些应用都与高速、稳定的数据传输息息相关，信号完整性成了这类PCB设计的重点之一。在设计时考虑影响PCB信号完整性的因素有多方面，除了基板材料介电性能，有线路的布局、层次的结构、导体的结构、表面涂饰层类型等诸多因素。

例如PCB厚度设计，一般主要是从机械强度考虑，而高频板层间厚度也会影响信号完整性，包括串扰、阻抗和信号损耗，因此对于高频信号、阻抗控制要正确确定板的厚度。

电路中电流和信号传输的集肤效应已成常识，高频电路就需要铜导体表面平滑，即铜箔为甚低、极低粗糙度。电路除了集肤效应（Skin Effect），还有邻近效应（Proximity Effect）[2]。电路中导体电流会产生磁场，多层印制电路板在约低于30 MHz频率下，线路中电流的变化引起的磁力太小，这些效应显示不出。随着频率增加会发现导线有相邻线路一侧的电流密度大于另一侧的电流密度，电流倾向于集中在两个相向边缘的表面上。邻近效应是高速电流在相邻线路表面附近趋于集中的表现，设计时就要考虑到对信号质量的影响。

高频PCB电路的插入损耗会降低系统的可用信号电平，会影响信号完整性。插入损耗（IL）与介电常数（Dk）、介电损耗（Df）和信号频率成正比。总插入损耗由导体损耗、介电损耗、辐射损耗、泄漏损耗四部分组成[3]。电路辐射损耗相对较低而常被忽略; 泄漏损耗与基板材料的体积电阻率相关，通常对大功率电路较重要；介电损耗主要在于基板材料的介电常数（Dk）和介质损耗；导体损耗除了导体铜的结构，也涉及到最终表面涂饰层。有试验结果显示[3]，各种涂饰层对电路插入损耗的影响程度为化学镀镍浸金（ENIG）＞化学镀镍镀钯浸金（ENEPIG）＞浸锡（ImSn)＞浸银（ImAg）＞有机可焊性保护剂（OSP）。

1.3 设计的材料选择

PCB设计一开始就应该考虑基板材料的选择，PCB的许多性能是由基板材料决定的或相关的，设计也是以基材性能为基础谋划、确立PCB性能。通常低端消费类电子设备的PCB会选择酚醛纸基（FR-1、FR-2）和酚醛纸与环氧玻璃布复合（CEM-3）类低成本基板，一般电子设备的PCB普遍选用环氧玻璃布（FR-4）基材，这对于新近的PCB数字化高速电路就难以胜任了。

现今高速电路相当于一个电磁场，能量存在于线路间介质材料中，材料的参数也会影响到电路性能。对于电波的传播，使用基材的Dk越小，波传播速度更快，传播延迟减小。基板的铜表面粗糙度也是因素之一，电路的铜表面越粗糙则波传播更慢。电流集肤深度取决于频率，频率越高集肤深度更浅，射频电流更趋于导体表面，铜表面粗糙度对毫米波电路的插入损耗（IL）也有很大影响。还有，电路使用的基板较薄与使用较厚基板的电路相比，铜表面粗糙度对波传播的影响更大[4]。插入损耗与基板厚度的关系表明较薄的电路以导体损耗为主，而较厚的电路则以介质损耗为主。为优化电气电路的性能，铜的表面粗糙度也必须考虑。

设计中材料选择主要考虑的两个问题是高速和高温应用，涉及到在较高速度下导致信号完整性问题，在较高工作温度下导致连接可靠性问题。电气参数重点是介电常数（Dk）与介质损耗（Df），机械与热参数重点是玻璃化温度（Tg）、热分解温度（Td）、Z轴热膨胀系数（Z-CTE）与XY轴热膨胀系数（X、Y-CTE），要对这六个参数最佳值作平衡比较[5]，这几项指标是必须关注的。另外，从热可靠性和机械可靠性的角度考虑有许多机械因素，包括剥离强度、吸水率、杨氏模量、泊松比等；从材料安全性和环境保护角度是否符合UL与无卤要求；基材加工成PCB的适应性和对现行工艺条件的影响；基材的价格以及供货渠道是否畅通。这些都是基材选择需要考虑的因素。

