对CCL未来技术发展的探讨上

1、对未来覆铜板技术发展趋势的探讨（上）中国电子材料行业协会经济技术管理部 祝大同摘 要：电子安装、 印制电路板、 覆铜板的高性价比是驱动世界覆铜板技术发展的三个重要驱动力。本文从此三方面加以阐述、分析，探讨未来世界覆铜板技术的发展趋势。关键词： 覆铜板、印制电路板、电子安装、技术发展作为目前印制电路板（ PCB）制造的重要原材料覆铜板（ CCL），已经走过了六十多 年的发展历程。 CCL技术的进步，给予这个产业发展不断地注入了新活力，甚至对这个产业 的结构、市场的变化都不断带来巨大的影响。当前世界正兴起一项很时兴的、前沿探索性的工作“技术预见” （Technology Foresight）。它已

2、经成为把握一类工业经济产业的技术发展趋势和选择优先科学技术发展领 域的重要支撑平台。 它是追求技术创新、 产品结构升级的 CCL生产厂家“塑造”或“创造” 本企业未来的有力武器。本文以 CCL产业的“技术预见”为主题，从驱动CCL技术发展的三个方面（电子安装、印制电路板、覆铜板的高性价比），讨论未来CCL技术的发展趋势。1. 电子安装技术发展对覆铜板技术进步的驱动1.1 两次深刻的电子安装技术革命近四十年来， 世界电子安装技术由于追求实现安装的高密度化， 而引发了两次深刻的安 装技术革命。1968 年美国 GE公司首创了表面安装元件（ Surface Mounted Devices ， SMD

3、）。1975 年 世界上四边引线扁平封装（ Quad Flat Package，QFP）问世。这类表面安装元器件的工业化 生产， 很快地推动了新一代的表面安装技术的普及。在安装技术上， 针对安装效率及受到局限的插孔安装，引发了安装技术的革命，迈入了一般表面安装技术（ Surface MountTechnology ，SMT）发展的新阶段。它取代了原来占为主导安装形式的、约经历 20 年发展历史的插孔安装技术（ Through Hole Mount Technology ），成为了那个时期（ 20 世纪 80 年代 末期至 20世纪 90 年代中期）的主流电子安装技术。1989 年，摩托罗拉公司

4、和西铁成公司共同在世界上率先开发成功塑料封装技术。促进 了球栅阵列封装（ Ball Grid Array ，BGA）的发展与应用。 1991 年，世界出现了最早开发 出的有机封装基板作为承载体的PBGA（ Plastic Ball Grid Array，PBGA，塑料球栅阵列） 。 它开始用在无线电收发报机、 微机、 ROM和 SRAM之中。 1993年 PBGA投放市场并且得到迅速 的应用。随着这种以 BGA CSP为主的球栅阵列封装的发展，应运而生了在电子安装技术上 的第二次革命高密度互连表面安装技术的革命。电子安装技术的进步总是通过半导体封装的结构形式、 引线的形态 （包括接合方式、 引

5、 线数量、引线间距等） 、电子安装中 PCB承载连接的方式等来体现。有一代 IC 就会有一代 IC 封装技术，就会随之出现一代与它相适应的封装基板及搭载、连接安装的印制电路及其 基板材料的新技术。 电子安装技术的两次革命， 不但使电子整机产品在安装设计和制造技术 方面向着更加轻薄短小、 多功能化方面快速迈进， 也使作为电子整机产品骨架和电子线路互 连、载体的印制电路板，在图形设计、层数、布线密度、幅面大小、导通孔结构、绝缘层特 性以及制造工艺技术等方面，产生了极为深刻的变化。1.2 一般表面安装技术对 PCB及其基板材料技术进步的驱动20 世纪 80 年代末大规模发展起来的电子安装史上第一次革

