新一代信息技術(shù)將PCB逼上微米級(jí)時(shí)代

林金堵

CPCA顧問

本刊名譽(yù)主編

信息技術(shù)[1]代表著當(dāng)今世界先進(jìn)生產(chǎn)力的發(fā)展方向，它能將信息的重要生產(chǎn)要素和戰(zhàn)略資源得到充分發(fā)揮、優(yōu)化資源配置，推動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，提高社會(huì)勞動(dòng)生產(chǎn)率和社會(huì)運(yùn)行效率。因此，信息技術(shù)已成為世界發(fā)展和進(jìn)步的重要生產(chǎn)力，受到世界各國密切關(guān)注和重要投資。

當(dāng)今世界正處在信息技術(shù)革命的時(shí)代，信息技術(shù)革命正以傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)難以比擬的“增量效應(yīng)、乘數(shù)效應(yīng)和技術(shù)外溢效應(yīng)”形式，不斷向著其他領(lǐng)域的產(chǎn)品和服務(wù)滲透，并推動(dòng)相應(yīng)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品和服務(wù)平臺(tái)的信息化的快速發(fā)展和進(jìn)步。因此，信息技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)成為國家創(chuàng)新能力，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展以及提升整體競(jìng)爭(zhēng)力的最重要的動(dòng)力引擎！我國早在“十一五”（2006年至2010年）規(guī)劃中就明確了國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)是國家重點(diǎn)扶持的對(duì)象，其中信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)被確定為七大戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之一。2010年《國務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決策》中列出了七大國家戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)體系，再次提出了信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)為七大戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之一。信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要性和地位在“十二五”規(guī)劃和“十三五”規(guī)劃中仍然獲得持續(xù)的扶持和發(fā)展，特別突出了發(fā)展“新一代信息技術(shù)”的重要性。

新一代信息技術(shù)是信息技術(shù)的升級(jí)和換代性的發(fā)展和進(jìn)步。新一代信息技術(shù)的“新一代”意味著不僅是信息技術(shù)領(lǐng)域中的分支技術(shù)（如集成電路、計(jì)算機(jī)、無線通信等等）升級(jí)，更重要的是指整體信息技術(shù)平臺(tái)和產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)“代”級(jí)變遷和躍升，將更大的推動(dòng)國家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和進(jìn)步。

1 信息技術(shù)

信息技術(shù)（Information Technology）是指“用于管理和處理信息時(shí)所采用的各種技術(shù)的總稱”。信息技術(shù)的主體（要）內(nèi)容是：采用計(jì)算機(jī)科學(xué)和通信技術(shù)來設(shè)計(jì)、開發(fā)、安裝和實(shí)施信息系統(tǒng)及其應(yīng)用軟件，它包括了傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)與智能技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)等。從內(nèi)容來看是以信息和通信兩大部分為主體，因此信息技術(shù)又可稱為信息和通信技術(shù)。

1.1 信息技術(shù)的分類

信息技術(shù)的分類可以按結(jié)構(gòu)組成、工作程序、應(yīng)用設(shè)備類型、功能層次等進(jìn)行，但大多數(shù)是按前兩種方法。

1.1.1 按結(jié)構(gòu)組成分類可分為硬件技術(shù)和軟件技術(shù)

（1）硬件技術(shù)。硬件技術(shù)主要是指各種信息設(shè)備及功能部件，如電話機(jī)、手機(jī)、通信衛(wèi)星、多媒體電腦等的設(shè)備及其功能部件。

（2）軟件技術(shù)。軟件技術(shù)主要是指信息的獲得和處理的各種知識(shí)、方法和技能，如語言文字技術(shù)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)、規(guī)劃決策技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)等。

1.1.2 按工作程序分類。

信息技術(shù)按工作程序分類可分為以下五大類：

（1）信息獲取技術(shù)。信息獲取技術(shù)包括：信息的搜索、感知、接收、整理等，其中包含各種設(shè)備，如望遠(yuǎn)鏡、照相機(jī)、顯微鏡、衛(wèi)星，以及溫度計(jì)、鐘表、互聯(lián)網(wǎng)搜索器等。

（2）信息傳遞技術(shù)。信息傳遞技術(shù)包括：超越空間的共享信息技術(shù)、單向或雙向傳遞信息技術(shù)、單通道和多通道傳遞信息技術(shù)、廣播傳遞信息技術(shù)等。

（3）信息存儲(chǔ)技術(shù)。信息存儲(chǔ)技術(shù)是指跨越時(shí)間而保存的信息技術(shù)，如印刷/打引技術(shù)、照相技術(shù)、錄音/錄像技術(shù)、磁盤/光盤技術(shù)等。

