光通信印制板驗收標準建立及推廣的可行性研究

陳 利 張 凱 戴 炯

（深南電路股份有限公司，廣東 深圳 518117）

1 引言

通信網絡是現代社會的基本基礎設施之一，是社會信息交流的主要途徑，對國民經濟與生活至關重要。在現代通信網絡架構中，分布著核心路由器、匯聚路由器、邊緣路由器和交換機等網絡設備，這些網絡設備間的通信以光纖網絡為主，但網絡設備內部的信號分析與處理為電信號，因此在網絡設備的物理層接口必須使用光通信印制電路板（PCB）實現光電信號的轉換。隨著移動互聯網、云計算、光纖入戶、數據中心、智能監控以及大數據的興起，及寬帶中國戰略和5G建設的實施，持續海量數據的產生對光通信PCB的需求呈現出爆發式的。隨著通信帶寬需求的持續增加，光通信PCB的傳輸速率也從目前廣泛應用的10 Gbps向25 Gbps、50 Gbps、100 Gbps，甚至400 Gbps、800 Gbps發展，光通信PCB的單通道帶寬也已經實現56 Gbps的應用，單通道112 Gbps帶寬的產品也進入了小批量階段?？梢灶A見，隨著通信網絡持續向超高頻、超高速和超大容量方向發展，未來光通信PCB在未來PCB市場中的份額會持續上升。但是，盡管光通信PCB近五年來已經取得了長足的進步，其相配套的行業標準的制定卻嚴重滯后。目前，光通信PCB的主要廠商間并沒有形成系統的標準，各家驗收標準參差不齊，主要依據自身的經驗來制定相應標準。我國是PCB制造大國，產值占據全球50%以上，在光通信PCB這一細分領域中缺乏行業標準對我國的產業發展是不利的，也不利于實現產業升級。因此，建立光通信印制電路板驗收標準具有重要的經濟和戰略價值。

2 光通信印制板驗收標準現狀

2.1 光通信印制板簡介

光模塊是現代通信網絡中網絡設備接口光電轉換的關鍵器件；光模塊發送端把電信號轉換成光信號，通過光纖傳送后，另一光模塊的接收端再把光信號轉換成電信號。光通信PCB用于承載光模塊的各種元器件和芯片，在設計上一般包括板邊插頭（俗稱金手指）、高速信號線、線接合連接盤（WB-PAD，Wire Bonding PAD）、裸芯片連接盤（DIE-PAD）、普通連接盤，根據產品類型不同，還可能包括剛撓設計、金屬基設計、臺階槽設計和HDI（高密度互連）設計。相比普通PCB，光通信PCB對板邊插頭、高速信號線、線接合連接盤和裸芯片連接盤的外觀、尺寸符合性和可靠性的要求都更高。

目前，由于光通信PCB在功能和結構上的特殊性，在深南電路的實際生產過程中發現，如果以通用的印制板性能規范（如《IPC-6012 E CN剛性印制板的鑒定及性能規范》和《GB/T4588.4-2017剛性多層印制板分規范》）來驗收太過于簡單粗暴，且普通產品的驗收標準對光通信PCB中“板邊插頭、高速信號線、線接合連接盤和裸芯片連接盤的外觀和尺寸符合性”涉及得非常淺且不全面，已經無法滿足光模塊PCB的驗收需求。

2.2 國內外光通信印制板驗收標準現狀

在PCB行業中，標準按適用范圍分類包括：國際標準、國家標準、行業標準、團體標準、地方標準和企業標準；按產業鏈上的不同角色分類則可以分為：設計標準、材料標準、產品標準、測試標準和組裝標準。但由于光通信PCB是一個相對較新的細分產品，以上所有標準體系中目前均沒有專門的光通信PCB驗收標準。

從光通信PCB的客戶角度來看，部分高端客戶有自己的驗收準則，但內容完整性參差不齊，有些要求無法落地執行。而從光通信PCB制造商的角度來看，目前也沒有形成相對統一的驗收準則。因此，總的來說，光通信PCB驗收標準目前還屬于行業空白?，F狀是各廠家、各用戶用著零碎的驗收準則，這種不系統、不統一的驗收準則對行業、企業及從業者都是不利的。

2.3 建立光通信印制板驗收標準的可行性分析

2020年光模塊市場銷售額超過500億元，其所使用的光通信PCB市場份額約16億元，在整體PCB中占比約0.5%（全球PCB銷售額大概4000億元人民幣）；市場份額相對較小，這也是相應標準滯后的重要原因；但光通信是一個朝陽產業，其每年的增長速度在30%左右。目前光通信的主流客戶有華為、II-VI、中際旭創、新易盛、Intel、海信寬帶、光迅科技等。深南電路公司有著豐富的光通信PCB生產制造經驗，在光通信PCB的制造中占據了領先位置；同時，深南電路作為中國電子電路行業協會標準委員會會長單位，有著專門的標準化團隊。近年來，深南電路的技術人員共參與60余項標準的編制、開發和審核工作，在標準編制和推廣方面已有一定的經驗。綜合來說，從光通信PCB發展趨勢和行業供需的現狀看，目前已經具備建立光通信印制電路板驗收標準的基本條件。

