2023年電子電路技術亮點

龔永林

（本刊主編）

0 引言

以印制電路板（printed circuit board，PCB）為主體的電子電路產業已是電子工業的基礎之一。2023 年，雖然經濟大環境低迷，電子電路產業產量出現下降的情況，但其技術仍在繼續發展。本文整理了2023年電子電路技術亮點，以供參考。

1 設計技術

1.1 PCB設計引入AI

現代電子系統遍布各個領域，電子設備功能不斷增多、結構日益復雜，這對PCB 設計提出了許多挑戰，如高速數字和射頻電路設計。PCB 設計涉及信號完整性（signal integrity，SI）、電源完整性（power integrity，PI）和電磁兼容性（electro magnetic compatibility，EMC）的挑戰。高速PCB 的PI 和EMC 的好壞會影響到SI，它們之間錯綜復雜的關系非設計師單人所能解析，迫切需要人工智能（artificial intelligence，AI）技術的應用。

AI 設計可模仿人類的專業知識，像人類一樣甚至超越人類，可完美地掌握深奧的規則和指南進行設計，實現完美的零件選擇和布線。新一代PCB 系統設計使用人工智能的自動化布局，確保設計的電氣正確性和可制造性；同時可以簡化系統設計流程，大幅縮短PCB設計周轉時間。

從各種基材的電性能和機械性能到PCB 的結構組成，PCB 設計應有以數據為基礎的技術路線圖，提供當今電路板重要特性的主流值。例如，路線圖中需要標出不同銅箔的最小線寬線距、導線載流能力、不同板厚的最小孔徑、厚徑比和連接盤尺寸等。另外，與PCB 技術密切相關的元器件類型和規格尺寸數據，如球柵陣列（ball grid array，BGA）器件的節距等，都是AI需要吸收和學習的信息。當前已有針對PCB 設計的AI軟件包發布，AI 已經就位，只是仍需學習提高，需要匯集更多好的設計數據來訓練和充實。

AI 的最大問題是數據的可用性和完整性，需要創建被認可的、系統的PCB 設計數據庫。到目前為止，AI 未能創建一個完美的PCB 設計數據庫，未能在數據發送到計算機后自動完成PCB 設計和創建PCB 生產工具。詢問ChatGPT［1］，它回復了3個最常見的原因：①PCB數據可能不完善；② PCB 數據可能不符合制造設備或工藝的條件；③PCB 數據的文件格式可能與制造商的設備軟件不兼容。要創建完美PCB 數據包的3 種解決方案分別為：使用設計規則和指南、使用設計驗證軟件、提供清晰的文件。但制造商未向客戶提供這些規則和指南，未分享專有信息。此外還要考慮PCB 的復雜性和生產能力變數。因此，AI 只是幫助優化PCB 設計，而非取代所有設計師，PCB 設計師的工作還將一直存在。

1.2 熱管理需求更為突出

PCB 上的元器件工作時會有熱量產生，電子元器件發生故障主要與過熱有關。為了延長系統的使用壽命并保持系統的性能，必須控制熱量，同時設計師應考慮相關技術。

PCB 散熱的方法，通常是選擇耐熱性好的基板、增加系統空間和安裝散熱器。在高頻電路材料上，較厚的基板會增加熱流路徑，但不利于散熱；微波頻率下通常需要較厚的層壓板，可以減少插入損耗。設計者應選擇低損耗介質、低粗糙度銅箔、低吸濕率和高導熱性基板，從而在熱管理和系統性能之間進行權衡。

現代電力電子產品由于元器件密度增加和部件小型化導致更高的熱管理需求，促使設計師越來越依賴絕緣金屬基板（insulated metal substrate，IMS）等技術，應用IMS 需要找到熱性能、成本、尺寸、重量和可靠性等參數的正確平衡。特別要注意，IMS 的熱傳遞效率取決于金屬板與電路層2 個界面間熱界面材料（thermal interface material，TIM）的熱導率，以及TIM厚度、面積和熱阻（thermal resistance，TR）、熱阻抗（thermal impedance，TI）。研究表明，無論TIM 類型如何，較薄的接合層和緊密接合界面都能提供較低的熱阻抗和較高的有效熱導率，以提高導熱性能［2］。

