HDI技術(shù)發(fā)展及對PCB企業(yè)的影響

林旭榮

（汕頭超聲印制板（二廠）有限公司，廣東 汕頭 515065）

1 前言

高密度互連（HDI）印制板（PCB）廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦以及其他高端電子產(chǎn)品。HDI發(fā)展至今已有多年歷史，最早的技術(shù)起源于日本，并在上世紀(jì)90年代開始量產(chǎn)，目前HDI PCB已成為PCB的一個重要分支，代表當(dāng)今行業(yè)的先進(jìn)水平。

經(jīng)過二十幾年的發(fā)展，不論是終端產(chǎn)品還是HDI技術(shù)都發(fā)生巨大變化，本文探討這些變化對企業(yè)有怎樣的影響，未來又將如何發(fā)展。

2 HDI的歷史演變

一般認(rèn)為，最早的HDI技術(shù)是當(dāng)年日本IBM Yasu實(shí)驗(yàn)室在1989年（一說1990年）開發(fā)的SLC（Surface Laminar Circuit，SLC）技術(shù)。早期HDI并不叫HDI，日本稱之為Build-up Multilayer，簡稱BUM，中文稱積層板或增層板，后來美國ITRI給出HDI的定義，HDI逐漸流行開來，代替了Build-up成為業(yè)界通用術(shù)語。

在HDI的發(fā)展過程中，分為幾個階段：

第一階段，即早期階段，從1989年IBM開發(fā)SLC開始至上世紀(jì)九十年代中期，是HDI技術(shù)百花齊放的時期，各種工藝技術(shù)流程在探索之中，尚未有主流的HDI技術(shù)。

第二階段，從1995至2005年，松下電器和東芝分別開發(fā)成功非電鍍填孔的HDI技術(shù)，并可實(shí)現(xiàn)任意層互聯(lián)；同時，以激光鉆孔和以RCC/半固化片為介質(zhì)層的HDI技術(shù)在競爭中脫穎而出，成為最主要的技術(shù)方案。

第三階段，從2005至2010年，在這個階段，多次積層技術(shù)開始大規(guī)模應(yīng)用，IBIDEN公司在ECWC 10發(fā)表FVSS（Free Via Stacked up Structure）[1]，標(biāo)志著HDI開始進(jìn)入任意層（Anylayer）時代。

第四階段，2010年至今。劃時代手機(jī)iPhone4于2010年上市，這是第一款采用電鍍填孔任意層設(shè)計(jì)的手機(jī)，它標(biāo)志著任意層大規(guī)模應(yīng)用開始，并成為高端手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

3 HDI技術(shù)的發(fā)展及其影響

3.1 終端產(chǎn)品的發(fā)展變化

近二十年來，各種電子產(chǎn)品發(fā)生了很大的變化，這些變化深刻地影響了行業(yè)的各企業(yè)，并改變了行業(yè)的競爭格局，有的公司崛起，有的衰退。

3.1.1 手機(jī)

手機(jī)在發(fā)展過程中經(jīng)歷了由大變小，再由小變大的過程。第一代模擬移動通訊剛剛開始時，手機(jī)是身份象征，其體積與大小幾乎與磚頭一樣，攜帶不便；到了第二代數(shù)字移動通訊（GSM），手機(jī)已經(jīng)可以做到很小，但主要功能仍以語音通信和文字短信為主，手機(jī)越小越方便；從第三代（3G）開始，智能機(jī)流行，為了顯示更多內(nèi)容，手機(jī)又重新變大。

手機(jī)的變化也導(dǎo)致手機(jī)生產(chǎn)商發(fā)生很大的變化，傳統(tǒng)老牌公司衰落，新公司崛起。

3.1.2 電腦

電腦的主要變化是由臺式電腦向筆記本電腦再向平板電腦發(fā)展，傳統(tǒng)電腦市場從2012年已經(jīng)開始萎縮。

3.1.3 DC/DV，MP3/MP4等數(shù)碼產(chǎn)品

隨著手機(jī)功能越來越強(qiáng)勁，在手機(jī)的擠壓之下，MP3/MP4基本沒有生存的空間，數(shù)碼相機(jī)僅細(xì)分市場的專業(yè)相機(jī)（包括單反/單電/微單）還有生存空間，卡片機(jī)急劇萎縮，數(shù)碼攝像機(jī)在手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)的雙重擠壓下幾乎消失，僅限于專業(yè)用途。

