2023年电子电路技术亮点

2024-04-03龚永林

印制电路信息 2024年2期

龚永林

（本刊主编）

0 引言

以印制电路板（printed circuit board，PCB）为主体的电子电路产业已是电子工业的基础之一。2023 年，虽然经济大环境低迷，电子电路产业产量出现下降的情况，但其技术仍在继续发展。本文整理了2023年电子电路技术亮点，以供参考。

1 设计技术

1.1 PCB设计引入AI

现代电子系统遍布各个领域，电子设备功能不断增多、结构日益复杂，这对PCB 设计提出了许多挑战，如高速数字和射频电路设计。PCB 设计涉及信号完整性（signal integrity，SI）、电源完整性（power integrity，PI）和电磁兼容性（electro magnetic compatibility，EMC）的挑战。高速PCB 的PI 和EMC 的好坏会影响到SI，它们之间错综复杂的关系非设计师单人所能解析，迫切需要人工智能（artificial intelligence，AI）技术的应用。

AI 设计可模仿人类的专业知识，像人类一样甚至超越人类，可完美地掌握深奥的规则和指南进行设计，实现完美的零件选择和布线。新一代PCB 系统设计使用人工智能的自动化布局，确保设计的电气正确性和可制造性；同时可以简化系统设计流程，大幅缩短PCB设计周转时间。

从各种基材的电性能和机械性能到PCB 的结构组成，PCB 设计应有以数据为基础的技术路线图，提供当今电路板重要特性的主流值。例如，路线图中需要标出不同铜箔的最小线宽线距、导线载流能力、不同板厚的最小孔径、厚径比和连接盘尺寸等。另外，与PCB 技术密切相关的元器件类型和规格尺寸数据，如球栅阵列（ball grid array，BGA）器件的节距等，都是AI需要吸收和学习的信息。当前已有针对PCB 设计的AI软件包发布，AI 已经就位，只是仍需学习提高，需要汇集更多好的设计数据来训练和充实。

AI 的最大问题是数据的可用性和完整性，需要创建被认可的、系统的PCB 设计数据库。到目前为止，AI 未能创建一个完美的PCB 设计数据库，未能在数据发送到计算机后自动完成PCB 设计和创建PCB 生产工具。询问ChatGPT［1］，它回复了3个最常见的原因：①PCB数据可能不完善；② PCB 数据可能不符合制造设备或工艺的条件；③PCB 数据的文件格式可能与制造商的设备软件不兼容。要创建完美PCB 数据包的3 种解决方案分别为：使用设计规则和指南、使用设计验证软件、提供清晰的文件。但制造商未向客户提供这些规则和指南，未分享专有信息。此外还要考虑PCB 的复杂性和生产能力变数。因此，AI 只是帮助优化PCB 设计，而非取代所有设计师，PCB 设计师的工作还将一直存在。

1.2 热管理需求更为突出

PCB 上的元器件工作时会有热量产生，电子元器件发生故障主要与过热有关。为了延长系统的使用寿命并保持系统的性能，必须控制热量，同时设计师应考虑相关技术。

PCB 散热的方法，通常是选择耐热性好的基板、增加系统空间和安装散热器。在高频电路材料上，较厚的基板会增加热流路径，但不利于散热；微波频率下通常需要较厚的层压板，可以减少插入损耗。设计者应选择低损耗介质、低粗糙度铜箔、低吸湿率和高导热性基板，从而在热管理和系统性能之间进行权衡。

现代电力电子产品由于元器件密度增加和部件小型化导致更高的热管理需求，促使设计师越来越依赖绝缘金属基板（insulated metal substrate，IMS）等技术，应用IMS 需要找到热性能、成本、尺寸、重量和可靠性等参数的正确平衡。特别要注意，IMS 的热传递效率取决于金属板与电路层2 个界面间热界面材料（thermal interface material，TIM）的热导率，以及TIM厚度、面积和热阻（thermal resistance，TR）、热阻抗（thermal impedance，TI）。研究表明，无论TIM 类型如何，较薄的接合层和紧密接合界面都能提供较低的热阻抗和较高的有效热导率，以提高导热性能［2］。

大多数PCB 电介质材料的热导率约为0.3 W/（m·K），经过提高后可达0.5 W/（m·K）。许多陶瓷填充的高频层压板热导率值较高，如有层压板的热导率值为1.24 W/（m·K）的。目前，专为超亮照明、电源模块、电机驱动器和整流器等应用而设计的金属基板层压板具有10 W/（m·K）的热导率，还具有高击穿强度、优异的机械性能、尺寸稳定性和优异的介电性能。铜的热导率约为400 W/（m·K），因此，PCB 设计釆取厚铜、埋嵌铜块、导电膏填充过孔和使用金属基板等方法增强散热能力。为了追求更高的性能，有使用AL/SiC、石墨烯、铍铜，甚至碳纳米管等材料的方案。

