对CCL未来技术发展的探讨[上]XXXX-11.docx

对未来覆铜板技术发展趋势的探讨（上）中国电子材料行业协会经济技术管理部 祝大同摘 要：电子安装、印制电路板、覆铜板的高性价比是驱动世界覆铜板技术发展的三个重要驱动力。本文从此三方面加以阐述、分析，探讨未来世界覆铜板技术的发展趋势。关键词：覆铜板、印制电路板、电子安装、技术发展作为目前印制电路板（PCB）制造的重要原材料覆铜板（CCL），已经走过了六十多年的发展历程。CCL技术的进步，给予这个产业发展不断地注入了新活力，甚至对这个产业的结构、市场的变化都不断带来巨大的影响。当前世界正兴起一项很时兴的、前沿探索性的工作“技术预见” (Technology Foresight)。它已经成为把握一类工业经济产业的技术发展趋势和选择优先科学技术发展领域的重要支撑平台。它是追求技术创新、产品结构升级的CCL生产厂家“塑造”或“创造”本企业未来的有力武器。本文以CCL产业的“技术预见”为主题，从驱动CCL技术发展的三个方面（电子安装、印制电路板、覆铜板的高性价比），讨论未来CCL技术的发展趋势。1. 电子安装技术发展对覆铜板技术进步的驱动1.1 两次深刻的电子安装技术革命近四十年来，世界电子安装技术由于追求实现安装的高密度化，而引发了两次深刻的安装技术革命。1968年美国GE公司首创了表面安装元件（Surface Mounted Devices，SMD）。1975年世界上四边引线扁平封装（Quad Flat Package，QFP）问世。这类表面安装元器件的工业化生产，很快地推动了新一代的表面安装技术的普及。在安装技术上，针对安装效率及受到局限的插孔安装，引发了安装技术的革命，迈入了一般表面安装技术（Surface Mount Technology，SMT）发展的新阶段。它取代了原来占为主导安装形式的、约经历20年发展历史的插孔安装技术（Through Hole Mount Technology），成为了那个时期（20世纪80年代末期至20世纪90年代中期）的主流电子安装技术。1989年，摩托罗拉公司和西铁成公司共同在世界上率先开发成功塑料封装技术。促进了球栅阵列封装（Ball Grid Array，BGA）的发展与应用。1991年，世界出现了最早开发出的有机封装基板作为承载体的PBGA（Plastic Ball Grid Array，PBGA，塑料球栅阵列）。它开始用在无线电收发报机、微机、ROM和SRAM之中。1993年PBGA投放市场并且得到迅速的应用。随着这种以BGACSP为主的球栅阵列封装的发展，应运而生了在电子安装技术上的第二次革命高密度互连表面安装技术的革命。电子安装技术的进步总是通过半导体封装的结构形式、引线的形态（包括接合方式、引线数量、引线间距等）、电子安装中PCB承载连接的方式等来体现。有一代IC就会有一代IC封装技术，就会随之出现一代与它相适应的封装基板及搭载、连接安装的印制电路及其基板材料的新技术。电子安装技术的两次革命，不但使电子整机产品在安装设计和制造技术方面向着更加轻薄短小、多功能化方面快速迈进，也使作为电子整机产品骨架和电子线路互连、载体的印制电路板，在图形设计、层数、布线密度、幅面大小、导通孔结构、绝缘层特性以及制造工艺技术等方面，产生了极为深刻的变化。1.2 一般表面安装技术对PCB及其基板材料技术进步的驱动20世纪80年代末大规模发展起来的电子安装史上第一次革命一般表面安装（又称表面贴装）技术，是以解决安装中高密度化为核心开展的。因此表面安装在解决高密度化问题上是利用板面上焊垫（又称为连接盘），附着锡膏与“暂贴”元器件引脚之后，再经热风或红外线的高温熔融焊接（通称为再流焊或回流焊，Reflow Soldering）成为连接焊点（引脚数小的小元件还可采用点胶定位），以代替元器件引脚全部插入到全贯通导通孔中，利用波峰焊完成连接焊点的插孔安装方式。由于在表面安装中，表面安装的元件引脚（或球焊点）与基板，是通过连接盘相互连接。