光通信印制板验收标准建立及推广的可行性研究

陈 利 张 凯 戴 炯

（深南电路股份有限公司，广东 深圳 518117）

1 引言

通信网络是现代社会的基本基础设施之一，是社会信息交流的主要途径，对国民经济与生活至关重要。在现代通信网络架构中，分布着核心路由器、汇聚路由器、边缘路由器和交换机等网络设备，这些网络设备间的通信以光纤网络为主，但网络设备内部的信号分析与处理为电信号，因此在网络设备的物理层接口必须使用光通信印制电路板（PCB）实现光电信号的转换。随着移动互联网、云计算、光纤入户、数据中心、智能监控以及大数据的兴起，及宽带中国战略和5G建设的实施，持续海量数据的产生对光通信PCB的需求呈现出爆发式的。随着通信带宽需求的持续增加，光通信PCB的传输速率也从目前广泛应用的10 Gbps向25 Gbps、50 Gbps、100 Gbps，甚至400 Gbps、800 Gbps发展，光通信PCB的单通道带宽也已经实现56 Gbps的应用，单通道112 Gbps带宽的产品也进入了小批量阶段。可以预见，随着通信网络持续向超高频、超高速和超大容量方向发展，未来光通信PCB在未来PCB市场中的份额会持续上升。但是，尽管光通信PCB近五年来已经取得了长足的进步，其相配套的行业标准的制定却严重滞后。目前，光通信PCB的主要厂商间并没有形成系统的标准，各家验收标准参差不齐，主要依据自身的经验来制定相应标准。我国是PCB制造大国，产值占据全球50%以上，在光通信PCB这一细分领域中缺乏行业标准对我国的产业发展是不利的，也不利于实现产业升级。因此，建立光通信印制电路板验收标准具有重要的经济和战略价值。

2 光通信印制板验收标准现状

2.1 光通信印制板简介

光模块是现代通信网络中网络设备接口光电转换的关键器件；光模块发送端把电信号转换成光信号，通过光纤传送后，另一光模块的接收端再把光信号转换成电信号。光通信PCB用于承载光模块的各种元器件和芯片，在设计上一般包括板边插头（俗称金手指）、高速信号线、线接合连接盘（WB-PAD，Wire Bonding PAD）、裸芯片连接盘（DIE-PAD）、普通连接盘，根据产品类型不同，还可能包括刚挠设计、金属基设计、台阶槽设计和HDI（高密度互连）设计。相比普通PCB，光通信PCB对板边插头、高速信号线、线接合连接盘和裸芯片连接盘的外观、尺寸符合性和可靠性的要求都更高。

目前，由于光通信PCB在功能和结构上的特殊性，在深南电路的实际生产过程中发现，如果以通用的印制板性能规范（如《IPC-6012 E CN刚性印制板的鉴定及性能规范》和《GB/T4588.4-2017刚性多层印制板分规范》）来验收太过于简单粗暴，且普通产品的验收标准对光通信PCB中“板边插头、高速信号线、线接合连接盘和裸芯片连接盘的外观和尺寸符合性”涉及得非常浅且不全面，已经无法满足光模块PCB的验收需求。

2.2 国内外光通信印制板验收标准现状

在PCB行业中，标准按适用范围分类包括：国际标准、国家标准、行业标准、团体标准、地方标准和企业标准；按产业链上的不同角色分类则可以分为：设计标准、材料标准、产品标准、测试标准和组装标准。但由于光通信PCB是一个相对较新的细分产品，以上所有标准体系中目前均没有专门的光通信PCB验收标准。

从光通信PCB的客户角度来看，部分高端客户有自己的验收准则，但内容完整性参差不齐，有些要求无法落地执行。而从光通信PCB制造商的角度来看，目前也没有形成相对统一的验收准则。因此，总的来说，光通信PCB验收标准目前还属于行业空白。现状是各厂家、各用户用着零碎的验收准则，这种不系统、不统一的验收准则对行业、企业及从业者都是不利的。

2.3 建立光通信印制板验收标准的可行性分析

2020年光模块市场销售额超过500亿元，其所使用的光通信PCB市场份额约16亿元，在整体PCB中占比约0.5%（全球PCB销售额大概4000亿元人民币）；市场份额相对较小，这也是相应标准滞后的重要原因；但光通信是一个朝阳产业，其每年的增长速度在30%左右。目前光通信的主流客户有华为、II-VI、中际旭创、新易盛、Intel、海信宽带、光迅科技等。深南电路公司有着丰富的光通信PCB生产制造经验，在光通信PCB的制造中占据了领先位置；同时，深南电路作为中国电子电路行业协会标准委员会会长单位，有着专门的标准化团队。近年来，深南电路的技术人员共参与60余项标准的编制、开发和审核工作，在标准编制和推广方面已有一定的经验。综合来说，从光通信PCB发展趋势和行业供需的现状看，目前已经具备建立光通信印制电路板验收标准的基本条件。