電視機(jī)方面，由CRT向平板化、智能化發(fā)展，顯示方式以等離子失利告終，LCD主宰電視機(jī)市場。

3.2 終端變化對PCB行業(yè)的影響

終端的發(fā)展變化對PCB行業(yè)影響非常大。首先，手機(jī)的智能化使HDI變得更復(fù)雜、制造要求更高；其次，因電腦需求減少導(dǎo)致電腦主板需求減少，意味著龐大的主板產(chǎn)能空閑將擠壓其他PCB廠，致使競爭更激烈；第三，各產(chǎn)品的變化導(dǎo)致部分客戶消失，跟對客戶的PCB公司發(fā)達(dá)，跟錯的難受；第四，電視機(jī)智能化使電視主板由單面向雙面多層甚至HDI發(fā)展，增加了PCB的需求。

3.3 材料及裝配發(fā)展

近10年來，材料的發(fā)展變化主要有：積層材料由RCC變PP；裝配無鉛化即裝配溫度升高，初期PCB爆板概率增加；歐盟RoHS及無鹵化影響材料供應(yīng)商和PCB加工條件。

3.4 對企業(yè)的影響

技術(shù)變化對企業(yè)的影響主要表現(xiàn)為設(shè)備升級以及產(chǎn)能變化。

設(shè)備升級指現(xiàn)有設(shè)備精度等技術(shù)能力已經(jīng)無法滿足新的技術(shù)要求，必須購買新的設(shè)備；例如，線寬/間距由75 μm變?yōu)?0 μm，很多設(shè)備都需升級才能生產(chǎn)。

產(chǎn)品技術(shù)檔次變化使產(chǎn)能受影響。例如：一階HDI產(chǎn)品變二階HDI，相同的成品面積，層壓產(chǎn)能需增加50%才能滿足

3.5 主要變化及影響

近10年來，最大的變化是手機(jī)智能化和移動互聯(lián)的興起，終端的變化使PCB向更高密度發(fā)展，特別是向任意層發(fā)展。業(yè)界兩個主要公司都已采用任意層結(jié)構(gòu)：

A公司從iPhone4開始，手機(jī)主板采用任意層技術(shù)（10層）

S公司之前并未使用任意層技術(shù)，到了S4開始采用任意層（10層）

平板電腦使用任意層技術(shù)

使用任意層的結(jié)果使電鍍產(chǎn)能、層壓產(chǎn)能急劇下降。

3.6 任意層影響

任意層互聯(lián)HDI是近年來行業(yè)的最大技術(shù)進(jìn)步，所謂任意層互聯(lián)，指在PCB中任意兩層都可以做到互聯(lián)，不受層間隔的限制，任意層互聯(lián)極大提高布線設(shè)計(jì)的靈活性，大大節(jié)約PCB面積，有報道稱可節(jié)省空間達(dá)到30%。任意層互聯(lián)技術(shù)難度高，生產(chǎn)成本也高于現(xiàn)有積層板。

圖1 任意層HDI板結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)任意層的工藝流程[2]，任意層的大量使用有以下影響：

電鍍產(chǎn)能需求猛增

需多次PTH和電鍍填孔

電鍍填孔需專用藥水，電鍍效率低于普通電鍍，4階任意層需5次電鍍填孔，對電鍍產(chǎn)能殺傷力巨大

激光產(chǎn)能需求也猛增

4階任意層需5次激光鉆孔，是2階HDI的2.5倍，3階HDI的1.7倍

單位面積孔數(shù)同時增加，進(jìn)一步降低激光鉆機(jī)的單位產(chǎn)能

由于上述因素，PCB廠商若要進(jìn)軍任意層，除了技術(shù)能力，巨額投資必不可少。

3.7 技術(shù)進(jìn)步帶來的其他影響

PCB不斷向輕薄短小發(fā)展，對工藝流程能力提出更高要求，主要表現(xiàn)為（1）更小的孔徑需升級至更高速的機(jī)械鉆機(jī)。（2）更小的線寬/間距導(dǎo)致：第一，傳統(tǒng)曝光機(jī)也許需更換為LDI；第二，蝕刻線可能要換代；第三，電鍍均勻性有更高要求，傳統(tǒng)垂直線已經(jīng)無法滿足，設(shè)備需更新。（3）裝配精度提高，需要更好的產(chǎn)品一致性，要求生產(chǎn)過程進(jìn)行Cpk控制。所有這些都將迫使企業(yè)更新設(shè)備或更換工藝流程以滿足技術(shù)變化的需要。

