化学镀镍添加剂 行业风向标丨印制电路技术在5G和物联网时代下的发展趋势分析
作者：CPCA副秘书长、《印制电路信息》杂志主编龚永林
当前，全球经济环境严峻复杂，不确定性因素较多，整个经济下行压力较大。但我国经济运行总体平稳，稳中向好态势继续发展。我国电子信息产业砥砺前行，保持平稳增长，代表中高端制造业的高技术制造业、装备制造业、战略性新兴产业继续保持较快增长。我国印制电路行业，2018年上半年市场景气度高，下半年趋于下滑，全年虽有波动，但仍保持增长态势。
市场变化推动技术发展，过去一年，印刷电路板（PCB）行业经历了哪些变化和新的技术热点，以适应新的市场需求？
”
生产工厂的自动化和智能化
“中国制造2025”是2015年5月中国政府在一份文件中正式提出，这是中国在制造业崛起的标志。而“工业4.0”的概念则来自于2011年德国政府报告《未来愿景“工业4.0”》，就是要进行第四次工业革命。这些都是近几年的热门话题，在印刷电路制造业也已展开。2018年更是势不可挡，进入实质性阶段。
（美国）的自动化PCB制造工厂项目于2015年建成，是世界上最先进的全自动化PCB生产工厂。由于该项目的巨大成功，该公司于2016年开始建设更先进的PCB制造工厂，名为子公司，并于2018年投入生产。自动化PCB制造工厂的核心是连续传送带系统，速度快，不需要人工搬运和移动，将制造步骤减少了60％。他们的产品周转时间也从几周缩短到不到一周。其制造过程是绿色/无废水零排放技术，不需要使用新水和废水排放。化学品/水回收解决方案使他们购买化学品的成本降低了30％，总成本是原中国OEM价格的三分之一到二分之一之间。工厂的自动化创新是一个突破，更符合行业可持续发展的战略。
该工厂通过与关键设备供应商（电镀线）、AWP（开发和蚀刻线）、（钻孔机）、（压层机）、CIMS（测试设备）等合作实现，汇集了一系列自动化设备和工艺。整个工厂是面向未来10年的发展而设计的。与其他工厂相比，它在技术上已经遥遥领先，并已实现多层板、HDI板和类基板（SLP）的生产能力。该工厂采用半加成工艺（SAP）实现超精细布线、间距和微通孔，预计可实现微通孔厚度与直径的比值超过40:1。
PCB制造工厂智能化程度越来越高，从生产过程中的自动化上下料，到制板过程中的条码数据追踪，再到打造机器人操作系统，实现PCB工厂的全自动化、一体化。智能工厂实现智能制造的基本条件是：一是硬件——自动化设备，二是软件——工厂连接数据交互（CFX：）。PCB制造设备种类繁多，设备供应商各有不同，设备之间的信息数据需要通过统一规范的数字化系统进行交互连接。
此外，设备供应商的智能设备需要提供给众多PCB厂，若不同工厂采用各自非标准的数字化系统，将为智能设备的应用带来障碍。为此，需要有互联工厂的数据交换规范，而CFX是工业4.0的基础，打造一个具备工业4.0功能，又能满足数字化工厂智能化、现代化制造需求的标准至关重要。IPC已成立CFX标准工作组，定义设备加工数据的完整性、有效性、互联性，实现数据采集、连接、传输、应用的标准化，CFX标准的关键要素已准备就绪。同时，IPC也成立了CFX标准的中国技术组。TPCA也成立了PCB智能制造联盟（A-Team），以一个标准（）和两个平台（智能制造技术平台+解决方案服务平台）发展工业智能制造的应用，加速整个PCB行业迈入工业4.0。
工欲善其事，必先利其器。PCB制造企业对设备比较重视，选择合适的设备是企业的重要决策。PCB厂商评估购买新设备有三个目的：第一是解决产能问题，第二是满足技术要求，第三是按照路线图寻求新技术。PCB厂商应该多与客户沟通，了解市场产品方向与需求。企业有自己的发展路线图，确定何时、何种需要新设备。希望在不久的将来，零排放、自动化的绿色工厂成为行业规范。现在中国PCB行业很多企业都在新建、扩建工厂，一定要有智能工厂的设计理念，才能与时俱进。
迎接5G通讯时代的到来