这种连接与插孔安装的连接方式相比，不但元器件引脚的节距、引线（或球焊点）的直径可以大大地缩小。而且可大大节省了PCB的空间（原先这些空间是被插孔用全贯通孔所占用），使得布线密度有很大的提高。一般表面安装技术的问世，向PCB基板材料首次提出了适应高密度化的问题。为了适应一般表面安装对PCB基板材料的性能需求，在那个时期的世界覆铜板业界在表面安装用覆铜板制造技术上有了明显的进步。它主要表现在覆铜板在耐热性（高Tg）、平整度、尺寸稳定性等性能上的提高。1.3 高密度表面安装技术对PCB及其基板材料技术进步的驱动20世纪90年代中期又兴起了以采用BGA、CSP等新型半导体封装器件为典型代表的高密度互连表面安装。它是在一般表面安装基础上的一次电子安装技术飞跃，它使PCB在设计、制造、结构上有了全新的进步。高密度互连安装技术的发展，推进了PCB生产技术全面地走向微小通孔、微细线路、薄型化。它要求PCB在信号高速传输，电磁兼容、安装可靠性等方面有新的变革；它推动了PCB的微小导通孔制造技术（如：激光钻孔、等离子蚀孔等）的进步，创造出多种多样的微孔化的埋孔、盲孔、叠加孔；它带动了化学镀和脉冲镀技术、超薄及低轮廓度铜箔、超薄抗蚀剂、平行光（或准平光）曝光、激光直接成像等技术的发展，以达到微细线路的要求。高密度表面安装技术对PCB基板材料技术进步的驱动，主要表现在以下几方面：（1）高密度互连安装技术的创立与发展，使原IC封装基板所用的陶瓷基PCB已经很难适应（如微孔制作、做更多层的线路、大面积PCB等）。于是产生了新一代的封装基板，即有机树脂类封装基板（包括有机树脂-玻纤布基封装基板、以COF为典型代表的聚酰亚胺薄膜基挠性封装基板等）。有机树脂类封装基板问世不仅给有机树脂基材类PCB开辟了一个巨大的新市场，而且更深层次意义在于，为PCB在设计、制造中与半导体技术融合成为一个系统开创了先河。由此，在1999年日本印制电路工业协会（JPCA）将沿袭采用了几十年的“印制电路板”改称为“电子电路基板”。这一称谓的改变意味着，由于有机封装基板的问世，PCB产业已迈入了直接参与半导体制造的、高密度互连的新时代。2010年JPCA的电子电路产业结构改革委员会成立，他们力图将这个产业现称的“电子电路基板”，在近期再改为“电子电路”的称谓。它预示着这个产业将在“大电子”发展中更大地发挥其重要作用。图1表达了在日本PCB产业三次称谓演变的概念。图1 日本PCB产业三次称谓演变的概念有机树脂类IC封装基板在半导体封装制造中的应用，标志着一大类与半导体制造技术更融合为“系统一体化”的PCB产品的出现。到目前为，这些工业化的、有代表性的PCB品种有：有机树脂类封装基板、有机树脂类挠性封装基板（COF等）、内埋元器件多层板、高功率LED散热基板、光-电复合印制线路板等。它们相对应的基板材料也是近年CCL业前沿技术开发中的新成果。PCB及其基板材料制造技术与半导体技术构成系统一体化的安装技术的观念，对PCB及其基板材料新品开发思想的建立，带来十分重要的影响。在这一新观念指导下，近十几年来CCL技术出现了飞跃性进步。（2）高密度表面安装技术发展带动了具有高频特性（低Dk、低Df）、高耐热性（高Tg等）、低热膨胀系数（CTE）性、耐CAF性等基板材料制造技术的不断发展，以达到更高的基板可靠性。（3）高密度表面安装技术发展驱动封装基板的基板材料的薄型化进展，特别是在近几年表现得更为明显。由于近年来封装基板在高密度化发展中配线间距微细化已接近到极限，加之封装基板上安装的电子元器件数量在不断增加，也使得基板能够提供所需要的安装面积也成为一个有待解决的重要问题。在这样的背景下，近年新登场了适应上述要求的、新型三元立体IC封装的构造形式（SiP、PoP、CoC等）。由于这些新型三元立体IC封装的芯片或封装，为积层叠加的构造，因此为了降低整个封装的高度，对这种封装的基板材料的薄形化是很必要的。IC封装（特别是三元IC封装）用PCB基板材料的薄形化，已成为走在世界CCL技术发展前列的许多CCL企业当前开发的重要课题。