PCB 的热管理除了从电路设计和基材选择考虑外，还有称之为热冷却（Thermal cool）散热型阻焊涂料，可以将热量从电路板上带走，相当于一种重量更轻的散热器替代品。该阻焊涂层已经实现了高达10.2 W/（m·K）的热导率，相比市场上标准涂层的散热能力高出50 倍。该涂料针对不同的应用推出了不同型号，可用于通孔填充，也可以在特定区域涂覆散热层。

1.3 设计与制造紧密协作

电子设备功能的复杂性，带来了PCB 设计、制造和组装的复杂性。完成PCB 设计是一项非常复杂的工程，如果PCB设计没有任何制造商参与，设计生成的PCB 文件交付给制造商后很难顺利生产。选择一个可以在设计过程中协助解决可制造性难题的合作伙伴，并在设计过程中与之保持沟通，才能顺利完成PCB设计制造及组装。

很多设计师希望其产品的结构坚固可靠，因此往往会造成过度设计，如用于射频、微波的PCB 选用了昂贵的、性能最好的基材。而与制造商合作，可使用不同的材料混合压合，既达到了性能要求，又可降低成本。设计与制造商合作，通过PCB 层数与厚度要求、微孔堆叠、导线载流能力与阻抗要求、材料的散热要求等数据交换，最大限度地减少了错误，使PCB设计取得成功。

PCB 设计者面临的最大挑战之一是要了解PCB 制造过程中影响成本的因素，通常的影响因素有PCB 厚度、层数、板面利用率、线路L/S、基材类型、孔结构、孔厚径比、孔数、铜厚度、阻焊剂/字符类型、最终涂饰层等。通过与制造商合作开展可制造性设计（design for manufacturing，DFM）的实践，可以提高可制造性并降低成本。

为了促进设计与制造之间的合作，一些专业企业建立起了从PCB设计到制造的在线协作平台，提供在线DFM 服务，平台也保持与PCB制造商及原始设备制造商（original equipment manufacturer，OEM）的连接。有PCB 制造公司推出网站平台，客户可在同一平台询价并得到报价，完成采购订单及后续生产跟踪。网站还提供在线工具，如PCB设计规范、基材规格书、线路阻抗计算器等，以及用于确保无缝生产和组装的DFM 工具。这些都为PCB设计与制造提供了技术保障。

2 UHDI板和载板

2.1 HDI板和载板备受重视

美国的PCB 产业已经开始萎缩，技术也相对落后，目前几乎没有能力生产无铅球栅阵列封装（flip chip ball grid array，FCBGA）或倒装芯片尺寸封装（flip chip chip scale package，FCCSP）这些先进的IC 载板能力。美国的从业人员也已觉察到半导体芯片在没有IC 载板和PCB 的情况下将无法工作，在电子生态链中先进的芯片需要先进的载板和PCB。

为加强供应链安全，2022年，美国国会通过了《美国芯片法案》（The CHIPS for America Act），加强美国本土的半导体产业。2023年，美国众议院提出了《保护电路板和载板法案》（The Protecting Circuit Boards and Substrates Act）议案，要求政府立法支持国内PCB 生产。议案要求为制造或研究PCB的设施制定财政援助计划，授权拨款30亿美元执行该计划，并为购买或收购美国制造的PCB提供25%的税收抵免［3］。IPC认为，IC载板项目有资格获得《美国芯片法案》法案的资助，可建设一个含有IC载板制造试验线的研发中心。

欧盟也发布了《欧洲芯片法案》（The European Chips Act），设定的目标是到2030 年在该地区制造占全球产量20%的芯片。欧盟一个工作组编写了《PCB 和EMS 优势、劣势、机遇和威胁分析》报告［4］，指出PCB 正变得越来越复杂和重要，作为芯片法案实施的一部分，必须支持欧洲的PCB 和EMS 行业，与芯片同步提高PCB、EMS的技术和产量。

在发展半导体芯片的同时，电子行业应发展先进封装载板、PCB，包括材料、设备、组件等，其相关性、重要性已达成了普遍共识。包括我国在内，世界上一些大型PCB 制造商正在发展高密度互连（high density interconnector，HDI）板、超高密度互连（ultra high density interconnector，UHDI）板和IC 封装载板生产，以适应新兴市场需求。

