一文看懂PCB的技术变化与市场趋势

01 8月 2017

作为重要的电子连接件,PCB几乎用于所有的电子产品上,被认为是“电子系统产品之母”,它的技术变化及市场趋势成为众多业者关注重点。

电子产品当前呈现两个明显的趋势,一是轻薄短小,二是高速高频,相应地带动下游PCB向高密度、高集成、封装化、细微化和多层化的方向发展,对高层板和HDI的需求日益提升。

高层板配线长度短,电路阻抗低,可高频高速工作,性能稳定,可承担更复杂的功能,是电子技术向高速高频、多功能大容量发展的必然趋势。尤其是大规模集成电路的深入应用,将进一步驱动PCB迈向高精度、高层化。

目前8层以下的PCB主要用于家用电器、PC、台式机等电子产品,而高性能多路服务器、航空航天等高端应用都要求PCB的层数在10层以上。以服务器为例,在单路、双路服务器上PCB板一般在4-8层之间,而4路、8路等高端服务器主板要求16层以上,背板要求则在20层以上。

HDI布线密度相对普通多层板具有明显优势,成为当前智能手机主流的主板选择。智能手机功能日益复杂而体积又向轻薄化发展,留给主板的空间越来越少,要求有限的主板上承载更多的元器件,普通多层板已经难以满足需求。

高密度互联线路板(HDI)采用积层法制板,以普通多层板为芯板叠加积层,利用钻孔,以及孔内金属化的制程,使得各层线路内部之间实现连结功能。相比仅有通孔的普通多层板,HDI精确设置盲孔和埋孔来减少通孔的数量,节约PCB可布线面积,大幅度提高元器件密度,因而在智能手机中迅速完成了对多层板的替代。

HDI的技术差异体现在增层阶数,增层数量越多,技术难度越大。HDI按照阶数可分为一阶HDI、二阶HDI、高阶HDI等,其层数表示为C+N+C,其中N为普通芯板层数,C则为增层次数,即HDI的阶数。高阶HDI布线密度更高,但与此同时压合次数多,存在对位、打孔和镀铜等技术难点,对厂家的技术工艺和制程能力有较高要求。

近年来高端智能机中流行的任意层HDI则为HDI之最高阶,要求任意相邻层之间都有盲孔连接,可在普通HDI的基础上节省近一半体积,从而腾出更大空间容纳电池等部件。

任意层HDI需要用到镭射钻孔、电镀孔塞等先进技术,是生产难度最大、产品附加值最高的HDI类型,最能体现HDI的技术水平。当前由于技术和资金壁垒较厚,生产能力主要集中在日韩、台湾以及奥地利AT&S等大厂手中。

ADAS和新能源车双轮驱动,汽车电子成长趋势明确

汽车行业当前两个重要的发展方向是智能化和电动化。ADAS(Advanced Driver Assistance System)作为实现完全智能驾驶前的过渡,已成为各大车厂和跨界而来的互联网巨头争相布局的新战略高地,其涉及到的电子装置几乎覆盖了全车所有驾驶和安全相关的系统,随着ADAS的快速渗透,汽车电子化水平将得到全面提升。

而新能源车则代表着汽车电动化的方向,与传统汽车相比,其对电子化程度的要求更高,电子装置在传统高级轿车中的成本占比约为25%,在新能源车中则达到45%-65%,独特的动力控制系统(BMS、VCU和MCU)使得整车PCB用量较传统汽车更大,三大动力控制系统PCB用量平均在3-5平米左右,整车PCB用量在5-8平米之间,价值数千元。

ADAS和新能源车成长迅猛,双轮驱动之下,汽车电子市场近年也维持着15%以上的年增长率。相应地带动车用PCB市场持续向上,据Prismark预测,2018年车用PCB产值将超过40亿美元,成长趋势非常明确,为PCB行业注入新增动能。汽车电子供应链相对封闭,产品要经过一系列的验证测试,认证周期较长。而一旦通过认证,则厂商一般不会轻易更换,供应商能够获得长期稳定的订单,利润率也相对更高。