大多數PCB 電介質材料的熱導率約為0.3 W/（m·K），經過提高后可達0.5 W/（m·K）。許多陶瓷填充的高頻層壓板熱導率值較高，如有層壓板的熱導率值為1.24 W/（m·K）的。目前，專為超亮照明、電源模塊、電機驅動器和整流器等應用而設計的金屬基板層壓板具有10 W/（m·K）的熱導率，還具有高擊穿強度、優異的機械性能、尺寸穩定性和優異的介電性能。銅的熱導率約為400 W/（m·K），因此，PCB 設計釆取厚銅、埋嵌銅塊、導電膏填充過孔和使用金屬基板等方法增強散熱能力。為了追求更高的性能，有使用AL/SiC、石墨烯、鈹銅，甚至碳納米管等材料的方案。

PCB 的熱管理除了從電路設計和基材選擇考慮外，還有稱之為熱冷卻（Thermal cool）散熱型阻焊涂料，可以將熱量從電路板上帶走，相當于一種重量更輕的散熱器替代品。該阻焊涂層已經實現了高達10.2 W/（m·K）的熱導率，相比市場上標準涂層的散熱能力高出50 倍。該涂料針對不同的應用推出了不同型號，可用于通孔填充，也可以在特定區域涂覆散熱層。

1.3 設計與制造緊密協作

電子設備功能的復雜性，帶來了PCB 設計、制造和組裝的復雜性。完成PCB 設計是一項非常復雜的工程，如果PCB設計沒有任何制造商參與，設計生成的PCB 文件交付給制造商后很難順利生產。選擇一個可以在設計過程中協助解決可制造性難題的合作伙伴，并在設計過程中與之保持溝通，才能順利完成PCB設計制造及組裝。

很多設計師希望其產品的結構堅固可靠，因此往往會造成過度設計，如用于射頻、微波的PCB 選用了昂貴的、性能最好的基材。而與制造商合作，可使用不同的材料混合壓合，既達到了性能要求，又可降低成本。設計與制造商合作，通過PCB 層數與厚度要求、微孔堆疊、導線載流能力與阻抗要求、材料的散熱要求等數據交換，最大限度地減少了錯誤，使PCB設計取得成功。

PCB 設計者面臨的最大挑戰之一是要了解PCB 制造過程中影響成本的因素，通常的影響因素有PCB 厚度、層數、板面利用率、線路L/S、基材類型、孔結構、孔厚徑比、孔數、銅厚度、阻焊劑/字符類型、最終涂飾層等。通過與制造商合作開展可制造性設計（design for manufacturing，DFM）的實踐，可以提高可制造性并降低成本。

為了促進設計與制造之間的合作，一些專業企業建立起了從PCB設計到制造的在線協作平臺，提供在線DFM 服務，平臺也保持與PCB制造商及原始設備制造商（original equipment manufacturer，OEM）的連接。有PCB 制造公司推出網站平臺，客戶可在同一平臺詢價并得到報價，完成采購訂單及后續生產跟蹤。網站還提供在線工具，如PCB設計規范、基材規格書、線路阻抗計算器等，以及用于確保無縫生產和組裝的DFM 工具。這些都為PCB設計與制造提供了技術保障。

2 UHDI板和載板

2.1 HDI板和載板備受重視

美國的PCB 產業已經開始萎縮，技術也相對落后，目前幾乎沒有能力生產無鉛球柵陣列封裝（flip chip ball grid array，FCBGA）或倒裝芯片尺寸封裝（flip chip chip scale package，FCCSP）這些先進的IC 載板能力。美國的從業人員也已覺察到半導體芯片在沒有IC 載板和PCB 的情況下將無法工作，在電子生態鏈中先進的芯片需要先進的載板和PCB。

