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未來的先進PCB技術

2019-05-22 I-Connect007 3691

在近期的一場網絡研討會上,全球IMAPS(國際微電子與封裝協會)英國分會及電子和微電子封裝工程師分享了關于PCB基板技術發展趨勢、研發及未來需求的寶貴知識和經驗。這次網絡研討會由英國國家物理實驗室的電子互連專家Martin Wickham代表IMAPS-UK(國際微電子與封裝協會英國分會)主持,Piers Tremlett和Jim Francey做了相關主題演講。

“誰知道未來哪種基板會成功?”Microsemi公司的工程專家Piers Tremlett意識到,在預測時需要謹慎行事,他引用了古希臘的一個例子:“德爾福的神諭師知道如何防止自己對未來的預測出錯。其他人都錯了,只是相差多少的問題?!比欢?,他的演講仍清晰地描述了未來印制電路基板的前景,甚至探討了“無基板”電路的可能性。

在滿足用戶需求的驅動下,基板技術旨在提高性能并消除浪費,同時最大限度地降低成本。Tremlett討論了未來電路結構的易變性,撓性基板的潛在增長,可處理功率和熱量的基板的增加,以及從二維到三維電路組件的發展趨勢。 他專注于四個相關主題:移動產品的小型化、熱和功率、打印電子產品和無基板電路。

移動設備,尤其是智能手機,使用更少材料來節省成本是小型化的主要驅動因素。例如,Tremlett展示了iPhone 7的橫截面,其中包括無芯10層500微米基板和小于20微米的密集布線及元器件,在很小的空間內分布著大量互連。通過半加成法,在非常薄的基底銅上進行圖形電鍍和閃蝕來實現互連。隨著激光直接成像能力的提高和布線寬度趨向10微米,最好將它們嵌入基板表面以提高可靠性,正如Daisho Denshi超細間距焊盤中介層所顯示的那樣。在他的iPhone 7示例中,存儲器芯片安裝在非常薄的三層PCB上,其下面是沒有基板的處理器芯片——所有布線都放在自身的封裝材料上,性能得到了明顯的改善。他評論說,扇出晶圓級封裝正在從硅晶圓技術轉向PCB技術,模制化合物內有多個元件,這可以看作是FR-4和表面貼裝模式的轉變。

傳統的組裝技術正在被嵌入式晶片技術和超薄芯片技術所取代,因此器件越來越小。但是,盡管過去的趨勢一直是將元器件從PCB推向硅,現在已經成為一種更昂貴的選擇,元器件被推回封裝制造領域,以繼續推動集成化。封裝正在向完整的子系統發展,從層數和布線寬度來看更加強調基板的性能,對傳統的PCB概念提出了相當大的挑戰。

隨后,Tremlett的重點轉向了熱管理,更快的處理器、RF芯片、功率芯片和LED所產生的熱量不斷增加。由于成本、板的幾何形狀和高溫加工等問題,除了特殊應用之外,使用陶瓷基板已變得不太可行。那么,有機基板可以用作替代品嗎?他討論了散熱導通孔設計、幾種形式的集成金屬基板、金屬嵌件,甚至是水冷PCB,并通過熱消散方法比較了他們的效率。他總結了用于功率封裝的芯片嵌入技術,已經證明了低功率和高功率模擬和數字RF(射頻)產品的優勢,并簡述了SESUB(源自TDK的嵌入式硅基板)和aEASI等專有嵌入式封裝解決方案。EmPower項目是一個國際聯盟為電動汽車應用中的驅動電子設備而開發的嵌入式功率半導體項目,該模塊可在最短的熱傳導路徑上實現兩側散熱。

打印電子產品是Tremlett的第3個主題——全增材技術,而不是與傳統PCB制造相關的蝕刻工藝。導體、元器件和晶體管通??梢栽趽闲缘谋』迳洗蛴〕鰜?,甚至基板本身也可以通過增材工藝打印。AMOLED(有源矩陣有機LED)顯示屏是打印電子技術可以實現的一個很好范例——玻璃基板上有薄膜晶體管陣列和功能陰極,用液體溶液涂敷有機和陽極層,采用傳統打印介質工藝在低溫下打印金屬納米顆?!,F在有了3D打印機,能夠快速制作多層PCB和非平面電子產品;然而,目前只有銀漿可用,粗糙多孔的燒結導體結構對于功率和射頻應用并不理想。

超薄撓性集成電路的發展為將智能和交互性引入日常用品提供了機會,使智能包裝、標簽和物品成為可能。這種專有的實用技術將薄膜金屬氧化物應用于總厚度小于10微米的聚合物基板上,成本僅為等效硅器件的一小部分,而且制造工廠的投資成本遠低于硅半導體。Fujikora的WABE混合晶片技術可以采用卷對卷工藝,大規模生產嵌入集成電路和小外形無源元件的多層聚酰亞胺PCB。WABE封裝薄而靈活的器件本體在醫療和可穿戴電子產品中得到了廣泛應用。

Tremlett最后通過汽車應用實例簡要概述了“無基板”電路和模制互連器件,總結了他的演講。

其中電路可直接在現有基板上制造,并且在可穿戴應用中,電路可直接沉積在一塊織物上。

Martin Wickham隨后介紹了Optiprint北歐銷售經理Jim Francey,他以精通微波和射頻應用中的低損耗材料專業知識而聞名,他討論了PCB的有機基板以及影響基板開發和用戶選擇標準的因素。

