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全球印制電路板制造業(yè)的演變與轉移

深圳市賽姆烯金科技有限公司 ? 來源:深圳市賽姆烯金科技有限 ? 2025-02-19 13:58 ? 次閱讀

摘要

探討亞洲印制電路板(PCB)制造商在全球的技術領先地位,以及這一現(xiàn)象對西方制造商的影響。根據(jù)滬士公司中國區(qū)高管Joe Dickson的觀察和經(jīng)驗,分析亞洲與西方PCB制造商之間的技術互補性,以及新材料,如陶瓷、玻璃和硅基板在電子封裝領域的應用前景。同時,討論PCB制造業(yè)面臨的挑戰(zhàn),包括大面板加工技術、感應壓合技術、減蝕工藝的限制,以及西方各國電路板產(chǎn)業(yè)的困局。最后,展望PCB技術的未來發(fā)展趨勢,強調載板加工的重要性,揭示經(jīng)濟高效制造的方向。

引言滬士公司是一家以亞洲為基地,下轄多個子公司的印制電路板(printed circuit board,PCB)制造商。在其服務市場,亞洲制造商已率先引入尖端的PCB制造設備和材料。關于這一現(xiàn)象對全球其他地區(qū)制造商的影響和意義,在亞洲PCB制造商滬士公司工作的美籍高管Joe Dickson,坦率地分享了其洞見、經(jīng)驗和觀點,并基于實際情況,對PCB制造業(yè)的未來進行展望。

亞洲PCB制造商,能否與西方的PCB制造商實現(xiàn)技術互補亞洲PCB制造商,能否與西方的PCB制造商實現(xiàn)技術互補Dickson指出,通過大規(guī)模投資和對下一代技術的積極研發(fā),滬士完全有可能與西方制造商實現(xiàn)技術互補。然而,對西方制造商來說,這種互補可能并不總是有意義的,因為其主要客戶群體往往追求快速、小批量的生產(chǎn)模式。但這種互補仍是可行的,特別是考慮到亞洲的批量供應商通常不會涉足樣板生產(chǎn)業(yè)務,而這正是西方制造商所擅長的。 Dickson進一步指出,西方PCB行業(yè)存在2個核心問題。首先,技術討論往往僅限于各自獨立發(fā)展的芯片和PCB領域,缺乏將兩者融合的統(tǒng)一藍圖。其次,更為嚴重的是,西方制造商普遍缺乏對協(xié)作生態(tài)系統(tǒng)的支持,缺乏與可執(zhí)行高科技制造任務的亞洲制造商合作的興趣。Dickson表示,作為滬士公司的代表,其相信部分亞洲制造商愿意與美國同行分享各自的經(jīng)驗和工藝知識,進而幫助產(chǎn)品更快地過渡到批量生產(chǎn)階段。滬士目前掌握的行業(yè)領先技術見圖1。

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圖1滬士目前掌握的行業(yè)領先技術

針對合作可能主要是單方面受益的問題,Dickson解釋說,最初美國制造商在培訓亞洲供應商(不包括日本)制造PCB方面發(fā)揮了重要作用。滬士公司首席執(zhí)行官Chris Wu也表示愿意在技術工藝信息方面進行合作。評估快捷生產(chǎn)技術對于整個PCB行業(yè)的生態(tài)系統(tǒng)都是有益的。

西方復制亞洲供應鏈的可能性

以及陶瓷、玻璃、硅基板等新材料的發(fā)展趨勢

數(shù)月前,在一場研討會上,半導體行業(yè)與美國國家航空航天局(National Aeronautics And Space Administration,NASA)共同探討在美國復制亞洲供應鏈的可能性,同時深入討論了新材料如陶瓷、玻璃和硅基板的發(fā)展趨勢。這些新材料在電子封裝領域的應用前景備受矚目。但同時,也將面臨技術和成本的挑戰(zhàn)。

剛性或非有機基板,如陶瓷等,對電鍍互連、層壓互連技術提出了新的挑戰(zhàn)。該類基板須從板上進行積層,但目前暫未開發(fā)在陶瓷上多次層壓的工藝。雖可通過燒結或熔融陶瓷,并在其上疊加多個工藝步驟的方式,實現(xiàn)所需的結構,但該方法成本高,且難以確保在基板內部獲得足夠的能量供應。因此,陶瓷雖有助于實現(xiàn)特定的外形尺寸,但考慮到訓練人工智能所需的大量數(shù)據(jù),其高成本使得這一選擇并不實際。