2.2 UHDI和载板的技术发展

移动设备和物联网、医疗领域、可穿戴设备，这些都是HDI 的驱动因素；IC 封装更高的密度和更多I/O，推动了UHDI PCB技术。

目前，UHDI 板的定义为线宽和间距小于50 μm、微导通孔直径75 μm 及以下的HDI 板。UHDI 板的主流工艺是改进型半加成法（modified semi-additive process，mSAP），为了达到更精细的线路，开始推崇A-SAP™技术，这是一种采用液态金属涂层为催化剂形成铜导体的半加成工艺。A-SAP 的工艺流程为，未覆箔基板涂覆液态金属油墨、化学镀铜、光致成像（感光胶、曝光、显影）、电镀铜、去膜与快速蚀刻［5］。现在，其已具有L/S细至20 μm 的能力，近期将扩展到10 μm。该工艺的关键是一种液态金属油墨（liquid metal ink，LMI），它可以沉积一层非常薄且致密的催化剂层，其与化学镀铜层也具有良好附着力，即使在聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene，PTFE）上也能获得高剥离强度。用作铜图案电镀基底的化学镀铜层厚度能够低至0.1 μm，后续进行快速蚀刻可以获得非常精细的侧壁垂直的导体，这为UHDI 和封装载板生产提供了一条有效途径。

IC 封装载板与PCB 的结构形式和生产工艺是基本相同的。从材料的角度来看，高频应用都需选择低Dk、低Df以及耐热和低热膨胀系数（coefficient of thermal expansion，CTE）等的材料。材料越来越薄，材料的树脂、玻纤布编织、填充物和表面铜箔等都是改进对象，以满足更高密度、更精细特征的需求。从制造的角度来看，关注微导通孔形成，包括激光钻孔和孔去钻污/金属化、镀铜均匀性和结合力；光成像技术中激光直接成像（laser direct imaging，LDI）是HDI板制造的必要条件，以mSAP 的闪蚀提高蚀刻因子；生产线需要高度自动化，同时必须提高环境清洁度，严格控制温度和湿度，如控制在±2 ℃和±5%相对湿度。

封装技术在不断进步，IDTechEx 发布了《2023—2033年先进半导体封装》的研究报告，认为只有那些凸点节距小于100 µm 的封装才是先进的半导体封装。现有一种半导体封装创新是使用小芯片（Chiplet，芯粒）的异构集成（heterogeneous integration，HI）封装解决方案。HI 使具有特定功能的小芯片非常接近地互连，实现了封装面积的减少和组件之间更短的电连接，可共享一个硅或玻璃内插板（Interposer）平台，提高了处理速度，并缩小了整个电路板面积。当今的封装载板绝大多数是有机基板，而从基板尺寸稳定性、平面度、热稳定性和机械稳定性等方面考虑，重点是材料的CTE 匹配性；载板线路精细化，从10 μm 线路、60 μm 导通孔和95 μm 连接盘，发展到5 μm 线路、50 μm 导通孔和80 μm 连接盘，使L/S更进一步缩小到2 μm。

3 检测与可靠性

3.1 AI自动化检测系统

当今PCB 已朝小型化、高密度化方向发展，为保证品质，检查流程必不可少。自动化光学检测（automated optical inspection，AOI）、自动X射线检查（automated X-ray inspection，AXI）是采用图像处理的PCB检查技术，可实行全数检查。但使用2D 的AOI 和AXI 只区分“通过/失败”，无法满足高性能PCB要求。由于机械装置位置精度、摄像像素感知度会影响图像数据，发生错判和漏判是不可避免的。

为确保电子组件的质量可靠性，自动化检测系统采用了机器视觉、人工智能和机器人等先进技术，配置了高分辨率光学和照明系统，引入由AI 增强有高速3D 测量能力的3D AOI 解决方案。基于AI 的3D AOI 能自动完成缺陷检测和分类，包括自动参数优化、字符识别、异物检测、位置检测等功能，并且收集所有检查和测量数据汇集于智能生产线，改进优化PCB 工艺，成为高度直观、动态的决策系统。

以机器学习和深度学习为特征的AI 技术，创建自动化视觉质量检查（visual quality inspecion，VQI）系统，无须编程就可以检查复杂的PCB 至SMT 各阶段，可以安装在生产线上多个检查点实施VQI，以更快速、准确地识别缺陷，提高整体检查性能，并获得贯穿整个PCB 生产周期的全面数字记录。制造商可以将检验数据与MES 数据进行集成，从而识别生产问题，优化产品设计，提高制造效率。

