光通信印制板驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)建立及推廣的可行性研究

陳 利 張 凱 戴 炯

（深南電路股份有限公司，廣東 深圳 518117）

1 引言

通信網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代社會(huì)的基本基礎(chǔ)設(shè)施之一，是社會(huì)信息交流的主要途徑，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)與生活至關(guān)重要。在現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，分布著核心路由器、匯聚路由器、邊緣路由器和交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的通信以光纖網(wǎng)絡(luò)為主，但網(wǎng)絡(luò)設(shè)備內(nèi)部的信號(hào)分析與處理為電信號(hào)，因此在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的物理層接口必須使用光通信印制電路板（PCB）實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、光纖入戶、數(shù)據(jù)中心、智能監(jiān)控以及大數(shù)據(jù)的興起，及寬帶中國戰(zhàn)略和5G建設(shè)的實(shí)施，持續(xù)海量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生對(duì)光通信PCB的需求呈現(xiàn)出爆發(fā)式的。隨著通信帶寬需求的持續(xù)增加，光通信PCB的傳輸速率也從目前廣泛應(yīng)用的10 Gbps向25 Gbps、50 Gbps、100 Gbps，甚至400 Gbps、800 Gbps發(fā)展，光通信PCB的單通道帶寬也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)56 Gbps的應(yīng)用，單通道112 Gbps帶寬的產(chǎn)品也進(jìn)入了小批量階段?？梢灶A(yù)見，隨著通信網(wǎng)絡(luò)持續(xù)向超高頻、超高速和超大容量方向發(fā)展，未來光通信PCB在未來PCB市場(chǎng)中的份額會(huì)持續(xù)上升。但是，盡管光通信PCB近五年來已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，其相配套的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定卻嚴(yán)重滯后。目前，光通信PCB的主要廠商間并沒有形成系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，各家驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)參差不齊，主要依據(jù)自身的經(jīng)驗(yàn)來制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。我國是PCB制造大國，產(chǎn)值占據(jù)全球50%以上，在光通信PCB這一細(xì)分領(lǐng)域中缺乏行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)我國的產(chǎn)業(yè)發(fā)展是不利的，也不利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)。因此，建立光通信印制電路板驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)具有重要的經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略價(jià)值。

2 光通信印制板驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

2.1 光通信印制板簡介

光模塊是現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件；光模塊發(fā)送端把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，通過光纖傳送后，另一光模塊的接收端再把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光通信PCB用于承載光模塊的各種元器件和芯片，在設(shè)計(jì)上一般包括板邊插頭（俗稱金手指）、高速信號(hào)線、線接合連接盤（WB-PAD，Wire Bonding PAD）、裸芯片連接盤（DIE-PAD）、普通連接盤，根據(jù)產(chǎn)品類型不同，還可能包括剛撓設(shè)計(jì)、金屬基設(shè)計(jì)、臺(tái)階槽設(shè)計(jì)和HDI（高密度互連）設(shè)計(jì)。相比普通PCB，光通信PCB對(duì)板邊插頭、高速信號(hào)線、線接合連接盤和裸芯片連接盤的外觀、尺寸符合性和可靠性的要求都更高。

目前，由于光通信PCB在功能和結(jié)構(gòu)上的特殊性，在深南電路的實(shí)際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，如果以通用的印制板性能規(guī)范（如《IPC-6012 E CN剛性印制板的鑒定及性能規(guī)范》和《GB/T4588.4-2017剛性多層印制板分規(guī)范》）來驗(yàn)收太過于簡單粗暴，且普通產(chǎn)品的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)對(duì)光通信PCB中“板邊插頭、高速信號(hào)線、線接合連接盤和裸芯片連接盤的外觀和尺寸符合性”涉及得非常淺且不全面，已經(jīng)無法滿足光模塊PCB的驗(yàn)收需求。

2.2 國內(nèi)外光通信印制板驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

在PCB行業(yè)中，標(biāo)準(zhǔn)按適用范圍分類包括：國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；按產(chǎn)業(yè)鏈上的不同角色分類則可以分為：設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、材料標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和組裝標(biāo)準(zhǔn)。但由于光通信PCB是一個(gè)相對(duì)較新的細(xì)分產(chǎn)品，以上所有標(biāo)準(zhǔn)體系中目前均沒有專門的光通信PCB驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

從光通信PCB的客戶角度來看，部分高端客戶有自己的驗(yàn)收準(zhǔn)則，但內(nèi)容完整性參差不齊，有些要求無法落地執(zhí)行。而從光通信PCB制造商的角度來看，目前也沒有形成相對(duì)統(tǒng)一的驗(yàn)收準(zhǔn)則。因此，總的來說，光通信PCB驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)目前還屬于行業(yè)空白?，F(xiàn)狀是各廠家、各用戶用著零碎的驗(yàn)收準(zhǔn)則，這種不系統(tǒng)、不統(tǒng)一的驗(yàn)收準(zhǔn)則對(duì)行業(yè)、企業(yè)及從業(yè)者都是不利的。

