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全球材料业发展趋势及挑战——华为前首席PCB专家对话台耀技术副总
  2022-10-25      

文章来源:PCB007中国线上杂志

近日,I-Connect007编辑团队采访了专栏作家Dana Korf,他一直在与全球最大的覆铜板和批量层压服务供应商之一的台耀科技股份有限公司(Taiwan Union Technology Corporation,简称TUC)进行合作。Dana简述TUC以及全球材料发展趋势,铜材仍是最重要材料的原因,以及有潜力迅速发展的一些非传统材料。Dana还邀请了TUC技术副总裁John Strubbe加入了此次采访。

Nolan Johnson:Dana,你观察到材料有哪些发展趋势?

Dana Korf:如果只看FR-4,确实没有什么新发展。因为汽车行业对高压的需求与日俱增,为了使FR-4可承受1500~2000伏的电压,材料领域只需略作调整即可。人们当然也希望这类材料可以保持长期可靠,但属于相对不太重要的技术需求。对于传统HDI技术,也只不过开发出了更薄的玻纤布。层厚变得越来越薄,所需要的层压循环次数也在增加,但也只是对材料属性进行了调整。

芯片封装已经供不应求,成为限制因素。很多像TUC这样的公司目前都可提供芯片级封装材料,这种材料的核准流程和汽车一样,比较长。

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Dana Korf 和 John Strubbe

John Strubbe:我主要研究数字应用所用低损耗材料。我经常跟别人说,我的工作就是试着用与FR-4材料价格相同的成本“在没有损耗的情况下节省更多空间”。现在对很多铜箔和树脂进行研究,也对玻纤布进行了大量分析。材料领域又开始研究石英和聚合物材料。虽然目标是将数字应用使用的材料损耗降到最低,但设计师面临的问题在于:即使把损耗降低到了一定程度,材料的性能还是不够理想。很多大型材料供应商现在也在分析研究降低损耗后节省的成本与为降低损耗而付出的成本孰轻孰重。而在RF领域,人们几乎只是在研发更好控制的RF材料以降低成本。

Korf:我在中国工作时,发现数字设计师依靠RF材料来降低损耗,而研发RF材料的人又依靠数字性能材料降低成本,这种现象目前仍在继续。我发现大多数材料研发工作背后的驱动因素都是为了降低数字技术领域的损耗和Df。FR-4材料种类不计其数,所以看起来这种材料已经可以满足市场需求;但是汽车行业需要能承受更高电压的材料,给其技术规范参数施加了一些压力,但压力并不是很大。

材料领域引人关注的是我们开始探究非玻纤替代方案。比如又开始关注石英,就像20世纪80年代一样。石英玻纤的问题在于用激光切割时会融化,材料不会蒸发掉。这是多年前我们尝试使用这种材料时就遇到的问题。

Johnson:这样就很难使用激光加工石英。

Korf:事情也因此变得有意思起来。

Johnson:现在在评估哪些非传统材料?

Strubbe:我们在研究表面粗糙度为"0"的铜,这种材料研发面临哪些局限?材料表面最后能否牢牢粘在树脂上?像很多技术一样,往往每二三十年循环一次,每个循环都有所提升。但从本质上来看,现在研究的都是之前研究过的材料。

Johnson:是否在研究其他可以替代FR-4的材料?就像IC中的摩尔定律一样:我们即将面临上限,那之后要采取什么措施?

Korf:上个月我做了一场材料技术主题演讲,有观众问“为什么要研发如此多不同的低损耗材料”。我回答说:“这是材料研发进程导致的结果。我们当时只能做到这些,过了一年,我们能根据现有的材料技术再把损耗降低一些,于是我们也这样做了。但当真的降低了损耗后,之前用过的材料突然间又变得更有吸引力了,因为这些材料要比新的低损耗材料成本更低。”制造商调整材料的组成之后就能接着使用以前的材料。如果能直接从A跳到Z,我们又何乐而不为呢?问题是我们做不到。过渡材料之所以能沿用很久,是因为在一些小众应用中使用这类材料可以降低成本。

Johnson:你对材料核心有什么看法?

Korf:目标是不要使用光纤。我们行业在尽其所能避免使用光纤,整个研发过程的宗旨就是“继续使用铜”。

Johnson:这对设计师在整体选材上有什么帮助呢?不久前我们讨论了增材制造技术,如果根据现有的增材制造技术去重新设计产品,就能减少设计层数,例如从16层减为8层。

这样不仅可以降低成本,而且还能提高良率和行业的整体产能,因为曾经需要用到的材料能节省一半。设计师如何才能改变其工作方式和材料的选择?