电子信息行业即将进入5G时代！5G意味着第五代移动网络，并不局限于移动通信，从物联网、智慧城市到无人驾驶汽车，都需要5G，如图1所示。几乎各行各业都在摩拳擦掌，想要分得5G这块蛋糕，印刷电路板也是如此。5G设备带来了新一代的印刷电路板。
图1：5G应用（摘自罗杰斯广告）
5G设备用印刷电路板的一个重要特点是高频、高速信号传输，高频应用如图2所示。因此从设计、材料到制造的技术都必须满足高频、高速的要求。
图2：高频应用示例（摘自AT&S，数据）
从信号完整性角度提出了印刷电路板设计的8个基本点，包括：基板材料的选择，考虑介质损耗角正切和介电常数；基板的纤维编织密度，影响介电性能；铜表面粗糙度，带来信号传输的趋肤效应；尽量减少埋孔和背钻孔线脚，以减少信号串扰；跨线交叉，以减少耦合电容引起的阻抗失配等。
为了成功实现高速PCB设计，需要考虑10条最重要的基本规则，以便产品能够可靠地实现预期目标。这10条基本原则是：
高频PCB表面的最终涂层和阻焊层会影响PCB电路的性能，特别是增加插入损耗。插入损耗是RF电路的总损耗，主要包括导体损耗和介质损耗，涉及导体铜的类型和厚度以及表面粗糙度，以及基板电介质的类型和厚度。现在发现，阻焊树脂的类型和厚度，以及最终涂层的导电性等变量也会影响高频高速电路的插入损耗。设计人员应正确选择高频PCB的层压基板和铜箔，以及选择PCB的最终涂层和阻焊层。
印刷电路板（PCB）制造的关键首先是原材料——基板，没有基板就无法制造出PCB。从PCB材料来看，过去从2G到4G，因为只有很小的频率差别，所以没有太大的变化，基本上FR-4就是PCB基板的介电材料，没有关注材料的性能。5G从6GHz频率开始，然后到了28GHz的毫米波，对材料的要求发生了很大的变化，因为频率高了很多，材料损耗就小了很多，铜箔也要更薄更光滑。5G的PCB集成电路更多，需要更复杂的多层PCB，这类高速高频PCB更复杂，更厚，比如超过77GHz的雷达用的PCB。 高频层压板在介电常数（Dk）、介电损耗（Df）、介电常数热系数（TCDk）、吸湿性、耐热性和热导率以及铜表面粗糙度方面与FR-4有所不同。
影响PCB基板Dk、Df的主要因素是树脂的种类，低损耗材料如聚四氟乙烯(PTFE)、液晶聚合物(LCP)等更具优势，但由于成本高、加工性差，其应用受到限制。目前公认LCP基PCB在RF、MW领域有广阔的市场，产能可制造线宽/线距25mm的LCP电路板，包括挠性板、刚挠结合板、封装载体以及高达20层的多层板，因此LCP基板的应用日益增多。除了树脂成分外，增强材料玻纤布也是决定介电性能的重要因素，第一是玻纤布的种类，E玻纤布与NE玻纤布有区别，前者Dk6.6、Df0.0012，后者Dk4.4、Df0.0006；第二是玻纤布编织种类。 编织疏密程度不同会影响线路经过不同区域，产生不同的信号传输速度，通过案例分析，应用编织密的NE玻璃光纤可减少衰减，增强信号完整性。
2018年中，多家覆铜板厂家推出高频基板，包括多家国内覆铜板厂家，加入5G市场热潮。
5G PCB有望向高密度、小型化发展，以利于高频信号完整性和电气性能，互连线更短、过孔更小、介电层更薄，从而降低布线时延，提高信号完整性。例如，为了克服PCB上高频高速电路的噪声、射频干扰（RFI）和电磁干扰（EMI），在HDI板上采用微过孔技术是最可行的解决方案之一。以智能手机为代表的HDI板往往密度更高、制程工艺更先进，具体体现在载体式板和半添加工艺的改进上。
类PCB（SLP），顾名思义就是规格与基板相似的PCB，原本是HDI板，但密度规格接近IC封装基板的水平。类基板的推手是苹果的新款手机，2017年8月首次采用与IC载板工艺接近的制程生产的类IC载板HDI板，可使手机更薄更小。
类基板也推动了改良型半加成制程（mSAP）的发展，2017年至2023年，SLP产值预计年均增长51%，从1.9亿美元增长至22亿美元。SLP主要特点是线宽/线距（L/S）密度介于HDI板与基板之间，目前介于30/30μm与15/15μm之间；制造工艺是使用薄铜箔（