為加強供應鏈安全，2022年，美國國會通過了《美國芯片法案》（The CHIPS for America Act），加強美國本土的半導體產業。2023年，美國眾議院提出了《保護電路板和載板法案》（The Protecting Circuit Boards and Substrates Act）議案，要求政府立法支持國內PCB 生產。議案要求為制造或研究PCB的設施制定財政援助計劃，授權撥款30億美元執行該計劃，并為購買或收購美國制造的PCB提供25%的稅收抵免［3］。IPC認為，IC載板項目有資格獲得《美國芯片法案》法案的資助，可建設一個含有IC載板制造試驗線的研發中心。

歐盟也發布了《歐洲芯片法案》（The European Chips Act），設定的目標是到2030 年在該地區制造占全球產量20%的芯片。歐盟一個工作組編寫了《PCB 和EMS 優勢、劣勢、機遇和威脅分析》報告［4］，指出PCB 正變得越來越復雜和重要，作為芯片法案實施的一部分，必須支持歐洲的PCB 和EMS 行業，與芯片同步提高PCB、EMS的技術和產量。

在發展半導體芯片的同時，電子行業應發展先進封裝載板、PCB，包括材料、設備、組件等，其相關性、重要性已達成了普遍共識。包括我國在內，世界上一些大型PCB 制造商正在發展高密度互連（high density interconnector，HDI）板、超高密度互連（ultra high density interconnector，UHDI）板和IC 封裝載板生產，以適應新興市場需求。

2.2 UHDI和載板的技術發展

移動設備和物聯網、醫療領域、可穿戴設備，這些都是HDI 的驅動因素；IC 封裝更高的密度和更多I/O，推動了UHDI PCB技術。

目前，UHDI 板的定義為線寬和間距小于50 μm、微導通孔直徑75 μm 及以下的HDI 板。UHDI 板的主流工藝是改進型半加成法（modified semi-additive process，mSAP），為了達到更精細的線路，開始推崇A-SAP?技術，這是一種采用液態金屬涂層為催化劑形成銅導體的半加成工藝。A-SAP 的工藝流程為，未覆箔基板涂覆液態金屬油墨、化學鍍銅、光致成像（感光膠、曝光、顯影）、電鍍銅、去膜與快速蝕刻［5］?，F在，其已具有L/S細至20 μm 的能力，近期將擴展到10 μm。該工藝的關鍵是一種液態金屬油墨（liquid metal ink，LMI），它可以沉積一層非常薄且致密的催化劑層，其與化學鍍銅層也具有良好附著力，即使在聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene，PTFE）上也能獲得高剝離強度。用作銅圖案電鍍基底的化學鍍銅層厚度能夠低至0.1 μm，后續進行快速蝕刻可以獲得非常精細的側壁垂直的導體，這為UHDI 和封裝載板生產提供了一條有效途徑。

IC 封裝載板與PCB 的結構形式和生產工藝是基本相同的。從材料的角度來看，高頻應用都需選擇低Dk、低Df以及耐熱和低熱膨脹系數（coefficient of thermal expansion，CTE）等的材料。材料越來越薄，材料的樹脂、玻纖布編織、填充物和表面銅箔等都是改進對象，以滿足更高密度、更精細特征的需求。從制造的角度來看，關注微導通孔形成，包括激光鉆孔和孔去鉆污/金屬化、鍍銅均勻性和結合力；光成像技術中激光直接成像（laser direct imaging，LDI）是HDI板制造的必要條件，以mSAP 的閃蝕提高蝕刻因子；生產線需要高度自動化，同時必須提高環境清潔度，嚴格控制溫度和濕度，如控制在±2 ℃和±5%相對濕度。

封裝技術在不斷進步，IDTechEx 發布了《2023—2033年先進半導體封裝》的研究報告，認為只有那些凸點節距小于100 μm 的封裝才是先進的半導體封裝?，F有一種半導體封裝創新是使用小芯片（Chiplet，芯 粒）的異構集成（heterogeneous integration，HI）封裝解決方案。HI 使具有特定功能的小芯片非常接近地互連，實現了封裝面積的減少和組件之間更短的電連接，可共享一個硅或玻璃內插板（Interposer）平臺，提高了處理速度，并縮小了整個電路板面積。當今的封裝載板絕大多數是有機基板，而從基板尺寸穩定性、平面度、熱穩定性和機械穩定性等方面考慮，重點是材料的CTE 匹配性；載板線路精細化，從10 μm 線路、60 μm 導通孔和95 μm 連接盤，發展到5 μm 線路、50 μm 導通孔和80 μm 連接盤，使L/S更進一步縮小到2 μm。