（4）信息加工技術(shù)。信息加工技術(shù)是指對(duì)信息進(jìn)行描述、分類、排序、轉(zhuǎn)換、濃縮、擴(kuò)展、創(chuàng)新等技術(shù)，其過程已經(jīng)由人腦的信息加工走向機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化加工又發(fā)展到計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)化加工。

（5）信息標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)。信息標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)的目的是使信息的獲取、傳遞、存儲(chǔ)、加工等的各個(gè)環(huán)節(jié)能有機(jī)融合，提高信息共享交換能力和效率，并為此而制定共享和遵守的相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，如信息管理標(biāo)準(zhǔn)、字符編碼標(biāo)準(zhǔn)、語言文字規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)等。

2 新一代信息技術(shù)

新一代信息技術(shù)是信息技術(shù)的升級(jí)和換代，不僅是信息技術(shù)領(lǐng)域中的分支技術(shù)（如集成電路、計(jì)算機(jī)、無線通信等）升級(jí)，更重要的是指整體信息技術(shù)平臺(tái)和產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)“代”級(jí)跨越。將促進(jìn)人類和世界走向“萬物互聯(lián)時(shí)代”。

新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的含義和主體內(nèi)容：加快建設(shè)寬帶、泛在、融合安全的信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施；推動(dòng)新一代移動(dòng)通信、下一代互聯(lián)網(wǎng)核心設(shè)備和智能終端的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化；加快推進(jìn)三網(wǎng)融合；促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的研究和示范應(yīng)用；著力發(fā)展集成電路、新型顯示、高端軟件、高端服務(wù)器等核心基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。新一代信息技術(shù)的主要方向是：下一代通信網(wǎng)絡(luò)（NGN，Next Generation Network）是建立在IP（Internet Protocol）、物聯(lián)網(wǎng)、三網(wǎng)融合、新型平板顯示、高性能集成電路和云計(jì)算為代表的高端軟件等六大內(nèi)容。

（1）下一代通信網(wǎng)絡(luò)是建立在IP（Internet Protocol）技術(shù)基礎(chǔ)上的新型公共電信網(wǎng)絡(luò)，能容納各種形式的信息在統(tǒng)一管理平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)音頻、視頻、數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸和管理，提供各種寬帶應(yīng)用和傳統(tǒng)電信業(yè)務(wù)，是一個(gè)真正實(shí)現(xiàn)寬帶窄帶一體化、有源無源一體化、有線無線一體化、輸入輸出一體化的綜（整）合業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)。

（2）三網(wǎng)融合。三網(wǎng)融合是指電信網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和廣播電視網(wǎng)的有機(jī)融合，而不是物聯(lián)網(wǎng)的形式。

（3）物聯(lián)網(wǎng)。射頻識(shí)別標(biāo)記（電子標(biāo)簽）（RFID，Radio Frequency Identification）在物聯(lián)網(wǎng)初期得到極大發(fā)展。RFID可分為低頻、高頻、超高頻和微波，目前RFID已向超高頻或微波方向發(fā)展，同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)也向智能交通、智能監(jiān)控、手機(jī)支付農(nóng)民和導(dǎo)航等發(fā)展。

現(xiàn)在的物聯(lián)網(wǎng)主體是廣泛應(yīng)用RFID、二維碼、傳感器等技術(shù)，今后將向納維碼數(shù)字標(biāo)識(shí)（如光學(xué)指紋或納米“身份證”）技術(shù)發(fā)展此項(xiàng)技術(shù)。集納米、光學(xué)、材料和信息等相關(guān)技術(shù)突出特點(diǎn)是看不見、不可復(fù)制和抗高溫等惡劣環(huán)境，達(dá)到安全可靠，并可應(yīng)用于多領(lǐng)域[2]如各種設(shè)備、部件、印制板產(chǎn)品等。

（4）新型平板顯示。目前，新型平板顯示是以薄膜晶體管顯示器（TFTLCD）為主體方向發(fā)展，現(xiàn)在又向有機(jī)發(fā)光二極管 OLED、電子紙等顯示器系統(tǒng)發(fā)展。

（5）高性能集成電路。大家知道，集成電路產(chǎn)業(yè)是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)基石，同樣的，新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)必須要高性能集成電路產(chǎn)業(yè)相適應(yīng)。在新一代信息技術(shù)中，高性能集成電路與物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等的融合必然會(huì)推動(dòng)高性能集成電路產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展壯大（表1）。