有觀點認為,在未來15年內,行業(yè)將完全放棄銅和薄膜有機積層技術,這并不現(xiàn)實。高端封裝技術將推動下一代人工智能無人機的開發(fā),將企業(yè)級技術應用于行業(yè)數(shù)據(jù)傳輸中時,每比特的成本至關重要。如Facebook、微軟、谷歌等行業(yè)巨頭,不太可能在其封裝中全面采用陶瓷基板,其主要原因是成本過高。相反,上述行業(yè)巨頭更傾向于選擇成本效益最高的混合電路方案,僅在合適的地方使用玻璃基板、陶瓷基板。PCB和大型封裝載板的發(fā)展也呈現(xiàn)出這一趨勢。

為切實有效地解決上述問題,專家指出,有2種主要的封裝解決方案:一種是單片或主板扇出技術(見圖2),另一種是載板外轉接板和模塊。

圖2單片布線(來源:Nvidia)

對比西方客戶的56層單片表面貼裝封裝載板與主板外的轉接板,可能有人說:“任何人都能制作這塊板;它有26層,其中一半是70μm銅。其余的層主要是用于電源分布的寬走線。所有的數(shù)據(jù)處理都是在這些走線網(wǎng)之間完成的。要在板上放置一個封裝,并將其貼裝在這里,它們之間只有少量的布線。”但大部分數(shù)據(jù)處理是在走線網(wǎng)之間完成的,外圍器件互連(peripheral component interconnect,PCI)的情況也是如此。截至2026年,預計在該領域會出現(xiàn)其他類型的連接器,但垂直和水平連接將仍是主要的處理方式。因此,單片布線可能在未來一段時間內仍將是主流設計解決方案,但隨著技術進步,這一狀況將迅速得到調整。

總體而言,雖然新材料,如陶瓷、玻璃和硅基板在電子封裝領域具有巨大的潛力,但其應用仍面臨諸多技術和成本方面的挑戰(zhàn)。展望未來,行業(yè)需在確保成本效益的前提下,持續(xù)探索和創(chuàng)新,以促進新材料的廣泛應用,實現(xiàn)供應鏈的多元化。

大面板加工技術應對高階封裝挑戰(zhàn)

滬士公司正致力于開發(fā)適用于主板或載板的2種策略,并創(chuàng)新了一種特定工藝,即加成法載板工藝(additive carrier processing,ACP)。該工藝旨在解決224G+大尺寸板和嚴格阻抗需求。大板尺寸為533mm×686mm或610mm×686mm,相較于傳統(tǒng)載板,生產(chǎn)大尺寸板的轉接板和模塊的加工成本效益更高。目前,滬士正在開發(fā)多級轉接板設計,并在實際應用于主板PCB之前進行測試。全加成法電路載板的方法能夠減少某些轉接板的使用,其成像能力超過減成法。該工藝有效縮小了傳統(tǒng)載板技術與高階PCB技術之間的工藝差距,使得重布線層(redistribution layer,RDL) 在信號完整性(signal integrity,SI)最佳的位置進行,進而減少高階載板層數(shù)量,降低生產(chǎn)成本。

Dickson進一步闡述了滬士使用6個HDI層壓周期來構建這些大尺寸基板的挑戰(zhàn)。在回顧設計階段時,Dickson意識到,采用傳統(tǒng)減成法HDI積層工藝,如改良型半加成制程(modified semiadditive process,mSAP)或半加成制程(semiadditive process,SAP),可加工上述結構,但無法對其完成有效檢測,影響電路板的整體良率。

在制板過程中,部件尺寸越大,其物料清單(bill of materials,BOM) 的成本影響越顯著。一個電路板經(jīng)歷6次HDI層壓,子板有24層,再加上2次在533mm×610mm板上的層壓,如在內部某一層面出現(xiàn)開路,BOM成本將增加50%。這對大規(guī)模生產(chǎn)來說,是不接受的。

此外,Dickson指出,通過減成法,實現(xiàn)低于7%的阻抗公差具有挑戰(zhàn)性,而5%的阻抗公差正迅速成為行業(yè)標準。加成法電路因其與CAD數(shù)據(jù)和走線寬度相同,能夠更輕松地修改。目前,滬士具備半加成法和全加成法的生產(chǎn)能力,可根據(jù)應用需求和具體情況靈活選擇方案,如滿足超低熱膨脹系數(shù)(coefficient of thermal expansion,CTE)的球柵陣列(ball grid array,BGA)封裝需求。