3 檢測與可靠性

3.1 AI自動化檢測系統

當今PCB 已朝小型化、高密度化方向發展，為保證品質，檢查流程必不可少。自動化光學檢測（automated optical inspection，AOI）、自動X射線檢查（automated X-ray inspection，AXI）是采用圖像處理的PCB檢查技術，可實行全數檢查。但使用2D 的AOI 和AXI 只區分“通過/失敗”，無法滿足高性能PCB要求。由于機械裝置位置精度、攝像像素感知度會影響圖像數據，發生錯判和漏判是不可避免的。

為確保電子組件的質量可靠性，自動化檢測系統采用了機器視覺、人工智能和機器人等先進技術，配置了高分辨率光學和照明系統，引入由AI 增強有高速3D 測量能力的3D AOI 解決方案?；贏I 的3D AOI 能自動完成缺陷檢測和分類，包括自動參數優化、字符識別、異物檢測、位置檢測等功能，并且收集所有檢查和測量數據匯集于智能生產線，改進優化PCB 工藝，成為高度直觀、動態的決策系統。

以機器學習和深度學習為特征的AI 技術，創建自動化視覺質量檢查（visual quality inspecion，VQI）系統，無須編程就可以檢查復雜的PCB 至SMT 各階段，可以安裝在生產線上多個檢查點實施VQI，以更快速、準確地識別缺陷，提高整體檢查性能，并獲得貫穿整個PCB 生產周期的全面數字記錄。制造商可以將檢驗數據與MES 數據進行集成，從而識別生產問題，優化產品設計，提高制造效率。

為加強過程控制，把微孔AOI 系統用于在高階HDI 板或IC 載板制造中檢查激光通孔。該AOI系統可以檢查直徑小于30 μm 的孔，檢測出孔尺寸不足或過大、孔位置超差，以及孔內碎屑、堵塞或缺失的孔。該系統的照明由內置于掃描臺內的透射光源提供，確保最準確和完整地獲取孔的外部和內部形狀；系統還具有強大的統計軟件包，可進一步擴展AOI 功能，用于激光鉆孔參數校準和實時過程控制。

3.2 可靠性的重點

產品可靠性關乎使用壽命，采用加速可靠性試驗可以預測產品的壽命。PCB 可靠性測試包括熱、機械、溫濕和偏壓試驗等，重點鑒定線路的阻值變化、基板的絕緣電阻和抗電遷移性、鍍層和介質層結合力等。

常規PCB 的可靠性重點在鍍通孔（plating through hole，PTH），HDI 板可靠性重點在于堆疊導通孔。HDI 板的堆疊盲孔的電鍍銅層與目標連接盤銅層間結合的銅鍵非常弱，隨著PCB 與元器件的工作溫度升高，層壓板的樹脂膨脹產生應力會將盲孔底部的銅與其接觸的連接盤銅層拉離，從而形成開路。這種有缺陷的組件冷卻時，樹脂會收縮，電路又恢復正常。目前避免堆疊盲孔可靠性問題的方案是使用交錯孔位，但會影響布線的面積。在PCB 制造質量控制中，幾乎只針對銅層厚度，而忽視了銅晶粒結構。實際上，銅晶粒結構會影響粗糙度和信號損耗，很大程度上影響導通孔的可靠性［6］。通過一臺具有激光輪廓選項的3D 顯微鏡觀察盲孔銅晶粒結構，當銅導體晶粒致密韌性高時，微孔可靠性也高。