智能手机驱动PCB加速成长,进入存量时代增速换挡

智能手机过去一直是PCB行业的主要驱动力。移动互联网时代越来越多的用户由PC转向移动终端设备,PC计算平台的地位迅速被移动终端取代,自2008年开始,随着苹果引领的智能手机浪潮兴起,全球消费电子零组件企业快速发展,尤其是2012~2014年,智能手机进入快速渗透期,开启了一个千亿美金的市场。因此PCB上一轮的快速增长是以智能手机为代表的移动终端下游驱动的。

根据Prismask数据,2010年到2014年间,PCB下游智能手机市场达到了24%的年均复合增长率,远超过其他下游行业,提供了PCB产业的主要增长动力。

在高端PCB方面,以HDI为例,手机是HDI的传统市场,以2015年的数据为例,智能手机占到了过半的比例, 而从智能手机的视角来看,目前新产机型几乎所有的产品都采用HDI作为主板。

无论是从PCB全品类角度还是高端HDI角度来看,都是智能手机的高速增长带来了下游的繁荣需求,从而支撑起全球PCB优势企业的业绩增长。

但不可否认的是,经历了快速渗透的爆发期之后,智能手机逐步进入存量时代,国内智能手机市场自2014年开始增速就已放缓;全球市场方面,据IDC2016年11月发布的最新预测,2016年全球智能手机出货量预计14.5亿部,增速大幅度跳水,仅为0.6%。增速数据方面,尽管PCB产业半数下游应用仍由手机支撑,但包括HDI在内的多数PCB品类在移动终端领域的增速已换挡放缓。

智能手机巨头创新势在必行,功能创新引爆存量换机需求。

尽管在经济下行的大背景下,智能手机行业步入下半场已成定局,但在大存量的基础上,一旦领头羊苹果等厂商进行功能创新,由于示范效应其它厂商跟进,消费者需求增加将推动换机热潮。智能手机的大存量市场仍蕴藏巨大潜力,各终端巨头厂商将竭尽所能改善消费者痛点从而激发换机需求,抢夺市场份额。因而智能手机,作为过去PCB主要的下游应用,对PCB的成长驱动在巨大的存量边界里仍有巨大潜力。

纵观过去两三年来智能手机发展趋势,指纹识别、3D Touch、大屏、双摄等持续创新点曾不断涌现,也不断刺激换机升级。

在手机进入存量时代的大背景下,大的体量基础决定了卖点创新引发的相对增长仍然会带来需求绝对数量的巨大提升。存量创新同样会影响全球PCB,未来若智能手机在PCB方面有所创新升级,考虑现有手机的出货规模和其他手机厂商迫切的跟进意愿,创新升级会加速渗透,从而出现类似与在光学、声学等领域出现苹果创新引领下行业优势厂商业绩和股价齐飞的Win-Win大满贯。

苹果引领全球PCB产业创新趋势

苹果公司是手机乃至整个消费电子行业的技术引领者。苹果每一次技术革新,都会给产业链带来举足轻重的影响。对于上游供应商而言,苹果对产业链的带动作用体现在两方面,一是苹果自身巨大的订单需求,二是对非A厂商的示范效应。

聚焦PCB行业,FPC和任意层互联HDI的爆发,都是由苹果坚定导入,吸引其他厂商跟进,由点辐射到面形成快速渗透的典范:

苹果是FPC坚定拥护者,带动FPC迅速渗透,领衔行业增长。

FPC又被称为“软板”,是以聚酰亚胺或聚酯薄膜等柔性基材制成的一种可挠印刷电路板,具有配线密度高、重量轻、厚度薄、可弯曲、灵活度高等优点,迎合了电子产品轻薄化、灵活化的潮流趋势。

苹果是FPC坚定的拥护者,其iPhone中使用了多达16片FPC,是全球最大的FPC采购方,全球前6大FPC厂商主要客户均为苹果。三星、华为、OPPO等厂商在苹果示范下也不断提升其智能机中的FPC使用量。

