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印制电路产业的命脉掌握在谁的手里?

作者:时间:2018-10-22来源:网络收藏

  0 前言

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201810/393170.htm

  近来,美国挑起了与中国的贸易战,大幅提高从中国进口产品关税,并禁止向中国出口高技术产品,中国中兴通讯公司遭禁就是一例。

  2018年4月美国商务部发布对中兴通讯出口权限禁令,禁止美国公司向中兴通讯出售零部件、商品、软件和技术,期限为7年,禁令一出立即使中兴公司进入休克状态。6月美国商务部以中兴公司支付巨额罚款、更换董事会与管理层、购买更多美国产品为条件,才同意解除这项禁令 [1]。中兴通讯公司是世界通讯设备制造巨头之一,命脉却被美国政府卡住,原因是缺少核心技术,缺少核心零部件集成电路。



  中美贸易中的中兴事件,对我国制造业敲响警钟,触动深刻。我们印制电路制造业也需深思,我们是否因缺少核心技术而会被国外要挟、卡住?印制电路产业的命脉是否把握在自己手中?

  1 印制电路板基材是印制电路板命脉

  中国是世界印制电路制造大国,但不是强国, 有不少技术还落后于美日欧这些发达国家。印制电路板()制造的关键首先是原材料——基材,没有基材就无法制造,此等于“巧媳妇难为无米之炊”。

  基材包括基板(覆铜箔层压板)、预浸材料(半固化片)和铜箔等, PCB的许多主要性能是由基材决定的,如机械强度、介电性能、尺寸稳定性、耐热性和耐燃烧性等。如机械强度差、电气性能低的酚醛纸基覆铜箔层压板制成的PCB,只能用于普通的消费类电子设备中或高性能高可靠电子设备中,PCB必须用高性能的环氧玻璃布基覆铜箔层压板或者聚四氟乙烯与液晶聚合物等树脂的基板,只有门当户对好的基因才有好的结果。因此,应把基材视作PCB的命脉。现在,就产量而言中国已是PCB基材世界第一生产大国,但有些高性能基材还缺乏国产,依赖进口。

  PCB制造工艺技术在中国并不弱,凭中国人的聪明与勤劳,只要具备相应材料和设备条件,再复杂的PCB产品都能制造出来。现在国内企业制造出各种高性能特种PCB,包括埋置元件、埋嵌铜块、金属基散热、高频混压等类型PCB都达到国际先进水平,在中国PCB制造企业能工巧匠倍出。然而,新一代高性能PCB所用高性能基材却还依赖于国外进口,突出的是高频高速用基材与高导热性基材。国内多家PCB制造企业制造出了多种特种PCB,如“适用于5 G通讯的56 Gbps超高速印制电路板”、“5 G车联网高密度互联模块”等,经专家鉴定当属国际先进水平的PCB产品成果,但他们所用基材是国外产品。

  5 G时代即将来临,5 G意味着第五代移动网络,并不局限于手机通讯,从物联网、智慧城市到无人驾驶汽车,都需要5 G。5 G商用服务将于2018年开始使用固定无线,通常为高频(例如28 GHz或39 GHz)。移动网络部署将从2020年起逐步展开,事实上,几家通讯公司正在计划今年晚些时候发布5 G网络 [2]。



  5 G分为两个领域;最初是小于6 GHz的市场,小于6 GHz的技术可以和现在使用的材料兼容;另一个领域是毫米波,频率是28 GHz。由于毫米波的频率非常高,所以对材料的要求有了很大改变,要求材料必须是低损耗 。影响微带电路上产生插入损耗的因素除绝缘体外,铜导体也变得更加关键。这主要由铜的光滑程度决定,因为在频率非常高的环境下,会出现集肤效应,所以铜箔的粗糙程度等因素就变得更加重要[3]。电子设备不同频率有不同的设计要求,为适合不同频率的电路就需要具有不同特性的电路材料支持。通常损耗会随着频率的增加而增加,而根据电路材料的类型,插入损耗或损耗因子会或大或小。对于微波频率,电路材料关键参数(介电常数Dk)的要求有很大不同,例如用于5 G系统的6 GHz及以下的微波频率,以及用于5 G无线网络的短距离回传链路的30 GHz及以上毫米波频率,其设计要求就为每个频段选择最佳电路材料以最好地支持不同频率范围。

