HDI技术发展及对PCB企业的影响

2014-11-05林旭荣

印制电路信息 2014年1期

关键词：电镀终端变化

林旭荣

（汕头超声印制板（二厂）有限公司，广东汕头 515065）

1 前言

高密度互连（HDI）印制板（PCB）广泛应用于智能手机、平板电脑以及其他高端电子产品。HDI发展至今已有多年历史，最早的技术起源于日本，并在上世纪90年代开始量产，目前HDI PCB已成为PCB的一个重要分支，代表当今行业的先进水平。

经过二十几年的发展，不论是终端产品还是HDI技术都发生巨大变化，本文探讨这些变化对企业有怎样的影响，未来又将如何发展。

2 HDI的历史演变

一般认为，最早的HDI技术是当年日本IBM Yasu实验室在1989年（一说1990年）开发的SLC（Surface Laminar Circuit，SLC）技术。早期HDI并不叫HDI，日本称之为Build-up Multilayer，简称BUM，中文称积层板或增层板，后来美国ITRI给出HDI的定义，HDI逐渐流行开来，代替了Build-up成为业界通用术语。

在HDI的发展过程中，分为几个阶段：

第一阶段，即早期阶段，从1989年IBM开发SLC开始至上世纪九十年代中期，是HDI技术百花齐放的时期，各种工艺技术流程在探索之中，尚未有主流的HDI技术。

第二阶段，从1995至2005年，松下电器和东芝分别开发成功非电镀填孔的HDI技术，并可实现任意层互联；同时，以激光钻孔和以RCC/半固化片为介质层的HDI技术在竞争中脱颖而出，成为最主要的技术方案。

第三阶段，从2005至2010年，在这个阶段，多次积层技术开始大规模应用，IBIDEN公司在ECWC 10发表FVSS（Free Via Stacked up Structure）[1]，标志着HDI开始进入任意层（Anylayer）时代。

第四阶段，2010年至今。划时代手机iPhone4于2010年上市，这是第一款采用电镀填孔任意层设计的手机，它标志着任意层大规模应用开始，并成为高端手机的标准设计。

3 HDI技术的发展及其影响

3.1 终端产品的发展变化

近二十年来，各种电子产品发生了很大的变化，这些变化深刻地影响了行业的各企业，并改变了行业的竞争格局，有的公司崛起，有的衰退。

3.1.1 手机

手机在发展过程中经历了由大变小，再由小变大的过程。第一代模拟移动通讯刚刚开始时，手机是身份象征，其体积与大小几乎与砖头一样，携带不便；到了第二代数字移动通讯（GSM），手机已经可以做到很小，但主要功能仍以语音通信和文字短信为主，手机越小越方便；从第三代（3G）开始，智能机流行，为了显示更多内容，手机又重新变大。

手机的变化也导致手机生产商发生很大的变化，传统老牌公司衰落，新公司崛起。

3.1.2 电脑

电脑的主要变化是由台式电脑向笔记本电脑再向平板电脑发展，传统电脑市场从2012年已经开始萎缩。

3.1.3 DC/DV，MP3/MP4等数码产品

随着手机功能越来越强劲，在手机的挤压之下，MP3/MP4基本没有生存的空间，数码相机仅细分市场的专业相机（包括单反/单电/微单）还有生存空间，卡片机急剧萎缩，数码摄像机在手机和数码相机的双重挤压下几乎消失，仅限于专业用途。

电视机方面，由CRT向平板化、智能化发展，显示方式以等离子失利告终，LCD主宰电视机市场。

3.2 终端变化对PCB行业的影响

终端的发展变化对PCB行业影响非常大。首先，手机的智能化使HDI变得更复杂、制造要求更高；其次，因电脑需求减少导致电脑主板需求减少，意味着庞大的主板产能空闲将挤压其他PCB厂，致使竞争更激烈；第三，各产品的变化导致部分客户消失，跟对客户的PCB公司发达，跟错的难受；第四，电视机智能化使电视主板由单面向双面多层甚至HDI发展，增加了PCB的需求。

3.3 材料及装配发展

近10年来，材料的发展变化主要有：积层材料由RCC变PP；装配无铅化即装配温度升高，初期PCB爆板概率增加；欧盟RoHS及无卤化影响材料供应商和PCB加工条件。

3.4 对企业的影响

技术变化对企业的影响主要表现为设备升级以及产能变化。

设备升级指现有设备精度等技术能力已经无法满足新的技术要求，必须购买新的设备；例如，线宽/间距由75 μm变为50 μm，很多设备都需升级才能生产。

产品技术档次变化使产能受影响。例如：一阶HDI产品变二阶HDI，相同的成品面积，层压产能需增加50%才能满足

3.5 主要变化及影响

近10年来，最大的变化是手机智能化和移动互联的兴起，终端的变化使PCB向更高密度发展，特别是向任意层发展。业界两个主要公司都已采用任意层结构：

A公司从iPhone4开始，手机主板采用任意层技术（10层）

S公司之前并未使用任意层技术，到了S4开始采用任意层（10层）

平板电脑使用任意层技术

使用任意层的结果使电镀产能、层压产能急剧下降。

3.6 任意层影响

任意层互联HDI是近年来行业的最大技术进步，所谓任意层互联，指在PCB中任意两层都可以做到互联，不受层间隔的限制，任意层互联极大提高布线设计的灵活性，大大节约PCB面积，有报道称可节省空间达到30%。任意层互联技术难度高，生产成本也高于现有积层板。