4 發(fā)展趨勢

4.1 歷史趨勢，手機(jī)發(fā)展至今，其變化是巨大的

早期的手機(jī)只有通信功能，即打電話和發(fā)短信，各手機(jī)廠拼的是誰能做得更小、更輕，在輕薄方面，日本廠商優(yōu)勢明顯；

接著手機(jī)開始加入MP3播放功能；

拍照功能加入；

早期智能手機(jī)Windows mobile，Symbian系統(tǒng)，但市場反應(yīng)一般；

MTK單芯片低成本設(shè)計(jì)方案，山寨機(jī)興起；

3G出現(xiàn)，移動通信進(jìn)入新階段；

A公司推出iPhone，手機(jī)真正進(jìn)入智能化時代，移動互聯(lián)快速發(fā)展開始（2007）

G公司發(fā)表Android手機(jī)操作系統(tǒng)（2008），為其他廠商及用戶提供另一種選擇；

從上述變化可以看到，手機(jī)從簡單到越來越復(fù)雜，功能越來越多，最終成為智能手機(jī)，下圖是歷史上手機(jī)的演變：

圖2 歷史上手機(jī)演變圖

4.2 手機(jī)板演變

為了適應(yīng)手機(jī)的演變，手機(jī)板也跟著變化：

早期一般是1+4+1結(jié)構(gòu)

然后是1+6+1，但日本例外，很多ALIVH結(jié)構(gòu)

輕薄功能手機(jī)開始使用二階結(jié)構(gòu)

山寨機(jī)興起，手機(jī)板反而簡化

智能3G手機(jī)、數(shù)據(jù)卡等逐漸應(yīng)用三階HDI

高端手機(jī)開始應(yīng)用任意層技術(shù)

高端智能機(jī)向更復(fù)雜發(fā)展，PCB跟著變得更復(fù)雜、層數(shù)更多且線寬間距更小

4.3 手機(jī)及手機(jī)板新的趨勢

近兩年來，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的興起，更多的人利用手機(jī)上網(wǎng)、打游戲、觀看視頻以及辦公，手機(jī)又有新的變化，主要有：

越來越薄，最薄厚度不斷被刷新；

屏幕越來越大，基本都為觸摸屏；

手機(jī)CPU及GPU越來越強(qiáng)大，并向多核心和高頻發(fā)展，并具備1080p視頻處理能力；

語音輸入日趨成熟；

4G開始導(dǎo)入；

云計(jì)算。

受手機(jī)變化驅(qū)動，手機(jī)主板隨之變化：

PCB更薄，10層總厚度僅0.65 mm甚至更?。?/p>

50 μm線寬/間距成為高端手機(jī)板常規(guī)設(shè)計(jì)；

高密度裝配，01005器件大量使用，對阻焊厚度提出更嚴(yán)格要求；

無鹵材料逐漸普及；

為滿足超薄手機(jī)設(shè)計(jì)，Low Dk材料將得到更多應(yīng)用；

在4G時代，預(yù)計(jì)對材料的Df將有更嚴(yán)格要求；

因精度要求提高，以及相關(guān)材料的日漸成熟，在先進(jìn)的PCB工廠，LDI/DI將取代傳統(tǒng)曝光機(jī)成為圖形轉(zhuǎn)移和感光綠油的主要生產(chǎn)設(shè)備；

部分機(jī)械孔將被激光鉆通孔代替；

尋求40 μm及以下線寬的低成本加工方案

圖3 激光通孔切片圖

4.4 近年HDI新的應(yīng)用領(lǐng)域

隨著HDI技術(shù)逐漸推廣，它的應(yīng)用領(lǐng)域也從消費(fèi)電子擴(kuò)展到工業(yè)應(yīng)用，包括LED顯示屏、新能源汽車、可穿戴設(shè)備如Google glass。新的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)镠DI帶來新的增長點(diǎn)。

5 中國市場分析

5.1 移動互聯(lián)現(xiàn)狀及3G

經(jīng)過多年的發(fā)展，目前中國已經(jīng)成為最大的手機(jī)市場以及最大的電子產(chǎn)品生產(chǎn)國家。在移動電話/網(wǎng)絡(luò)方面，中國擁有世界最大的移動電話網(wǎng)絡(luò)，據(jù)工信部數(shù)據(jù)，截至2013年9月底，中國共有手機(jī)用戶12.07億。移動互聯(lián)網(wǎng)也得到快速發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年6月，手機(jī)網(wǎng)民達(dá)到3.88億，手機(jī)首次超過電腦成為第一上網(wǎng)終端；到2013年6月底，手機(jī)網(wǎng)民達(dá)4.64億，占網(wǎng)民總數(shù)5.9億的78.5%[3]。手機(jī)網(wǎng)民的增加，加快了3G的發(fā)展，目前3G用戶已經(jīng)超過3.7億，約占手機(jī)用戶數(shù)的31%。