3 光通信印制板驗收標準的建立

3.1 標準建立原則

與常規PCB相比，光通信PCB的最大區別體現在WB-PAD和DIE-PAD，以及板邊插頭。WB-PAD和DIE-PAD此類連接盤一般成對組合，如圖1所示。DIE-PAD用于承載裸芯片（DIE），WB-PAD圍繞DIE-PAD排列，裸芯片上的連接盤（PAD）一般通過金線連接（線接合，Wire Bonding）至WBPAD上，從而實現裸芯片信號引出。正因為光通信PCB特殊的結構設計，其驗收標準需要重點關注外觀和可靠性。

圖1 WB-PAD和DIE-PAD示意圖

3.2 光通信印制板外觀缺陷分類

光通信PCB由于需要起到裸芯片承載和貼裝的作用，因此其外觀要求更加嚴格，基于目前的生產經驗，其重點缺陷如下。

3.2.1 擦傷

如圖2所示，擦傷是指銅線路（尤其是連接盤）表面在表面涂覆前后與其他物件接觸摩擦而產生的“帶狀”痕跡。擦傷不會直接導致銅線路圖形的凹陷，即表面涂覆前擦傷不會出現銅線路層完整，表面涂覆后的擦傷不會漏銅或漏鎳（但可能漏鈀）。擦傷缺陷會造成后續線接合時的不良風險。

圖2 擦傷缺陷外觀圖

3.2.2 劃傷

劃傷是一種對銅線路的實質物理損傷，在外觀上呈現為細條狀、不規則、方向隨機的痕跡如圖3所示。劃傷按照產生時間分為銅層劃傷和表面涂覆層劃傷，按照嚴重程度分為無感劃傷和有感劃傷。無感劃傷在外觀上僅見痕跡，凹陷深度≤5 μm，視覺上在45°到135°角度范圍內觀察，存在一定角度范圍內劃傷不可見。有感劃傷在外觀上可看到凹陷，凹陷深度＞5 μm，視覺上在45°到135°角度觀察，劃傷痕跡均清晰可見。

圖3 劃傷缺陷外觀圖

3.2.3 磨痕

磨痕是機械性前處理（如刷輥磨刷）導致的銅面凹陷，產生在表面涂覆前；外觀上呈現為細條狀直線，一般平行或垂直于板面方向，且相鄰線條間方向一致。磨痕缺陷按照嚴重程度分為無感磨痕和有感磨痕，如圖4所示。無感磨痕外觀上僅見痕跡，凹陷深度≤5 μm，視覺上在45°到135°角度范圍內觀察，存在一定角度范圍內磨痕不可見。有感磨痕在外觀上可看到凹陷，凹陷深度＞5 μm，視覺上在45°到135°角度觀察，劃傷痕跡均清晰可見。

圖4 磨痕缺陷外觀圖

3.2.4 異物

異物為表面涂覆前，銅面上殘留目視難發現的點狀干膜、油墨、膠質或其他雜質，在表面涂覆時被完全覆蓋，進而視覺上呈現為凹坑，且凹坑底部呈現為黑色的微小點狀，如圖5所示。一般情況下，異物不可去除，由于其高度不高于金面，強行去除容易出現露銅露鎳和金面損傷。

圖5 異物缺陷外觀圖

3.2.5 臟污

臟污為表面涂覆后，金面上吸附的液態物質在干燥后留下的污漬，其外觀呈圓點狀或片狀，如圖6所示。臟污缺陷可以使用橡皮擦擦拭，擦拭后不會露銅露鎳。

圖6 臟污缺陷外觀圖

3.3 光通信印制板外觀驗收要求

綜合評估光通信PCB常見的外觀缺陷、發生概率及其品質影響，關鍵外觀驗收要求如下。

3.3.1 露銅露鎳

如圖7所示，對于非關鍵區域的缺陷，要求面積≤50%非關鍵區域面積，且單個缺陷尺寸≤0.2 mm。當缺陷出現在關鍵區域，如線接合焊盤，則要求不能出現露銅露鎳。

圖7 漏銅漏鎳缺陷驗收準則

3.3.2 磨痕

光通信印制電路板對磨痕的驗收要求為鍍層完整，且磨痕深度≤10 μm、無金屬絲掛起，如圖8所示。

圖8 磨痕缺陷驗收準則

（3）倒角損傷。倒角損傷主要出現在板邊插頭位置，對光模塊的信號傳輸品質可能有重要影響。如圖9所示，倒角損傷的驗收要求板邊插頭頂端不能出現銅箔和鍍層剝離、板邊插頭浮離。