1.4 确保可制造性

PCB设计的成功，不仅达到电子设备性能要求，同时也体现于DFX，即包括可制造性（DFM）、可装配性（DFA）、可靠性（DFR）、测试性（DFT）和成本（DFC），见图1[6]。对于PCB的可制造性和可靠性，就关联到设计的铜箔厚度与线路宽度，孔径大小与板厚孔径比，导通孔、连接盘与阻焊盘尺寸等。PCB产品的80%～90%的成本取决于设计，如PCB的尺寸大小、选用基材、铜导体厚度、表面涂饰层，以及线、孔等设计的可制造性，这些都是影响成本的重要因素。设计师的可制造性做得越好，越可以得到一个较低的价格和优质的服务。

图1 PCB成功设计的关注项

鉴于产品复杂性，以及设计师经验有限，缺乏对PCB制造与装配等了解，在设计阶段就需要在供应链中选择具有这种知识和能力的伙伴合作。当前，我们特别强调供应链上下沟通，包括客户与供应商之间沟通与协作，PCB设计阶段就应有制造商加入。优化PCB设计可制造性的关键之一是选择制造合作伙伴和选定制造工艺，有PCB制造工程师参与帮助解决设计过程中的可制造性难题。

DFM乃至DFX的价值体现在设计阶段，以预测和解决大多数生产问题。为确保设计符合可制造性，从一开始就遵守设计规则，制定详细的设计指南；选定有较高能力的制造商，与制造工程师沟通；使用设计规则检查（DRC），坚持DFM的原则，若到制造过程再发现问题，将对成本和时间都带来损失。因此，设计者与制造、装配伙伴合作，使得PCB设计第一次就做对。

2 基板材料高性能化

2.1 高速高频基材

5G设备采用高频PCB首要需先解决高频高速材料的问题，才能确保讯号的稳定性与完整性。5G移动通讯的商机给PCB及高频/高速PCB基板材料带来庞大的现在或潜在市场，吸引众多厂商投入相关领域的开发，现在有许多基材制造商宣称高频用覆铜板开发成功或投产。

高频材料的重点在于低传送损失、良好加工性与高可靠度，其中以基材介质损耗和介电常数是目前最关注的重要参数。Dk和Df值小有利于提高讯号传输速率，可减少讯号在基材中的损失，保持较佳的讯号完整性。

目前高频基板材料的Dk和Df值水平分别有五个等级[5]（见表1）。

决定基材介质电性能Dk和Df值的因素在于构成基材的材料：树脂、填料和玻璃布。树脂、填料的Dk和Df值是固定的，而玻璃布因其编织结构的差异造成Dk的不一致。层压板内玻璃布用于改善机械性能，但会提高层压板的介电常数。玻璃布是网状编织，在层压板内玻璃布开孔大小、纤维线粗细、纤维线交叉点这些不同位置的Dk有差别的，板面导体线宽大的比线细的受影响小些。毫米波频率下使用的层压板要考虑到玻璃布引起的不同位置点Dk差异[7]。

PCB的层压板中非常小的变化也可能会破坏数据路径，一个主要的变化为差分偏斜，是由玻璃纤维编织偏斜（GWS）又称“纤维编织效应”（FWE）引起，已成为高速数字设计的一个热门课题。PCB上一对线路的二条线所处基材介电常数会不同，这因线下玻璃纤维与树脂位置有差别。结果组成差分对的两条线是两个不同的有效Dk，两个不同的信号传播速度，周围玻璃较多的信号速度将比树脂较多的信号慢。这种产生延迟差的原因为“纤维编织效应”[8]。当PCB在低于1 GHz的频率下工作时，不要担心玻璃布的类型，在高频下PCB的玻璃布编织偏斜就会影响到信号完整性。为了减少玻璃布织物偏斜，玻璃布覆盖率应尽可能高，而“树脂窗”即玻璃布开窗涂树脂区域应小。