5.2 中國4G規(guī)劃

根據(jù)國務(wù)院公布《“寬帶中國”戰(zhàn)略及實(shí)施方案》：到2020年，中國的3G/4G用戶普及率將達(dá)到85%，用戶數(shù)超過12億，4G基本覆蓋城鄉(xiāng)；2014年4G將正式啟動，持續(xù)朝2015年3G和4G用戶總量4.5億戶、2020年12億戶的發(fā)展目標(biāo)前進(jìn)。世界最大運(yùn)營商中國移動的TDD-LTE（4G）終端的發(fā)展策略：“2013年仍以3G終端為主，2014年3G與4G終端并舉，2015年以4G終端為主，推動多模多頻的TDDLTE手機(jī)終端，實(shí)現(xiàn)高中低端產(chǎn)品線的全面發(fā)展[5]。

5.3 移動4G終端商機(jī)

綜合各網(wǎng)站的信息，中國政府將優(yōu)先發(fā)放TDDLTE牌照，所有大陸移動運(yùn)營商都要導(dǎo)入TDD-LTE制式，然后再申請F(tuán)D-LTE牌照。而國際上以FDD-LTE為主，WCDMA可向FDD-LTE平穩(wěn)過渡，因此，預(yù)計(jì)電信與聯(lián)通將雙模建網(wǎng)，使原來3G用戶平穩(wěn)過渡到4G而不會流失用戶。考慮到漫游需要，TDD-LTE手機(jī)必須兼容FDD-LTE，否則出境變磚頭。在中國市場銷售的手機(jī)必須是多模兼容，有多至5模的（5模指GSM、WCDMA、TD-SCDMA、FDD-LTE和TDD-LTE五種通信模式）。

按照國家規(guī)劃，2020年3G/4G將達(dá)12億，這是一個巨大的數(shù)字，商機(jī)可想而知，并且，根據(jù)歷年經(jīng)驗(yàn)，通常市場的發(fā)展速度都快于政府規(guī)劃，故未來幾年4G終端的增長將非常迅猛。

世界市場方面，業(yè)內(nèi)咨詢公司Prismark預(yù)測，從2012至2017年，世界范圍的手機(jī)年均增長率7.8%，智能手機(jī)增長則高達(dá)20.1%，而非智能機(jī)是負(fù)增長。最新數(shù)據(jù)：據(jù)Strategy Analytics最新調(diào)研結(jié)果顯示，2013年第三季度全球智能手機(jī)出貨量同比增長了45%，達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的2.51億部[6]。

圖4 世界手機(jī)出貨量預(yù)測

6 新技術(shù)方向及行業(yè)瓶頸

HDI從開發(fā)至今已超過20年，從簡單的一階HDI到復(fù)雜的任意層，技術(shù)上是取得了很大的進(jìn)步，但這些進(jìn)步并非革命性的突破。為了滿足未來的需求，業(yè)界在不斷探索新的技術(shù)，下面一些方向值得留意，需要說明的是，這些新技術(shù)尚未規(guī)模應(yīng)用。

6.1 印制電子（納米材料）

印制電子是近期興起的熱點(diǎn)之一，本文所講的印制電子不是目前RFID工藝的印制電子，而是指采用納米金屬材料即納米銅膏或納米銀膏（它們在低溫即可燒結(jié)）用印刷方式形成線路的工藝方法；印制電子的優(yōu)點(diǎn)主要是：（1）無需電鍍及圖形轉(zhuǎn)移、流程簡單；（2）幾乎沒有廢水污染，容易取得環(huán)保執(zhí)照。缺點(diǎn)主要有：（1）需要納米銅/銀膏，暫時不成熟；（2）可靠性不如傳統(tǒng)工藝。

6.2 嵌入式電路

嵌入式電路指在介質(zhì)表面先用激光燒出凹槽，然后再沉銅電鍍填平凹槽，最后表面銅磨去，只留下凹槽里面的線路，該制程類似半導(dǎo)體制程。主要優(yōu)點(diǎn)：（1）適合極細(xì)線路制作（10 μm以下）；（2）與SAP相比可靠性更好。缺點(diǎn)：成本高、效率低。