表1 近10年來中國IC集成電路布線的發(fā)展速度

高性能集成電路的“高性能”主要表現(xiàn)在它的集成度、大功率化和高導(dǎo)熱化上，并且正在快速走向光量子芯片[3]方向。

①IC的高集成度。集成電路（IC）是把晶體管、二極管、電阻、電容和電感等元件及布線互連。在一小塊半導(dǎo)體晶片或介質(zhì)基片上，封裝然后在一個(gè)管殼內(nèi)形成具有電路功能的微型組件。集成電路的特點(diǎn)和發(fā)展是其集成度按“摩爾定律”（即集成電路上集成元件數(shù)量是以每18個(gè)月增加一倍，其性能也增加一倍等）的速度發(fā)展，集成電路的技術(shù)已經(jīng)由微米技術(shù)時(shí)代（2000年以前量產(chǎn)的為0.5 μm～1.0 μm）進(jìn)入納米技術(shù)時(shí)代，如2014年量產(chǎn)的集成電路為32 nm，2018年量產(chǎn)的集成電路為16 nm，而試產(chǎn)的集成電路已到達(dá)7 nm?？梢钥吹竭@個(gè)發(fā)展速度還會(huì)繼續(xù)，其布線密度已經(jīng)接近物質(zhì)的原子尺寸大小（極限），未來的集成電路的集成度要?jiǎng)?chuàng)新發(fā)展必然要跳出“摩爾定律”。

②IC的大功率化。由于集成電路的高集成度化，不僅在單位面積上要連接更多的元件數(shù)量（不是一般的增加，而是成千上萬倍的增加），而且要求在更大面積上進(jìn)行集成元件。因此，從生產(chǎn)效率和成本上看，集成元件的半導(dǎo)體晶片（如硅片）尺寸已經(jīng)由Φ200 mm→Φ300 mm，將向Φ400 mm或Φ450 mm發(fā)展，集成電路的功率將會(huì)越來越大。

③IC的導(dǎo)熱化。由于集成電路的高集成電度化、大功率化等必然要產(chǎn)生大量熱或高導(dǎo)熱的課問題。目前，各種各樣應(yīng)用領(lǐng)域的集成電路的工作溫度（如表2）。

表2 集成電路在不同領(lǐng)域中的工作溫度

（6）云計(jì)算。云計(jì)算是指計(jì)算任務(wù)分配到大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心或大量計(jì)算機(jī)集群組成的資源上，使各種應(yīng)用系統(tǒng)能夠根據(jù)需要而獲得計(jì)算能力、存儲(chǔ)空間和軟件服務(wù)，通過互聯(lián)網(wǎng)將計(jì)算資源免費(fèi)或按需租用方式提供給使用者。在使用者看來，云計(jì)算是可以無限擴(kuò)展的、獲取隨意的、按需使用、按使用付費(fèi)，像人們使用水電一樣的基礎(chǔ)設(shè)施。大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心或大量計(jì)算機(jī)集群的核心是超級(jí)計(jì)算機(jī)，而百億億次超級(jí)計(jì)算機(jī)（又稱e級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)）[4]是世界各國進(jìn)行高端信息技術(shù)上創(chuàng)新和競(jìng)爭(zhēng)的最高點(diǎn)。2020年將會(huì)研制出百億億次超級(jí)計(jì)算機(jī)，不僅會(huì)帶來新一代信息技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，而且也關(guān)系到誰能引領(lǐng)世界新一代信息技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者！

3 新一代信息技術(shù)對(duì)PCB的主要要求

凡是信息產(chǎn)生、加工處理、傳輸和應(yīng)用等都離不開PCB，而上述的新一代信息技術(shù)特點(diǎn)和主體內(nèi)容（六個(gè)方面）都與PCB密切相關(guān)、特別是高性能集成電路的介質(zhì)基板（片）和支撐等更直接依靠PCB技術(shù)和產(chǎn)品來組成，或者說新一代信息技術(shù)需要高性能PCB技術(shù)和產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)！

新一代信息技術(shù)對(duì)PCB的主要要求有“三高”方面：（1）高密度化要求，必須與高性能集成電路的集成度相適應(yīng)的發(fā)展；（2）高速（頻）化要求，必須與集成電路的高速（高頻）化相適應(yīng)的發(fā)展；（3）高導(dǎo)熱化要求，必須與集成電路的高導(dǎo)熱設(shè)計(jì)相適應(yīng)的發(fā)展；（4）高性能化要求，必須與集成電路的高性能化的發(fā)展要求相適應(yīng)，才能達(dá)到高可靠性和長使用壽命的目的！

3.1 PCB產(chǎn)品高密度化

新一代信息技術(shù)的高性能集成電路的集成度（以IC線寬表示）將進(jìn)入納米技術(shù)時(shí)代，而PCB產(chǎn)品性能和發(fā)展進(jìn)步必須與之相適應(yīng)從而進(jìn)入微米技術(shù)時(shí)代（見表3）。從表3中可以看到，PCB高密度化的發(fā)展越來越跟不上IC集成度的發(fā)展，或者說PCB高密度化的發(fā)展越來越趕不上IC集成度發(fā)展的要求。按照20世紀(jì)末的數(shù)據(jù)，2018年的PCB線寬應(yīng)該小于5 μm，實(shí)際上可量產(chǎn)20 μm線寬的企業(yè)還是極少數(shù)。