6、命一般表面安装（又称表面贴装） 技术， 是以解决安装中高密度化为核心开展的。 因此表面安装在解决高密度化问 题上是利用板面上焊垫（又称为连接盘） ，附着锡膏与“暂贴”元器件引脚之后，再经热风 或红外线的高温熔融焊接（通称为再流焊或回流焊， Reflow Soldering ）成为连接焊点（引 脚数小的小元件还可采用点胶定位） ，以代替元器件引脚全部插入到全贯通导通孔中，利用 波峰焊完成连接焊点的插孔安装方式。 由于在表面安装中， 表面安装的元件引脚 （或球焊点） 与基板， 是通过连接盘相互连接。 这种连接与插孔安装的连接方式相比， 不但元器件引脚的 节距、引线（或球焊点）的直径可以大大地缩小。

7、而且可大大节省了PCB的空间（原先这些空间是被插孔用全贯通孔所占用） ，使得布线密度有很大的提高。一般表面安装技术的问世， 向 PCB基板材料首次提出了适应高密度化的问题。为了适应一般表面安装对 PCB基板材料的性能需求， 在那个时期的世界覆铜板业界在表面安装用覆铜 板制造技术上有了明显的进步。它主要表现在覆铜板在耐热性（高Tg）、平整度、尺寸稳定性等性能上的提高。1.3 高密度表面安装技术对 PCB及其基板材料技术进步的驱动20 世纪 90 年代中期又兴起了以采用 BGA、CSP等新型半导体封装器件为典型代表的高 密度互连表面安装。 它是在一般表面安装基础上的一次电子安装技术飞跃， 它使 P

8、CB在设计、 制造、结构上有了全新的进步。高密度互连安装技术的发展， 推进了 PCB生产技术全面地走向微小通孔、 微细线路、 薄 型化。它要求 PCB 在信号高速传输，电磁兼容、安装可靠性等方面有新的变革；它推动了 PCB的微小导通孔制造技术（如：激光钻孔、等离子蚀孔等）的进步，创造出多种多样的微 孔化的埋孔、盲孔、叠加孔；它带动了化学镀和脉冲镀技术、超薄及低轮廓度铜箔、超薄抗 蚀剂、平行光（或准平光）曝光、激光直接成像等技术的发展，以达到微细线路的要求。高密度表面安装技术对 PCB基板材料技术进步的驱动，主要表现在以下几方面：（ 1）高密度互连安装技术的创立与发展， 使原 IC 封装基板所用

9、的陶瓷基 PCB已经很难 适应（如微孔制作、做更多层的线路、大面积PCB等）。于是产生了新一代的封装基板，即有机树脂类封装基板（包括有机树脂- 玻纤布基封装基板、以 COF为典型代表的聚酰亚胺薄膜基挠性封装基板等） 。有机树脂类封装基板问世不仅给有机树脂基材类PCB开辟了一个巨大的新市场， 而且更深层次意义在于， 为 PCB在设计、 制造中与半导体技术融合成为一个系 统开创了先河。 由此， 在 1999 年日本印制电路工业协会 （JPCA）将沿袭采用了几十年的“印 制电路板”改称为“电子电路基板”。这一称谓的改变意味着，由于有机封装基板的问世， PCB产业已迈入了直接参与半导体制造的、高密度互

10、连的新时代。 2010 年 JPCA的电子电路 产业结构改革委员会成立， 他们力图将这个产业现称的 “电子电路基板” ，在近期再改为 “电 子电路”的称谓。它预示着这个产业将在“大电子”发展中更大地发挥其重要作用。图 1 表达了在日本 PCB产业三次称谓演变的概念。图 1 日本 PCB产业三次称谓演变的概念有机树脂类 IC 封装基板在半导体封装制造中的应用， 标志着一大类与半导体制造技术 更融合为“系统一体化”的 PCB产品的出现。到目前为，这些工业化的、有代表性的PCB品种有：有机树脂类封装基板、有机树脂类挠性封装基板（COF等）、内埋元器件多层板、高功率 LED散热基板、 光- 电复合印制