  在寻找适用于5 G应用的微波和毫米波功率放大器的电路材料时,除了介电性能Dk、Df外,还需能够进行有效热管理的电路材料,因为其自身的有源器件会导致热量增加。评估材料的热性能有通常认为基材热导率需在0.5 W / m·K两项参数导热率和介电常数温度系数(TCDk)。或更高。基材的TCDk理想为0 ppm /℃,即Dk不会随温度的改变而改变,但实际基材的Dk值会随着温度的变化而变化,通常认为TCDk不大于0.005%/℃是很好[4]。对于5 G系统中的放大器和其他电路,要求电路基材具有低Dk、Df和低TCDk值,以及高导热率,以制造出优质、高性能、高频率的功率放大器。

  新一代PCB重点着眼于5 G通讯和汽车电子领域,使PCB体现出高频高速特性和高散热特性。要达到高频高速和高散热性能要求,除了设计和制造因素外,特别重要的是基材。因此,应该把基材视作PCB的核心技术,尤其高性能基材是高性能PCB之命脉。

  2 高性能基材之差距

  为满足5 G传输速率提升的需求,高频通信、大规模天线技术和有源天线(AAU)技术将广泛应用,许多不同类型的高频电路,包括功率放大器(PA),需要适当的电路材料。直接推动基站射频前端高频CCL材料(PTFE和碳氢化合物树脂)需求提高至4 G的15~20倍。高频材料的核心要求是低介电常数(Dk)和低介电损耗因子(Df),目前主流高频产品是通过使用聚四氟乙烯(PTFE)及碳氢化合物树脂材料实现,美日厂商罗杰斯(55%)Park/Nelco(22%)、Isola(9%)和中兴化成(5%)等占据全球主要市场份额,其中罗杰斯PTFE市场份额在90%以上[5]。目前,罗杰斯等公司的高性能CCL占据了我国高性能PCB市场,当前的高频高速PCB用基材几乎都用国外公司的规格号。

  2.1 国外的高性能基材例

  查阅一些覆铜箔层压板(CCL) 等PCB基材制造企业的产品技术信息, 国际先进的CCL制造商有罗杰斯(Roger s)、依索拉(Isola)、派克电化学(Park Electrochemica)、泰康尼克(Taconic)、腾辉(ventec)、松下(Panasonic)等。现以松下、腾辉、罗杰斯的一些典型产品为代表看其先进性。如松下公司超低损耗多层板基材MEGTRON7,型号R-5785N(CCL)、R-5680(Pp),在1 GHz时Dk为3.37、Df为0.001,在12GHz时Dk为3.35、Df为0.002。这是一种工业传输损耗最低的多层电路板材料,满足高端网络设备大容量、高速传输的要求,有助于提高其信号处理性能[6]。

  松下公司新近推出一种适用于半导体封装和模块的超低传输损耗电路板材料, 产品型号为R-G545 L/R-G545 E、预浸料R-G540L/R-G540E。R-G545L的T g230℃ 、CTE( x ,y - a x i s ) ( 0 . 0 0 1%/ ℃ ) 、CTE( z - a x i s )(0.0022%/℃),12 GHz时Dk3.5、Df 0.0026,吸水率0.06%[7]。

  罗杰斯公司有一系列高频高速和高导热基材,其CCL的构成有聚四氟烯(PTFE)树脂玻璃布增强类、PTFE树脂填充陶瓷类、PTFE树脂填充陶瓷玻璃布增强类、改性环氧树脂填充陶瓷类、碳氢树脂填充陶瓷类、碳氢树脂填充陶瓷玻璃布增强类、填充陶瓷热固高分子聚合物类、聚醚醚酮(PEEK)树脂玻璃布增强类等。如其天线级玻璃布PTFE基板AD250CTM在10GHz时Dk为2.50、Df为0.0013,交叉层叠玻璃布PTFE基板CuClad 217在10 GHz时Dk为2.17、Df为0.0009; 如PTFE加陶瓷RO3003 TM在10GHz时Dk为3.0、Df为0.0010;如天线级碳氢化合物加陶瓷与玻璃布RO4725JXRTM在10 GHz时Dk为2.64、Df为0.0026,碳氢化合物加陶瓷TTM3在10 GHz时Dk为3.45、Df为0.0020;如聚醚醚酮XT/duroid8000在10 GHz时Dk 为3.3、Df 为0.0035; 还有如高导热性的改良型环氧玻璃布基板92 MLTM导热率2.0 W/m·K[8] 。