智能机作为FPC最主要的成长驱动力,正是受益于苹果及其示范效应的带动,FPC快速渗透,09年以来每年都能保持较高增速,15年更是作为PCB行业仅有的亮点,成为唯一实现正增长的品类。

苹果率先采用任意层互联HDI,引领上一次主板升级。在电子产品短小轻薄的发展主线下,手机主板也经历了“传统多层板—普通HDI—任意层HDI”的升级过程。

普通HDI是由钻孔制程中的机械钻直接贯穿PCB层与层之间的板层,而任意层HDI以激光钻孔打通层与层之间的连通,中间的基材可省略使用铜箔基板,从而让产品的厚度变得更轻薄。

由普通HDI向任意层HDI的升级正是由苹果引领,其在iPhone 4和iPad 2中首次采用任意层HDI,大幅度提升了产品的轻薄化程度。以iPad 2为例,相比iPad 1将厚度由1.34公分降到仅有0.88公分,主要原因就是采用了3+4+3任意层HDI替代普通HDI。苹果这一技术革新迅速吸引非苹阵营跟进,任意层HDI快速爆发,成为新一代主流的高端智能机主。

十周年纪念机iPhone 8大概率导入类载板,或开启新一轮主板革命。当前智能机中,主板所能搭载的元器件数几乎到了极限,要进一步缩小线宽线距,受制程限制已难以实现。

类载板(Substrate-Like PCB,简称SLP)在HDI技术的基础上,采用M-SAP制程,可进一步细化线路,是新一代精细线路印制板。预计苹果大概率会在其十周年纪念机iPhone 8中完成类载板的导入,主板由1片HDI分为3片小板,将采用类载板与HDI混搭的技术方案。

鉴于苹果创新对产业链的影响,比照苹果对FPC和任意层HDI的助推作用,本次技术革新将有望开启新一轮由任意层HDI向类载板的主板升级。

下一代M-SAP制程法类载板(SLP)

类载板(SLP)是下一代PCB硬板,可将线宽/线距从HDI的40/40微米缩短到30/30微米。从制程上来看,类载板更接近用于半导体封装的IC载板,但尚未达到IC载板的规格,而其用途仍是搭载各种主被动元器件,因此仍属于PCB的范畴。对于这一全新的精细线路印制板品类,我们将从其导入背景、制造工艺和潜在供应商三个维度进行解读。为什么要导入类载板:极细化线路叠加SIP封装需求,高密度仍是主线

智能手机、平板电脑和可穿戴设备等电子产品向小型化和多功能化方向发展,要搭载的元器件数量大大增多然而留给线路板的空间却越来越有限。

在这样的背景下,PCB导线宽度、间距,微孔盘的直径和孔中心距离,以及导体层和绝缘层的厚度都在不断下降,从而使PCB得以在尺寸、重量和体积减轻的情况下,反而能容纳更多的元器件。如同摩尔定律之于半导体一般,高密度也是印制线路板技术持之以恒的追求:

极细化线路要求比HDI更高的制程。高密度促使PCB不断细化线路,锡球(BGA)间距不断缩短。

在几年前,0.6 mm -0.8 mm节距技术已用在了当时的手持设备上,这一代智能手机,由于元件I/O数量和产品小型化,PCB广泛使用了0.4 mm节距技术。而这一趋势正向0.3 mm发展,事实上业内对用于移动终端的0.3 mm间距技术的开发工作早已开始。同时,微孔大小和连接盘直径已分别下降到75 mm和200 mm。

行业的目标是在未来几年内将微孔和盘分别下降到50 mm和150mm。0.3mm的间距设计规范要求线宽线距30/30μm,现行的HDI不符合要求,需要更高制程的类载板。

类载板更契合SIP封装技术要求。SIP即系统级封装技术,根据国际半导体路线组织(ITRS )的定义:SIP为将多个具有不同功能的有源电子元件与可选无源器件,以及诸如MEMS 或者光学器件等其他器件优先组装到一起,实现一定功能的单个标准封装件,形成一个系统或者子系统的封装技术。