熱沖擊試驗是一項重要的可靠性測試，測量PCB 在熱環境下銅層與有機介質層分離所需的循環次數。導致銅和絕緣介質之間發生裂紋或分層的原因，是由于在溫度變化時材料的CTE 不同而產生了應力。材料的CTE 取決于構成該材料的原子之間的結合強度，金屬、陶瓷和聚合物的原子鍵合程度不同就有不同的CTE。因此，新材料開發就在于調整材料配方，例如開發一種純樹脂、無玻璃纖維的黏合層，這樣CTE 能夠與銅匹配，從而減輕PCB中的應力。

在汽車領域，對PCB 的安全可靠要求更顯重要，一個關鍵考慮因素是動力總成工作電壓。PCB 基材需要一個合適的相比漏電起痕指數（comparative tracking index，CTI），以防止在電路板表面產生電弧發生故障。以電動汽車電源和充電領域為例，PCB 需要厚銅（高達0.42 mm）、高熱可靠性、高抗CAF 性能，以及CTI 至少600 V。普通基材的CTI低于100 V，所謂的三級材料只達到250 V，目前最好的材料可以達到約600 V，現在又有一些平臺向800 V電壓發展，PCB的CTI還需要進一步提高。

4 可持續性發展

4.1 推行的綠色生產技術

產業“可持續性”的重要一點是做到綠色生產，電子電路技術也一直在向這方面發展，有些技術經過多年改進得到了推廣。

在PCB 制造中，孔金屬化有化學鍍銅和直接金屬化兩種工藝。直接金屬化工藝與化學鍍銅工藝按照流程進行比較，前者可以節省能源約58%，減少用水70%，減少化學品消耗86%［7］。直接金屬化工藝上市已有許多年，提供了大量有效數據，顯示其綠色生產的特性。

PCB 阻焊圖形形成，采用的噴墨打印工藝已成熟。為了提高效率，打印設備改進為由多頭噴墨，甚至阻焊劑與標記油墨相繼打印，噴墨打印的產量與傳統印涂工藝相當，對于小批量生產能做到更快；噴墨打印厚薄可控、覆蓋完整，阻焊堤清晰，品質更佳，尤其是厚銅板做到基材與銅面阻焊厚薄一致；在成本方面，噴墨打印設備代替了傳統的印涂、曝光、顯影等一系列設備，減少了設備、場地、工序以及人工，降低了生產成本；噴墨打印節約油墨，可大量減少原材料的消耗和廢棄物的產生，有利于綠色生產。當前，有些新建的PCB 工廠已完全采用數字化噴墨打印工藝進行阻焊層制作、打印標記符號、打印二維碼。

有關廢水處理的方式，提倡采用物理方法，不使用化學品。水處理循環系統分為濃縮液與沖洗水兩路。濃縮液進入蒸發器加熱蒸發，或者沉淀壓濾，金屬被回收利用；沖洗水是通過臭氧及紫外線殺菌，然后通過活性炭柱、離子交換柱，最后通過反滲透可以產生去離子水（deionized water，DI）。這種高效過濾回用水和蒸發回收金屬的物理處理方法，可將污泥量減半，實現了更高的回收率，減少了運營成本，生產車間的水完全回收循環利用，做到零排放。此外，還有廢水治理改進、貴金屬回收、光致干膜副材再利用等許多有利的綠色生產技術。

4.2 促進綠色的法規

保護生態環境是全社會的責任，如歐盟頒布的WEEE 指令（關于報廢電子電氣設備指令）和ROHS 指令（關于在電子電氣設備中限制使用某些有害物質指令）都已正常執行?，F在面對歐盟推行的化學品限制政策——REACH（化學品注冊、評估、授權和限制）法規，其中有多項緊逼電子電路技術進行升級。REACH 認為全氟和多氟烷基物質（per-and polyfluoroalkyl substances，PFAS）對人類健康和環境有害，于是出臺了電子產品制造限制PFAS的規定。