  特别注意的是,罗杰斯公司不是简单地提供高性能基材, 而是提供先进连接解决方案(ACS)。不但推出各种高性能CCL与粘结片产品,同时有各种产品的具体性能与应用领域介绍以及PCB设计与加工技术指南。罗杰斯公司一直与微波及RF工程师有密切联系,有一支非常优秀的技术服务团队与PCB制造商及合作伙伴紧密合作,提供与设计和处理技术有关的帮助。在电气设计师、制造商和材料供应商之间形成了一种高效合作关系。这些举措也是他们的基材被更多的PCB制造商选用的重要因素。在高导热基材方面腾辉公司的产品较为突出,如金属基覆铜板可选择不同的衬底、绝缘层,导热率从1 W/m·K到10 W/m·K各种规格齐全,型号VT-4B7的导热率7.0 W/m·K,型号VT-4B9的导热率10.0 W/m·K。另有适用于多层PCB的以陶瓷填充的高导热层压板和预浸材料。(型号VT-5A2),导热率2.2 W/m·K是FR-4的8倍[9]。

  2.2 国内的高性能基材例

  国内领先的CCL制造企业,如2017年国内CCL产量排名前五名公司[10]:广东生益科技、金安国纪科技、山东金宝电子、南亚新材料科技、浙江华正新材料。除山东金宝电子仅纸基覆铜板外,已有或正在推出高性能的CCL与粘结片(PP)新基材,现摘录如下:

  2.2.1 高频高速基材方面

  广东生益科技公司的高速电路基材:S7045G/S7045GB,1 GHz时Dk为4.4、Df为0.010,5 GHz时Dk为4.5、Df为0.015,高Tg无卤素,较低Z轴CTE。应用领域:通讯、服务器、基站、背板、线卡、高性能计算机、办公路由器等。射频和微波电路基材:S7136H,10 GHz时Dk为3.42、Df为0.0030,属于电子级玻璃纤维布增强无机陶瓷填料和碳氢类树脂复合介质材料。不同频率下稳定的介电能性,Z 轴膨胀系数低,优异的尺寸稳定性。应用领域:高频无线通讯、高速计算机、卫星信号传输设备、微带和蜂窝基站、天线和功率放大器[11]。这些基材的介电性能接近于低损耗范围,虽其应用领域广泛,但深度尚不明确。

  南亚新材料科技公司有高速电路(甚低损耗)CCL:NY6300,1 GHz时Dk为3.7、Df为0.002 ,10 GHz时Dk为3.6、Df为0.004。另有微波/射频用电子级玻璃布增强聚四氟乙烯基CCL,仅见型号(NYHP-220D、255D、265D)[12],却未有具体性能规格数值。

  浙江华正新材料公司高频材料有 H5300、H5220,适用于基站天线 、机载、地面和水面雷达系统。这些产品仅见测试数据10 GHz时Dk为3.0、2.2,Df为0.0020、0.0009[13],不知是否商品化及商品化时规格值是多少?