攻克这项课题，他们需要解决一个共同面临的难题，即采用极薄玻纤布所制出的薄形基板材料，造成的刚性减弱，容易发生板翘曲的问题。随着此研发课题开发工作的深入开展，对整个覆铜板技术提升起着促进作用更为凸显。1.4 绿色化电子安装技术发展对PCB基板材料技术进步的驱动受到2006年7月起欧盟开始实施 RoHS（Restriction of Hazardous Substancesin electrical and electronic equipment）指令的驱动，国内外覆铜板业在2004年2007年掀起了无铅兼容型CCL和无卤化型CCL研发、开拓市场的热潮。而在这几年内CCL技术发展变革速度也是表现突出迅速的时期。世界范围的CCL应对电子安装“无铅化”、“无卤化”的技术推进，几乎贯穿了整个过去的近十年中。无铅兼容性CCL和无卤化型CCL的产生与应用，驱动了整个CCL技术发生了深刻变化。这一技术进步其中主要表现在三个重要方面：更加追求CCL性能的均衡性（包括关键性能与加工性、特殊应用性、成本性等的均衡）；开启了CCL“多样化”发展的之门（更明确地对应不同应用领域、不同应用档次、不同应用特点，开发并提供多样化的树脂组成、结构、形式的CCL）；酚醛树脂等新型固化剂、无机填料在FR-4型覆铜板等产品中得到更加广泛的运用，其应用技术跃升为新型CCL开发的非常重要的手段。可以相信，今后随着终端电子产品及HDI多层板对高性能、高功能PCB基板材料性能要求的不断提高，在近十年中得到快速发展的这三大CCL技术（即实现均衡性技术、多样化CCL的开发技术、新型固化剂与无机填料应用技术），将会在未来多年中得到继续地延伸和扩展新的内涵。1.5 未来电子安装技术发展的趋势及对PCB基板材料性能提出的新要求以携带型电子产品为典型代表的电子信息产品，它的小型化发展需求在第2阶层电子安装中，去实现封装基板的更加小型化。而IC封装基板实现其小型化在目前及今后多年中主要有两方面有效途径：其一，LSI（大规模集成电路）端子间距的窄小化，以达到封装基板尺寸的小型化；其二，IC实现高度集成化。如采用多个集成电路集成的SiP（System-in- Package）等三元立体的电子安装，以减少在一个整机电子产品用基板上所搭载的LSI封装的数量。1.5.1 IC封装端子间距微细化及其对PCB基板材料的新要求表1 了各种典型整机电子产品中采用LSI封装数量的统计及预测。由此表中统计、预测内容看出，半导体封装向着高度集成的方向发展，整机电子产品中采用的LSI封装数量在逐渐减少的趋势。 表1同类别整机电子产品搭载LSI封装的数量预测 单位：个电子产品类别2006年2010年2016年移动电话9-157-127-10DVC12-2510-205-15DSC4-104-64-6WW产品42-41-2计算机外设产品内存32-32-3HDD543-4数字电视（DTV）6-255-203-10大型游戏机（MMS）10-4015-3010-20笔记本计算机薄、轻型20-2517-2313-20普及低价格型25-3520-2816-26汽车导航仪 minmax2025-3515205-1015-20发动机箱体外ECU产品 minmax28210210发动机箱体内ECU产品 minmax2-5152-320-30230移动电话是使用半导体封装数量较多的一类整机电子产品。目前在移动电话中普遍使用的F-BGA（Fine-Pitch Ball Grid Array，微细间距球栅阵列），是一种很适宜终端电子产品实现小型化、高密度化的封装。它的外形厚度由2007年为0.91.4mm,发展到2010年时将达到 0.81.2mm ,预测2014年时达到0.50.8mm厚。对不同类别整机电子产品采用的F-BGA最小焊球间距参数的统计与预测，见表2所示。对移动电话用半导体封装接合凸点间距的微细化的未来变化、预测，见表3所示。移动电话所用F-BGA封装，目前已实现工业化生产出凸点间距为0.3mm的产品。