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5G對PCB工藝的挑戰

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發表時間:2019-09-03 10:46
1G打電話,2G聊QQ,3G刷微博,4G看視頻,5G一秒下載一部電影……相信這是大多數國民對移動通信技術迭代的理解。殊不知,第五代移動通信技術(5G)作為新一代革命性技術,不僅意味著數據傳輸速度的成倍提升,還是一個真正意義上的融合網絡,相關的應用領域將得到促進,比如物聯網、工業4.0、人工智能、車聯網和互動式多媒體等應用會放量普及,進而形成“萬物互聯”的時代。
PCB作為“電子產品之母”,下游消費市場的深刻變化將直接影響PCB行業的發展軌跡。業內普遍認為,未來三到五年內5G通信將超越如今的智能終端、汽車電子兩大應用市場,成為帶動PCB產業增長的第一引擎。
中國PCB挺進5G時代
從2010年至今,全球PCB產值的增長率總體下滑。一方面,快速迭代的終端新技術不斷沖擊低端產能,曾經位于產值首位的單雙面板逐漸被多層板、HDI、FPC、剛柔結合板等高端產能所取代。另一方面,終端市場需求的疲弱、原材料的異常漲價也令整個產業鏈動蕩不堪,PCB企業致力于重塑核心競爭力,從“以量取勝”轉型到“以質取勝”“以技取勝”。
值得自豪的是,在全球電子市場和全球PCB產值增速雙下滑的背景下,中國PCB產值每年的增速均高于全球,總產值占全球的比例也顯著提升,顯而易見,中國已成為全球PCB行業的最大生產國,由此中國PCB產業有更好的狀態去迎接5G通信的到來!
放眼本土PCB制造商,正式進入5G試產階段的企業有三家,分別是深南電路、崇達技術、興森科技。與此同時,越來越多的本土PCB企業不甘示弱,積極加入5G競賽。奧士康、中京電子、立訊精密、杰賽科技均已籌建了自己的5G研究中心;滬電股份、明陽電路實現了小批量的5G PCB供貨;東山精密、依頓電子正加大投資力度,布局5G PCB生產基地……可見,5G通信已成為中國PCB企業不可缺席的一戰。
積極看好5G PCB市場
“事實上5G通信已經提了好幾年,真正的產品落地應該是在2019年?!迸d森科技采購管理中心元器件采購經理吳遠利接受采訪時表示,“所以目前5G產業鏈的格局尚未形成,所有企業都有資格去爭取5G話語權??梢灶A見的是,未來三年內5G肯定會成熟并快速發展起來,這場5G PCB爭奪賽一定非常精彩!”
金百澤科技總工程師陳春告訴記者:“從去年開始金百澤為客戶打樣試驗5G產品,目前已經開始為部分客戶生產一些中等批量5G訂單?!睋榻B,金百澤科技是一家服務于研發的集成電子電路設計與制造服務商,業務包括電子產品硬件設計、PCB設計、PCB制造、EMS和BOM工程優化等。
陳春說道:“據相關產業調研資料顯示,全球僅僅5G帶來的射頻側基站用PCB年產值可達240億元人民幣/年以上(中國大陸預計占50%),是4G的四倍以上?;?G的PCB技術規范要求,除了PCB本身的需求,5G的應用將為高頻高速材料、更精密的生產和檢測設備、表面處理新工藝等上游供應商都將帶來新的增長動能?!?/span>
作為國內知名的PCB設計公司,一博科技從設計的角度去估算5G通信對PCB產業帶來的市場價值?!?G的普及,需要在相同面積區域內布局更多的射頻發射設備。換句話說,就是需要大量的信號射頻裝置,才能滿足5G數據傳輸以及全天候覆蓋整個社會區域。這些設備的需求對高頻板材及高頻線路板加工都是巨大的推動力?!币徊┛萍佳邪l副總吳均如是說。
5G通信對PCB工藝的挑戰