  2.2.2 高导热基材方面

  广东生益科技公司有高导热FR-4、导热粘结片(ST115 、ST115B), 导热率1.5 W/m·K。优良的散热性是普通RF-4的3~4倍,此外具有优良的耐热性和绝缘可靠性以及相对优秀的加工性和低Z 轴热膨胀系数。(应用领域:汽车电子设备、高亮度LED、电源电路、DC整流器)。有铝基覆铜板SAR15、SAR20,绝缘层为胶膜,导热率为1.5 W/m•K 、2.0 W/m•K。无卤高CTI产品,优良的散热性,优良的剥离强度,优秀的耐热性和绝缘可靠性,优秀的加工性。(应用领域:中功率LED照明、LED电视机、电源电路)[11]。

  金安国纪科技公司有铝基覆铜板,按导热性能区分包含≤1.0 W/(m•K)、1.0到1.5 W/(m•K)、大于1.5≤2.0 W/(m•K)等多个系列。适用于LED照明、LED电视、功率放大器、交换机、汽车电子设备、输入输出放大器、DC/AC转换器、整流器、高功率晶体管等行业[14]。

  华正新材料公司也有散热性金属基覆铜板和粘结片,而其导热率并非突出,不再多述。另外,看看国内稍有名气的专业生产特种基材企业的产品,如专业生产金属基覆铜板的常州市超顺电子技术有限公司,其认为接近国际先进水平的产品铝基覆铜板CCAF-06型导热率为2.5~2.8 W/m·K[15]。专业生产聚四氟乙烯基材的泰州市旺灵绝缘材料厂,其聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔板F4B255,10 GHz时Dk为2.55、Df为0.0015[16]。该产品介电常数与介质损耗由于PTFE树脂因素确实是低的,但TCDk值等综合指标还是有差距的。

  对于高性能基材的要求,除了介电常数、介质损耗这些指标外,还有耐热性、散热性、热膨胀系数、吸水性等相关指标需要考虑。高性能基材还体现在树脂与填料类型、编织玻璃布结构、铜箔低粗糙度等。其它还有些高性能的基板材

  料,如集成电路封装载板用基材、挠性PCB用液晶聚合物(LCP)树脂基材等,尚未见国产同类的商品化基材。

  3 结束语

  印制电路板是在绝缘基材上布设导电电路的产品,其多项重要性能决定于基材固有特性,因此本人把PCB基材技术视作PCB的核心技术。尤其对于高性能PCB,更显高性能基材的核心地位,它是新一代PCB之命脉。

  上述对现有国内外先进的高性能基材作了简要比较,可能本人孤陋寡闻,国内先进水平的基材产品有所遗漏。但当前罗杰斯等国外公司的高性能基材占据中国高端PCB的绝大多数,在行业内大家都能感知,事实说明国产与国际先进基材的差距。

  电子信息产业快进入5 G时代,5 G来了!几乎各行各业都在为5 G这块大蛋糕切得一角摩拳擦掌。印制电路板同样如此,国内许多PCB制造公司已经拿出了可供5 G通讯设备用的PCB产品,然而这些高性能PCB所用高性能基材几乎都依赖于国外进口。

  我国通讯设备制造商华为、中兴是进入5 G时代的引领先锋,拥有雄厚的先进技术实力。但美国对中兴公司一个封杀令,让中兴公司趴下,本以为在进入5 G时代实现弯道超车,结果成了翻车。其原因也很简单:中兴的通讯设备集成电路芯片都来自美国公司,没有自己的芯片,国内也没有高性能芯片。现在美国卡住了芯片,就没有中兴的活路,命脉在他人手中。先进产品没有自己的核心技术,好似高楼大厦没有扎实的根基,一有风吹草动就会倾覆。

  这次中兴事件对我们印制电路产业也是一种启示,核心技术受制于人,命脉在他人手中是产业发展的隐患。假若美国也来一个高性能基材不允许出口中国的禁令,那么我们的5 G用高性能PCB拿什么基材生产?在自由世界、市场经济环境下,这种假设可能完全是杞人忧天,但在当下的“白宫贸易盲动症”情况下仍需警示。

  国内的PCB用基材制造企业正在努力开发。推出高性能基材,努力接近国际先进水平。目前国内已有国家电子电路基材工程技术研究中心和多家省市级基材技术研究开发中心,相信他们能开发出先进的高性能基材。希望早日实现高性能基材国产化,掌握产业核心技术,紧怀产业发展主动权,命脉在自己人手中才能赶超国际先进水平。此时即便没有领先一步,也能平驾齐趋。



关键词: PCB

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