11、线路板等。 它们相对应的基板材料也是近年 CCL业前 沿技术开发中的新成果。PCB及其基板材料制造技术与半导体技术构成系统一体化的安装技术的观念，对PCB及其基板材料新品开发思想的建立，带来十分重要的影响。在这一新观念指导下，近十几 年来 CCL技术出现了飞跃性进步。（ 2）高密度表面安装技术发展带动了具有高频特性（低Dk、低 Df ）、高耐热性（高Tg 等）、低热膨胀系数（ CTE）性、耐 CAF性等基板材料制造技术的不断发展，以达到更高 的基板可靠性。（ 3）高密度表面安装技术发展驱动封装基板的基板材料的薄型化进展，特别是在近几年表现得更为明显。 由于近年来封装基板在高密度化发展中配线间距

12、微细化已接近到极限， 加之封装基板上安装的电子元器件数量在不断增加，也使得基板能够提供所需要的安装面 积也成为一个有待解决的重要问题。在这样的背景下，近年新登场了适应上述要求的、新 型三元立体 IC 封装的构造形式（ SiP 、PoP、CoC等）。由于这些新型三元立体 IC 封装的芯 片或封装，为积层叠加的构造，因此为了降低整个封装的高度，对这种封装的基板材料的 薄形化是很必要的。 IC 封装（特别是三元 IC 封装）用 PCB基板材料的薄形化，已成为走 在世界 CCL技术发展前列的许多 CCL企业当前开发的重要课题。攻克这项课题，他们需要 解决一个共同面临的难题，即采用极薄玻纤布所制出的薄形

13、基板材料，造成的刚性减弱， 容易发生板翘曲的问题。随着此研发课题开发工作的深入开展，对整个覆铜板技术提升起 着促进作用更为凸显。1.4 绿色化电子安装技术发展对 PCB基板材料技术进步的驱动受到 2006 年 7 月起欧盟开始实施 RoHS（ Restriction of Hazardous Substancesin electrical and electronic equipment）指令的驱动，国内外覆铜板业在 2004 年 2007年掀起了无铅兼容型 CCL和无卤化型 CCL研发、 开拓市场的热潮。 而在这几年内 CCL技术发 展变革速度也是表现突出迅速的时期。世界范围的 CCL应对电

14、子安装“无铅化” 、“无卤化” 的技术推进，几乎贯穿了整个过去 的近十年中。 无铅兼容性 CCL和无卤化型 CCL的产生与应用， 驱动了整个 CCL技术发生了深 刻变化。 这一技术进步其中主要表现在三个重要方面： 更加追求 CCL性能的均衡性 （包括关 键性能与加工性、特殊应用性、成本性等的均衡） ；开启了 CCL“多样化”发展的之门（更 明确地对应不同应用领域、不同应用档次、不同应用特点，开发并提供多样化的树脂组成、 结构、形式的 CCL）；酚醛树脂等新型固化剂、无机填料在FR-4 型覆铜板等产品中得到更加广泛的运用， 其应用技术跃升为新型 CCL开发的非常重要的手段。 可以相信， 今后随着

15、终端 电子产品及 HDI 多层板对高性能、 高功能 PCB基板材料性能要求的不断提高， 在近十年中得 到快速发展的这三大 CCL技术（即实现均衡性技术、 多样化 CCL的开发技术、 新型固化剂与 无机填料应用技术） ，将会在未来多年中得到继续地延伸和扩展新的内涵。1.5 未来电子安装技术发展的趋势及对PCB基板材料性能提出的新要求以携带型电子产品为典型代表的电子信息产品，它的小型化发展需求在第 2 阶层电子 安装中，去实现封装基板的更加小型化。而 IC 封装基板实现其小型化在目前及今后多年中 主要有两方面有效途径：其一， LSI （大规模集成电路）端子间距的窄小化，以达到封装基 板尺寸的小型化

16、；其二， IC 实现高度集成化。 如采用多个集成电路集成的 SiP（ System-in- Package）等三元立体的电子安装，以减少在一个整机电子产品用基板上所搭载的LSI 封装的数量。1.5.1 IC 封装端子间距微细化及其对 PCB基板材料的新要求表1 了各种典型整机电子产品中采用 LSI 封装数量的统计及预测。由此表中统计、预 测内容看出， 半导体封装向着高度集成的方向发展， 整机电子产品中采用的 LSI 封装数量在 逐渐减少的趋势。表 1 同类别整机电子产品搭载 LSI 封装的数量预测 单位：个电子产品类别2006 年2010 年2016 年移动电话9-157-127-10DVC1

