互联印制板技术发展概况

邹嘉佳，赵　丹，程明生

（中国电子科技集团公司第38研究所，合肥230031）

互联印制板技术发展概况

邹嘉佳，赵丹，程明生

（中国电子科技集团公司第38研究所，合肥230031）

印制电路基板（PCB）是各种电子产品的主要部件，其性能在很大程度上影响电子产品的质量。简要介绍了PCB的分类和未来需求，着重介绍了国内外PCB的研究情况、趋势及国内外的差异，对国内外在PCB层间互联、板内互联、互联印制板制造工艺、互联印制板新材料的开发、互联印制板的新型应用领域开发等方面进行了分析和比较。目前国内印制板技术无论在研究主体和技术开发程度上均与国外有一定差距，最后根据“中国印制电路产业转型升级规划方案”对国内PCB技术的发展提出预测。

PCB；互联基板；进展；趋势

1　前言

根据国际电工委员会标准IEC 60326和国标GB 2036，印制电路板（PCB，Printed Ciruit Board）的定义为：按照预定设计的导电图形（印制元器件或印制线路以及二者的结合），通过印刷工艺加工在有机绝缘基材表面或内部，形成印制电路的成品板［1］。PCB是当前各种电子产品的重要基础零部件，可称为“电子系统产品之母”，其性能在很大程度上影响了电子产品的使用性和可靠性。随着电子设备向小型化、轻量化、高速化、高可靠、经济化发展的趋势，PCB的使用量和使用规模必然不断扩展。与其他类型的基板（共烧陶瓷基板、淀积基板）相比，PCB有其独到之处，即具备多个相同图形在大平板上快速制作电路的能力。这种能力不仅降低了单件制作成本，而且在需要快速跃升至大批量生产时具有极大的优越性［2，3］。

PCB有多种分类方法，如按照基板刚性分类、按照基板功能分类、按照基板材料分类，其技术体系框架如图1所示。

2　PCB的未来需求

PCB的大量使用是电子技术向高速度、多功能、大容量和便携低耗方向发展的必然趋势，高层、高密度、三维互联PCB应对该种需求而生。可穿戴电子设备、物联网、云计算、数据中心、可再生能源和汽车电子将持续驱动未来PCB的需求。预计至2019年，PCB终端的应用领域中最大份额的两项，PC端的需求将保持稳定，智能终端的需求仍然会增长，但幅度略低于前几年。可穿戴产品用PCB需求持续增长，但由于产品体积小、功能多，因此整体产量可能有限。汽车电子近两年来一直是PCB的发展热点，其表现也颇为可观，尤其是无人驾驶汽车使用的导航雷达需要高频PCB，电动车（EV）、油电车（HV）、燃料电池车（FEV）等对高电流容量PCB提出明确需求。在汽车电子持续成长的背景之下，未来对高频板、厚铜板、HDI板等的需求带动将更为明显［4］。

图1　印制电路基板技术体系基本框架

3　PCB的国内外研究情况、趋势及差距

3.1PCB的国外研究情况及趋势

印制电路基板研究方向如图2所示，国外已于上世纪在印制电路基板互联结构设计及制造、互联印制基板制造工艺和互联印制基板新材料和新应用三大研究方向展开不同程度的研究。

图2　印制电路基板研究方向

在层间互联方面，1991年“表面积层式电路（Surface Laminar Circuit，SLC）”作为一种划时代的技术成果公开发表［5］。目前行业内有4种积层方式：ALIVH（Any Layer Inner Via Hole，任意层内互连孔技术），B2it（Buried Bump Interconnection Technology，预埋凸块互连技术），FVSS（Free Via Stacked Up Structure，任意叠孔互连技术），NMBI（Neo-Manhattan Bump Interconnection，新型立柱凸块互连技术），如图3所示，分别由日本松下、日本东芝、日本揖斐电、日本North Print公司先后研发和推广，并占据行业内的技术巅峰［6～9］。