为加强过程控制，把微孔AOI 系统用于在高阶HDI 板或IC 载板制造中检查激光通孔。该AOI系统可以检查直径小于30 µm 的孔，检测出孔尺寸不足或过大、孔位置超差，以及孔内碎屑、堵塞或缺失的孔。该系统的照明由内置于扫描台内的透射光源提供，确保最准确和完整地获取孔的外部和内部形状；系统还具有强大的统计软件包，可进一步扩展AOI 功能，用于激光钻孔参数校准和实时过程控制。

3.2 可靠性的重点

产品可靠性关乎使用寿命，采用加速可靠性试验可以预测产品的寿命。PCB 可靠性测试包括热、机械、温湿和偏压试验等，重点鉴定线路的阻值变化、基板的绝缘电阻和抗电迁移性、镀层和介质层结合力等。

常规PCB 的可靠性重点在镀通孔（plating through hole，PTH），HDI 板可靠性重点在于堆叠导通孔。HDI 板的堆叠盲孔的电镀铜层与目标连接盘铜层间结合的铜键非常弱，随着PCB 与元器件的工作温度升高，层压板的树脂膨胀产生应力会将盲孔底部的铜与其接触的连接盘铜层拉离，从而形成开路。这种有缺陷的组件冷却时，树脂会收缩，电路又恢复正常。目前避免堆叠盲孔可靠性问题的方案是使用交错孔位，但会影响布线的面积。在PCB 制造质量控制中，几乎只针对铜层厚度，而忽视了铜晶粒结构。实际上，铜晶粒结构会影响粗糙度和信号损耗，很大程度上影响导通孔的可靠性［6］。通过一台具有激光轮廓选项的3D 显微镜观察盲孔铜晶粒结构，当铜导体晶粒致密韧性高时，微孔可靠性也高。

热冲击试验是一项重要的可靠性测试，测量PCB 在热环境下铜层与有机介质层分离所需的循环次数。导致铜和绝缘介质之间发生裂纹或分层的原因，是由于在温度变化时材料的CTE 不同而产生了应力。材料的CTE 取决于构成该材料的原子之间的结合强度，金属、陶瓷和聚合物的原子键合程度不同就有不同的CTE。因此，新材料开发就在于调整材料配方，例如开发一种纯树脂、无玻璃纤维的黏合层，这样CTE 能够与铜匹配，从而减轻PCB中的应力。

在汽车领域，对PCB 的安全可靠要求更显重要，一个关键考虑因素是动力总成工作电压。PCB 基材需要一个合适的相比漏电起痕指数（comparative tracking index，CTI），以防止在电路板表面产生电弧发生故障。以电动汽车电源和充电领域为例，PCB 需要厚铜（高达0.42 mm）、高热可靠性、高抗CAF 性能，以及CTI 至少600 V。普通基材的CTI低于100 V，所谓的三级材料只达到250 V，目前最好的材料可以达到约600 V，现在又有一些平台向800 V电压发展，PCB的CTI还需要进一步提高。

4 可持续性发展

4.1 推行的绿色生产技术

产业“可持续性”的重要一点是做到绿色生产，电子电路技术也一直在向这方面发展，有些技术经过多年改进得到了推广。

在PCB 制造中，孔金属化有化学镀铜和直接金属化两种工艺。直接金属化工艺与化学镀铜工艺按照流程进行比较，前者可以节省能源约58%，减少用水70%，减少化学品消耗86%［7］。直接金属化工艺上市已有许多年，提供了大量有效数据，显示其绿色生产的特性。

PCB 阻焊图形形成，采用的喷墨打印工艺已成熟。为了提高效率，打印设备改进为由多头喷墨，甚至阻焊剂与标记油墨相继打印，喷墨打印的产量与传统印涂工艺相当，对于小批量生产能做到更快；喷墨打印厚薄可控、覆盖完整，阻焊堤清晰，品质更佳，尤其是厚铜板做到基材与铜面阻焊厚薄一致；在成本方面，喷墨打印设备代替了传统的印涂、曝光、显影等一系列设备，减少了设备、场地、工序以及人工，降低了生产成本；喷墨打印节约油墨，可大量减少原材料的消耗和废弃物的产生，有利于绿色生产。当前，有些新建的PCB 工厂已完全采用数字化喷墨打印工艺进行阻焊层制作、打印标记符号、打印二维码。

有关废水处理的方式，提倡采用物理方法，不使用化学品。水处理循环系统分为浓缩液与冲洗水两路。浓缩液进入蒸发器加热蒸发，或者沉淀压滤，金属被回收利用；冲洗水是通过臭氧及紫外线杀菌，然后通过活性炭柱、离子交换柱，最后通过反渗透可以产生去离子水（deionized water，DI）。这种高效过滤回用水和蒸发回收金属的物理处理方法，可将污泥量减半，实现了更高的回收率，减少了运营成本，生产车间的水完全回收循环利用，做到零排放。此外，还有废水治理改进、贵金属回收、光致干膜副材再利用等许多有利的绿色生产技术。