17、2-2510-205-15DSC4-104-64-6WW产品42-41-2计算机外设产品内存32-32-3HDD543-4数字电视（ DTV）6-255-203-10大型游戏机（ MMS）10-4015-3010-20笔记本计算机薄、轻型20-2517-2313-20普及低价格型25-3520-2816-26汽车导航仪 min20155-10max25-352015-20发动机箱体外 ECU产品 min222max81010发动机箱体内 ECU产品 min2-52-32max1520-3030移动电话是使用半导体封装数量较多的一类整机电子产品。 目前在移动电话中普遍使用 的 F-BGA（Fin

18、e-Pitch Ball Grid Array，微细间距球栅阵列） ，是一种很适宜终端电子产品实现小型化、高密度化的封装。它的外形厚度由 2007 年为 0.9 1.4mm,发展到 2010 年时 将达到 0.8 1.2mm , 预测 2014 年时达到 0.5 0.8mm厚。对不同类别整机电子产品采用的 F-BGA最小焊球间距参数的统计与预测，见表2 所示。对移动电话用半导体封装接合凸点间距的微细化的未来变化、 预测，见表 3 所示。移动电话所用 F-BGA封装，目前已实现工业化 生产出凸点间距为 0.3mm的产品。 F-BGA封装的凸点间距预测在今后的几年还会继续地实现 微细化： 2012

19、 年可出现 0.2mm，到 2016 年实现 0.15mm焊球间距的 F-BGA封装， 将会实现工 业化生产。表 2 类别整机电子产品采用 F-BGA 的最小焊球间距统计与预测单位： mm电子产品类别2006 年2010年2016年移动电话0.4-0.50.3-0.40.2DVC0.50.40.4DSC0.50.50.4计算机外内存0.50.4设产品HDD0.50.4数字电视（ DTV）0.80.50.5大型游戏机（ MMS）0.5-0.80.50.3-0.4笔记本计算 机薄、轻型0.80.65-0.80.5-0.65普及低价廉型0.80.80.8汽车导航仪（ NAVI）0.65-0.80.5

20、-0.80.5发动机箱体外 ECU产品0.5-0.80.5-0.8发动机箱体内 ECU产品 minmax0.50.8-1.00.50.8-1.0表3 F-BGA 封装的最小凸点间距及最多引脚数未来的变化预测技术指标项目200620082010201220142016最小凸点间距 mm0.40.30.30.20.20.15最多引脚数700800900100011001200封装基板翘曲值（ 常温 260 ） mm0.100.070.070.060.060.05封装最小高度 mm0.80.650.650.50.50.5为了实现半导体封装引脚间距的微细化，一方面，对焊球的形成技术需求有新的突破。另一

21、方面对应于引脚间距的微细化， 对封装基板、 主板等多项性能要有所提高。 对基板的性 能要求主要具体表现在： 要求基板要进一步的减小由再流焊热冲击造成的加工前后的芯片与 基板间尺寸变化偏差。 随着半导体封装的薄型化和引脚间距微细化的进展， 在基板上进行元 器件高密度安装时， 经再流焊接时的热冲击以及受到垂直外力的冲击等都会所产生较大的应 力，这会使基板与芯片、 元器件的接合可靠性下降，以及基板产生翘曲大的问题， 这也成为 基板材料生产厂家一个尚待需要解决的新课题。1.5.2 IC 封装三元构造发展其对 PCB基板材料的新要求日本电 子信息技术产业协会( Japan Electronics and