实现电子整机系统的功能通常有两种途径,一种是SOC,在高度集成的单一芯片上实现电子整机系统;另一种正是SIP,使用成熟的组合或互联技术将CMOS等集成电路和电子元件集成在一个封装体内,通过各功能芯片的并行叠加实现整机功能。

近年来由于半导体制程的提升愈发困难,SOC发展遭遇技术瓶颈,SIP成为电子产业新的技术潮流。苹果公司在iWatch、iPhone6、iPhone7等产品中大量使用了SIP封装,预计iPhone 8将会采用更多的SIP解决方案。构成SIP技术的要素是封装载体与组装工艺,对于SIP而言,由于系统级封装内部走线的密度非常高,普通的PCB板难以承载,而类载板更加契合密度要求,适合作为SIP的封装载体。

类载板将采用哪种制造技术?半加成法MSAP是目前生产精细线路的主要方法,目前在印制线路板和载板制造工艺中,主要有减成法、全加成法与半加成法三种工艺技术:

减成法:减成法是最早出现的PCB传统工艺,也是应用较为成熟的制造工艺,一般采用光敏性抗蚀材料来完成图形转移,并利用该材料来保护不需蚀刻去除的区域,随后采用酸性或碱性蚀刻药水将未保护区域的铜层去除。

对于减成法工艺,最大的缺点在于蚀刻过程中,裸露铜层在往下蚀刻的过程中也向侧面蚀刻(即侧蚀),由于侧蚀的存在,减成法在精细线路制作中的应用受到很大限制,当线宽/线距小于50μm(2mil)时,减成法由于良率过低已无用武之地。目前减成法主要用于生产普通PCB、FPC、HDI等印制电路板产品。

全加成法(SAP):全加成法工艺采用含光敏催化剂的绝缘基板,在按线路图形曝光后,通过选择性化学沉铜得到导体图形。

全加成法工艺比较适合制作精细线路,但是由于其对基材、化学沉铜均有特殊要求,与传统的PCB制造流程相差较大,成本较高且工艺并不成熟,目前的产量不大。全加成法可用于生产WB或FC覆晶载板,其制程可达12μm/12μm。

半加成法(MSAP):半加成法立足于如何克服减成法与加成法在精细线路制作上各自存在的问题。半加成法在基板上进行化学铜并在其上形成抗蚀图形,经过电镀工艺将基板上图形加厚,去除抗蚀图形,然后再经过闪蚀将多余的化学铜层去除,被干膜保护没有进行电镀加厚的区域在差分蚀刻过程中被很快的除去,保留下来的部分形成线路。

MSAP的特点是图形形成主要靠电镀和闪蚀。在闪蚀过程中,由于蚀刻的化学铜层非常薄,因此蚀刻时间非常短,对线路侧向的蚀刻比较小。

与减成法相比,线路的宽度不会受到电镀铜厚的影响,比较容易控制,具有更高的解析度,制作精细线路的线宽和线距几乎一致,大幅度提高成品率。半加成法是目前生产精细线路的主要方法,量产能力可达最小线宽/线距14μm/14μm,最小孔径55μm,被大量应用于CSP、WB和FC覆晶载板等精细线路载板的制造。

类载板虽属于印制线路板,但从制程来看,其最小线宽/线距为30μm/30μm,无法采用减成法生产,同样需要使用MSAP制程技术。

载板厂商握有技术优势,HDI厂商则更具动力

类载板属于PCB硬板,其制程则介于高阶HDI和IC载板之间,高端HDI厂商和IC载板厂商都有机会切入:

载板厂商握有技术优势,关键在于切入意愿。载板的制程高于类载板,对于载板厂商而言,类载板的MSAP制程技术较为熟悉,从载板转产或扩充产能投入类载板不存在技术壁垒,将在产品良率等方面占据优势。

然而类载板尚不能达到载板的精细度,应用在手机中其售价也可能会受到限制,导致利润水平不如载板厂商原本的高端产品,同时类载板也存在无法大量普及的风险。因此载板厂商需要仔细权衡转产或扩产的收益与风险,关键不在于技术而在于其切入意愿。

