摘要

探討亞洲印制電路板（PCB）制造商在全球的技術(shù)領(lǐng)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(yàn)，分析亞洲與西方PCB制造商之間的技術(shù)互補(bǔ)性，以及新材料，如陶瓷、玻璃和硅基板在電子封裝領(lǐng)域的應(yīng)用前景。同時，討論P(yáng)CB制造業(yè)面臨的挑戰(zhàn)，包括大面板加工技術(shù)、感應(yīng)壓合技術(shù)、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(shù)的未來發(fā)展趨勢，強(qiáng)調(diào)載板加工的重要性，揭示經(jīng)濟(jì)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(wù)市場，亞洲制造商已率先引入尖端的PCB制造設(shè)備和材料。關(guān)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(yàn)和觀點(diǎn)，并基于實(shí)際情況，對PCB制造業(yè)的未來進(jìn)行展望。

亞洲PCB制造商，能否與西方的PCB制造商實(shí)現(xiàn)技術(shù)互補(bǔ)亞洲PCB制造商，能否與西方的PCB制造商實(shí)現(xiàn)技術(shù)互補(bǔ)Dickson指出，通過大規(guī)模投資和對下一代技術(shù)的積極研發(fā)，滬士完全有可能與西方制造商實(shí)現(xiàn)技術(shù)互補(bǔ)。然而，對西方制造商來說，這種互補(bǔ)可能并不總是有意義的，因?yàn)槠渲饕蛻羧后w往往追求快速、小批量的生產(chǎn)模式。但這種互補(bǔ)仍是可行的，特別是考慮到亞洲的批量供應(yīng)商通常不會涉足樣板生產(chǎn)業(yè)務(wù)，而這正是西方制造商所擅長的。 Dickson進(jìn)一步指出，西方PCB行業(yè)存在2個核心問題。首先，技術(shù)討論往往僅限于各自獨(dú)立發(fā)展的芯片和PCB領(lǐng)域，缺乏將兩者融合的統(tǒng)一藍(lán)圖。其次，更為嚴(yán)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(wù)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(yàn)和工藝知識，進(jìn)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(lǐng)先技術(shù)見圖1。

圖1滬士目前掌握的行業(yè)領(lǐng)先技術(shù)

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(xùn)亞洲供應(yīng)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(shù)工藝信息方面進(jìn)行合作。評估快捷生產(chǎn)技術(shù)對于整個PCB行業(yè)的生態(tài)系統(tǒng)都是有益的。

西方復(fù)制亞洲供應(yīng)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(dǎo)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(fù)制亞洲供應(yīng)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(lǐng)域的應(yīng)用前景備受矚目。但同時，也將面臨技術(shù)和成本的挑戰(zhàn)。

剛性或非有機(jī)基板，如陶瓷等，對電鍍互連、層壓互連技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。該類基板須從板上進(jìn)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(jié)或熔融陶瓷，并在其上疊加多個工藝步驟的方式，實(shí)現(xiàn)所需的結(jié)構(gòu)，但該方法成本高，且難以確保在基板內(nèi)部獲得足夠的能量供應(yīng)。因此，陶瓷雖有助于實(shí)現(xiàn)特定的外形尺寸，但考慮到訓(xùn)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(shí)際。

有觀點(diǎn)認(rèn)為，在未來15年內(nèi)，行業(yè)將完全放棄銅和薄膜有機(jī)積層技術(shù)，這并不現(xiàn)實(shí)。高端封裝技術(shù)將推動下一代人工智能無人機(jī)的開發(fā)，將企業(yè)級技術(shù)應(yīng)用于行業(yè)數(shù)據(jù)傳輸中時，每比特的成本至關(guān)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(shí)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(shù)（見圖2），另一種是載板外轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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?！钡蟛糠?jǐn)?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(yù)計在該領(lǐng)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(nèi)仍將是主流設(shè)計解決方案，但隨著技術(shù)進(jìn)步，這一狀況將迅速得到調(diào)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(lǐng)域具有巨大的潛力，但其應(yīng)用仍面臨諸多技術(shù)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(jìn)新材料的廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈的多元化。

大面板加工技術(shù)應(yīng)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(yán)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(zhuǎn)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(zhuǎn)接板設(shè)計，并在實(shí)際應(yīng)用于主板PCB之前進(jìn)行測試。全加成法電路載板的方法能夠減少某些轉(zhuǎn)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(shù)與高階PCB技術(shù)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(jìn)行，進(jìn)而減少高階載板層數(shù)量，降低生產(chǎn)成本。

Dickson進(jìn)一步闡述了滬士使用6個HDI層壓周期來構(gòu)建這些大尺寸基板的挑戰(zhàn)。在回顧設(shè)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(jié)構(gòu)，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(nèi)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)。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(yīng)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(qiáng)調(diào)，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(shí)現(xiàn)層與層之間的連接，進(jìn)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(zhì)量保證，工藝的不斷進(jìn)步至關(guān)重要。但同時，工藝改進(jìn)導(dǎo)致成本大幅上升。對線寬50μm、線距50μm的走線，這類工藝不應(yīng)僅限于投資高達(dá)10億美元的中等批量工廠中生產(chǎn)，而應(yīng)更適合較少數(shù)量的高階板，以便從芯片擴(kuò)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(shù)語實(shí)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(yīng)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(jìn)行測試，移除有缺陷的芯片，并用良好的芯片進(jìn)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(dǎo)致的成本影響。