图3：载体类电路板的技术集成
HDI板的演进，由早期芯板顺序压合制程，具备60μm线宽/线距（L/S）能力，发展到以叠孔取代交错孔，可达到40μm的“任意层”互连技术，现进入第三代HDI板，采用半加成制程（SAP）、改良型半加成制程（mSAP）及优异改良型半加成制程（amSAP）来实现L/S
汽车电子前景看好
在电子设备市场，旧有的3C产品（电脑、通讯、消费品）已趋于饱和，主流手机产量在2018年也出现下滑，而汽车电子前景看好。汽车电子也包括3C产品，如数字控制的电脑系统、车载移动通讯设备、车载影音及空调设备等。汽车电子产品强劲增长的因素是汽车电子的需求，从手动换挡到自动换挡变速箱，从FM收音机到视频播放器，还有空调和电动车窗、发动机控制、巡航控制、安全气囊、导航GPS、LED照明、自动速度和距离控制、行车记录仪等，甚至无人驾驶的自动汽车。
预计汽车电子系统销售额在2018年将增长7.0%，2019年将增长6.3%，2017年至2021年的复合年增长率(CAGR)为6.4%，与其他主要电子系统类别相比增长最快。同时，汽车电子系统销售额在整个电子设备系统中的占比也在逐年提升，从2017年的9.1%预计到2021年将达到9.9%。2016年全球汽车电子市场规模为2063.3亿美元，到2024年将超过3959.1亿美元，复合年增长率约为6.9%。
由于汽车在功能和环境方面的特殊要求，PCB作为这些电子系统的关键部分，必须具备必要的品质和可靠性来满足汽车行业的要求。汽车对PCB的特殊要求包括温湿度和振动等环境负荷，大功率、大电流和高热负荷，高频高速信号负荷，高密度小型化等。这类PCB首先必须具备满足高温、高湿、高速、高稳定性要求的高性能基板。
图4：不同工艺的电路密度
电动汽车中使用的 PCB 必须能够在 100 万小时的使用寿命内承受数百安培电流和高达 1000 V 的汽车环境。为无人驾驶汽车提供电源的 PCB 承受数百伏电压以确保可靠运行。图 5 列出了汽车运行环境负载对 PCB 和基板的要求。为了满足自动驾驶和联网汽车的信号处理要求，汽车 PCB 技术必须向前迈出一大步。图 6 总结了重要的功能要求。
图5：汽车电子的环境负荷及其对PCB的影响（博世数据）
图6：电源PCB、高集成度逻辑PCB等新型PCB的新功能要求（博世数据）
汽车内部功能之间以及与外界之间的信号传输需要高速、高频率，例如互联互通或图像识别未来将达到10GHz，高速应用的雷达频率为77GHz。汽车PCB必须保证高质量的信号完整性和电源完整性，并具有良好的电磁兼容性。在材料的选择上要特别注意，除了电气性能外，还要保证材料在温度、湿度、偏置电压方面的稳定性。
汽车内最靠近热源的设备通常需要满足 120°C 以上的工作温度要求。例如，汽车 LED 灯需要具有高散热性的柔性基板。对于动力传动系统应用，我们看到热循环要求为 -40°C/150°C 和超过 2,000 次循环。对于先进的安全检测系统，不仅热循环要求不断增加，而且对细间距电迁移可靠性的需求也在增加。随着这些先进的汽车电子设备变得越来越复杂和小型化，PCB 的密度也在增加，尺寸也在缩小。
医疗电子与可穿戴电子联合发展
可穿戴电子设备此前曾具备摄影（谷歌眼镜）、计时（手表）、装饰（手环）等功能，但由于与传统同类功能产品相比并不具备明显优势，并未普及。如今，可穿戴电子设备与医疗健康功能相结合，发展迅速。目前很多医疗电子设备（装置）也属于可穿戴电子设备。例如，可穿戴设备可以监测、收集和传输人体的脉搏、呼吸、体温、血压等重要数据。
全球医疗器械市场前景看好，市场研究公司最新报告显示，至2023年，全球医疗器械市场规模从2018年至2023年的复合年增长率（CAGR）为4.5%，预计2023年将达到4095亿美元。经济增长的主要驱动力包括医疗支出、人口老龄化和慢性病等。