F-BGA封装的凸点间距预测在今后的几年还会继续地实现微细化：2012年可出现0.2mm，到2016年实现0.15mm焊球间距的F-BGA封装，将会实现工业化生产。 表2 类别整机电子产品采用F-BGA的最小焊球间距统计与预测 单位：mm电子产品类别2006年2010年2016年移动电话0.4-0.50.3-0.40.2DVC0.50.40.4DSC0.50.50.4计算机外设产品内存0.50.4HDD0.50.4数字电视（DTV）0.80.50.5大型游戏机（MMS）0.5-0.80.50.3-0.4笔记本计算机薄、轻型0.80.65-0.80.5-0.65普及低价廉型0.80.80.8汽车导航仪（NAVI） 0.65-0.80.5-0.80.5发动机箱体外ECU产品 0.5-0.80.5-0.8发动机箱体内ECU产品 minmax0.50.8-1.00.50.8-1.0表3 F-BGA封装的最小凸点间距及最多引脚数未来的变化预测技术指标项目200620082010201220142016最小凸点间距 mm0.40.30.30.20.20.15最多引脚数700800900100011001200封装基板翘曲值(常温260) mm0.100.070.070.060.060.05封装最小高度 mm0.80.650.650.50.50.5为了实现半导体封装引脚间距的微细化，一方面，对焊球的形成技术需求有新的突破。另一方面对应于引脚间距的微细化，对封装基板、主板等多项性能要有所提高。对基板的性能要求主要具体表现在：要求基板要进一步的减小由再流焊热冲击造成的加工前后的芯片与基板间尺寸变化偏差。随着半导体封装的薄型化和引脚间距微细化的进展，在基板上进行元器件高密度安装时，经再流焊接时的热冲击以及受到垂直外力的冲击等都会所产生较大的应力，这会使基板与芯片、元器件的接合可靠性下降，以及基板产生翘曲大的问题，这也成为基板材料生产厂家一个尚待需要解决的新课题。1.5.2 IC封装三元构造发展其对PCB基板材料的新要求日本电子信息技术产业协会（Japan Electronics and Information Technology Industries ，JEITA）近期预测，在今后的多年间，移动电话中采用新构造的先进半导体封装的种类主要还是以SiP封装为主。而所用的SiP封装未来发展主要是有三种不同结构形式的产品，即三元构造的芯片间由孔连接的SiP、三元构造的芯片间直接连接的SiP、芯片内置构造的SiP。三类SiP的结构、品种见图2所示。图2 新型SiP的封装结构SiP是多个芯片安装在一个封装器件内，成为“封装内系统”。具有发展前景的另外一大类新型封装还有SoC（System on Chip）。它是将一个系统全部包容在一个芯片中，即“芯片上系统”。它是未来将会部分的替代SiP的一类新型封装构造。同时SoC也是与SiP互补的一类新型封装，它们将共同担负着解决整机电子产品的高性能化、多功能化的重任。但在不同的电子产品发展时期，SiP和SoC在应用量和应用面上是有主次之分。SiP要比SoC能更快的在今后短期内得到更加广泛的应用。当前SiP的研发工作也会要比SoC开展得更活跃些。另一方面，移动电话中的内存为实现高密度的安装，今后还会更多的采用多个芯片搭载在一个封装中的MCP（Multi Chip Package）的封装构造。过去，在MCP开发初期只是采用了集成2个芯片的MCP。而现今8个芯片集成在一个封装的MCP已经成功地实现了实用化。MCP除了使用在内存中，近期还出现在应用于电脑中MPU的成果。预测到2016年会有集成14个芯片的SiP封装问世。未来在MCP/SiP技术方面，为了达到提高安装密度和性能的目的，移动电话等整机电子产品用高频电路模块将摈弃了多阶的金属线接合配线的形式，而采用TSV（Through Silicon Via）的三元叠加芯片安装技术，以及PoP（Package on Package）等薄型封装的三元芯片叠加形式等。这也是未来三元立体电子安装发展的重要方面。推进SiP技术的重要要素是封装基板。