毫米波和高速数字应用的基材特性，主要有Dk和Df的热变系数（TCDk、TCDf）、吸湿率、铜箔的粗糙度、表面处理，以及铜箔类型。有探索铜箔生产技术，确定轧制铜箔具有最低剖面轮廓和最低损耗，在射频用基板中使用显现具有优异的性能。

为了适应5G用PCB市场热点，一些覆铜箔层压板制造商在已有的高频用CCL基础上，2019年继续推出新产品。如松下公司推出无卤Megtron6（型号：R-5375），其性能指标在12 GHz时Dk3.4和Df0.003；玻璃化温度（Tg）250 ℃/DMA、热分解温度（Td）435 ℃；热膨胀系数（Z方向）39×10-6/℃；32层板耐热性试验回流焊260 ℃、10个周期通过[9]。罗杰斯公司宣布新增加聚四氟乙烯电路材料：RO3003G2高频层压板，优化了树脂和填料含量以及引入极低轮廓面的ED铜的组合，为雷达传感器设计提供低插入损耗和低Dk（10 GHz时3.00）[9]。还有，Isola公司推出了独特射频/微波用PTFE层压板Astra®MT77，设计用于77+GHz雷达[10]，其性能Tg200 ℃、Td360 ℃，高频率段Dk3.0、Df0.0017。利昌工业公司开发了面向毫米波雷达基板的低传输损失基材CS-3379[11]，是以比PTFE、LCP便宜的聚苯乙烯醚（PPE）树脂为基础，100 GHz时Df为0.0028，达到与PTFE基板具有同等的性能，而可以以半价左右的价格提供。

2.2 高导热基材

当前的电子设备紧凑、小型化，散热环境受限制，尤其在大功率器件应用领域，高的功率会产生高热量，就需要PCB具有耐热、导热、散热特性。当前的LED照明和汽车电子应用领域就是要求PCB具有相应散热性能的代表。PCB具有耐热、导热、散热特性，首当其冲的是所用基板具有更好耐热、导热、散热特性，解决此问题一是提高基板的绝缘介质层导热性，二是增加金属板为导热层。

表1 覆铜板的Dk和Df水平分级

通常环氧玻璃布层压板（FR-4）导热系数小于0.3 W/m·K，通过改进树脂和填料以提高层压板导热性。如罗杰斯公司推出TC350层压板，是陶瓷填充聚四氟乙烯玻璃布增强复合材料，导热系数为1.24 W/m·K，为PCB提供了更低的电路损耗和出色的散热性。腾辉公司为需要散热的多层PCB应用提供了一系列陶瓷填充导热层压板和预浸料，有型号VT-5A2的导热系数2.2 W/m·K，已是FR-4的8倍。增加绝缘介质层导热性是有限的，介质层在增加导热性时必须兼顾到绝缘性及可加工性，这使增加导热性的陶瓷粉类填充量必定有限。然而，填料粒子的种类、大小和形状以及如何将所有粒子分散到树脂中对导热系数是一件非常有挑战性的事情，若在树脂中加入纳米颗粒填料达到了更好的热导率。有覆铜板公司就通过对填料改进制造出一种具有高Tg、低CTE和4 W/m·K导热率的介质层材料[12]。

金属基（芯）板目前是高导热、高散热基材主流，如在汽车中金属基板（IMS）PCB扮演着重要角色。目前车灯已逐渐改用高亮度LED灯，而高亮度LED灯需要高散热性，因此多采用氮化铝基板或铝基板，散热性与陶瓷相当又具备成本优势，因此开发铜或铝等金属基的基板非常热门。金属基板达到导热系数通常都在3.0 W/ m·K以上，高的可达7 W/ m·K，甚至10 W/ m·K。

金属基板导热系数的高低关键在于金属底板与铜箔之间绝缘树脂层的热导率及膜厚度。想提升金属基材基板的散热性能，既有做法是在树脂绝缘层上，填充约数十微米等级的陶瓷填充物，但是陶瓷填充物较大会导致树脂绝缘特性变差及膜厚很难再降低。三菱公司为了解决这些问题，透过独特技术，实现金属基材的树脂绝缘层的薄膜化。该薄膜采用了纳米填充物，抑制耐电压的低下问题的同时，成功提升了热导率，将树脂绝缘的膜厚从原本的80～120 μm降至20～30 μm，只有原本的1/4，金属基材基板的热阻则降至铝基板的1/2[9]。金属基覆铜板其性能除了高导热系数外，同时要具有高Tg（如180 ℃）和最大工作温度（如150 ℃），以及低CTE，这些也是金属基PCB在高温下工作的重要性能。