5G PCB工藝技術發展方向
對材料的要求:5G PCB一個非常明確的方向就是高頻高速材料及制板。吳均指出,高頻材料方面,可以很明顯地看到如聯茂、生益、松下等傳統高速領域領先的材料廠家已經開始布局高頻板材,推出了一系列的新材料。這將會打破現在高頻板材領域羅杰斯一家獨大的局面,經過良性競爭之后,材料的性能、便利性、可獲得性都將大大增強。所以說,高頻材料國產化是必然趨勢。
在高速材料方面,吳遠利認為400G產品需要使用M7N、MW4000等同級別材料。在背板設計中,M7N已經是損耗最低的選擇,未來更大容量的背板/光模塊需要更低損耗的材料。而樹脂、銅箔、玻布的搭配將達成電性能與成本最佳平衡點。此外,高層數和高密度也會帶來可靠性的挑戰。
對PCB設計的要求:板材的選型要符合高頻、高速的要求,阻抗匹配性、層疊的規劃、布線間距/孔等要滿足信號完整性要求,具體可以從損耗、埋置、高頻相位/幅度、混壓、散熱、PIM這六個方面入手。
對制程工藝的要求:吳均認為,5G相關應用產品功能的提升會提升高密PCB的需求,HDI也會成為一個重要的技術領域。多階HDI產品甚至任意階互連的產品將會普及,埋阻和埋容等新工藝也會有越來越大的應用。
陳春補充道,PCB的銅厚均勻性、線寬的精準度、層間對準度、層間介質厚度、背鉆深度的控制精度、等離子去鉆污能力都值得深入研究。
對設備儀器的要求:吳遠利指出,高精度設備以及對銅面粗化少的前處理線是目前比較理想的加工設備;而測試設備就有無源互調測試儀、飛針阻抗測試儀、損耗測試設備等。
陳春則認為,精密的圖形轉移與真空蝕刻設備,能實時監控與反饋數據變化的線路線寬和耦合間距的檢測設備;均勻性良好的電鍍設備、高精度的層壓設備等也能符合5G PCB的生產需求。
對品質監控的要求:由于5G信號速率的提升,制板的偏差對信號性能的影響變大,這就要求制板的生產偏差管控更加嚴格,而現有主流的制板流程及設備更新不大,會成為未來技術發展的瓶頸。PCB生產企業如何破局,至關重要。
在品質監控上,金百澤更加強化關鍵產品參數的統計制程控制,要更實時化管理數據,使得產品的一致性得到保證,以滿足天線在相位、駐波、幅度等方面的性能要求。
如何管控5G的成本投入?
任何一項新技術,其前期研發所投入的成本都是龐大的,況且5G通信遲遲未有產品落地,“投入高、回報高、風險大”成為業內共識。如何平衡新技術的投入產出比例?本土PCB企業在成本管控上各顯神通。
吳均認為,成本管理有兩條路,一條是通過生產規模和產能的增大來平衡成本,這會形成一些大型的生產企業;另一條路是針對產品快速研發、交付的PCB生產企業,產品設計研發更靈活,從而應對產品周期縮短帶來的快速交付壓力。
擁有硬件設計、PCB設計優勢的金百澤認為,降本增效最關鍵的是從源頭抓起。陳春解釋道,首先在PCB的工程設計階段,就要圍繞成本進行優化設計,并召集跨部門小組進行成本方面的專項評審,通過采購、生產和工藝等部門的工程階段的早期參與,提出更多的降成本設計。比如可以通過定制板材尺寸、相似工藝流程產品合拼來提升利用率,加大生產板尺寸,優化疊層結構降低板材成本。
區別于前兩者,興森科技的成本管控邏輯更有大刀闊斧的特色,只要投入產出一定成正比,興森就有信心攻破。就以其IC載板業務來說,從2013年布局至今,五年內投入超過10億元人民幣,卻得到連續五年的虧損。直到2018年下半年,興森科技終于成功切入到韓國三星、金士頓、海力士等知名企業的產業鏈,訂單如同雪花般涌來。目前公司IC載板業務已經滿負荷運作,訂單甚至排到了明年。
同理,興森科技肯定不會錯失5GPCB市場的無限商機。吳遠利表示,一方面5G PCB技術起點高,前期設備投入資金大,專業人士缺乏,一般的中小型企業是很難一蹴而就的。而興森科技在工藝技術、配套設備、專業人才上就一直儲備著競爭優勢。另一方面,由于5G通信產品遲遲未落地,短時間內5G PCB本質上是配套終端客戶研發的試產產品,這就要求PCB企業要全方位地與終端客戶、與設備廠商同步接軌,不斷調整、匹配客戶需求。目前興森科技已經與三星、華為、中興等全球5G領跑者達成長期合作,擁有明顯的客戶優勢。
此外,為了減少客戶采購和公司銷售的雙重成本,興森科技還不斷深化一站式的PCB定制化服務,從CAD設計、銷售、制造、SMT表面貼裝,甚至到電商平臺都在籌備之中。
在更智能、環保的環境下制造PCB
不可置否,PCB屬于高科技行業,但由于PCB制造過程中包含了蝕刻等工藝,PCB企業不知不覺間被誤解為“污染大戶”“耗能大戶”“用水大戶”。在高度重視環保和可持續發展的今天,PCB企業一旦被扣上“污染帽子”將會是舉步維艱,更別提發展5G技術了。因此中國PCB企業紛紛建設起綠色工廠、智能工廠。
環保方面,PCB企業所處地區的經濟越發達,受到的限制和管理就越大。興森科技、金百澤科技、一博科技三家制造工廠分別位于廣州、惠州、深圳,處于全國經濟最發達的廣東地區,所以在談及PCB環保工作時三位受訪者都深有感觸。
“節能環保是PCB企業繞不開的坎兒,興森科技除了投入巨資推進節能減排工作,還與政府機構、環保單位定期開展溝通交流,堅持貫徹國家政府的環保目標和要求?!眳沁h利說道。
智能工廠方面,由于PCB的加工流程很復雜,設備種類和品牌也很多,全面實現工廠智能化的阻力極大。目前一些新建工廠的智能化水平是比較高的,國內部分先進新建智能工廠的人均產值可達到行業平均水平的3~4倍以上。但另外一些是舊工廠的改造升級,不同設備之間、新舊設備之間均涉及不同的通信協議,智能化改造的進度緩慢。
據透露,啟哲科技在中山的智能工廠改造項目將于今年4月竣工。屆時,智能工廠內幾乎實現全自動化,所需的工作人員會進一步減少,預計產值會比原來的高出三倍以上。
“2019年金百澤正在探索打造一個數字化的中臺,來聯接前端服務和后端制造系統?!标惔航榻B道,“對金百澤自身而言,我們是比較早導入智能設計和制造概念的,因為我們多品種少批量柔性制造的特點,所以早十年前就應用了數字化的直接激光成像系統、智能噴墨打印系統等智能設備和智能工程軟件,這在行業是比較領先的?!?/span>


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