Dickson強調,滬士需開發(fā)一種新的工藝,該工藝可在離線狀態(tài)下完成走線和檢測工作,并確保在層壓前具備完全的功能性。這樣,才能利用激光穿透各層,實現(xiàn)層與層之間的連接,進而提升工藝的可靠性。滬士在通孔連接方面的CpK值較高,但mSAP和SAP的RDL布線CpK值可能較低,這是減成法加工中鮮為人知的缺陷之一。

在制造過程中,為提供更好的質量保證,工藝的不斷進步至關重要。但同時,工藝改進導致成本大幅上升。對線寬50μm、線距50μm的走線,這類工藝不應僅限于投資高達10億美元的中等批量工廠中生產(chǎn),而應更適合較少數(shù)量的高階板,以便從芯片擴展出間距。滬士將這種工藝稱為“加成法電路載體加工”或“已知良好層”。這一工藝是大型載板和PCB主板發(fā)展路線圖的重要組成部分。

“已知良好層”是什么?

是否已被制造商廣泛采用

“已知良好層”(known good layer)這一術語實際上借鑒自“已知良好芯片”(known good die)的概念。由于芯片的制造成本極高,這種方法在芯片制造過程中被廣泛應用。芯片非常小,一個晶圓上通常包含許多芯片。制造商會對這些芯片進行測試,移除有缺陷的芯片,并用良好的芯片進行替換,從而確保制造出來的最終產(chǎn)品為“已知良好芯片”。通過這種方法,僅完成整個晶圓容量中的良好芯片部分,最大限度地降低了由于缺陷芯片導致的成本影響。

類似的邏輯也被應用到滬士公司采用的“已知良好層”積層與芯材工藝中(見圖3)。

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圖3PCB 轉接板

Dickson解釋說,在PCB 大型板加工中,預先了解層內的信號是否良好,至關重要。這意味著在將信號放置到電路板上之前,必須確保信號的完整性和質量。由于PCB加工過程中所使用的材料成本較高,如不預先檢查材料和信號,后續(xù)的制造過程將面臨巨大的風險。通過采用“已知良好層”的方法,可有效降低風險,確保后續(xù)的制造流程更加高效且成本可控。

感應壓合技術

滬士公司已采用感應壓合機長達25年。特別是在汽車領域,滬士用感應壓合機制造非常厚的四層板,這種工藝適合對平整度要求不高的應用。由于物理上缺乏較厚的層壓鋼板(圖像轉移),通常通過優(yōu)化表面層解決問題,但其運行成本相對較低。

滬士公司擁有一套能夠旋轉銅箔并將加載的疊層堆疊在一起的設備,在疊層之間放置不銹鋼板。雖然該工藝的應用范圍有限,但其性能較為優(yōu)越。此外,滬士的層壓機配備了超過10個開口,這使其利用熱油和厚壓板的優(yōu)勢,在保持高產(chǎn)量的同時,實現(xiàn)高效的生產(chǎn)。

在大規(guī)模生產(chǎn)中,感應層壓技術并不常見,尤其對批量生產(chǎn)的制造商來說,這并不是優(yōu)先考慮的技術,但該技術較為適合小批量、高階的單次層壓疊層。如需為高階機器人LiDAR構建60層的混合板(見圖4),熱油和厚壓板必不可少,需采用高產(chǎn)能的壓機來完成。

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圖4針對0.45~1.0mm間距的高階HDI和機械PCB互連解決方案(來源:滬士)

減成法蝕刻工藝的現(xiàn)實與限制

加成低輪廓銅技術通過電鍍形成完全加成的低輪廓銅,非常規(guī)銅箔,該項技術正處于快速進步階段。如采用傳統(tǒng)的減成法蝕刻技術,則較難在低輪廓銅箔上實現(xiàn)50μm的線寬和線距,這并非由于蝕刻能力不足。

滬士擁有高效的氣體蝕刻、真空蝕刻能力,可在銅的頂部和底部進行有效蝕刻。但光滑的低輪廓銅箔與介質的粘附性較差,尤其是在制造914 mm×220mm(36英寸×48英寸)等大尺寸薄板時,粘附性差的問題將影響芯板的結合和積層技術。此外,走線下的玻纖束可能導致結合不良,引發(fā)側蝕現(xiàn)象。不僅影響蝕刻分辨率,更會影響整體良率,包括線路從上到下的變化,線路側面的侵蝕。盡管通過減成法工藝,可生產(chǎn)出線寬和線距小于60μm的PCB,但目前,滬士采用的是載體技術,先制造載體,處理完畢后進行封裝,可使信號處理在封裝后更加簡便。