Francey首先概述了現有的有機基板類型:紙、聚酯薄膜、FR-4環氧樹脂、高Tg環氧樹脂、聚酰亞胺和聚四氟乙烯。雖然紙酚醛層壓板自20世紀60年代初就開始使用,但人們對使用涂有生物降解聚酰亞胺的紙作為低成本PCB基板的興趣越來越大。聚酯,如聚乙烯對苯二甲酸酯(PET)和聚乙烯環烷酸酯(PEN),是公認的撓性電路基板,特別是在大批量卷到卷的應用中,并被用作帶有打印存儲器和打印傳感器的新興近場通信(NFC)智能標簽的基板。

FR4玻璃纖維增強熱固性環氧樹脂層壓板和半固化片是多層PCB的首選基板,與雙馬來酰亞胺三嗪、氰酸酯、聚丙烯醚等樹脂混合后具有較好的電氣和機械性能。無鉛組裝要求推動了雙功能環氧樹脂向多功能環氧樹脂的轉變,從而改善了溫度性能。導熱無機填料的加入使其具有良好的散熱特性。

玻璃纖維增強熱固性聚酰亞胺層壓板和半固化片已成為運行溫度超過多功能環氧樹脂性能的工業標準。在許多軍事和航天應用中,非增強聚酰亞胺薄膜被用作撓性和剛撓結合電路的基礎。此外,在需要降低厚度、增強熱穩定性和改善高頻電氣性能的應用中,越來越多地使用無黏合劑材料。

玻璃纖維增強和非增強聚四氟乙烯基板主要用于射頻和微波設計,目前越來越多地用于毫米波。這些材料在寬頻率范圍內具有低耗散數和穩定的介電常數。量產市場包括蜂窩基站功率放大器、基站天線,以及越來越多的汽車雷達天線。無機填料可用于改進介電常數和導熱系數?;跓峁绦詿N樹脂和無機填料的玻璃纖維增強層壓板廣泛用于微波和高速數字應用,新型碳氫化合物被視為汽車安全電子市場中PTFE(聚四氟乙烯)的有效替代品。非增強液晶聚合物(LCP)是一種吸水率可忽略的熱塑性塑料,作為微波和毫米波應用的基板越來越受歡迎。環烯烴共聚物是一種晶瑩剔透的塑料,常與添加劑技術結合應用于醫療領域。

介紹完現有和新興基板材料的綜合概況后,Francey深入討論了滿足PCB傳輸要求的主題,首先從微型化的一些評論開始。薄芯介質提供了減少電鍍導通孔直徑和增加封裝密度的機會。目前,無粘合劑聚酰亞胺撓性基板厚度可達12.5微米,1017號超輕玻璃纖維只有15微米,使制造商可以生產出30微米的層壓板和半固化片。Francey展示了一個6層順序層壓剛撓結合板,由12微米單面聚酰亞胺芯和12微米粘合層及堆疊導通孔直徑為50微米并用銅填充的激光鉆孔組成。薄芯剛性有機基板與低膨脹系數的纖維玻璃及用銅填充的導通孔越來越多地用于替代半導體封裝的陶瓷基板。

Francey介紹了保持高速信號完整性的基本要求:在一定頻率范圍內具有穩定介電常數的低損耗聚合物,低輪廓銅箔和玻纖布開纖,以盡量減少玻纖組織歪斜影響結構。他還演示了良好的層與層對準對最小化信號損耗的重要性。

30 GHz和300 Ghz之間的頻率被歸類為毫米波,在77GHz汽車雷達、V波段和E波段電信等應用中,雖然PCB的選擇和厚度以及PCB功能的位置精度是關鍵考慮因素,但在PTFE(聚四氟乙烯)和LCP基板上使用PCB技術,使用具有穩定介電常數的低損耗材料變得越來越重要。微帶線、帶狀線和共面波導傳輸線原理都用于毫米波PCB設計,基板集成波導原理在功率分配器、信號耦合器、濾波器和天線中變得越來越普遍,與微帶和共面波導相比,具有低輻射泄漏和低干擾優點。

Francey以波束交換Rotman透鏡天線為例說明了典型的毫米波PCB結構,并討論了PCB制造技術中必須滿足的定義特征和關鍵公差。最后,他引用了一位微波工程師的話作為總結:“當頻率增加時,一切都必須縮小?!?/p>

在約20~30 GHz的頻率下,制造公差開始成為問題。在20~30 GHz以下,你可以設計出任何你想要的產品,生產不會失敗。在20-30 GHz以上時,可以毫不夸張地說,一切都與制造公差和可生產性有關。作為一名微波設計師,77 GHz和1 GHz是完全不同的設計。

Francey在他的總結中指出,層壓板行業正在滿足系統小型化、信號完整性、組裝和可靠性的需求,采用更薄的芯和工程聚合物復合材料來滿足介電和熱機械要求。此外,PCB行業正在應對更高封裝密度、信號完整性和在集成電路封裝中使用PCB技術的需求。不過,他強調,未來對電路小型化、特征公差和特征與特征定位的需求只有通過增材技術才能實現,這需要PCB制造能力和專有技術的逐步改變。

我發現這個網絡研討會很有啟發性,也很有趣。我從中學到了很多,非常感謝IMAPS-UK(國際微電子與封裝協會-英國分會)給我機會參加此次研討會。對Piers Tremlett和Jim Francey的演講質量和內容表示敬佩,并感謝他們慷慨地分享知識和經驗。還要感謝Martin Wickham擔任主持人,以及無處不在的Bob Willis對此次研討會的專業管理。



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