2.3 挠性基材

挠性印制电路板（FPCB）仍以聚酰亚胺（PI）薄膜为主要基材，但随着应用市场发展，新的基材也不断产生。5G通讯市场需要高频低损耗的FPCB，必须有高频低损耗的挠性基材。适应高频FPCB的基材有液晶聚合物（LCP）薄膜，然而由于产量少、成本高和加工性差因素应用有限。有多家材料公司改进PI薄膜以适应5G通讯要求，赋予PI基材新活力。如有公司在热固化性PI薄膜的两面形成热可塑性PI树脂的粘着层（三层构造），粘着层再在两面贴合铜箔，就能直接加工FPCB[13]。因为这三层都是PI树脂构成，能够达到性能，并促进FPCB更进一步的薄型化、耐热化，以及尺寸稳定性等。又有公司充分活用功能性PI设计技术，优化树脂设计成功抑制低温带的分子运动，开发出低Df的PI，20 GHz时Df为0.001[13]。此PI的Df比起LCP要更低，也具备优异的介电常数、粘合性、吸水率等特征，与LCP、TPFE树脂相比亦极具成本竞争力，成为适用于5G之PI材料。还有公司利用专有覆膜之技术，在涂布PI树脂之际，将分子朝同一方向固定，这可大幅降低在CCL上的传输损失。当该PI树脂涂布膜厚在50 μm以下，介质损耗与一般PI相比，降低至一半以下；当该PI树脂涂布膜厚在50 μm～125 μm，除了提高PI的介电特性外，亦能确保表面平滑的铜箔与其维持良好的结合力，与现有LCP覆铜板相比传输损耗可减少[14]。已有改进型PI（MPI）代替LCP，用于新款手机之天线。

FPCB基材为适应5G应用还有开发聚苯硫醚（PPS）薄膜产品，投入高速传输用FPCB市场[15]，双轴延伸PPS薄膜在Dk、Df等方面与LCP有同等程度的性能，解决了相关耐热性问题后可应用于5G之FPCB。

对于高频和高速用FPCB，除了关注挠性覆铜板基材性能外，不可忽视覆盖层（覆盖膜或阻焊剂）的介电特性和吸湿性。通过测试表明，相同线宽和线距的导线在不同介质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，传统PI的IL最大；对于每个电介质，较厚的电介质层产生较低的IL；具有较低表面粗糙度的RA铜箔的IL较低。

3 制造技术提升

3.1 电路高密度化

高密度化是PCB技术发展永恒的主题，高密度互连（HDI）PCB是在不断发展的。对于HDI板按照其密度程度也应有高、中、低之分，密度程度区分见表2。

PCB线路越来越精细使传统的减去法工艺不适应75 μm以下线路的制造，半加成法（SAP）或改进型半加成法（mSAP）及全加成法是精细线路PCB寻求的解决方法。目前mSAP已经成熟，有一般铜箔减薄或直接使用超薄铜箔两种方法，前者的成本低些，而后者线路更精细。采用AAP和SAP工艺的优点，减少工艺步骤、节约原材料、缩短加工时间，以及制造出更精细的线路。但面临挑战是铜线路与基板的结合力低、导体很薄导电性弱，行业人士不断应战试图攻克这些问题。