4.2 促进绿色的法规

保护生态环境是全社会的责任，如欧盟颁布的WEEE 指令（关于报废电子电气设备指令）和ROHS 指令（关于在电子电气设备中限制使用某些有害物质指令）都已正常执行。现在面对欧盟推行的化学品限制政策——REACH（化学品注册、评估、授权和限制）法规，其中有多项紧逼电子电路技术进行升级。REACH 认为全氟和多氟烷基物质（per-and polyfluoroalkyl substances，PFAS）对人类健康和环境有害，于是出台了电子产品制造限制PFAS的规定。

用于PCB 的液态光致成像阻焊剂，聚合物中含有一种或多种称为光引发剂的物质，如907：2-甲基-1-（4-甲硫基苯基）-2-吗啉丙烷-1-酮；365：2-苄基-2-二甲氨基-4'-吗啉丁基酮；另有热固化剂TGIC［1,3,5-三（环氧乙烷基甲基）-1,3,5-三嗪-2,4,6（1H，3H，5H）-三酮］和三聚氰胺（1,3,5-三嗪-2,4,6-三胺），及光引发剂二苯基（2,4,6-三甲基苯甲酰基）氧化膦（TPO），被列入了PFAS限制使用的候选名单［8］。PCB制造商应该确认其使用的阻焊剂是否包含这些物质，联系阻焊剂供应商并要求其确认，询问客户在向其提供的PCB中是否存在这些物质。一些阻焊剂制造商已在开发不含“907”或“369”成分的同等性能的液体光致成像阻焊剂配方。在行业内有出口欧洲的PCB 被客户责问阻焊剂成分，已发生退货的事故。

PTFE 基材具有很好的高频性能，因此被视为5G 向6G 过渡的重要材料。PTFE 含有氟元素，是卤素之一，在多年前提倡无卤基板时就已受到质疑。现在PTFE 作为PFAS 合成化学品的一员，面临着立法限制的挑战［9］。现在全球范围内许多国家也开始考虑PFAS的影响，并着手应对这些化学品相关的潜在风险，一些大公司都在寻找相应替代品。一旦发达国家找到了不含PFAS物质的替代品，就会发出绝对限制禁令，形成技术壁垒，因此国内行业必须未雨绸缪。

4.3 可持续性的革命性转变

PCB 在减成法以及半加成法基础上，进行技术改进或创新达到绿色生产，这只是有限的改良。要实现根本的改变，实现真正的可持续发展，必须从产品设计、使用材料和制造方法三方面进行革命性大转变。

全球每年产生数千万吨电子垃圾，一部分是制造过程产生的废弃原材料和废品，更多部分是使用后报废的电子设备。因此，延长产品的有效使用寿命，是减少产品与生产过程碳排放的最佳方法之一。例如，如能将手机使用寿命从3～4 年延长到7～8 年，那么手机垃圾就减少一半。相应的PCB产销量减少，其产生的污染物也自然减少。但这样做与“促消费”观念是相反的，从某种意义上讲“促消费”是“促浪费”。勤俭节约、减少浪费、延长产品使用寿命，是实实在在的保护生态环境可持续发展之路。

选择可回收、再利用材料是可持续解决方案的重要方面。对于PCB 基板材料，不仅要追求无卤无毒，还要当产品报废时容易拆卸，使其分解回归自然，这就要求引入生物基材料来代替化石基聚合物。如有一种基于天然纤维的可生物降解PCB 基板，由天然纤维和无卤聚合物制成多层生物复合结构材料，能够成为玻璃纤维和环氧树脂的FR-4 替代品，可满足电子行业大多数产品的机械和电气要求［10］。该可生物降解基板也考虑到抵抗高湿度环境的要求，与PCB湿法制造工艺兼容，现在已在做电源设备PCB 试用验证。当不再需要这种基板时，其会被扔进热水中降解，成为可做堆肥的有机物。

对于PCB 制造工艺，根本出路是将“减法”变成“加法”。加成制造（additive manufacturing，AM）创造了减少物耗、减少污染的可持续发展途径。AM 的基本定义是在计算机控制下沉积、固化材料，将相应材料逐层添加连接在一起，构成所需的电子产品。现在已有印制电子包括柔性混合电子产品（flexible hybrid electronics，FHE）制作证明了这一点，已有3D 打印加成制造的多层PCB 的出现，并且可将芯片与其他元件直接连接到PCB中成为电子组件。