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龚永林:高性能基材是新一代印制电路板的核心技术

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龚永林:高性能基材是新一代印制电路板的核心技术

发布日期:2018-08-31 作者:印制电路板 点击:

龚永林:高性能基材是新一代印制电路板的核心技术

    1 引子

    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,今年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。到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。中兴通讯公司是世界通讯设备制造巨头之一,命脉却被美国佬卡住,原因是缺少核心技术,缺少核心零部件集成电路。


    恰在此时,我国在今年5月底召开中国科学院、中国工程院院士大会,会上习近平总书记发表了重要讲话,其中讲到:“我国基础科学研究短板依然突出,企业对基础研究重视不够,重大原创性成果缺乏,底层基础技术、基础工艺能力不足,工业母机、高端芯片、基础软硬件、开发平台、基本算法、基础元器件、基础材料等瓶颈仍然突出,关键核心技术受制于人的局面没有得到根本性改变。”


    由中美贸易中的中兴事件,对我国制造业敲响警钟,触动深刻。习总书记的讲话切中科技和产业发展要眼与瓶颈。对于我们印制电路制造业也值得深思,我国印制电路产业有何短板?是否有缺少核心技术而会被外国要挟、卡住?印制电路产业的命脉是否把握在自己手中?


    2 高性能基材是新一代印制电路板核心


完美彩票    电子信息产业快进入5G时代,5G来了!5G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5G。几乎各行各业都在摩拳擦掌,为在5G这块大蛋糕切得一角,印制电路板同样如此,5G设备带来了新一代印制电路板。


完美彩票    印制电路板(PCB)制造的关键首先是原材料—基材,没有基材就无法制造PCB,此等于巧媳妇难煮无米之炊。PCB基材包括基板(覆铜箔层压板CCL)、预浸材料(半固化片Pp)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CCL制成的PCB只能用于低端的消费类电子设备中,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或者聚四氟乙烯与液晶聚合物等树脂的CCL,只有门当户对的好基因才结出好果实。因此,应把基材视作PCB的核心。


完美彩票    PCB制造工艺技术在中国大陆并不弱,凭中国人的勤劳与聪明,只要具备相应材料和设备条件,企业有能工巧匠再复杂的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。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5G通讯的56Gbps超高速印制电路板”、“5G 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,遗憾的是他们所用基材是外国货。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,依靠国外进口。


完美彩票    电子设备不同频率有不同的设计要求,为最适合不同频率的电路就需要具有不同特性的电路基材支持。在寻找适用于5G应用的微波和毫米波功率放大器的电路材料时,除了基材必须是低介质损耗(Df)和低介电常数(Dk)外,还有能够进行有效热管理的电路材料。评估材料的热性能有两项参数导热率和介电常数温度系数(TCDk)。对于5G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。


    影响微带电路上产生插入损耗的因素除绝缘体外,铜导体也就变得更加关键了。这主要由铜表面的光滑程度决定,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也是重要因素,加上电路微细化要求薄铜箔及超薄铜箔。


    新一代PCB重点在5G通讯和汽车电子,在PCB上体现出高频高速特性和高散热特性。而PCB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。

    印制电路板

    3 高性能基材之差距


    高频材料的主要要求是低介电常数(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。


    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(Rogers)、依索拉(Isola)、派克电化学(Park Electrochemica)、泰康尼克(Taconic)、腾辉(ventec)、松下(Panasonic)等。如松下公司超低损耗多层板基材MEGTRON7,为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。


    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。特别要注意到,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Pp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。他们的新基材开发与PCB用户相结合,针对性强、目标明确。罗杰斯公司这些做法也是他们的基材被更多的PCB制造商选用的因素。


    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1W/m·K到10W/ m·K各种规格都有,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,导热率2.2 W/m·K是FR-4的8倍。


    据安信证券.南方财富网报道:高频基材基本都被美日厂商占有,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PTFE市场份额罗杰斯在90%以上。对于这些百分比数值是否确切不说,而制造高性能PCB的工程师们说到基材言必称外国某公司产品,当前我国高频高速PCB用基材几乎都用外国公司的规格型号这些是事实。


完美彩票    再看我们国内领先的CCL制造企业,如CPCA的第十七届(2017)中国电子电路行业排行榜所到国内CCL产量排名前五名公司: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。查看这些公司的网站,除山东金宝电子仅纸基覆铜板外,其他四家已有或正在推出高性能的CCL与Pp新基材。


    如国内名列前茅的广东生益科技公司有高速电路基材:S7045G/S7045GB,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&微波电路基材:S7136H,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。这些基材的介电性能只是接近于低损耗范围。


    南亚新材料科技公司有高速电路和微波/射频用CCL,有些仅见型号却未有具体性能规格数值。浙江华正新材料公司有高频材料,称适用于基站天线 、机载、地面和水面雷达系统,这些产品仅见测试数据,不知是否商品化及商品化时规格值是多少?国内的这些高速高频电路基材都有极广应用领域,罗列了一大堆用途,但针对性差。通常包治百病的药,反而难以治好一病。


    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,导热率1。5W/m·K; 有铝基覆铜板,导热率2。0W/ m?K。金安国纪科技公司有铝基覆铜板,导热率2。0W/ m?K。华正新材料公司也有散热性金属基覆铜板和粘结片。国内公司与腾辉公司的高导热基材相比指标还差一大截。


    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、吸水性等相关指标要考虑。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、HDI板积层粘结片等,尚未见国产的该类商品化基材。当然,基材达到高性能需要有相应树脂与填料、玻璃布、铜箔等材料匹配,这些基材的材料来源如何也是值得深思的。

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    4把握产业核心技术


    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,把国内先进水平的基材产品遗漏了,或者写错了、贬低了,欢迎指正。而当前外国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,这事实就是说明了国产与国际先进基材的差距,这属“关键核心技术受制于人的局面”。


    我国通讯设备制造商华为、中兴是进入5G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5G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,中兴没有自己的芯片,国内也没有高性能芯片,命脉在他人手中,现在美国卡住了芯片,就没有中兴的活路。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。


    习总书记在今年的两院大会上还讲到:“实践反复告诉我们,关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的。只有把关键核心技术掌握在自己手中,才能从根本上保障国家经济安全、国防安全和其他安全。”假若美国也来一下高性能基材不允许出口中国的禁令,那么我们的5G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、危言耸听。但当下的“白宫贸易盲动症”情况下,仍需要警示。我们看事物讲辨证法、一分为二,坏事会变好事,让美帝的制裁变成发奋图强的动力!


    国内的PCB用基材制造企业是在努力开发、推出高性能基材,正在接近国际先进水平。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,也得到了政府的奖励或资助,相信他们能开发出先进的高性能基材。现在希望早日实现高性能基材国产化,掌握产业核心技术,掌握产业发展主动权,使我国印制电路产业持续安全发展。


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