Strubbe:其实这么多年来只是需求发生了变化。从本质上来看,增材制造工艺并不是什么新技术,Kollmorgen(PCK)公司在20世纪70年代就发明此种工艺。随着时间推移,这种工艺也得到了不断改进。如果能在30英寸的空间内加工出2mil的线宽和线距,就能减少PCB层数。但并不是所有设计都能做到这一点。有些设计中的信号可以在超精细走线内传输,并且不需要担心电流问题,这种设计在很多应用中都是行得通的。如果从设计师的角度来看待技术和材料,决定性因素主要是信号完整性(signal integrity,简称SI)和功率/热量。目前出现了越来越多的厚铜设计,同一区域内需要装载的电子产品越来越多,产生的热量也就越来越多。

Korf:SI工程师会说,“我需要降低设计的损耗,但是用这种材料只能降低这么多,所以我必须把铜走线设计得更宽、更厚一点。但我也不能为了增加板面的密度让板层变得太厚,否则阻抗又会降低,导致出现其他问题。”设计师大多数工作都是从定时、损耗和材料走线的角度来控制限制因素。当材料对损耗的影响已经达到极致时,业界就开始研究走线的宽度;可是当走线宽度达到一定程度时,又会引起一系列其他问题。用电镀通孔的方式在层之间传输信号,这些通孔都需要焊盘,也就意味着要占用大量的板面积。

SI工程师不断地去研究铜的属性:铜表面粗糙度、铜的晶粒结构以及粗糙度。难点在于要把走线宽度增加到足以降低信号损耗的程度,可是宽度增加了,又造成板密度问题。对于设计师而言,他们面临的难题是为了保证SI要把走线设计得足够宽,可是阻抗又必须保持在50Ω,涉及到了5个限制因素中的2个。可以使用更低损耗铜箔、更低损耗玻纤或更低损耗树脂,归根结底是在各个方面投入的成本要实现平衡。信号完整性是导致这些改变的主要因素。

Strubbe:在汽车领域,设计师要问,“我设计出的产品现在要承受很大的电流,要怎么才能让这些电流从电池流回发动机?”这是他们要面临的挑战。可以从成本的角度出发略微调整传感器和现有材料,以满足不同频率应用要求——现在有很多公司都从事微波领域相关的生产,这是因为汽车行业让微波技术变得非常重要。设计师之所以会说“我要保证走线足够宽,但是BGA间距要小一些”,是出于信号完整性的考量。这两者之间有着天然的矛盾性。现在有一些真正的3D技术陆续问世,这类技术让设计师又多了一些不同的选择,可是这种技术也有其限制。

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Johnson:TUC有没有开展3D领域的研究?

Korf:现在有一些研发项目,但尚不方便对外公开。我能说的是,大多数材料都是以油墨为基础。层压板制造商也开始提供3D解决方案。

对于设计师而言,面临的还是由来已久的难题:要在有限的空间内纳入所有走线,但用于保证信号完整性的空间却变得越来越少。总是存在减少板层数的驱动因素。有句话说的很对,每增加2层,成本就会增加20%甚至更多。这是传统的成本问题。设计师能做的就是尽量不增加板层数。工程师在设计低端服务器时有最大板层数的要求,是为了保证材料成本不超出预算。此外,就算他们想要用低损耗材料,他们也不会用,仅仅是因为成本预算有限。但对于高端服务器而言,成本控制就不如降低损耗重要了。材料选择取决于具体应用。

我很喜欢最近那期主题为可制造性设计的《Design007 Magazine》杂志,尤其是讨论了设计师和制造商之间联系的文章,详述了设计师现在与制造商之间缺乏沟通的情况。这种情况多年来都没有得到改善,甚至还变得更糟了。因为买家在指定材料时并没有充分了解情况,他们不知道设计师如何才能使设计在降低成本和优化材料属性之间达到平衡。

Johnson:这和20世纪70年代的情况很不一样,当时我的邻居们都在Tektronix工作,电化学工厂和PCB设计团队的办公室仅一街之隔。设计师只要过个马路,去生产车间问一问技术人员,工厂生产能力是怎样的,这样的沟通可贯穿整个设计阶段。

Korf:那时候很多像Tektronix、Digital Equipment、Data General和IBM这样的大公司都有自己的制造厂,根据设计师确定的产品成本和性能就能在内部完成生产过程的调整。他们那时候的利润非常高,所以推动技术发展的驱动力来自公司内部。同时,他们也愿意投入更多时间研发新技术,可现在这种情况几乎都不存在了。

Andy Shaughnessy:我诧异的是这么多PCB竟然都能被制造出来。即使设计师在最后关头才和制造商沟通产品的设计,还是有很多设计能够成功实现。

Korf:上周我与一位IC行业的人聊天,说到了PCB行业的数据文件质量很差,需要用3D技术来改善数据文件,并且我们现在有机会从头做起。他问我,“什么意思?数据文件一直质量很好啊。”我说,“不是这样的,你们IC制造业如果接收到了有问题的数据文件,修正一个错误可能要花10万美元。但在我们行业,修正错误是不需要额外成本的。”

IC行业如果出现了不合格的数据文件或者错误,就要付出昂贵的代价,但对于PCB制造行业却并非如此。不幸的是,这就是问题的核心所在。可是对于设计师而言,这只是与材料有关,他们既要用成本高的材料改善线路性能和可靠性,又要尽可能保证成本足够低。这是设计师需要考虑的主要因素。

Strubbe:挑战一直存在。更多客户对速度要求越来越高,所以要担心的问题也越来越多。过去PCB设计师就是用CAD工具做好板面布局,可是现在的设计师都是电气工程师,因为产品设计的限制因素越来越多了。

Johnson:没错,这就是行业的发展演变。

Korf:是的,这些发展趋势并不是只出现在TUC,所有材料供应商都面临同样的问题。有些材料供应商只生产低端FR-4和CEM材料,这个市场非常大。

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