2.3 建立光通信印制板驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的可行性分析

2020年光模塊市場(chǎng)銷售額超過500億元，其所使用的光通信PCB市場(chǎng)份額約16億元，在整體PCB中占比約0.5%（全球PCB銷售額大概4000億元人民幣）；市場(chǎng)份額相對(duì)較小，這也是相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)滯后的重要原因；但光通信是一個(gè)朝陽產(chǎn)業(yè)，其每年的增長速度在30%左右。目前光通信的主流客戶有華為、II-VI、中際旭創(chuàng)、新易盛、Intel、海信寬帶、光迅科技等。深南電路公司有著豐富的光通信PCB生產(chǎn)制造經(jīng)驗(yàn)，在光通信PCB的制造中占據(jù)了領(lǐng)先位置；同時(shí)，深南電路作為中國電子電路行業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)會(huì)長單位，有著專門的標(biāo)準(zhǔn)化團(tuán)隊(duì)。近年來，深南電路的技術(shù)人員共參與60余項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的編制、開發(fā)和審核工作，在標(biāo)準(zhǔn)編制和推廣方面已有一定的經(jīng)驗(yàn)。綜合來說，從光通信PCB發(fā)展趨勢(shì)和行業(yè)供需的現(xiàn)狀看，目前已經(jīng)具備建立光通信印制電路板驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的基本條件。

3 光通信印制板驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的建立

3.1 標(biāo)準(zhǔn)建立原則

與常規(guī)PCB相比，光通信PCB的最大區(qū)別體現(xiàn)在WB-PAD和DIE-PAD，以及板邊插頭。WB-PAD和DIE-PAD此類連接盤一般成對(duì)組合，如圖1所示。DIE-PAD用于承載裸芯片（DIE），WB-PAD圍繞DIE-PAD排列，裸芯片上的連接盤（PAD）一般通過金線連接（線接合，Wire Bonding）至WBPAD上，從而實(shí)現(xiàn)裸芯片信號(hào)引出。正因?yàn)楣馔ㄐ臥CB特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)需要重點(diǎn)關(guān)注外觀和可靠性。

圖1 WB-PAD和DIE-PAD示意圖

3.2 光通信印制板外觀缺陷分類

光通信PCB由于需要起到裸芯片承載和貼裝的作用，因此其外觀要求更加嚴(yán)格，基于目前的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，其重點(diǎn)缺陷如下。

3.2.1 擦傷

如圖2所示，擦傷是指銅線路（尤其是連接盤）表面在表面涂覆前后與其他物件接觸摩擦而產(chǎn)生的“帶狀”痕跡。擦傷不會(huì)直接導(dǎo)致銅線路圖形的凹陷，即表面涂覆前擦傷不會(huì)出現(xiàn)銅線路層完整，表面涂覆后的擦傷不會(huì)漏銅或漏鎳（但可能漏鈀）。擦傷缺陷會(huì)造成后續(xù)線接合時(shí)的不良風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 擦傷缺陷外觀圖

3.2.2 劃傷

劃傷是一種對(duì)銅線路的實(shí)質(zhì)物理損傷，在外觀上呈現(xiàn)為細(xì)條狀、不規(guī)則、方向隨機(jī)的痕跡如圖3所示。劃傷按照產(chǎn)生時(shí)間分為銅層劃傷和表面涂覆層劃傷，按照嚴(yán)重程度分為無感劃傷和有感劃傷。無感劃傷在外觀上僅見痕跡，凹陷深度≤5 μm，視覺上在45°到135°角度范圍內(nèi)觀察，存在一定角度范圍內(nèi)劃傷不可見。有感劃傷在外觀上可看到凹陷，凹陷深度＞5 μm，視覺上在45°到135°角度觀察，劃傷痕跡均清晰可見。

圖3 劃傷缺陷外觀圖

3.2.3 磨痕

磨痕是機(jī)械性前處理（如刷輥磨刷）導(dǎo)致的銅面凹陷，產(chǎn)生在表面涂覆前；外觀上呈現(xiàn)為細(xì)條狀直線，一般平行或垂直于板面方向，且相鄰線條間方向一致。磨痕缺陷按照嚴(yán)重程度分為無感磨痕和有感磨痕，如圖4所示。無感磨痕外觀上僅見痕跡，凹陷深度≤5 μm，視覺上在45°到135°角度范圍內(nèi)觀察，存在一定角度范圍內(nèi)磨痕不可見。有感磨痕在外觀上可看到凹陷，凹陷深度＞5 μm，視覺上在45°到135°角度觀察，劃傷痕跡均清晰可見。