JEITA在电子安装技术路线图（2009年版）（以下简称为路线图）中提出：印制电路板在今后由于对应的应用领域不同，在技术进步上将划分成为两大发展方向：一个方向是对应于SiP封装基板和埋入元器件基板。这一类的PCB必须要满足SiP、埋入元器件的各种复杂而严格的性能要求。PCB技术与产品发展的另一个方向，则是对应于低成本性的应用领域。这一PCB技术发展方向的预示，更加指明了未来CCL技术发展中，追求高性价比的品种和追求特色化的品种 “两条腿走路”意义的重要内涵。1.5.3 主板高密度安装的未来发展对PCB基板材料提出的新要求未来IC封装端子间距微细化及高集成化发展，也使得IC有源器件在印制电路板主板（母板）上的安装更加高密度化。不仅如此，无源元器件未来发展的小型化也促进着主板PCB的高密度互连向着更为深层次的发展。 片式电容（C）、片式电阻（R）等无源组件近年在小型化方面取得很大的进展。特别是移动电话等携带型电子产品用的片式组件，到2010年以后0402尺寸的片式组件将会得到普遍采用。同时0201尺寸的片式组件也会有样品出现。如表4 中所预测，未来采取更微小尺寸片式组件安装，是以在工艺上安装精度的提高、PCB尺寸高精度的确保为前提来实现的。表4 不同类别整机电子产品用片式C/R尺寸的未来变化预测 单位:mm2006年2010年2016年移动电话0.60.30.40.20.40.2DVC0.60.30.60.30.40.2DSC0.60.30.60.30.40.2WW产品0.60.30.40.20.20.1计算机外设产品内存1.00.50.60.30.40.2HDD0.60.30.40.20.40.2数字电视（DTV）1.00.51.60.81.60.81.00.50.40.20.60.3大型游戏机（MMS）1.00.50.80.40.60.3笔记本计算机薄、轻型1.00.51.00.50.60.30.40.2普及低价廉型1.00.51.60.81.00.50.60.3汽车导航仪 1.00.50.60.30.60.3发动机箱体外ECU产品1.00.51.00.50.60.3发动机箱体内ECU产品 1.00.51.00.50.60.3未来对PCB实现高密度化的要求将会表现得更为强烈。表5中所示了各类整机电子产品所用PCB最小导线宽度/导线间距（L/S）要求的未来预测。表5 各类整机电子产品用PCB最小L/S的尺寸要求的未来发展预测 单位：m2006年2010年2016年移动电话50/50-75/7550/5040/40DVC75/7550/5040/40-50/50DSC75/7550/5040/40-50/50WW产品100/10050/5020/20计算机外设产品内存75/7510050/50HDD75/10050/5020/20数字电视（DTV）100/100-150/15050/50-150/15050/50-100/100大型游戏机（MMS）75/75-200/20050/50-150/15025/25-150/150笔记本计算机薄、轻型100/10075/7550/50普及低价廉型125/12575/10075/75汽车导航仪（NAVI） 100/10075/7550/50发动机箱体外ECU产品 150/150130/13080/80-130/130发动机箱体内ECU产品 minmax120/120200/200110/110150/15080/80100/100可从表5中看出，一些携带性电子产品在2016年它们所用PCB的最小L/S将普遍达到40/40m。在未来对PCB凸现 “既要降低制造成本，又要满足可微细布线”两方面严厉要求的背景下，PCB业在技术开发方面必须寻求微细电路图形的形成工艺上的创新与变革。预测将在不久的几年中，PCB会出现此方面突破性技术进展的新成果。而这一新成果的问世是以新型基板材料为重要依托的。PCB技术的未来发展趋势还表现在未来将有更多的整机产品要求所使用的基板要实现薄形化方面。