22、 Information Technology Industries ，JEITA )近期预测，在今后的多年间，移动电话中采用新构造的先进半导体封 装的种类主要还是以 SiP 封装为主。 而所用的 SiP 封装未来发展主要是有三种不同结构形式 的产品，即三元构造的芯片间由孔连接的SiP、三元构造的芯片间直接连接的SiP 、芯片内置构造的 SiP 。三类 SiP 的结构、品种见图 2 所示。图 2 新型 SiP 的封装结构SiP 是多个芯片安装在一个封装器件内，成为“封装内系统”。具有发展前景的另外一 大类新型封装还有 SoC( System on Chip )。它是将一个系统全部包容在一个芯片

23、中，即“芯 片上系统”。 它是未来将会部分的替代 SiP 的一类新型封装构造。 同时 SoC也是与 SiP 互补 的一类新型封装， 它们将共同担负着解决整机电子产品的高性能化、 多功能化的重任。 但在 不同的电子产品发展时期， SiP 和 SoC在应用量和应用面上是有主次之分。 SiP 要比 SoC 能 更快的在今后短期内得到更加广泛的应用。 当前 SiP 的研发工作也会要比 SoC开展得更活跃 些。另一方面， 移动电话中的内存为实现高密度的安装， 今后还会更多的采用多个芯片搭载 在一个封装中的 MCP(Multi Chip Package )的封装构造。过去，在 MCP开发初期只是采用 了集

24、成 2 个芯片的 MCP。而现今 8 个芯片集成在一个封装的 MCP已经成功地实现了实用化。 MCP除了使用在内存中，近期还出现在应用于电脑中MPU的成果。预测到 2016 年会有集成14 个芯片的 SiP 封装问世。未来在 MCP/SiP 技术方面，为了达到提高安装密度和性能的目的，移动电话等整机电子产品用高频电路模块将摈弃了多阶的金属线接合配线的形式， 而采 用 TSV（ Through Silicon Via ）的三元叠加芯片安装技术，以及PoP（ Package on Package ）等薄型封装的三元芯片叠加形式等。这也是未来三元立体电子安装发展的重要方面。推进 SiP 技术的重要要

25、素是封装基板。 JEITA 在电子安装技术路线图 （2009 年版） （以下简称为路线图 ）中提出：印制电路板在今后由于对应的应用领域不同，在技术进 步上将划分成为两大发展方向： 一个方向是对应于 SiP 封装基板和埋入元器件基板。 这一类 的 PCB必须要满足 SiP 、埋入元器件的各种复杂而严格的性能要求。PCB技术与产品发展的另一个方向， 则是对应于低成本性的应用领域。 这一 PCB技术发展方向的预示， 更加指明了 未来 CCL技术发展中，追求高性价比的品种和追求特色化的品种“两条腿走路”意义的重要内涵。1.5.3 主板高密度安装的未来发展对 PCB基板材料提出的新要求未来 IC 封装端

26、子间距微细化及高集成化发展， 也使得 IC有源器件在印制电路板主板 （母 板）上的安装更加高密度化。不仅如此，无源元器件未来发展的小型化也促进着主板 PCB 的高密度互连向着更为深层次的发展。片式电容（ C）、片式电阻（ R）等无源组件近年在小型化方面取得很大的进展。特别是 移动电话等携带型电子产品用的片式组件， 到 2010 年以后 0402 尺寸的片式组件将会得到普 遍采用。同时 0201 尺寸的片式组件也会有样品出现。如表 4 中所预测，未来采取更微小尺 寸片式组件安装，是以在工艺上安装精度的提高、PCB尺寸高精度的确保为前提来实现的。表4 不同类别整机电子产品用片式 C/R尺寸的未来变

27、化预测 单位:mm2006 年2010 年2016 年移动电话0.6 0.30.4 0.20.4 0.2DVC0.6 0.30.6 0.30.4 0.2DSC0.6 0.30.6 0.30.4 0.2WW产品0.6 0.30.4 0.20.2 0.1计算机外设产品内存1.0 0.50.6 0.30.4 0.2HDD0.6 0.30.4 0.20.4 0.2数字电视（ DTV）1.0 0.5 1.6 0.81.6 0.8 1.0 0.50.4 0.20.6 0.3大型游戏机（ MMS）1.0 0.50.8 0.40.6 0.3笔记本计算 机薄、轻型1.0 0.5 1.0 0.50.6 0.30.

