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未来的先进PCB技术

2019-05-22 I-Connect007 490

在近期的一场网络研讨会上,全球IMAPS(国际微电子与封装协会)英国分会及电子和微电子封装工程师分享了关于PCB基板技术发展趋势、研发及未来需求的宝贵知识和经验。这次网络研讨会由英国国家物理实验室的电子互连专家Martin Wickham代表IMAPS-UK(国际微电子与封装协会英国分会)主持,Piers Tremlett和Jim Francey做了相关主题演讲。

“谁知道未来哪种基板会成功?”Microsemi公司的工程专家Piers Tremlett意识到,在预测时需要谨慎行事,他引用了古希腊的一个例子:“德尔福的神谕师知道如何防止自己对未来的预测出错。其他人都错了,只是相差多少的问题。”然而,他的演讲仍清晰地描述了未来印制电路基板的前景,甚至探讨了“无基板”电路的可能性。

在满足用户需求的驱动下,基板技术旨在提高性能并消除浪费,同时最大限度地降低成本。Tremlett讨论了未来电路结构的易变性,挠性基板的潜在增长,可处理功率和热量的基板的增加,以及从二维到三维电路组件的发展趋势。 他专注于四个相关主题:移动产品的小型化、热和功率、打印电子产品和无基板电路。

移动设备,尤其是智能手机,使用更少材料来节省成本是小型化的主要驱动因素。例如,Tremlett展示了iPhone 7的横截面,其中包括无芯10层500微米基板和小于20微米的密集布线及元器件,在很小的空间内分布着大量互连。通过半加成法,在非常薄的基底铜上进行图形电镀和闪蚀来实现互连。随着激光直接成像能力的提高和布线宽度趋向10微米,最好将它们嵌入基板表面以提高可靠性,正如Daisho Denshi超细间距焊盘中介层所显示的那样。在他的iPhone 7示例中,存储器芯片安装在非常薄的三层PCB上,其下面是没有基板的处理器芯片——所有布线都放在自身的封装材料上,性能得到了明显的改善。他评论说,扇出晶圆级封装正在从硅晶圆技术转向PCB技术,模制化合物内有多个元件,这可以看作是FR-4和表面贴装模式的转变。

传统的组装技术正在被嵌入式晶片技术和超薄芯片技术所取代,因此器件越来越小。但是,尽管过去的趋势一直是将元器件从PCB推向硅,现在已经成为一种更昂贵的选择,元器件被推回封装制造领域,以继续推动集成化。封装正在向完整的子系统发展,从层数和布线宽度来看更加强调基板的性能,对传统的PCB概念提出了相当大的挑战。

随后,Tremlett的重点转向了热管理,更快的处理器、RF芯片、功率芯片和LED所产生的热量不断增加。由于成本、板的几何形状和高温加工等问题,除了特殊应用之外,使用陶瓷基板已变得不太可行。那么,有机基板可以用作替代品吗?他讨论了散热导通孔设计、几种形式的集成金属基板、金属嵌件,甚至是水冷PCB,并通过热消散方法比较了他们的效率。他总结了用于功率封装的芯片嵌入技术,已经证明了低功率和高功率模拟和数字RF(射频)产品的优势,并简述了SESUB(源自TDK的嵌入式硅基板)和aEASI等专有嵌入式封装解决方案。EmPower项目是一个国际联盟为电动汽车应用中的驱动电子设备而开发的嵌入式功率半导体项目,该模块可在最短的热传导路径上实现两侧散热。

打印电子产品是Tremlett的第3个主题——全增材技术,而不是与传统PCB制造相关的蚀刻工艺。导体、元器件和晶体管通常可以在挠性的薄基板上打印出来,甚至基板本身也可以通过增材工艺打印。AMOLED(有源矩阵有机LED)显示屏是打印电子技术可以实现的一个很好范例——玻璃基板上有薄膜晶体管阵列和功能阴极,用液体溶液涂敷有机和阳极层,采用传统打印介质工艺在低温下打印金属纳米颗粒。现在有了3D打印机,能够快速制作多层PCB和非平面电子产品;然而,目前只有银浆可用,粗糙多孔的烧结导体结构对于功率和射频应用并不理想。

超薄挠性集成电路的发展为将智能和交互性引入日常用品提供了机会,使智能包装、标签和物品成为可能。这种专有的实用技术将薄膜金属氧化物应用于总厚度小于10微米的聚合物基板上,成本仅为等效硅器件的一小部分,而且制造工厂的投资成本远低于硅半导体。Fujikora的WABE混合晶片技术可以采用卷对卷工艺,大规模生产嵌入集成电路和小外形无源元件的多层聚酰亚胺PCB。WABE封装薄而灵活的器件本体在医疗和可穿戴电子产品中得到了广泛应用。

Tremlett最后通过汽车应用实例简要概述了“无基板”电路和模制互连器件,总结了他的演讲。

其中电路可直接在现有基板上制造,并且在可穿戴应用中,电路可直接沉积在一块织物上。

Martin Wickham随后介绍了Optiprint北欧销售经理Jim Francey,他以精通微波和射频应用中的低损耗材料专业知识而闻名,他讨论了PCB的有机基板以及影响基板开发和用户选择标准的因素。