考虑到需要它的搭载元器件支撑的刚性确保，今后在发展基板薄形化方面，主板总厚度将会以0.5mm程度为最薄的界限。1.5.4 未来将崛起的新一代电子安装技术与基板制造技术在JEITA于2009年编制的路线图中，将PCB技术的发展划分为七代（见图3）：第一代：单面印制电路板；第二代：双面印制电路板；第三代：多层印制电路板；第四代：以积层法（Build-up）多层板为代表的HDI板；第五代：元器件内埋式印制电路板；第六代：系统内埋式印制电路板；第七代：光-电线路板（Electrical Optical Circuit Board，EOCB）。图3 七代PCB技术的发展路线图从图3可看出未来PCB将越来越向着高密度布线、多样化结构、高多层化、高功能化的发展。并预测了：随着电子安装发展PCB将有两大技术将会在未来得到更大的发展，即埋入式多层板和光-电线路板制造技术。随着元器件埋入式多层板等模块化进展，使得在PCB上进行元器件装配的工艺过程减少（或去除）。从原来这种传统的装配过程，被演变为半导体芯片、元器件在基板内的安装工艺过程。安装部品的形式，由用单一部品在PCB表面上的安装，改变为元器件在多层板内的安装。这一安装在工艺性质上的变化，动摇了安装阶层的传统概念，打破了安装各阶层的过去鲜明界线。应该看到，新一代的安装技术的萌芽正在破土而出。电子安装又扩展出新的领域元器件内部的系统一体化配线，以及封装过程中的配线。在这种安装的新领域中，出现了采用不同功能芯片间的再配线，以及这些芯片通过薄膜PCB的连接，它取代了ISL等芯片制造工艺中的一部分安装过程。预测未来10层以上的高多层PCB将承担着在其内埋入元器件的内部配线的重要功能。预测未来在元器件埋入式多层板的发展进程中，它的成本降低以及设计自由度的提高，将成为业界所关注的重要方面。发展到第六代“系统内埋式印制电路板”，又将电子安装技术提升到了更高端。在JEITA的路线图中，是这样描述第六代的系统一体化安装所采用的印制电路板：“它像SiP那样具有不同功能、不同制造技术的多个半导体芯片及电子构成的系统一体化模块内埋于基板中。另外，还包括RF、无线存储模块、网络化及运算处理模块、光系统器件，以及微电机系统（MEMS）等，搭载于多层板上或内埋于多层板中。使系统内埋式多层板的外形尺寸，变化成像内存卡、IC卡及CF卡那样的大小。”未来多层PCB“配线”的功效，实际是通过“接合”手段来实现的。这样，降低PCB的焊料接合部位的应力，始终成为今后有待需要不断攻关给以解决的问题。今后焊接技术的发展，将朝着由传统的再流焊接方式转向常温的金属间接合的方式演变。并由现在的利用焊点（焊盘、凸块）方式实现信号配线的连接，在未来将会改变为无接点的电感耦联（Inductance Coupling）方式的连接，以及无再流焊的无应力产生的技术也将获得研发的新进展。新兴发展起来的电气信号与光信号融合在一起的线路板配线技术的发展，将使得整机电子产品内部的电子部品间的距离、PCB内的配线距离、PCB与封装基板间的配线距离等都得到缩短。如果更长远的对电子安装发展进行展望，那么，CMOS半导体元器件将被量子元器件所替代，那时的安装形态将发生巨大的变化。这种新型元器件及安装技术的问世，预测将发生在21世纪30年代期间。量子元器件的问世及其应用，是具有划时代性的微电子技术新跨越，预测它将会首先应用在汽车控制装置与机器人模块上。具体讲，是在具有传感、照相功能的模块制造中首先得到应用。另外，未来还会在与生物体发送及接受直接的信号的人-机通信用连接装置方面的封装基板技术等，将获得很大的发展。而这一功能，将通过集合了设计、安装PCB新技术的模块集成一体化技术得以实现。上述电子安装及其PCB的发展，总是离开不了新的PCB基板材料所支撑。可以预见，未来几十年PCB基板材料在结构、性能、功能以及工艺制造技术会有更大的发展。（ 本文在撰写过程中，得到南美覆铜板厂有限公司张家亮、CCL行业协会名誉秘书长刘天成等大力的帮助、指正，两位CCL专家对此文草稿中的不少词句提出了修改意见，并且对一些内容做了补充，在此表示衷心地致谢）