HDI厂商更具动力,良率将是关键。与IC载板相比,HDI竞争日益激烈,逐步变为红海市场,利润率下滑。面对类载板带来的契机,HDI厂商一方面可借此获得新增订单,另一方面可实现产品升级,优化产品组合和盈利水平,因而切入意愿更强,率先布局的动力更足。

由于类载板的制程更高,HDI厂商要投入资金改造或新增制造设备,MSAP制程技术对HDI厂商来说也需要学习时间,从减成法转为MSAP,产品良率将是关键。

龙头厂商积极布局,拥抱新成长红利

由于苹果对产业链强大的带动作用,各大厂商看好类载板的渗透前景,为分享红利纷纷跑马圈地提前布局:

其中景硕在新丰厂生产类载板产品,公司判断需至少20亿新台币的资本支出,且类载板将成为明年收入增长的主要动力;

欣兴正式宣布跨入类载板,调增资本支出,2016年第四季度投入超过15亿新台币、开始设备进货,以增加曝光机及镀金等制程来提升细线化;

AT&S投资1390万欧元在重庆建设生产SLP工厂,和上海工厂一起构成公司的SLP生产能力布局;

在高阶HDI细线路累积了丰富经验的华通,也已积极布局类载板产线,正在芦竹厂试产类载板,目前进度良好,预计今年下半年将可大量出货;揖斐电也在积极提升SLP良率,但尚无意愿扩大产能。

类载板若顺利导入将改变苹果PCB供应链格局,本土优质HDI厂商将迎来机遇。

对于类载板自身而言,新技术大规模投产需要时间,这些早期有所布局的厂商产能不会太大,我们预计会由多家日台龙头企业共同供货,本土厂商短期内进入的可能性不大;而日台厂商转供类载板后,HDI供应将出现潜在空位,新一代iPhone中使用了诸多新技术,为缓解元器件成本压力,其中的HDI供应或将更多地向大陆优质厂商转移,本土厂商的机会正在于填补HDI的空位。

高性能覆铜板渐成大势所趋

电子工业飞速发展的同时,也带来了电子产品废弃物所导致的污染问题。有关研究实验已表明,含有卤素的化合物或树脂作为阻燃剂的电气产品(包括印制电路板基材),在废弃后的焚烧中会产生有害物质。

同时随着PCB下游需求成长分化,汽车电子、LED等快速发展的领域对覆铜板材料提出了特殊要求。无卤、无铅、高 Tg(玻璃化转换温度)、高频、高导热等高性能特种覆铜板的需求日益提升:

环保型材料发展迅猛。随着全民的环保意识觉醒,环保审查日趋严格,世界各国都已出台相关法案或行规对印制板卤素的使用进行限制。自2008年年初以来,在国际大厂无卤时间表的推动下,电子行业要求无卤的呼声更加强劲,绿色和平组织每季度都会推出新的绿色电子排名,索尼、东芝、诺基亚、苹果等众多电子整机巨头对无卤板材的要求也变得越来越强烈。据Prismark的估测,2011-2016年无卤FR4板复合增长率最高,将达到21.5%,研发环保材料已成为当前CCL行业一项重要的工作。

LED快速发展使高导热覆铜板成为热点。小间距LED具有无拼缝、显示效果好、使用寿命长等优势,近年开始爆发渗透,成长很快,相应地其所需的高导热覆铜板也成为热点。

车用PCB对产品质量和可靠性要求非常严格,多采用特殊性能材料覆铜板。汽车电子是PCB重要的下游应用。汽车电子产品首先必须满足汽车作为一个交通工具所必须具备的特征,温度、气候、电压波动、电磁干扰、震动等适应能力要求更高,这对车用PCB的材料提出更高的要求,多采用特殊性能材料(如高Tg材料、耐CAF(压缩石棉纤维)材料、厚铜材料以及陶瓷材料等)覆铜板。

来源:PC技术网

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