如有Averatek公司发明了A-SAP流程，应用一种液态金属油墨（LMI）和半加成工艺。LMI为羧酸钯的新型催化剂油墨，这种油墨含有有机溶剂，提供了高润湿性和催化剂渗透性，能均匀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层。在基板上均匀的纳米级厚度的钯粒子作为催化剂具有很高的活性，在化学镀铜时沉积0.5 μm或更薄铜就可以给整个板面提供均匀的导电性，然后光致成像和电镀、蚀刻生成线路图形，能够制造出5 μm宽的线路[16]。配合SAP也有新型光致抗蚀干膜开发，适合线路L/S=5/5 μm以下的PCB生产。另有一种在半导体制造中名为ALD（Atomic Layer Deposition）的原子沉积工艺，利用反应气体与基板之间的气-固相反应来完成金属化涂层，被引入到COF FPC载板生产。基本过程：清洁的薄膜进入ALD机台涂覆连接剂层（不到1 nm厚铜种子层），再化学镀铜（约0.1 μm厚），涂布感光抗蚀剂、光致成像和电镀、闪蚀生成线路。有说iPhone手机的PCB将采用ALD半加成法生产。总之，随着加成法技术的不断开发，会有更多的选择方案。

3.2 电镀与涂覆

电镀与涂覆至今一直是PCB生产重要工艺，为了提高产量、提高性能、降低成本，以及考虑到环境问题而在不断变革，包括化学溶液、工艺条件和设备等。为达到新一代PCB要求，化学品要改进，同时也要配置新的设备装置。

在PCB电镀铜方面，垂直连续电镀（VCP）正变得越来越广泛。VCP是将板子以直线运动方式移动，可以很好地解决电镀分散性和均匀性问题，可提高生产效益，适合薄板生产，有利于设备自动化等。通常的电镀槽溶解性阳极无法达到要求，阳极面积一直在变化及阳极需要经常清洗维护；一种含有金属氧化物涂层的钛网作为不溶性阳极，添加氧化铜为补充剂，可以在垂直连续电镀铜过程中保持电流一致，达到电镀均匀性。同时，它消除了电解质溶液的浪费和阳极铜的浪费[17]。还有使用不溶性铱网阳极可以对阳极区域进行分区，采用多个整流器将电镀窗口分割，这些可以实现更准确的镀铜。由于没有阳极泥渣遮挡，可以提高电流密度与提高电镀产量，使用3条垂直连续电镀线（VCP）达到4条的产量[18]。创新的IC载板用直流电镀铜复合型添加剂，在图形电镀过程同时实现嵌入线路和镀通孔与盲导通孔的镀铜填充，并保持镀层表面光滑平整[19]。这些电镀铜创新工艺，经过镀层轮廓和晶粒、内应力、拉伸延展性等测量分析，都体现出性能优异。

表2 HDI印制板密度程度区分

如今，铜填充微导通孔几乎是所有HDI板采用的标准技术。电镀填孔相比树脂或导电膏塞孔优点：与电镀过程同步进行，减少塞孔工艺步骤，降低生产成本；孔中填铜，创建孔上连接盘以节省空间；电气连接电阻小，CTE一致，有利于可靠性；孔中填铜，散热性好，有利于热管理；填孔充实，避免孔内气空、污染，品质更可靠。先进的电镀液能够使电流密度高达2.5 ASD，完全填充100 μm孔径与深89 μm的微孔，电镀时间＜40 min，表面铜厚度＜13 μm，凹陷＜5 μm[20]。

PCB表面连接盘化学镀镍浸金（ENIG）是一种广泛应用的表面涂饰方法，其优缺点分明，如何扬长避短一直在探索之中。ENIG的短处是出现镍腐蚀（黑盘）问题，镍腐蚀发生在浸金过程，预防措施是改善镍层质量和浸金过程。化学镀镍（EN）液含有磷，镍层含磷大于8%有利于消除镍腐蚀[21]；浸金液pH趋中性，避免在浸金液中停留时间过长，可减少腐蚀；同时，要在ENIG前铜面清洗干净，阻焊层固化充分，ENIG预处理清洗、微蚀和酸洗充分，及催化/活化处理适当。化学镀金反应除置换浸金（IG）、自催化金（AG）外，还有还原辅助浸金（RAI），即浸金反应和自催化沉金反应同时开始，随后自催化反应占主导地位的化学镀金。RAI金只需一个混合反应金槽，可消除镍腐蚀，可沉积较厚金层，可替代 IG或AG[22]。