大家知道，PCB是用來支撐集成電路等元件的，高性能集成電路必須要有高性能PCB來支撐。在高性能集成電路的發(fā)展中，對(duì)PCB最突出而迫切要求是高密度化（線寬）發(fā)展與進(jìn)步。這里所指的高性能集成電路是指小于10 nm的“納米級(jí)”互連布線，而高密度PCB是指小于10 μm的“微米級(jí)”互連布線。PCB要實(shí)現(xiàn)“微米級(jí)”連線的高密度化，必須在材料和制造技術(shù)等下功夫才能達(dá)到。如基材方面，采用“微米級(jí)”的超薄銅箔基材，制造過程復(fù)雜、成本高；而在PCB制造方面，采用基材銅箔減薄或采用加成方法形成的“微米級(jí)”導(dǎo)線。從導(dǎo)線等性能（如強(qiáng)度等）和成本上看，采用基材銅箔減薄技術(shù)將是制造微米導(dǎo)線的主體方向。

3.2 PCB產(chǎn)品高速（頻）化

新一代信息技術(shù)將以移動(dòng)通信第五代（5G）技術(shù)為基礎(chǔ)開展和發(fā)展，而5G技術(shù)的傳輸頻率可高達(dá)52 G（在軍用領(lǐng)域10年前就超過1000 G！這里的1 G=1000 MHz），而高性能集成電路芯片的速度將以集成的元件數(shù)量呈指數(shù)式快速增加。因此要求在PCB中信號(hào)傳輸完整性高、失真小，這就要求PCB的介質(zhì)層的介電常數(shù)（如≤3.0）和介質(zhì)損耗（如≤0.002）等要很小，但環(huán)氧樹脂系基板很難達(dá)到要求，必須采用其他樹脂體系（如PPO聚苯醚體系等），制造的導(dǎo)線（孔、盤等）尺寸不僅是微米級(jí)細(xì)線要求，而且需要精準(zhǔn)的尺寸（位置準(zhǔn)和偏差小）要求和更加完美的加工。

3.3 PCB產(chǎn)品高導(dǎo)（耐）熱化

由于傳送信號(hào)速度極快或頻率極高，必然會(huì)增加電阻和介質(zhì)損耗，導(dǎo)線制造上或多或少的缺陷（如微小的缺口、凹陷、針眼等）都會(huì)帶來更高的熱量，PCB板內(nèi)的溫升越來越嚴(yán)重而且溫升到100℃以上將成常態(tài)化，因此PCB板的耐熱和導(dǎo)熱也成為突出的課題！為了解決PCB板內(nèi)的溫升的課題，在選擇基板材料方面，除了選用高Tg（≥180℃）、高熱分解溫度（Td≥360℃）和低CTE（如小于百萬分之十）外，重要的是要有高導(dǎo)熱性能，其導(dǎo)熱系數(shù)要根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合（領(lǐng)域）來選擇不同的導(dǎo)熱系數(shù)。各種基板材料導(dǎo)熱性能等情況（見表4）。

3.4 PCB產(chǎn)品高性能化

PCB產(chǎn)品高性能化主要是指具有高的可靠性和使用壽命。在新一代信息技術(shù)中的六個(gè)主體內(nèi)容里都離不開（特別是E級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)和通信設(shè)施等）PCB產(chǎn)品，它們要求的PCB產(chǎn)品不僅需要高密度化、傳輸信號(hào)完整化和高導(dǎo)熱化，而且要求很小的熱膨脹系數(shù)（CTE）和很好的耐熱溫度（即要高的玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg），只有高性能化的PCB產(chǎn)品，才能保證新一代信息設(shè)備的可靠性和使用壽命！

表3 IC集成度和PCB高密度化發(fā)展的情況

表4 各種基板材料的導(dǎo)熱性能等概況[7]

3.5 關(guān)注印制光路板

近兩年來，我國科學(xué)家潘建偉等先后研制成功光量子通信、光量子計(jì)算機(jī)，交通大學(xué)金賢敏團(tuán)隊(duì)研制成功的光量子芯片[4]等產(chǎn)品，而光量子芯片是由大量的光量子器件集成的（如利用硅基光波導(dǎo)芯片集成了超過200個(gè)光量子器件等[8]），這標(biāo)志著世界光量子應(yīng)用時(shí)代將到來。因此，光量子元組件、光-電轉(zhuǎn)換元件和印制光路板等將走向開發(fā)、應(yīng)用的新時(shí)期！印制光路板與目前印制電路板的應(yīng)用，也是類似連接和支撐光量子芯片、光量子元組件和光-電轉(zhuǎn)換元器件等來實(shí)現(xiàn)光量子的傳輸?shù)裙δ躘5]。因此，印制光路板的開發(fā)和研制要擺到日程上來[5]！