医疗电子和可穿戴电子产品将是PCB制造行业发展的驱动力之一，为此将产生许多新技术和新产品。例如，在2018年初的东京国际可穿戴设备和技术展览会上，杜邦公司发布了最新的智能服装技术以及全新品牌产品杜邦™。产品系列包括一整套独特的、兼容的、可拉伸的电子油墨和薄膜，可用于制作舒适、耐用、可洗的智能服装。智能健身上衣、户外训练服以及专为健康市场设计的智能背心和智能运动胸罩均有展示。这些衣服配备了传感器和连接器，可以提供实时监控并记录和分析各种用户数据，包括心率、呼吸频率、心电图、运动负荷等。用于柔性和可拉伸材料的印刷电路元件也进行了展示。
再如瑞士PCB厂商Cicor，其擅长制造微型PCB，包括小尺寸HDI板与FPCB，其客户群主要为助听器等医疗设备、智能手表厂商。新型助听器不仅具备助听功能，还有温度传感器、血氧分离传感器等其他医疗功能。新产品要求PCB尺寸更小。微型化PCB的线宽和间距小于25mm，各层铜厚保持在20±5mm，这是助听器无线功能的关键指标，不同于细线路铜厚只有6~10mm的情况；雷射钻孔直径35mm，连接板直径100mm，环内层30mm，外层20微米；包含盲孔及板上孔结构，并以镀铜填充； 采用12.5mm聚酰亚胺芯材和4层柔性电路，厚度不足120mm，达到最高可靠性水平。
美国加州大学圣地亚哥分校的研究团队开发出一种可伸缩电子贴片，可以像绷带一样贴在皮肤上，无线监测人体的各种物理和电信号。该装置大小与一美元硬币相当（图7），由四层相互连接的可伸缩柔性电路板组成。每层都以硅橡胶弹性体为基础。在每层弹性体上形成电路，堆叠起来，然后用激光产生微小的孔。之后，通孔中填充导电材料，实现层间电连接。电路结构采用“岛桥”设计。每个“岛”都是一个小的刚性电子元件（传感器、天线、蓝牙芯片、放大器等）。这些岛由弹簧状细铜线组成的弹性“桥梁”连接，这些“桥梁”可以拉伸和弯曲而不会损坏电子功能。这种“智能绷带”可以贴在身体的不同部位，无线监测不同的电信号。 智能绷带可以在10米范围内与智能手机或笔记本电脑进行无线通信。
图7：可拉伸电子贴片
该网站2018年9月13日报道，美国加州大学圣地亚哥分校牵头的研究团队研制出一种新型可穿戴超声波贴片，可以无创监测皮肤下4厘米深处搏动血管的血压，帮助人们更早、更准确地发现心血管问题。这种贴片是一块硅橡胶，具有所谓的“岛桥”结构（图8）。每个岛都是一个小型电子元件阵列，内含电极和称为压电换能器的装置，当电流通过时会产生超声波；连接岛的桥梁由细小的、弹簧状的铜线制成。岛桥结构贴片可顺应皮肤的拉伸和弯曲，而不会损害电子功能。
图 8：具有“岛桥”结构的可穿戴超声波贴片
据介绍，AT&S致力于医疗PCB技术的研发，所制造的PCB用于医疗（助听器、神经刺激器、心脏起搏器、假肢等）、生命体征监测（血糖、血压、心电图）和诊断（MRI、X光、超声波）。医疗设备的小型化要求PCB尺寸非常小，导线的宽度和间距只有50μm，并且越来越小；激光产生的过孔也只有50μm。现代人工耳蜗植入设备，如HDI和堆叠微孔，需要两到六层不同的柔性印刷电路板。为了稳定心律和植入起搏器或除颤器，所用材料也必须符合特定标准。AT&S正在研究直接在体内使用的材料。
可穿戴电子产品大多采用印刷电子技术制成，需要各种专用油墨和印刷设备，包括用于丝网印刷和喷墨印刷的导电油墨，以及不同类型的喷墨印刷设备。印刷电子具有非常适合医疗应用的优势，并且也在扩大其应用范围并提高其价值。随着印刷技术、导电油墨和基板性能的不断进步，印刷电子的价值也将推动更新、更复杂、功能更强大的医疗设备的增长。