類似的邏輯也被應(yīng)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）。

圖3PCB 轉(zhuǎn)接板

Dickson解釋說，在PCB 大型板加工中，預(yù)先了解層內(nèi)的信號是否良好，至關(guān)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(zhì)量。由于PCB加工過程中所使用的材料成本較高，如不預(yù)先檢查材料和信號，后續(xù)的制造過程將面臨巨大的風(fēng)險。通過采用“已知良好層”的方法，可有效降低風(fēng)險，確保后續(xù)的制造流程更加高效且成本可控。

感應(yīng)壓合技術(shù)

滬士公司已采用感應(yīng)壓合機(jī)長達(dá)25年。特別是在汽車領(lǐng)域，滬士用感應(yīng)壓合機(jī)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(yīng)用。由于物理上缺乏較厚的層壓鋼板（圖像轉(zhuǎn)移），通常通過優(yōu)化表面層解決問題，但其運(yùn)行成本相對較低。

滬士公司擁有一套能夠旋轉(zhuǎn)銅箔并將加載的疊層堆疊在一起的設(shè)備，在疊層之間放置不銹鋼板。雖然該工藝的應(yīng)用范圍有限，但其性能較為優(yōu)越。此外，滬士的層壓機(jī)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(shí)現(xiàn)高效的生產(chǎn)。

在大規(guī)模生產(chǎn)中，感應(yīng)層壓技術(shù)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(shù)，但該技術(shù)較為適合小批量、高階的單次層壓疊層。如需為高階機(jī)器人LiDAR構(gòu)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(jī)來完成。

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

減成法蝕刻工藝的現(xiàn)實(shí)與限制

加成低輪廓銅技術(shù)通過電鍍形成完全加成的低輪廓銅，非常規(guī)銅箔，該項(xiàng)技術(shù)正處于快速進(jìn)步階段。如采用傳統(tǒng)的減成法蝕刻技術(shù)，則較難在低輪廓銅箔上實(shí)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(jìn)行有效蝕刻。但光滑的低輪廓銅箔與介質(zhì)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(jié)合和積層技術(shù)。此外，走線下的玻纖束可能導(dǎo)致結(jié)合不良，引發(fā)側(cè)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(cè)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(shù)，先制造載體，處理完畢后進(jìn)行封裝，可使信號處理在封裝后更加簡便。

在這種結(jié)構(gòu)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(nèi)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(gòu)成，通過這些區(qū)域到達(dá)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(dāng)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?qū)崿F(xiàn)接近2000W的功率輸出。該項(xiàng)技術(shù)的開發(fā)耗時近3年，同時有4家合作伙伴共同參與設(shè)備、材料和工藝測試。

Dickson詳細(xì)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(dǎo)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(dǎo)致更嚴(yán)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(shí)際上，從70μm轉(zhuǎn)向105μm銅并不值得，因?yàn)闇p成法蝕刻后的差異幾乎相同。35μm和70μm銅網(wǎng)中的實(shí)際銅質(zhì)量差異并不明顯。

為了不損失與銅厚度無關(guān)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(shè)備和工藝，還需與主要層壓板供應(yīng)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(yīng)商，以及兩家正在研發(fā)這項(xiàng)技術(shù)的供應(yīng)商。

Dickson還提到，對224GHz及以上頻率的應(yīng)用，保持通孔連接的低介電常數(shù)（Dk）至關(guān)重要。其他大多數(shù)技術(shù)為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)BGA內(nèi)部的高分辨率電源網(wǎng)絡(luò)，能夠減少冗余層數(shù)，降低封裝厚度。這項(xiàng)工藝能夠?qū)崿F(xiàn)0.9mm節(jié)距的105μm高分辨率網(wǎng)絡(luò)，未來技術(shù)預(yù)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(shù)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(dǎo)電陰極絲（conductive anodic filamentation，CAF）通過玻璃束，進(jìn)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(shù)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(yán)重問題，但當(dāng)單個電路板上出現(xiàn)這種情況，無篩查手段可預(yù)測同一批次其他板是否會出現(xiàn)同樣的問題。供應(yīng)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(yīng)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(yīng)用的不同。滬士采用機(jī)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(zhì)材料，通過高真空度涂布機(jī)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(shí)現(xiàn)0.60mm的節(jié)距，可通過優(yōu)化信號處理和電源來實(shí)現(xiàn)。

西方國家電路板產(chǎn)業(yè)困局

在當(dāng)前的市場格局中，西方國家電路板產(chǎn)業(yè)主要服務(wù)于國防和一些樣板領(lǐng)域。亞洲與西方之間技術(shù)性能差距正在不斷拉大，當(dāng)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(shù)挑戰(zhàn)。部分國家試圖通過政府立法和資金支持來應(yīng)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(rèn)為，應(yīng)將重點(diǎn)放在技術(shù)、芯片和軟件的實(shí)際區(qū)分上。實(shí)際上，一張簡單的包含剖面切片PCB技術(shù)的X射線圖片就能揭示電路板的所有技術(shù)細(xì)節(jié)，而這一點(diǎn)與其制造地點(diǎn)無關(guān)。

隨著過去三十年的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)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(xiàng)目。對此，Dickson表示同意，并強(qiáng)調(diào)在投資方面需要更加坦誠和務(wù)實(shí)，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(jìn)封裝技術(shù)，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(shù)水平較低的設(shè)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(hù)知識產(chǎn)權(quán)。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(guān)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(rèn)為，未來PCB技術(shù)的下一個重大趨勢是轉(zhuǎn)向封裝載板加工。只有極為關(guān)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(jì)高效的方向發(fā)展。（印制電路信息、電子首席情報官）