IPC-4552化学镀镍/金（ENIG）规范最初发布只规定浸金的厚度，2017年A版规定了浸金层厚度上下限（0.04 μm～0.10 μm），目的是控制浸金时间来减少镍腐蚀；将要发布的B版要求测量镍中的磷含量，规定镍腐蚀监测的要求，目标是消除镍腐蚀。无氰化物浸金液也有新的进展，性能与含氰金液之间没有明显的差异，可以用于现有的ENIG工艺中替换含氰浸金液[23]。另外，为消除镍腐蚀和有利于高频PCB电性能，有化学镀钯浸金（EPIG）代替ENIG。

3.3 喷墨打印的加成制造

喷墨打印PCB表面的字符标记、阻焊图形技术已经在行业内扩大应用。采用喷墨打印阻焊剂的优点有减少工序，缩短生产周期；只在需要阻焊的表面涂覆油墨，甚至在裸层压板表面也不需涂覆，减少油墨消耗量，节省原材料；不同区域功能可以改变阻焊膜的厚度，如局部有高的击穿电压要求，就可以在那里涂得较厚；控制喷墨位置不会让油墨进入孔里，可在细线路节距间打印阻焊坝，提高了图形精度。这是加成制造，减少能源、物料消耗和污染物产生，是项清洁生产技术。喷墨打印阻焊油墨除了绿色外，还开发白色、黑色油墨和柔性油墨等。新型喷墨打印机，直接将阻焊和字符油墨打印到刚挠印制电路板上，还能够打印条形码和二维码标记。现在喷墨打印阻焊油墨不再局限于样板制作，所提供最新机器工作，其每小时可多达400块在制板，对市场有很大的吸引力。

3D打印技术也发展到PCB上打印元器件，以加成法制作电子组件有更大优势。如在PCB上直接打印天线、打印射频放大器等。随着应用程序的开发，会代替传统制造业而快速、低成本地制造出复杂、小批量电子产品。3D打印更能适应5G时代定制化、个性化需求。Nano Dimension公司又推出全天候电子电路3D打印的加成制造平台（LDM），技术特点与优势：长时间不间断打印，提高正常运行时间和产量；支持3D打印多层PCB、电容器、线圈、传感器、天线等；操作简单快捷，维护工作量小，有打印头自动清洗系统。LDM：Lights Out Digital Manufacturing意为熄灯数字化制造方法，系统运行时几乎不需要人工干预，可昼夜不停每周7天24小时全天候工作，使得打印从样品制作转向更高的大批量生产[24]。

在美国已有PCB制造公司购买多台3D打印机系统，与专用纳米墨水和优化的软件相结合，实现PCB和其它功能电子模块产品的快速、高效制作，扩展其印制电子产品的加成法制造能力。美国还开设世界上第一家电子产品3D打印服务公司，专注于为市场提供小批量的电子产品加成法制造服务，突破传统PCB制造工艺限制，快速生产功能性PCB或具有集成功能的产品和组件，如埋置组件的PCB、功能电容器、直流电源转换器、天线和射频装置等。

3.4 PCB制造智能

PCB制造智能化是提高公司竞争力的有效途径。工厂智能化包括物联网（IOT）、机器对机器（M2M）和人-机器（H2M），以及机器到业务（M2B）都实行连接，智能工厂各连接设备的信息识别、收集分析和传递应有统一的语言实行互通。在2019年IPC发布了IPC-2591连接工厂数据互换（CFX）标准，提供了一个即插即用的数据通信解决方案，减少了为客户定制编程所花费的时间和过程，使自动化的采用更容易和更有效，帮助制造企业实施工业4.0。另外，TPCA 组织制定了PCBECI标准并正式发布，成为PCB产业设备联网的统一通讯标准，加速PCB产业智能制造的进展。虽然IPC-2591标准示范的CFX是SMT工厂，TPCA的PCBECI标准是在半导体行业标准基础上改进，真正成为PCB产业设备联网的统一通讯标准还有待实施验证，但有标准的发布总会促进PCB设备与制造端通讯迈向统一，随着实践定会建立起完整的PCB设备数据通信协议标准。