用于PCB 的液態光致成像阻焊劑，聚合物中含有一種或多種稱為光引發劑的物質，如907：2-甲基-1-（4-甲硫基苯基）-2-嗎啉丙烷-1-酮；365：2-芐基-2-二甲氨基-4'-嗎啉丁基酮；另有熱固化劑TGIC［1,3,5-三（環氧乙烷基甲基）-1,3,5-三嗪-2,4,6（1H，3H，5H）-三酮］和三聚氰胺（1,3,5-三嗪-2,4,6-三胺），及光引發劑二苯基（2,4,6-三甲基苯甲?；┭趸ⅲ═PO），被列入了PFAS限制使用的候選名單［8］。PCB制造商應該確認其使用的阻焊劑是否包含這些物質，聯系阻焊劑供應商并要求其確認，詢問客戶在向其提供的PCB中是否存在這些物質。一些阻焊劑制造商已在開發不含“907”或“369”成分的同等性能的液體光致成像阻焊劑配方。在行業內有出口歐洲的PCB 被客戶責問阻焊劑成分，已發生退貨的事故。

PTFE 基材具有很好的高頻性能，因此被視為5G 向6G 過渡的重要材料。PTFE 含有氟元素，是鹵素之一，在多年前提倡無鹵基板時就已受到質疑?，F在PTFE 作為PFAS 合成化學品的一員，面臨著立法限制的挑戰［9］?，F在全球范圍內許多國家也開始考慮PFAS的影響，并著手應對這些化學品相關的潛在風險，一些大公司都在尋找相應替代品。一旦發達國家找到了不含PFAS物質的替代品，就會發出絕對限制禁令，形成技術壁壘，因此國內行業必須未雨綢繆。

4.3 可持續性的革命性轉變

PCB 在減成法以及半加成法基礎上，進行技術改進或創新達到綠色生產，這只是有限的改良。要實現根本的改變，實現真正的可持續發展，必須從產品設計、使用材料和制造方法三方面進行革命性大轉變。

全球每年產生數千萬噸電子垃圾，一部分是制造過程產生的廢棄原材料和廢品，更多部分是使用后報廢的電子設備。因此，延長產品的有效使用壽命，是減少產品與生產過程碳排放的最佳方法之一。例如，如能將手機使用壽命從3～4 年延長到7～8 年，那么手機垃圾就減少一半。相應的PCB產銷量減少，其產生的污染物也自然減少。但這樣做與“促消費”觀念是相反的，從某種意義上講“促消費”是“促浪費”。勤儉節約、減少浪費、延長產品使用壽命，是實實在在的保護生態環境可持續發展之路。

選擇可回收、再利用材料是可持續解決方案的重要方面。對于PCB 基板材料，不僅要追求無鹵無毒，還要當產品報廢時容易拆卸，使其分解回歸自然，這就要求引入生物基材料來代替化石基聚合物。如有一種基于天然纖維的可生物降解PCB 基板，由天然纖維和無鹵聚合物制成多層生物復合結構材料，能夠成為玻璃纖維和環氧樹脂的FR-4 替代品，可滿足電子行業大多數產品的機械和電氣要求［10］。該可生物降解基板也考慮到抵抗高濕度環境的要求，與PCB濕法制造工藝兼容，現在已在做電源設備PCB 試用驗證。當不再需要這種基板時，其會被扔進熱水中降解，成為可做堆肥的有機物。

對于PCB 制造工藝，根本出路是將“減法”變成“加法”。加成制造（additive manufacturing，AM）創造了減少物耗、減少污染的可持續發展途徑。AM 的基本定義是在計算機控制下沉積、固化材料，將相應材料逐層添加連接在一起，構成所需的電子產品?，F在已有印制電子包括柔性混合電子產品（flexible hybrid electronics，FHE）制作證明了這一點，已有3D 打印加成制造的多層PCB 的出現，并且可將芯片與其他元件直接連接到PCB中成為電子組件。

5 結語

回顧過去的一年，市場受阻、黯然失色，而技術發展未停腳步、亮點不少。越是在困難的時候，越是要加強技術研發，這是在“山窮水盡疑無路”之時，獲得“柳暗花明又一春”之機。機會總是留給有準備者，在新的一年，以先進技術開拓前進之路。