Francey首先概述了现有的有机基板类型:纸、聚酯薄膜、FR-4环氧树脂、高Tg环氧树脂、聚酰亚胺和聚四氟乙烯。虽然纸酚醛层压板自20世纪60年代初就开始使用,但人们对使用涂有生物降解聚酰亚胺的纸作为低成本PCB基板的兴趣越来越大。聚酯,如聚乙烯对苯二甲酸酯(PET)和聚乙烯环烷酸酯(PEN),是公认的挠性电路基板,特别是在大批量卷到卷的应用中,并被用作带有打印存储器和打印传感器的新兴近场通信(NFC)智能标签的基板。

FR4玻璃纤维增强热固性环氧树脂层压板和半固化片是多层PCB的首选基板,与双马来酰亚胺三嗪、氰酸酯、聚丙烯醚等树脂混合后具有较好的电气和机械性能。无铅组装要求推动了双功能环氧树脂向多功能环氧树脂的转变,从而改善了温度性能。导热无机填料的加入使其具有良好的散热特性。

玻璃纤维增强热固性聚酰亚胺层压板和半固化片已成为运行温度超过多功能环氧树脂性能的工业标准。在许多军事和航天应用中,非增强聚酰亚胺薄膜被用作挠性和刚挠结合电路的基础。此外,在需要降低厚度、增强热稳定性和改善高频电气性能的应用中,越来越多地使用无黏合剂材料。

玻璃纤维增强和非增强聚四氟乙烯基板主要用于射频和微波设计,目前越来越多地用于毫米波。这些材料在宽频率范围内具有低耗散数和稳定的介电常数。量产市场包括蜂窝基站功率放大器、基站天线,以及越来越多的汽车雷达天线。无机填料可用于改进介电常数和导热系数。基于热固性烃树脂和无机填料的玻璃纤维增强层压板广泛用于微波和高速数字应用,新型碳氢化合物被视为汽车安全电子市场中PTFE(聚四氟乙烯)的有效替代品。非增强液晶聚合物(LCP)是一种吸水率可忽略的热塑性塑料,作为微波和毫米波应用的基板越来越受欢迎。环烯烃共聚物是一种晶莹剔透的塑料,常与添加剂技术结合应用于医疗领域。

介绍完现有和新兴基板材料的综合概况后,Francey深入讨论了满足PCB传输要求的主题,首先从微型化的一些评论开始。薄芯介质提供了减少电镀导通孔直径和增加封装密度的机会。目前,无粘合剂聚酰亚胺挠性基板厚度可达12.5微米,1017号超轻玻璃纤维只有15微米,使制造商可以生产出30微米的层压板和半固化片。Francey展示了一个6层顺序层压刚挠结合板,由12微米单面聚酰亚胺芯和12微米粘合层及堆叠导通孔直径为50微米并用铜填充的激光钻孔组成。薄芯刚性有机基板与低膨胀系数的纤维玻璃及用铜填充的导通孔越来越多地用于替代半导体封装的陶瓷基板。

Francey介绍了保持高速信号完整性的基本要求:在一定频率范围内具有稳定介电常数的低损耗聚合物,低轮廓铜箔和玻纤布开纤,以尽量减少玻纤组织歪斜影响结构。他还演示了良好的层与层对准对最小化信号损耗的重要性。

30 GHz和300 Ghz之间的频率被归类为毫米波,在77GHz汽车雷达、V波段和E波段电信等应用中,虽然PCB的选择和厚度以及PCB功能的位置精度是关键考虑因素,但在PTFE(聚四氟乙烯)和LCP基板上使用PCB技术,使用具有稳定介电常数的低损耗材料变得越来越重要。微带线、带状线和共面波导传输线原理都用于毫米波PCB设计,基板集成波导原理在功率分配器、信号耦合器、滤波器和天线中变得越来越普遍,与微带和共面波导相比,具有低辐射泄漏和低干扰优点。

Francey以波束交换Rotman透镜天线为例说明了典型的毫米波PCB结构,并讨论了PCB制造技术中必须满足的定义特征和关键公差。最后,他引用了一位微波工程师的话作为总结:“当频率增加时,一切都必须缩小。”

在约20~30 GHz的频率下,制造公差开始成为问题。在20~30 GHz以下,你可以设计出任何你想要的产品,生产不会失败。在20-30 GHz以上时,可以毫不夸张地说,一切都与制造公差和可生产性有关。作为一名微波设计师,77 GHz和1 GHz是完全不同的设计。

Francey在他的总结中指出,层压板行业正在满足系统小型化、信号完整性、组装和可靠性的需求,采用更薄的芯和工程聚合物复合材料来满足介电和热机械要求。此外,PCB行业正在应对更高封装密度、信号完整性和在集成电路封装中使用PCB技术的需求。不过,他强调,未来对电路小型化、特征公差和特征与特征定位的需求只有通过增材技术才能实现,这需要PCB制造能力和专有技术的逐步改变。

我发现这个网络研讨会很有启发性,也很有趣。我从中学到了很多,非常感谢IMAPS-UK(国际微电子与封装协会-英国分会)给我机会参加此次研讨会。对Piers Tremlett和Jim Francey的演讲质量和内容表示敬佩,并感谢他们慷慨地分享知识和经验。还要感谢Martin Wickham担任主持人,以及无处不在的Bob Willis对此次研讨会的专业管理。




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