在這種結構下,BGA中的電源分布面臨重大挑戰(zhàn)。特別是在節(jié)距小于0.9 mm的BGA中,使用薄銅作為電源層時,無論是18、35μm(1/2、1oz) 還是70μm(2oz)的銅,都會遇到問題。

由于互連的高密度和小間距,70μm的銅網(wǎng)在向BGA內部分配電源時成為主要的限制因素。對大尺寸BGA封裝,這一問題顯得尤為突出。例如,一個多排列焊球的BGA,其電源層可能由尺寸為35μm或70μm的銅箔構成,通過這些區(qū)域到達連接的可用電流通道,受銅箔(即電源層網(wǎng))寬度和厚度限制。Dickson指出,他觀察到當前大多數(shù)GPU的電源需求約為700W,使用0.9mm間距的BGA。在更小的間距(小于0.9mm)條件下,滬士能夠實現(xiàn)接近2000W的功率輸出。該項技術的開發(fā)耗時近3年,同時有4家合作伙伴共同參與設備、材料和工藝測試。

Dickson詳細解釋了銅厚度對分辨率和電流承載能力的影響。18μm的銅雖然能提供高分辨率,但由于厚度不足,導致電流承載能力有限。使用35 μm銅時,電流承載能力提高,但分辨率下降。

70μm銅的使用則導致更嚴重的分辨率損失。即使在70μm銅上使用真空蝕刻,分辨率下降的現(xiàn)象依然存在。實際上,從70μm轉向105μm銅并不值得,因為減成法蝕刻后的差異幾乎相同。35μm和70μm銅網(wǎng)中的實際銅質量差異并不明顯。

為了不損失與銅厚度無關的網(wǎng)寬,滬士開發(fā)了一種新的方法,這不僅需要新的制造設備和工藝,還需與主要層壓板供應商合作,開發(fā)“液態(tài)半固化片”(liquid prepreg)。該材料不僅用于滬士的電源解決方案,還用于封裝無源元器件和耐CTE材料。目前,滬士在亞洲已經(jīng)擁有一家成熟的供應商,以及兩家正在研發(fā)這項技術的供應商。

Dickson還提到,對224GHz及以上頻率的應用,保持通孔連接的低介電常數(shù)(Dk)至關重要。其他大多數(shù)技術為了實現(xiàn)這一點,須在電源層中使用高端的SI材料。而滬士采用FR-4材料,在通孔附近仍能維持較低的介電常數(shù)。

使用減成法電源工藝,通常需要堆疊多個冗余電源層,以滿足電源工程師對大銅面積的需求。滬士通過實現(xiàn)BGA內部的高分辨率電源網(wǎng)絡,能夠減少冗余層數(shù),降低封裝厚度。這項工藝能夠實現(xiàn)0.9mm節(jié)距的105μm高分辨率網(wǎng)絡,未來技術預計可以將節(jié)距縮小至0.6mm或0.7mm,在保持相似或更優(yōu)電源分布的同時提高成本效益和整體性能。

Dickson指出,減成法電源層技術面臨的一個主要挑戰(zhàn)是降低孔到金屬(D2M)距離,可能會造成導電陰極絲(conductive anodic filamentation,CAF)通過玻璃束,進而引發(fā)故障。這種故障通常在2種金屬之間距離過近,且玻璃纖維之間存在分離、裂紋或空腔的情況下發(fā)生。經(jīng)過熱循環(huán)后,有時會形成一條路徑,一旦建立路徑,如果金屬之間存在偏壓,可能會發(fā)生短路。這是D2M技術在行業(yè)中面臨的最主要問題,即孔與金屬特征之間的距離問題。須消除玻璃路徑的可能性,確保金屬更靠近孔。否則,將無法縮小節(jié)距,或徹底改變互連方式。如現(xiàn)場故障少,或許不會出現(xiàn)嚴重問題,但當單個電路板上出現(xiàn)這種情況,無篩查手段可預測同一批次其他板是否會出現(xiàn)同樣的問題。供應商對“召回”這個詞極為敏感。

HDI層對CAF(銅遷移)的影響雖不顯著,但在子板的通孔中仍然存在。HDI的間距常為55~100μm,而高階供應商的D2M值(孔到金屬距離)變化較小,通常為0.20~0.25μm,具體取決于功率和應用的不同。滬士采用機械手段,沿玻纖路徑,消除鉆孔與最近反焊盤的間距,再使用液體半固化片回填。這種半固化片是一種可印刷的介質材料,通過高真空度涂布機涂布,其傅里葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared spectrometer,F(xiàn)TIR)與層壓板一致,但不含玻纖,且填充物更多,具有CTE優(yōu)勢。因此,D2M可縮小至約0.13mm。如需實現(xiàn)0.60mm的節(jié)距,可通過優(yōu)化信號處理和電源來實現(xiàn)。