28、4 0.2普及低价廉 型1.0 0.5 1.6 0.81.0 0.50.6 0.3汽车导航仪1.0 0.50.6 0.30.6 0.3发动机箱体外 ECU产品1.0 0.51.0 0.50.6 0.3发动机箱体内 ECU产品1.0 0.51.0 0.50.6 0.3未来对 PCB实现高密度化的要求将会表现得更为强烈。 表 5 中所示了各类整机电子产品所用 PCB最小导线宽度 / 导线间距（ L/S ）要求的未来预测。表 5 各类整机电子产品用 PCB最小 L/S 的尺寸要求的未来发展预测 单位：m2006年2010 年2016年移动电话50/50-75/7550/5040/40DVC75/75

29、50/5040/40-50/50DSC75/7550/5040/40-50/50WW产品100/10050/5020/20计算机外内存75/75 10050/50设产品HDD75/10050/5020/20数字电视（DTV)100/100-150/15050/50-150/15050/50-100/100大型游戏机（MMS)75/75-200/20050/50-150/15025/25-150/150笔 记 本 计薄、轻型100/10075/7550/50算机普及低价廉型125/12575/10075/75汽车导航仪（NAVI)100/10075/7550/50发动机箱体外 ECU产品150/

30、150130/13080/80-130/130发 动 机 箱 体 内 ECU 产 品120/120110/11080/80min200/200150/150100/100ax可从表 5中看出，一些携带性电子产品在 2016年它们所用 PCB的最小 L/S 将普遍达到 40/40 m。在未来对 PCB凸现 “既要降低制造成本，又要满足可微细布线”两方面严厉要 求的背景下， PCB业在技术开发方面必须寻求微细电路图形的形成工艺上的创新与变革。预 测将在不久的几年中， PCB会出现此方面突破性技术进展的新成果。而这一新成果的问世是 以新型基板材料为重要依托的。PCB 技术的未来发展趋势还表现在未来将

31、有更多的整机产品要求所使用的基板要实现 薄形化方面。 考虑到需要它的搭载元器件支撑的刚性确保， 今后在发展基板薄形化方面， 主 板总厚度将会以 0.5mm程度为最薄的界限。1.5.4 未来将崛起的新一代电子安装技术与基板制造技术在 JEITA 于 2009 年编制的路线图中，将 PCB技术的发展划分为七代（见图 3 ）：第一代：单面印制电路板；第二代：双面印制电路板；第三代：多层印制电路板；第四 代：以积层法（ Build-up ）多层板为代表的 HDI 板；第五代：元器件内埋式印制电路板；第 六代：系统内埋式印制电路板； 第七代： 光-电线路板 （ Electrical Optical Ci

32、rcuit Board ， EOCB）。图3 七代 PCB技术的发展路线图从图 3 可看出未来 PCB将越来越向着高密度布线、 多样化结构、 高多层化、 高功能化的 发展。并预测了： 随着电子安装发展 PCB将有两大技术将会在未来得到更大的发展，即埋入式多层板和光 - 电线路板制造技术。随着元器件埋入式多层板等模块化进展，使得在PCB上进行元器件装配的工艺过程减少（或去除） 。从原来这种传统的装配过程，被演变为半导体芯片、元器件在基板内的安装 工艺过程。 安装部品的形式， 由用单一部品在 PCB表面上的安装， 改变为元器件在多层板内 的安装。 这一安装在工艺性质上的变化， 动摇了安装阶层的传统概念， 打破了安装各阶层的 过去鲜明界线。应该看到，新一代的安装技术的萌芽正在破土而出。电子安装又扩展出新的领域 元器件内部的系统一体化配线， 以及封装过程中的配线。 在这种安装的新领域中， 出现了采 用不同功能芯片间的再配线， 以及这些芯片通过薄膜 PCB的连接， 它取代了 ISL 等芯片制造 工艺中的一部分安装过程。预测未来 10 层以上的高多层 PCB将承担着在