3 光通信印制板验收标准的建立

3.1 标准建立原则

与常规PCB相比，光通信PCB的最大区别体现在WB-PAD和DIE-PAD，以及板边插头。WB-PAD和DIE-PAD此类连接盘一般成对组合，如图1所示。DIE-PAD用于承载裸芯片（DIE），WB-PAD围绕DIE-PAD排列，裸芯片上的连接盘（PAD）一般通过金线连接（线接合，Wire Bonding）至WBPAD上，从而实现裸芯片信号引出。正因为光通信PCB特殊的结构设计，其验收标准需要重点关注外观和可靠性。

图1 WB-PAD和DIE-PAD示意图

3.2 光通信印制板外观缺陷分类

光通信PCB由于需要起到裸芯片承载和贴装的作用，因此其外观要求更加严格，基于目前的生产经验，其重点缺陷如下。

3.2.1 擦伤

如图2所示，擦伤是指铜线路（尤其是连接盘）表面在表面涂覆前后与其他物件接触摩擦而产生的“带状”痕迹。擦伤不会直接导致铜线路图形的凹陷，即表面涂覆前擦伤不会出现铜线路层完整，表面涂覆后的擦伤不会漏铜或漏镍（但可能漏钯）。擦伤缺陷会造成后续线接合时的不良风险。

图2 擦伤缺陷外观图

3.2.2 划伤

划伤是一种对铜线路的实质物理损伤，在外观上呈现为细条状、不规则、方向随机的痕迹如图3所示。划伤按照产生时间分为铜层划伤和表面涂覆层划伤，按照严重程度分为无感划伤和有感划伤。无感划伤在外观上仅见痕迹，凹陷深度≤5 μm，视觉上在45°到135°角度范围内观察，存在一定角度范围内划伤不可见。有感划伤在外观上可看到凹陷，凹陷深度＞5 μm，视觉上在45°到135°角度观察，划伤痕迹均清晰可见。

图3 划伤缺陷外观图

3.2.3 磨痕

磨痕是机械性前处理（如刷辊磨刷）导致的铜面凹陷，产生在表面涂覆前；外观上呈现为细条状直线，一般平行或垂直于板面方向，且相邻线条间方向一致。磨痕缺陷按照严重程度分为无感磨痕和有感磨痕，如图4所示。无感磨痕外观上仅见痕迹，凹陷深度≤5 μm，视觉上在45°到135°角度范围内观察，存在一定角度范围内磨痕不可见。有感磨痕在外观上可看到凹陷，凹陷深度＞5 μm，视觉上在45°到135°角度观察，划伤痕迹均清晰可见。

图4 磨痕缺陷外观图

3.2.4 异物

异物为表面涂覆前，铜面上残留目视难发现的点状干膜、油墨、胶质或其他杂质，在表面涂覆时被完全覆盖，进而视觉上呈现为凹坑，且凹坑底部呈现为黑色的微小点状，如图5所示。一般情况下，异物不可去除，由于其高度不高于金面，强行去除容易出现露铜露镍和金面损伤。

图5 异物缺陷外观图

3.2.5 脏污

脏污为表面涂覆后，金面上吸附的液态物质在干燥后留下的污渍，其外观呈圆点状或片状，如图6所示。脏污缺陷可以使用橡皮擦擦拭，擦拭后不会露铜露镍。

图6 脏污缺陷外观图

3.3 光通信印制板外观验收要求

综合评估光通信PCB常见的外观缺陷、发生概率及其品质影响，关键外观验收要求如下。

3.3.1 露铜露镍

如图7所示，对于非关键区域的缺陷，要求面积≤50%非关键区域面积，且单个缺陷尺寸≤0.2 mm。当缺陷出现在关键区域，如线接合焊盘，则要求不能出现露铜露镍。

图7 漏铜漏镍缺陷验收准则

3.3.2 磨痕

光通信印制电路板对磨痕的验收要求为镀层完整，且磨痕深度≤10 μm、无金属丝挂起，如图8所示。

图8 磨痕缺陷验收准则

（3）倒角损伤。倒角损伤主要出现在板边插头位置，对光模块的信号传输品质可能有重要影响。如图9所示，倒角损伤的验收要求板边插头顶端不能出现铜箔和镀层剥离、板边插头浮离。