圖9 倒角損傷缺陷驗收標準

3.4 光通信印制電路板可靠性驗收要求

與普通PCB相比，光通信PCB的可靠性測試需要額外關注板邊插頭的可靠性，具體包括：

3.4.1 插拔測試

測試目的：板邊插頭是光模塊與網絡設備的連接位置，其品質穩定性直接決定光模塊的光電轉換品質。插拔測試是板邊插頭經過插拔后評估對外觀及電性的影響。

測試方法：金手指與匹配的連接器進行機械壽命試驗，用將光通信PCB的板邊插頭與壽命試驗機連接，以進行機械壽命測試；測試過程中，1次壽命指插入和拔出的一個循環，循環頻率10次/分鐘，測試機械壽命100次以上。

驗收標準：（1）外觀質量，關鍵區域不露銅、不露鎳（靠近板邊端部露銅位置除外）；（2）接觸電阻在機械壽命測試后≤35 mΩ，則測試合格。

3.4.2 鹽霧測試

測試目的：通過加速腐蝕測試，模擬評估產品表面連接盤和板邊插頭的耐腐蝕性。

測試方法：光通信PCB的鹽霧測試采用中性鹽霧試驗，即以化學純氯化鈉溶于蒸餾水或去離子水，配成（5±1）%（重量百分比）的鹽溶液，且調控鹽溶液噴霧后收集液pH值為6.5～7.2，在35 ℃±2 ℃下測試48 h；然后用自來水與軟毛刷輕輕刷洗試驗樣品表面沉積的鹽顆粒，并用不超過35℃的蒸餾水漂洗，最后測量板邊插頭的接觸電阻。

驗收標準：若（1）10～20倍放大倍率下光學觀察鍍金層表面（靠近板邊端部露銅位置除外）沒有腐蝕缺陷，初始接觸電阻≤25 mΩ，試驗后≤35 mΩ；（2）經拍照，柵格，圖樣對比或其他分析方法測試，腐蝕區域不超過鍍金區域面積的5%；（3）腐蝕深度不超過鍍金厚度的50%；（4）金鍍層不出現脫落、破損、分層等缺陷；（5）試樣電氣功能正常，結構完整，則測試合格。否則不合格。

3.4.3 孔隙率測試

測試目的：通過測試鎳金鍍層的孔隙率，評估其使用可靠性。

測試方法：參考IPC-TM-650 的2.3.24.2進行試驗，在干燥器皿中放置濃度為65%～68%的硝酸，并用器皿蓋密封30 min；然后用夾具將試樣放置在器皿邊緣，時間60 min；隨后立即將試樣放入10%的氫氧化鈉水溶液中，室溫下放置20～30 s，之后放入蒸餾水中清洗，并將清洗完成后的樣品放入多硫化鈉溶液中浸泡20～30秒；最后將試樣取出用純凈水清洗干凈，并用熱風吹干。

驗收標準：在環形燈下用10倍放大鏡觀察板邊插頭鎳金鍍層無異常，且在25倍放大鏡下觀察滿足表1所示要求，則驗收通過。

表1 孔隙率驗收標準

4 光通信印制板驗收標準的推廣

相對來說，光通信PCB這一領域還處于快速發展期，要建立相應的驗收標準，需要供需兩端同時參與。在制造企業一方面，應該由目前光通信PCB市場具有影響力的企業牽頭，組織主要參與企業就標準細則進行溝通交流，收集目前各企業所使用的驗收方案，基于市場實施效果分析對比相關驗收準則的科學性和合理性。在客戶端方面，可以選出需求重點企業，綜合對比各企業的驗收準則，輸出其差異項，并結合制造企業的制造經驗，評估其科學性與合理性；若存在不合理處，則可以由制造企業組織溝通，在綜合評估后初步形成在重點企業間使用的驗收準則。

在此基礎上，當各制造企業引入新的客戶時，應優選所形成的驗收準則進行推廣，逐步提高該驗收準則在行業中的使用范圍。更進一步由重點企業牽頭，積極地與相關的行業標準組織進行溝通，并提交相關資料，為制定正式的行業標準而準備。目前，深南電路已經基于自身的制造經驗，就建立光通信PCB驗收標準問題與相關行業標準協會進行溝通，并積極推動其標準立項。

5 結論與展望

光通信PCB是一個快速發展的細分領域，其驗收標準的建立滯后于生產制造的發展，而建立行業驗收標準對制造業來說是重要而關鍵的事項之一。目前，深南電路基于自身在光通信PCB領域的市場地位和制造經驗，與各大客戶保持積極地溝通，已經形成了較為完善的驗收準則，并在向新客戶推廣驗收準則方面取得了一定的進展；另一方面，深南電路也與同行就驗收準則保持著溝通，并積極與行業標準制定單位進行立項溝通?？偟膩碚f，目前行業內已經初步具備了建立光通信PCB驗收標準的基本條件。光通信印制電路板的驗收標準的建立，對完善印制電路板行業標準具有重要的意義，是我國提升在印制電路板行業的話語權、推進制造業轉型與高質量發展、提高制造業在國民經濟中的基礎性地位的重要戰略補充。