西方國家電路板產(chǎn)業(yè)困局

在當前的市場格局中,西方國家電路板產(chǎn)業(yè)主要服務于國防和一些樣板領域。亞洲與西方之間技術性能差距正在不斷拉大,當商業(yè)產(chǎn)品的性能顯著超越現(xiàn)有的軍事產(chǎn)品時,這將成為一個重大的技術挑戰(zhàn)。部分國家試圖通過政府立法和資金支持來應對這一挑戰(zhàn),但從更廣泛的角度看,這并非是最合理的解決方案。Dickson認為,應將重點放在技術、芯片和軟件的實際區(qū)分上。實際上,一張簡單的包含剖面切片PCB技術的X射線圖片就能揭示電路板的所有技術細節(jié),而這一點與其制造地點無關。

隨著過去三十年的產(chǎn)業(yè)轉移,西方國家如美國產(chǎn)生了大量的廢棄或閑置工業(yè)用地,即所謂的“棕地”。未來或許會看到更多對專屬工廠的投資,但小型加工廠不會競逐大型商業(yè)項目。對此,Dickson表示同意,并強調在投資方面需要更加坦誠和務實,投入到真正需要的地方,而不僅僅局限于少數(shù)幾家公司。韓國和越南正在大力資助先進封裝技術,視其為獲得市場份額的重要途徑。隨著這些國家的大規(guī)模投資,這些工廠將具備巨大的產(chǎn)能,而美國在建造技術水平較低的設施上將逐漸失去競爭力。這種局面不符合任何國家的利益。

Dickson還提到,如英特爾AMD等公司表示,確保安全的唯一方法是制造保密的芯片,并在美國保護知識產(chǎn)權。Dickson對此表示贊同,并指出這是高層面臨的問題。然而,他指出,目前沒有聽到有人提出“我們需要在美國制造電源”,盡管電源在整個制造過程中是至關重要的部分,能夠直接影響產(chǎn)品的成敗。但西方在電源類產(chǎn)品上完全沒有競爭力,所以最好的辦法是,以低價購買可靠的電源,并將其集成到產(chǎn)品中。

綜上所述,Dickson認為,未來PCB技術的下一個重大趨勢是轉向封裝載板加工。只有極為關鍵的分層部分需要在高成本、高性能的工廠中完成,而大部分制造將依然向更加經(jīng)濟高效的方向發(fā)展。(印制電路信息、電子首席情報官)

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原文標題:印制電路板制造業(yè)的全球演變轉移

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    電路板檢測工具都有什么

    在電子制造業(yè)中,電路板檢測工具是至關重要的。它們用于確保電路板的質量和性能,以滿足設計要求和行業(yè)標準。本文將詳細介紹各種電路板檢測工具,包括它們的功能、優(yōu)勢和應用場景。 一、
    的頭像 發(fā)表于 05-29 14:20 ?4378次閱讀

    X-ray射線無損檢測設備檢測印制電路板

    廣東X-ray射線無損檢測設備在檢測PCBA(PrintedCircuitBoardAssembly,即印刷電路板組裝)印制電路板時,主要利用X射線的強穿透性來檢測電路板內部的缺陷或結構。以下
    的頭像 發(fā)表于 05-23 16:34 ?1773次閱讀
    X-ray射線無損檢測設備檢測<b class='flag-5'>印制電路板</b>

    深圳恒興?。?b class='flag-5'>制造業(yè)的新星:高光超精電主軸的崛起...

    深圳恒興?。?b class='flag-5'>制造業(yè)的新星:高光超精電主軸的崛起隨著工業(yè)技術的飛速發(fā)展,高精度、高效率的加工設備在制造業(yè)中扮演著至關重要的角色。在眾多先進技術中,高光超精電主軸憑借其卓越的性能和創(chuàng)新的設計理念,正逐漸
    發(fā)表于 05-13 09:55

    印制電路板企業(yè)鵬鼎控股4月合并營收22億 同比增長52.21%

    印制電路板企業(yè)鵬鼎控股4月合并營收22億同比增長52.21% 根據(jù)鵬鼎控股發(fā)布的公告數(shù)據(jù)顯示,在2024年4月鵬鼎控股合并營收達22億,較去年同期增長52.21%。 鵬鼎控股主要從事各類印制電路板
    發(fā)表于 05-07 15:25 ?282次閱讀