图9 倒角损伤缺陷验收标准

3.4 光通信印制电路板可靠性验收要求

与普通PCB相比，光通信PCB的可靠性测试需要额外关注板边插头的可靠性，具体包括：

3.4.1 插拔测试

测试目的：板边插头是光模块与网络设备的连接位置，其品质稳定性直接决定光模块的光电转换品质。插拔测试是板边插头经过插拔后评估对外观及电性的影响。

测试方法：金手指与匹配的连接器进行机械寿命试验，用将光通信PCB的板边插头与寿命试验机连接，以进行机械寿命测试；测试过程中，1次寿命指插入和拔出的一个循环，循环频率10次/分钟，测试机械寿命100次以上。

验收标准：（1）外观质量，关键区域不露铜、不露镍（靠近板边端部露铜位置除外）；（2）接触电阻在机械寿命测试后≤35 mΩ，则测试合格。

3.4.2 盐雾测试

测试目的：通过加速腐蚀测试，模拟评估产品表面连接盘和板边插头的耐腐蚀性。

测试方法：光通信PCB的盐雾测试采用中性盐雾试验，即以化学纯氯化钠溶于蒸馏水或去离子水，配成（5±1）%（重量百分比）的盐溶液，且调控盐溶液喷雾后收集液pH值为6.5～7.2，在35 ℃±2 ℃下测试48 h；然后用自来水与软毛刷轻轻刷洗试验样品表面沉积的盐颗粒，并用不超过35℃的蒸馏水漂洗，最后测量板边插头的接触电阻。

验收标准：若（1）10～20倍放大倍率下光学观察镀金层表面（靠近板边端部露铜位置除外）没有腐蚀缺陷，初始接触电阻≤25 mΩ，试验后≤35 mΩ；（2）经拍照，栅格，图样对比或其他分析方法测试，腐蚀区域不超过镀金区域面积的5%；（3）腐蚀深度不超过镀金厚度的50%；（4）金镀层不出现脱落、破损、分层等缺陷；（5）试样电气功能正常，结构完整，则测试合格。否则不合格。

3.4.3 孔隙率测试

测试目的：通过测试镍金镀层的孔隙率，评估其使用可靠性。

测试方法：参考IPC-TM-650 的2.3.24.2进行试验，在干燥器皿中放置浓度为65%～68%的硝酸，并用器皿盖密封30 min；然后用夹具将试样放置在器皿边缘，时间60 min；随后立即将试样放入10%的氢氧化钠水溶液中，室温下放置20～30 s，之后放入蒸馏水中清洗，并将清洗完成后的样品放入多硫化钠溶液中浸泡20～30秒；最后将试样取出用纯净水清洗干净，并用热风吹干。

验收标准：在环形灯下用10倍放大镜观察板边插头镍金镀层无异常，且在25倍放大镜下观察满足表1所示要求，则验收通过。

表1 孔隙率验收标准

4 光通信印制板验收标准的推广

相对来说，光通信PCB这一领域还处于快速发展期，要建立相应的验收标准，需要供需两端同时参与。在制造企业一方面，应该由目前光通信PCB市场具有影响力的企业牵头，组织主要参与企业就标准细则进行沟通交流，收集目前各企业所使用的验收方案，基于市场实施效果分析对比相关验收准则的科学性和合理性。在客户端方面，可以选出需求重点企业，综合对比各企业的验收准则，输出其差异项，并结合制造企业的制造经验，评估其科学性与合理性；若存在不合理处，则可以由制造企业组织沟通，在综合评估后初步形成在重点企业间使用的验收准则。

在此基础上，当各制造企业引入新的客户时，应优选所形成的验收准则进行推广，逐步提高该验收准则在行业中的使用范围。更进一步由重点企业牵头，积极地与相关的行业标准组织进行沟通，并提交相关资料，为制定正式的行业标准而准备。目前，深南电路已经基于自身的制造经验，就建立光通信PCB验收标准问题与相关行业标准协会进行沟通，并积极推动其标准立项。

5 结论与展望

光通信PCB是一个快速发展的细分领域，其验收标准的建立滞后于生产制造的发展，而建立行业验收标准对制造业来说是重要而关键的事项之一。目前，深南电路基于自身在光通信PCB领域的市场地位和制造经验，与各大客户保持积极地沟通，已经形成了较为完善的验收准则，并在向新客户推广验收准则方面取得了一定的进展；另一方面，深南电路也与同行就验收准则保持着沟通，并积极与行业标准制定单位进行立项沟通。总的来说，目前行业内已经初步具备了建立光通信PCB验收标准的基本条件。光通信印制电路板的验收标准的建立，对完善印制电路板行业标准具有重要的意义，是我国提升在印制电路板行业的话语权、推进制造业转型与高质量发展、提高制造业在国民经济中的基础性地位的重要战略补充。