正在开发和应用的印刷电子材料有很多。例如三维电路印刷用的柔性银浆：旭化成研究所开发出三维电路成型银浆“LS-610-1”，具有柔性，固化后即使加热变形，银浆也不会开裂或断裂。银浆印刷加热成型后，可制作3D曲面电极或电路图案。再如可拉伸3倍的导电油墨：日本东洋纺公司开发出可拉伸3倍的导电油墨，可印刷在柔性基板上形成电子电路。这种液态导电胶是由导电粒子、树脂和溶剂混合而成，导电粒子为银或碳，印刷在基板上的电子电路弯曲后不会断裂，拉伸3倍后仍能导电。而且经过耐久性试验，证实在100次洗涤后仍能保持导电性。 预计将应用于智能服装或机器人等压力感应传感器。此外，东洋纺开发的智能服装可直接接触皮肤，接收来自心脏或肌肉的电信号，从而测量心跳等生物信息。未来，新产品还将应用于有伸缩需求的机器人或柔性面板。
可穿戴设备和医疗设备由于体积小、形状特殊、轻便、可弯曲等特点，大多采用柔性PCB。现在为了安装方便，刚挠结合PCB也进入了这一领域，其层数可达16~20层，并可产生附加功能。
3D打印是一种增材制造技术，在医疗领域取得了显著的成果。医疗应用包括打印血管组织、低成本假体、成品药物、医疗器械、患者专用石膏模型、骨骼和头骨替代品等，以及医疗3D打印电路。3D打印通过做以前不可能的事情，带来了一个新时代。随着3D打印技术在PCB中的引入，3D打印电路必将成为一项颠覆性技术。目前，医疗器械应用的PCB标准：一个棘手的问题！医疗产品种类繁多，从大型X光设备、假肢到微型助听器或传感器，从人体外的诊断和治疗设备到植入人体内的功能设备。不同的医疗器械有各自的特殊要求，并能承受各种环境条件。制定适用于所有这些医疗器械的标准已成为一个难题。IPC接受了挑战，成立了一个技术小组来制定医疗器械的PCB标准。 制定了比IPC-6012、IPC-6013要求更高的IPC补充标准，建议将IPC-2220系列中的设计可工艺性等级由原来的A、B、C三级提高到D级（极低的设计可工艺性），确定了适用的PCB技术规范，为医疗PCB的可靠性和耐久性提供高度保障。
结论
以上从四个方面介绍了2018年PCB技术热点话题，这四个方面PCB技术热点话题所引用的资料基本都是2018年的国外文献，体现了先进的新技术的发展。也有常规工艺技术的改进和发展。比如有欧洲某公司推出的超高分辨率光刻胶干膜，这种高性能干膜厚度为20微米，可以实现小于10微米的线宽/线距分辨率。干膜成像曝光可以采用传统的UV光，也可以采用DDI(数字数据成像)和LDI(激光直接成像)。最后采用化学镀镍/浸金(ENIG)作为最后的精加工，这种浸化学镀金的金厚约为70纳米。现在有自催化镀金工艺，可以实现厚金层，当金层可以达到100纳米以上时，就不再需要镍阻挡层了。 因此化学镀钯/自催化金（EPAG）的最终精加工最适合高密度、高可靠性PCB的要求。创新的直流（DC）硫酸铜填孔液配方，采用垂直连续电镀（VCP），可以快速填充微导通孔，同时最大程度减少表面镀层，如填充125μm×755μm的盲孔，外表面仅沉积105μm的铜。HDI板电镀铜时，盲孔和镀通孔（PTH）必须在同一镀槽中同时填孔，并达到较高的深宽比（AR）。工艺优化，调整硫酸铜、硫酸、氯离子的配比和有机添加剂的含量，特别是合适的添加剂浓度配比，以及合适的阳极、电流密度和镀槽的物理搅拌，可以达到电镀均匀性和填孔要求。对PCB表面阻焊剂有很高的耐热要求。 液态均值焊料的组成已得到改善，因此焊料可以抵抗的是可以达到175°C的长期工作温度，而白色焊料则可以在长期的高温环境中抵抗具有高光反射需求的白色焊料不会变成黄色。
尽管灵活的印刷电路板（FPCB）和刚性的印刷电路板（R-FPCB）并未被列为技术热点，但上述四个方面都包括FPCB和R-FPCB技术。 MSAP工艺; FPCB在可穿戴的电子设备和医疗电子设备中更广泛地使用。
技术的变化是不间断的，但以不同的速度，电子技术的发展速度比以往任何时候都更快，并且PCB正在发展高精度和小型化。电路板行业集团的强大制造实力，并及时共享代表该行业最高水平的新技术和新概念。
以前的展览中的一些PCB参展商
现在，下一个展位注册已经开始，扫描下面的QR码以加入我们〜
【广告】