图3　 PCB任意层互连技术工艺示意图

在板内互联方面，PoP（Package on Package）、SoP（System on Package）、CoF（Chip on Flex）等立体组装形式已在国外企业大量使用［10］，埋置也作为目前的焦点技术被广泛研究。埋置式PCB技术是在PCB生产阶段就把无源器件（如电阻、电容、电感）和有源元件嵌入或集成到PCB内部［11～13］。

埋置无源器件技术（EPT）作为埋置式PCB技术的重要组成部分之一，是未来埋置技术发展的基础。国外早已有研究机构及公司着手进行行业标准、材料、工艺及可靠性的开发与研究，部分公司已拥有自己的埋置式PCB技术专利。早期Murata、Hitach、Kyocera、TDK、NGK公司的埋置式PCB已成功埋入约20个无源器件，产品总厚度1.8 mm。目前国外相关科研院所及公司已开展了大量PCB内埋置无源器件技术的研究。以美国乔治亚州理工学院为代表的研究所、以Intel、三星公司为代表的企业界，推动埋置无源器件技术迅猛向前发展。在此过程中各种发明专利不断涌现，包括新的工艺方法、新的无源器件结构、新的PCB结构等［14，15］。

国外对有源元件埋置技术研究也始于1990年，技术可按有源元组件在制造过程中的埋置先后顺序分为：（1）“先”埋置芯片的制造方法；（2）“中间（途）”埋置芯片的制造方法；（3）“最后”埋置芯片的制造方法。3种工艺如图4所示。“先”埋置芯片制造工艺由GE、Intel、Ftaunhofer和其他公司大力开展。“中间”埋置有源元件制造工艺由Matsusshita、Nokia、SMIT公司在新产品开发中使用。乔治亚州理工学院开发了“最后”埋置有源元件的工艺，其优点明显，目前已被大多数研制和生产单位所采用［16，17］。

图4　 PCB有源元件埋置技术示意图

互联印制基板制造工艺方面，高速、高频、高密度PCB制作的主要难点在于微小孔的制作、小孔金属化以及精细线路的制作几个方面。国外企业和研究机构研发出了多种激光钻孔的激光系统、微孔电镀设施和配套镀液、用于微细线路的激光直接成像技术（LDI）等，且技术均达到较成熟状态。印制电路基板制作加工过程控制则是通过6西格玛、Minitab软件等成熟质量控制手段维持在高水平［18，19］。

互联印制基板的新材料主要表现在光电印制板材料上。光电印制电路板（EOPCB）利用光具有带宽高、密度高、无电磁干扰（EMI）等显著优势，正逐步用于系统内互连以代替电互连。与光互连发展密切相关的光波导材料现在以波导聚合物较为流行。EOPCB的相关材料、制备正在美日德韩等国家开展大力研究。IBM公司采用干模热压法制作光波导，实现了每个光通道10～15 G/s共24路并行链路的240～360 G/s双向高速互连。日本的日立化成工业株式会社、韩国、德国研究机构也都先后在光波导材料领域开展研究［20，21］。

互联印制基板的新应用领域包括对已有领域的开拓和新领域的占领［22］。国外对微波数字复合基板替代LTCC使用在T/R组件中做了大量研究，并在最近聚焦在刚挠结合板、特种挠性板的多芯片模块组件上。美国Telegyne电子科技公司、洛克希德·马丁公司、JPL实验室等先后开发出应用于型号产品的微波数字复合基T/R组件。韩国近期对用于医疗检测传感器、生物电探测传感器等新兴领域的互联印制基板开展了研究。

3.2PCB在国内的研究情况及趋势

在层间互联方面，目前国内互联印制基板高密度制造工艺大多属于“从无到有”阶段，大多数印制板生产厂都具备简单的传统积层技术，形成一阶、二阶的产品量产能力的厂家也不在少数，但离国外成熟三阶、四阶高密度互联板制造工艺还有很大距离［23］。