图1 任意层HDI板结构图

根据任意层的工艺流程[2]，任意层的大量使用有以下影响：

电镀产能需求猛增

需多次PTH和电镀填孔

电镀填孔需专用药水，电镀效率低于普通电镀，4阶任意层需5次电镀填孔，对电镀产能杀伤力巨大

激光产能需求也猛增

4阶任意层需5次激光钻孔，是2阶HDI的2.5倍，3阶HDI的1.7倍

单位面积孔数同时增加，进一步降低激光钻机的单位产能

由于上述因素，PCB厂商若要进军任意层，除了技术能力，巨额投资必不可少。

3.7 技术进步带来的其他影响

PCB不断向轻薄短小发展，对工艺流程能力提出更高要求，主要表现为（1）更小的孔径需升级至更高速的机械钻机。（2）更小的线宽/间距导致：第一，传统曝光机也许需更换为LDI；第二，蚀刻线可能要换代；第三，电镀均匀性有更高要求，传统垂直线已经无法满足，设备需更新。（3）装配精度提高，需要更好的产品一致性，要求生产过程进行Cpk控制。所有这些都将迫使企业更新设备或更换工艺流程以满足技术变化的需要。

4 发展趋势

4.1 历史趋势，手机发展至今，其变化是巨大的

早期的手机只有通信功能，即打电话和发短信，各手机厂拼的是谁能做得更小、更轻，在轻薄方面，日本厂商优势明显；

接着手机开始加入MP3播放功能；

拍照功能加入；

早期智能手机Windows mobile，Symbian系统，但市场反应一般；

MTK单芯片低成本设计方案，山寨机兴起；

3G出现，移动通信进入新阶段；

A公司推出iPhone，手机真正进入智能化时代，移动互联快速发展开始（2007）

G公司发表Android手机操作系统（2008），为其他厂商及用户提供另一种选择；

从上述变化可以看到，手机从简单到越来越复杂，功能越来越多，最终成为智能手机，下图是历史上手机的演变：

图2 历史上手机演变图

4.2 手机板演变

为了适应手机的演变，手机板也跟着变化：

早期一般是1+4+1结构

然后是1+6+1，但日本例外，很多ALIVH结构

轻薄功能手机开始使用二阶结构

山寨机兴起，手机板反而简化

智能3G手机、数据卡等逐渐应用三阶HDI

高端手机开始应用任意层技术

高端智能机向更复杂发展，PCB跟着变得更复杂、层数更多且线宽间距更小

4.3 手机及手机板新的趋势

近两年来，随着移动互联网的兴起，更多的人利用手机上网、打游戏、观看视频以及办公，手机又有新的变化，主要有：

越来越薄，最薄厚度不断被刷新；

屏幕越来越大，基本都为触摸屏；

手机CPU及GPU越来越强大，并向多核心和高频发展，并具备1080p视频处理能力；

语音输入日趋成熟；

4G开始导入；

云计算。

受手机变化驱动，手机主板随之变化：

PCB更薄，10层总厚度仅0.65 mm甚至更薄；

50 μm线宽/间距成为高端手机板常规设计；

高密度装配，01005器件大量使用，对阻焊厚度提出更严格要求；

无卤材料逐渐普及；

为满足超薄手机设计，Low Dk材料将得到更多应用；

在4G时代，预计对材料的Df将有更严格要求；

因精度要求提高，以及相关材料的日渐成熟，在先进的PCB工厂，LDI/DI将取代传统曝光机成为图形转移和感光绿油的主要生产设备；

部分机械孔将被激光钻通孔代替；

寻求40 μm及以下线宽的低成本加工方案

图3 激光通孔切片图

4.4 近年HDI新的应用领域

随着HDI技术逐渐推广，它的应用领域也从消费电子扩展到工业应用，包括LED显示屏、新能源汽车、可穿戴设备如Google glass。新的应用领域将为HDI带来新的增长点。

5 中国市场分析

5.1 移动互联现状及3G

经过多年的发展，目前中国已经成为最大的手机市场以及最大的电子产品生产国家。在移动电话/网络方面，中国拥有世界最大的移动电话网络，据工信部数据，截至2013年9月底，中国共有手机用户12.07亿。移动互联网也得到快速发展，据统计，2012年6月，手机网民达到3.88亿，手机首次超过电脑成为第一上网终端；到2013年6月底，手机网民达4.64亿，占网民总数5.9亿的78.5%[3]。手机网民的增加，加快了3G的发展，目前3G用户已经超过3.7亿，约占手机用户数的31%。