在前两年建立的美国PCB制造智能工厂Greensource，实际运营效果已经显现[25]。该PCB工厂是100%自动化，没有生产工人,大约有十几名技术人员监察生产过程。他们的成本只有中国购买PCB价格的一半到三分之一，并做到两天内交货。整个工厂的投资回收期不到三年。该工厂的PCB产品包括五阶HDI板，层数达到36层，线路能力可以达到5 μm的线宽/线距。生产过程中每一片层压板和预浸料、箔材都有自己的条形码，在数据库中有各自特征数据，直至成品PCB都有追踪标识。内层在制板在叠层之前都要进行电气测试和分类,能够三维描述电路板上的每一条线路，能达到±2%的控制阻抗，有99%以上的合格率。该工厂是精益与绿色两方面共进，通过设备通风封闭、化学物自动分析添加控制与回收、清洗水重复使用，废水为零，大大减少了生产周期和制造成本。

自动化和智能工厂已为PCB产业向往，有的制订了《PCB智能制造里程图》。许多企业已经进入智能工厂建设，许多PCB设备供应商在努力提供智能化解决方案。在当前PCB产品向高端发展、市场竞争激烈的环境下，智能化生产是必然趋势。

4 高性能要求高可靠

4.1 PCB的可靠性需要

如果PCB出现可靠性问题，终端产品会面临失效风险。现在汽车电子技术发展在使汽车成为最终的电子设备，可靠性与安全性是汽车制造商最严格的性能。如自动驾驶汽车的机载系统和安全系统必须100%可靠，在汽车上高工作温度、频繁的温度循环、冲击和振动以及电迁移都是对可靠性提出挑战的问题[26]。汽车客户要求PCB几乎与严格的航空航天标准一致。电子技术在医学领域变得越来越重要，PCB的应用也越来越多，对于接触人体，甚至维持生命装置所用PCB，完全按照IPC的最高级（3级）PCB性能要求，还附加一些医疗设备对PCB特殊要求，最重要的是可靠性和安全性。对于一贯追求高可靠性的军事、航空航天装置用PCB，继续保持着高可靠性要求。因此有关PCB的可靠性被反复强调，行业机构正在建议降低风险的流程和做法。

4.2 CAF对可靠性影响

PCB的高密度化、小型化是增加了失效风险。高密度细节距，使得孔间距、线间距缩小；薄型化使得层间绝缘介质层变薄，这些都缩短了不相连导体之间绝缘间距，一旦有导电阳极丝（CAF）产生与延伸而造成短路，PCB失效的概率增大。CAF产生的条件包括电荷载体的存在、电压偏差、水分与污染物，由于基板中存在杂质，电化学作用驱动离子迁移，最终导致电气短路的故障[27]。常见的CAF现象有微小孔周围或线条边缘生长的树枝状晶体，这来自于孔壁粗糙和电镀残余物所引起，以及相邻导体之间树脂缺失或有污染杂物，为电化学迁移提供了便利。

降低CAF的风险首先从设计做起，不相连导体之间应留有足够绝缘空间，尤其与电源和接地相邻区间；再是选用高速低损耗的抗CAF材料，多层压合用预浸材料有充分树脂填充层间空隙。在生产的各个阶段进行控制，如多层压合时绝缘层介质紧密、无分层起泡，钻孔时孔位准确、孔壁光洁，湿处理过程孔内和板面化学物清洗干净及干燥等。

4.3 温度对可靠性影响

由于电子元器件的功率和封装密度增加，产生的热量在窄小空间难以散发而使温度大幅度上升。当前，大多数电子产品部件和PCB的故障是由温度升高引起。

在汽车电子领域对热管理要求更为突出，如汽车的车头照明LED灯功率强热量大，在狭小空间靠对流散热困难，就依靠传导与辐射原理釆用金属基PCB来帮助散热。还有汽车开关转换快速频繁，并在几秒钟内从低温到高温，从冷到热反复循环，这对互连接点可靠性是考验，若基材热膨胀系数（CTE）大就会引起故障。汽车中还有发动机管理系统、电动汽车所需的所有转换器、逆变器和电源等，可以发现大约20个部位都有热管理问题，都需要使用散热界面材料，试验要求从-40 ℃到+150 ℃的3000个循环周期内不会发生故障[28]。因汽车工作温度高，还有一种高规格PCB的最新的热循环试验标准，要求能够承受-40 ℃/+180 ℃（1000次循环）和-40 ℃/+170 ℃（2000次循环）的热循环试验[29]。