在板内互联方面，国内关于埋置式PCB的研究主要集中在院校及研究所，但研究领域大部分集中在LTCC基板上埋置无源器件技术，如电子科技大学、国防科技大学、清华大学等。印制电路基板内埋置无源器件研究，国内正处于起步阶段，相关报道较少，特别是根据系统级封装思想基于树脂系基板的埋置式PCB技术，尚没有现行PCB制造工艺与其完全兼容。有源元件埋置技术更是刚刚起步［24］。

互联印制基板制造工艺方面，国内印制板加工均采用国外进口设备，在设备精度、产品精度、工艺管控方面仍与国外企业有较大差距。国内单位的微波数字复合基板制造工艺较为成熟，但应用于T/R组件和大阵面天线的研究仍处于初级阶段。

互联印制基板新材料方面，国内对光电印制板的研究处于探索状态。

3.3PCB国内外研究差异

从上述分析中得知，PCB技术研究的国内外差异主要如表1所示。

表1　印制电路基板国内外技术水平差异

4　　中国PCB的发展趋势

2015年9月初中国印制电路行业协会（CPCA）公布了《中国印制电路产业转型升级规划方案（2016～2018年）（摘要）》，即PCB行业技术发展路线图。此“路线图”性质的文件，对未来三年我国PCB行业在产业转型升级、技术创新方面提出了方向性的建议、规划和预测。其中在技术发展方面重点提出8点［25］：

（1）继续加大在开发适用于下一代通信的大容量高速高频多层板的力度；

（2）重点支持埋置元器件、任意层互连HDI板、挠性FPC板开发，满足高端便携电子产品的发展需求；

（3）继续加强高频率PCB产品和大功率厚铜PCB产品研发，为未来汽车电子行业的发展提供支撑；

（4）持续发展高密度多层封装载板技术，提升我国集成电路及电子封装领域的竞争力；

（5）重点加强刚挠结合板开发，为国防信息化、医疗国产化、工业智能化的行业发展提供配套支撑；

（6）加强高导热金属PCB板的研发，提升我国新能源、高端电源及汽车电子系统及无线通讯系统的竞争力；

（7）重点支持中国PCB企业按照工业4.0模式，进行智能工厂和智能生产的改造升级；

（8）突破PCB生产关键装备和材料的国产化技术，提升PCB生产设备和原辅材料的配套能力。

综上所述，我国的PCB技术与国外尚有差距，但行业内已经意识到问题所在，并在关键研究方向上努力向国外先进领域靠拢和追赶。相信在路线图的指导下，我国的PCB技术必将得到更快更有针对性的发展。

［1］姜培安，鲁永宝，暴杰.印制电路板的设计与制造［M］.北京：电子工业出版社，2012.

［2］Mehri M，Heidari S，Masoumi N.The analysis of EMI effectsontheperformanceofelectronicsystems implemented on a PCB［C］.2016 IEEE 20th Workshop on Signal and Power Integrity（SPI），IEEE，2016：1-4.

［3］Engin A E，Kozachenko E.Generalized Debye model for PCBdielectricsandconductors［C］.Electromagnetic Compatibility，Tokyo（EMC'14/Tokyo），2014 International Symposium on.IEEE，2014：97-100.

［4］张家亮.全球电路板市场的发展进入新常态——2014年全球电路板市场总结与未来发展预测［J］.印制电路信息，2015（5）：8-17.

［5］Tsukada Y，Tsuchida S，Mashimoto Y.Surface laminar circuitpackaging［C］.ElectronicComponentsand Technology Conference，1992，Proceedings.，42nd.IEEE，1992：22-27.

［6］Andoh D，Tomita Y，Nakamura T，et al.The progress of the ALIVHsubstrate［C］.ElectronicComponentsand Technology Conference，2002.Proceedings，52nd.IEEE，2002：1419-1424.

［7］Goto K，Oguma T，Fukuoka Y.High-density printed circuit board using B2it TM technology［J］.IEEE transactions on advanced packaging，2000，23（3）：447-451.