5.2 中国4G规划

根据国务院公布《“宽带中国”战略及实施方案》：到2020年，中国的3G/4G用户普及率将达到85%，用户数超过12亿，4G基本覆盖城乡；2014年4G将正式启动，持续朝2015年3G和4G用户总量4.5亿户、2020年12亿户的发展目标前进。世界最大运营商中国移动的TDD-LTE（4G）终端的发展策略：“2013年仍以3G终端为主，2014年3G与4G终端并举，2015年以4G终端为主，推动多模多频的TDDLTE手机终端，实现高中低端产品线的全面发展[5]。

5.3 移动4G终端商机

综合各网站的信息，中国政府将优先发放TDDLTE牌照，所有大陆移动运营商都要导入TDD-LTE制式，然后再申请FD-LTE牌照。而国际上以FDD-LTE为主，WCDMA可向FDD-LTE平稳过渡，因此，预计电信与联通将双模建网，使原来3G用户平稳过渡到4G而不会流失用户。考虑到漫游需要，TDD-LTE手机必须兼容FDD-LTE，否则出境变砖头。在中国市场销售的手机必须是多模兼容，有多至5模的（5模指GSM、WCDMA、TD-SCDMA、FDD-LTE和TDD-LTE五种通信模式）。

按照国家规划，2020年3G/4G将达12亿，这是一个巨大的数字，商机可想而知，并且，根据历年经验，通常市场的发展速度都快于政府规划，故未来几年4G终端的增长将非常迅猛。

世界市场方面，业内咨询公司Prismark预测，从2012至2017年，世界范围的手机年均增长率7.8%，智能手机增长则高达20.1%，而非智能机是负增长。最新数据：据Strategy Analytics最新调研结果显示，2013年第三季度全球智能手机出货量同比增长了45%，达到创纪录的2.51亿部[6]。

图4 世界手机出货量预测

6 新技术方向及行业瓶颈

HDI从开发至今已超过20年，从简单的一阶HDI到复杂的任意层，技术上是取得了很大的进步，但这些进步并非革命性的突破。为了满足未来的需求，业界在不断探索新的技术，下面一些方向值得留意，需要说明的是，这些新技术尚未规模应用。

6.1 印制电子（纳米材料）

印制电子是近期兴起的热点之一，本文所讲的印制电子不是目前RFID工艺的印制电子，而是指采用纳米金属材料即纳米铜膏或纳米银膏（它们在低温即可烧结）用印刷方式形成线路的工艺方法；印制电子的优点主要是：（1）无需电镀及图形转移、流程简单；（2）几乎没有废水污染，容易取得环保执照。缺点主要有：（1）需要纳米铜/银膏，暂时不成熟；（2）可靠性不如传统工艺。

6.2 嵌入式电路

嵌入式电路指在介质表面先用激光烧出凹槽，然后再沉铜电镀填平凹槽，最后表面铜磨去，只留下凹槽里面的线路，该制程类似半导体制程。主要优点：（1）适合极细线路制作（10 μm以下）；（2）与SAP相比可靠性更好。缺点：成本高、效率低。

6.3 大热门3D打印技术

3D打印是近期热门科技，人们热衷用于打印各种东西。3D打印机使用的原材料是塑料和金属，与PCB主材非常接近。理论上3D打印机可以打印任何东西，包括PCB在内，但用于生产PCB尚未有报道。但我们不妨猜想一下，若3D打印技术取得突破，真的可以打印PCB，会带来怎样的冲击：首先，样板的生产门槛大为降低，很多公司或许自己买个机器就自给自足；其次，家庭或个人也能成为样板PCB公司。因此，未来3D打印是最有想象空间的技术。

6.4 未来猜想

在技术发展变化中，桌面系统与移动系统有融合趋势，理由如下

（1）Win8开始有RT版本，其处理器架构与手机是一样的；

（2）iOS与Mac OX越来越趋于一致，另外，iPhone 5S开始采用64bit 处理器，向桌面系统靠拢；

（3）传统电脑芯片公司与移动芯片公司互相渗透，例如，Intel 也推出手机处理器，ARM则规划用于服务器的CPU。

因此，最终桌面主机与移动主机有可能融合，外出携带时（移动）使用手机主机和屏幕，在办公室则采用手机主机和桌面显示器，这将使手机将更加强大、复杂，手机板也将更复杂，对PCB厂商提出更高的要求。

6.5 发展瓶颈

目前手机行业似乎碰到发展瓶颈，其表现为（1）除了硬件提升，没有太大的创新性东西；（2）没有新的杀手级应用。

PCB行业发展瓶颈更明显，主要表现（1）行业增长趋缓，已从几年前的两位数增长变个位数增长；（2）HDI发展至今已有二十几年，至今没有革命性的新技术出现；（3）IC性能每年都在提升，原来需几个IC实现的功能整合在一个芯片里面，PCB设计趋向简单化；（3）云计算的发展对终端要求降低；（4）中国政府对环保要求日趋严格，PCB的环保批文越来越难取得。

但对于一些特定的PCB，特别是智能手机所需的PCB如任意层HDI，在未来仍将会保持快速增长。Prismark预测，未来任意层年增长率高达43%。