6.3 大熱門3D打印技術(shù)

3D打印是近期熱門科技，人們熱衷用于打印各種東西。3D打印機(jī)使用的原材料是塑料和金屬，與PCB主材非常接近。理論上3D打印機(jī)可以打印任何東西，包括PCB在內(nèi)，但用于生產(chǎn)PCB尚未有報道。但我們不妨猜想一下，若3D打印技術(shù)取得突破，真的可以打印PCB，會帶來怎樣的沖擊：首先，樣板的生產(chǎn)門檻大為降低，很多公司或許自己買個機(jī)器就自給自足；其次，家庭或個人也能成為樣板PCB公司。因此，未來3D打印是最有想象空間的技術(shù)。

6.4 未來猜想

在技術(shù)發(fā)展變化中，桌面系統(tǒng)與移動系統(tǒng)有融合趨勢，理由如下

（1）Win8開始有RT版本，其處理器架構(gòu)與手機(jī)是一樣的；

（2）iOS與Mac OX越來越趨于一致，另外，iPhone 5S開始采用64bit 處理器，向桌面系統(tǒng)靠攏；

（3）傳統(tǒng)電腦芯片公司與移動芯片公司互相滲透，例如，Intel 也推出手機(jī)處理器，ARM則規(guī)劃用于服務(wù)器的CPU。

因此，最終桌面主機(jī)與移動主機(jī)有可能融合，外出攜帶時（移動）使用手機(jī)主機(jī)和屏幕，在辦公室則采用手機(jī)主機(jī)和桌面顯示器，這將使手機(jī)將更加強(qiáng)大、復(fù)雜，手機(jī)板也將更復(fù)雜，對PCB廠商提出更高的要求。

6.5 發(fā)展瓶頸

目前手機(jī)行業(yè)似乎碰到發(fā)展瓶頸，其表現(xiàn)為（1）除了硬件提升，沒有太大的創(chuàng)新性東西；（2）沒有新的殺手級應(yīng)用。

PCB行業(yè)發(fā)展瓶頸更明顯，主要表現(xiàn)（1）行業(yè)增長趨緩，已從幾年前的兩位數(shù)增長變個位數(shù)增長；（2）HDI發(fā)展至今已有二十幾年，至今沒有革命性的新技術(shù)出現(xiàn)；（3）IC性能每年都在提升，原來需幾個IC實(shí)現(xiàn)的功能整合在一個芯片里面，PCB設(shè)計(jì)趨向簡單化；（3）云計(jì)算的發(fā)展對終端要求降低；（4）中國政府對環(huán)保要求日趨嚴(yán)格，PCB的環(huán)保批文越來越難取得。

但對于一些特定的PCB，特別是智能手機(jī)所需的PCB如任意層HDI，在未來仍將會保持快速增長。Prismark預(yù)測，未來任意層年增長率高達(dá)43%。

圖5 任意層增長率預(yù)測

7 結(jié)論

綜合分析，我們可以得出以下結(jié)論：

（1）HDI開發(fā)至今已有二十幾年，仍在不斷發(fā)展和增長中，部分類型如任意層仍有兩位數(shù)的增長；

（2）4G的發(fā)展特別是中國4G，將拉動相關(guān)產(chǎn)業(yè)包括PCB的發(fā)展，4G智能手機(jī)增長可期；

（3）未來幾年，手機(jī)仍向更多功能、更高速度發(fā)展，相應(yīng)的高端HDI板需求仍繼續(xù)增長；

（4）當(dāng)移動寬帶普及之后，云計(jì)算將成為主角，則移動終端的要求將降低，高端HDI的需求也隨之下降，但這個時間估計(jì)需要很長時間，特別是在中國；

（5）HDI的應(yīng)用領(lǐng)域仍在不斷擴(kuò)展，這也為其帶來新的增長點(diǎn)。

[1]Machimasa Takahashi，Kastumi Sagisaka等. FVSS(Free Via Stack up Structure) ECWC 10 Conference.

[2]林旭榮等. 任意層互聯(lián)技術(shù)研究開發(fā)介紹[J]. CPCA 2012春季論壇/印制電路信息, 2012, 4: 157-160.

[3]中國新聞網(wǎng). 2013, 8,13.

[4]中國移動, 中國電信, 中國聯(lián)通網(wǎng)站資料.

[5]綜合C114通信網(wǎng)及各門戶網(wǎng)站資料.

[6]C114通信網(wǎng)10月30日消息.

[7]Prismark資料.