由于热应力与热膨胀变化会引起孔铜断裂带来故障，导通孔设计在空间许可范围内，一是孔径越大越好，可增大机械强度与导电性、导热性；二是适当的板厚孔径比，选择不大于6∶1；三是导通孔与焊盘位置尽量远离，以免焊接热与焊锡影响孔，为此又可采取阻焊堤隔离、两面孔口遮盖或填孔方法[30]。总之，设计导通孔要有约束，同时采用CTE小和导热率高的基板。

4.4 微导通孔对可靠性影响

通常对HDI板的微导通孔（盲孔）与贯通孔进行比较，认为前者的可靠性优，原因是一般微导通孔的板厚孔径比（AR）小于1，而镀通孔的AR大于6，有的高达20，相比之下微导通孔的铜层一致可靠。然而，有发现HDI板通过常规电气测试合格后交付装配应用，却在电子设备安装和应用中有出现间歇性开路故障，原因竟是HDI板微导通孔的可靠性问题。对此问题IPC发出了“关于高性能产品微通道可靠性的警告”[31]。

进行试验验证观察到HDI板微通孔在再流焊过程中开路，然后在冷却后重新建立连续性, 也即PCB成品电气测试合格，而在装配过程中经受多次再流焊热冲击，薄弱的微导通孔接口就会出现故障。IPC已获得数据表明，现在仅使用热应力显微切片和光学显微镜的传统检测技术不能确定微导通孔电镀故障，将不再依靠传统的切片评估。新的再流焊热应力模拟测试方法（IPC-TM-650之2.6.27a），要求具有菊花链的测试样板经受再流焊试验，进行六次完整再流循环，同时连接到四线电阻测量装置，要求菊花链线路电阻增加不大于5%。这样通过四线电阻测量和多次再流焊试验，能够检测微导通孔潜在的故障，避免可能的缺陷遗漏。

PCB层间微导通孔可以堆叠结构或交叉结构（见图2），当两种结构都用于同一印制电路板时，发现经再流焊装配后堆叠的孔易出现断裂，而交叉孔则没有。可能的原因在于交叉结构微孔的底铜是铜箔，而堆叠结构微孔的底铜是电镀铜。还进行了四种不同的激光钻微孔比较对连接的影响，分别釆用UV激光钻孔、UV与CO2激光器组合激光钻孔、铜开窗后CO2激光钻孔、CO2激光直接钻孔[32]。加工完成的板子再流焊试验时，有UV激光钻孔的堆叠孔第一次再流焊就出现失效，而有的CO2激光钻孔的堆叠孔在30次再流焊循环中保存完好。采用扫描电镜（SEM）分析激光钻孔后孔底铜连接盘的形貌变化，CO2激光孔底铜几乎没有变化；而UV激光对铜的形貌进行了改性，提高了铜的硬度，降低了铜的延展性，当热应力与热膨胀变化容易引起孔底铜断裂，这与再流热应力过程中形成的裂纹与失效相吻合。

图2 HDI板微导通孔a交叉结构与b堆叠结构

要确保PCB的微导通孔可靠性，首先是设计时尽可能叉开导通孔位置，特别是高可靠性要求的PCB。当然，堆叠导通孔设计仍然是一种PCB互连方式，尤其是电路密度的增大迫使采用堆叠导通道结构，只是要注意多层堆叠导通孔相关的潜在风险。

5 结束语

当前， 5G用PCB的设计和材料是行业技术之薄弱环节，制造技术也遇到许多新问题，产品的可靠性也有新的要求，这些都是技术之热点。回顾以往是为瞻望将来，通过对上一年来一些技术热点的回顾，可借鉴别人的思路与经验，考虑我们新的一年发展途径。