圖4 磨痕缺陷外觀圖

3.2.4 異物

異物為表面涂覆前，銅面上殘留目視難發(fā)現(xiàn)的點(diǎn)狀干膜、油墨、膠質(zhì)或其他雜質(zhì)，在表面涂覆時(shí)被完全覆蓋，進(jìn)而視覺上呈現(xiàn)為凹坑，且凹坑底部呈現(xiàn)為黑色的微小點(diǎn)狀，如圖5所示。一般情況下，異物不可去除，由于其高度不高于金面，強(qiáng)行去除容易出現(xiàn)露銅露鎳和金面損傷。

圖5 異物缺陷外觀圖

3.2.5 臟污

臟污為表面涂覆后，金面上吸附的液態(tài)物質(zhì)在干燥后留下的污漬，其外觀呈圓點(diǎn)狀或片狀，如圖6所示。臟污缺陷可以使用橡皮擦擦拭，擦拭后不會(huì)露銅露鎳。

圖6 臟污缺陷外觀圖

3.3 光通信印制板外觀驗(yàn)收要求

綜合評(píng)估光通信PCB常見的外觀缺陷、發(fā)生概率及其品質(zhì)影響，關(guān)鍵外觀驗(yàn)收要求如下。

3.3.1 露銅露鎳

如圖7所示，對(duì)于非關(guān)鍵區(qū)域的缺陷，要求面積≤50%非關(guān)鍵區(qū)域面積，且單個(gè)缺陷尺寸≤0.2 mm。當(dāng)缺陷出現(xiàn)在關(guān)鍵區(qū)域，如線接合焊盤，則要求不能出現(xiàn)露銅露鎳。

圖7 漏銅漏鎳缺陷驗(yàn)收準(zhǔn)則

3.3.2 磨痕

光通信印制電路板對(duì)磨痕的驗(yàn)收要求為鍍層完整，且磨痕深度≤10 μm、無金屬絲掛起，如圖8所示。

圖8 磨痕缺陷驗(yàn)收準(zhǔn)則

（3）倒角損傷。倒角損傷主要出現(xiàn)在板邊插頭位置，對(duì)光模塊的信號(hào)傳輸品質(zhì)可能有重要影響。如圖9所示，倒角損傷的驗(yàn)收要求板邊插頭頂端不能出現(xiàn)銅箔和鍍層剝離、板邊插頭浮離。

圖9 倒角損傷缺陷驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

3.4 光通信印制電路板可靠性驗(yàn)收要求

與普通PCB相比，光通信PCB的可靠性測(cè)試需要額外關(guān)注板邊插頭的可靠性，具體包括：

3.4.1 插拔測(cè)試

測(cè)試目的：板邊插頭是光模塊與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的連接位置，其品質(zhì)穩(wěn)定性直接決定光模塊的光電轉(zhuǎn)換品質(zhì)。插拔測(cè)試是板邊插頭經(jīng)過插拔后評(píng)估對(duì)外觀及電性的影響。

測(cè)試方法：金手指與匹配的連接器進(jìn)行機(jī)械壽命試驗(yàn)，用將光通信PCB的板邊插頭與壽命試驗(yàn)機(jī)連接，以進(jìn)行機(jī)械壽命測(cè)試；測(cè)試過程中，1次壽命指插入和拔出的一個(gè)循環(huán)，循環(huán)頻率10次/分鐘，測(cè)試機(jī)械壽命100次以上。

驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)：（1）外觀質(zhì)量，關(guān)鍵區(qū)域不露銅、不露鎳（靠近板邊端部露銅位置除外）；（2）接觸電阻在機(jī)械壽命測(cè)試后≤35 mΩ，則測(cè)試合格。

3.4.2 鹽霧測(cè)試

測(cè)試目的：通過加速腐蝕測(cè)試，模擬評(píng)估產(chǎn)品表面連接盤和板邊插頭的耐腐蝕性。

測(cè)試方法：光通信PCB的鹽霧測(cè)試采用中性鹽霧試驗(yàn)，即以化學(xué)純氯化鈉溶于蒸餾水或去離子水，配成（5±1）%（重量百分比）的鹽溶液，且調(diào)控鹽溶液噴霧后收集液pH值為6.5～7.2，在35 ℃±2 ℃下測(cè)試48 h；然后用自來水與軟毛刷輕輕刷洗試驗(yàn)樣品表面沉積的鹽顆粒，并用不超過35℃的蒸餾水漂洗，最后測(cè)量板邊插頭的接觸電阻。

驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)：若（1）10～20倍放大倍率下光學(xué)觀察鍍金層表面（靠近板邊端部露銅位置除外）沒有腐蝕缺陷，初始接觸電阻≤25 mΩ，試驗(yàn)后≤35 mΩ；（2）經(jīng)拍照，柵格，圖樣對(duì)比或其他分析方法測(cè)試，腐蝕區(qū)域不超過鍍金區(qū)域面積的5%；（3）腐蝕深度不超過鍍金厚度的50%；（4）金鍍層不出現(xiàn)脫落、破損、分層等缺陷；（5）試樣電氣功能正常，結(jié)構(gòu)完整，則測(cè)試合格。否則不合格。

3.4.3 孔隙率測(cè)試

測(cè)試目的：通過測(cè)試鎳金鍍層的孔隙率，評(píng)估其使用可靠性。

測(cè)試方法：參考IPC-TM-650 的2.3.24.2進(jìn)行試驗(yàn)，在干燥器皿中放置濃度為65%～68%的硝酸，并用器皿蓋密封30 min；然后用夾具將試樣放置在器皿邊緣，時(shí)間60 min；隨后立即將試樣放入10%的氫氧化鈉水溶液中，室溫下放置20～30 s，之后放入蒸餾水中清洗，并將清洗完成后的樣品放入多硫化鈉溶液中浸泡20～30秒；最后將試樣取出用純凈水清洗干凈，并用熱風(fēng)吹干。

驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)：在環(huán)形燈下用10倍放大鏡觀察板邊插頭鎳金鍍層無異常，且在25倍放大鏡下觀察滿足表1所示要求，則驗(yàn)收通過。

表1 孔隙率驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

4 光通信印制板驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的推廣

相對(duì)來說，光通信PCB這一領(lǐng)域還處于快速發(fā)展期，要建立相應(yīng)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，需要供需兩端同時(shí)參與。在制造企業(yè)一方面，應(yīng)該由目前光通信PCB市場(chǎng)具有影響力的企業(yè)牽頭，組織主要參與企業(yè)就標(biāo)準(zhǔn)細(xì)則進(jìn)行溝通交流，收集目前各企業(yè)所使用的驗(yàn)收方案，基于市場(chǎng)實(shí)施效果分析對(duì)比相關(guān)驗(yàn)收準(zhǔn)則的科學(xué)性和合理性。在客戶端方面，可以選出需求重點(diǎn)企業(yè)，綜合對(duì)比各企業(yè)的驗(yàn)收準(zhǔn)則，輸出其差異項(xiàng)，并結(jié)合制造企業(yè)的制造經(jīng)驗(yàn)，評(píng)估其科學(xué)性與合理性；若存在不合理處，則可以由制造企業(yè)組織溝通，在綜合評(píng)估后初步形成在重點(diǎn)企業(yè)間使用的驗(yàn)收準(zhǔn)則。

在此基礎(chǔ)上，當(dāng)各制造企業(yè)引入新的客戶時(shí)，應(yīng)優(yōu)選所形成的驗(yàn)收準(zhǔn)則進(jìn)行推廣，逐步提高該驗(yàn)收準(zhǔn)則在行業(yè)中的使用范圍。更進(jìn)一步由重點(diǎn)企業(yè)牽頭，積極地與相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)組織進(jìn)行溝通，并提交相關(guān)資料，為制定正式的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)而準(zhǔn)備。目前，深南電路已經(jīng)基于自身的制造經(jīng)驗(yàn)，就建立光通信PCB驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)問題與相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)進(jìn)行溝通，并積極推動(dòng)其標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)。

5 結(jié)論與展望

光通信PCB是一個(gè)快速發(fā)展的細(xì)分領(lǐng)域，其驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的建立滯后于生產(chǎn)制造的發(fā)展，而建立行業(yè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)對(duì)制造業(yè)來說是重要而關(guān)鍵的事項(xiàng)之一。目前，深南電路基于自身在光通信PCB領(lǐng)域的市場(chǎng)地位和制造經(jīng)驗(yàn)，與各大客戶保持積極地溝通，已經(jīng)形成了較為完善的驗(yàn)收準(zhǔn)則，并在向新客戶推廣驗(yàn)收準(zhǔn)則方面取得了一定的進(jìn)展；另一方面，深南電路也與同行就驗(yàn)收準(zhǔn)則保持著溝通，并積極與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定單位進(jìn)行立項(xiàng)溝通?？偟膩碚f，目前行業(yè)內(nèi)已經(jīng)初步具備了建立光通信PCB驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的基本條件。光通信印制電路板的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的建立，對(duì)完善印制電路板行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)具有重要的意義，是我國提升在印制電路板行業(yè)的話語權(quán)、推進(jìn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型與高質(zhì)量發(fā)展、提高制造業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中的基礎(chǔ)性地位的重要戰(zhàn)略補(bǔ)充。