［8］Lee J G，Woo H J，Hong J S，et al.Effect of PCB Pad Structure and PWB Build-up Layer on Solder Joint Life under Thermal Cycling and Drop Condition［C］.Electronics Packaging Technology Conference，2007，EPTC 2007，9th. IEEE，2007：471-475.

［9］黄勇，吴会兰，朱兴华，陈正清.任意层互连技术应用研究［J］.印制电路信息，2012（10）：52-55.

［10］朱勇，张凯.SOP集成技术的发展现状及其在毫米波系统中的应用［J］.电讯技术，2013，53（2）：219-224.

［11］GiurgiutiuV，ZagraiAN.Embeddedself-sensing piezoelectricactivesensorsforon-linestructural identification［J］.Journal of Vibration and Acoustics，2002，124（1）：116-125.

［12］Brizoux M，Grivon A，Maia Filho W C，et al.Industrial PCB development using embedded passive&active discrete chips focused on process and DfR1［J］.PLUS. Produktion von Leiterplatten und Systemen，2010，12（11）：2670.

［13］Ko C T，Chen S，Chiang C W，et al.Embedded active devicepackagingtechnologyfornext-generation chip-in-substrate package，CiSP［C］.56th Electronic Components and Technology Conference 2006.IEEE，2006：8.

［14］丘伟阳.基于树脂系基板的埋置式PCB可制造性与可靠性技术研究［D］.桂林电子科技大学，2010.

［15］Peng Q，Gu X，Bao P，et al.The reliability investigation of capacitors embedded PCB［C］.Advanced Packaging Materials（APM），2011 International Symposium on. IEEE，2011：428-432.

［16］林金堵，吴梅珠.在PCB中埋置有源元件［J］.印制电路信息，2010（1）：23-31.

［17］Towle S，Jones M，Vu Q T.Method for packaging a microelectronic device using on-die bond pad expansion：U.S.Patent 7，071，024［P］.2006-7-4.

［18］Wei Q F，Li Z F，Li L，et al.Three-pole cross-coupled substrate-integrated waveguide bandpass filters based on PCBprocessandmultilayerLTCCtechnology［J］. Microwave and Optical Technology Letters，2009，51（1）：71-73.

［19］Tardibuono M J.Characterization of PCB plated-throughhole reliability using statistical analysis［J］.Circuit World，2005，31（1）：8-15.

［20］张家亮.全球印制光-电路板的发展动态［J］.印制电路信息，2010（7）：15-20.

［21］Tsou C Y.Study of Fiber Optic Sensors and Highly Flexible Optical Waveguides［D］.2014.

［22］MoussessianA，et al.Transmit/receive membranes for large aperture scanning phased arrays［A］.Earth Science Technology Conference（ESTC）［C］.College Park，MD，2003.

［23］陈世金，罗旭，覃新.一种任意层HDI板制作工艺技术的研究［J］.印制电路信息，2012（6）：28-32.

［24］杨维生.多层印制板埋置用TCR平面电阻新材料［J］.印制电路资讯，2012（5）：94-101.

［25］覆铜板资讯编辑部.我国PCB业未来三年发展指南性文献出台［J］.印制电路信息，2015（5）：5-8.

Overview of Development of Interconnected PCB

ZOU Jiajia，ZHAO Dan，CHENG Mingsheng

（China Electronics Technology Group Corporation No.38 Research Institute，Hefei 230031，China）

Printed Circuit Board（PCB）is an essential part of electronics，the properties of which greatly influence reliability.The paper briefly summarizes the category and requirement of military equipment of PCB.The current situations of global and domestic PCB research condition and trend have been discussed. The forecast of PCB technology in China has been introduced.

PCB；interconnect laminate；progress；trend

TN305.94

A

1681-1070（2016）10-0001-05

2016-5-19

邹嘉佳（1984—），女，山东济南人，毕业于四川大学，博士，工程师，现就职于中国电子科技集团公司第38研究所，主要从事基板材料和工艺的研究。