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5G对PCB工艺的挑战

1G打电话,2G聊QQ,3G刷微博,4G看视频,5G一秒下载一部电影……相信这是大多数国民对移动通信技术迭代的理解。殊不知,第五代移动通信技术(5G)作为新一代革命性技术,不仅意味着数据传输速度的成倍提升,还是一个真正意义上的融合网络,相关的应用领域将得到促进,比如物联网、工业4.0、人工智能、车联网和互动式多媒体等应用会放量普及,进而形成“万物互联”的时代。
 
PCB作为“电子产品之母”,下游消费市场的深刻变化将直接影响PCB行业的发展轨迹。业内普遍认为,未来三到五年内5G通信将超越如今的智能终端、汽车电子两大应用市场,成为带动PCB产业增长的第一引擎。
 
中国PCB挺进5G时代
 
从2010年至今,全球PCB产值的增长率总体下滑。一方面,快速迭代的终端新技术不断冲击低端产能,曾经位于产值首位的单双面板逐渐被多层板、HDI、FPC、刚柔结合板等高端产能所取代。另一方面,终端市场需求的疲弱、原材料的异常涨价也令整个产业链动荡不堪,PCB企业致力于重塑核心竞争力,从“以量取胜”转型到“以质取胜”“以技取胜”。
 
值得自豪的是,在全球电子市场和全球PCB产值增速双下滑的背景下,中国PCB产值每年的增速均高于全球,总产值占全球的比例也显著提升,显而易见,中国已成为全球PCB行业的最大生产国,由此中国PCB产业有更好的状态去迎接5G通信的到来!
 
放眼本土PCB制造商,正式进入5G试产阶段的企业有三家,分别是深南电路、崇达技术、兴森科技。与此同时,越来越多的本土PCB企业不甘示弱,积极加入5G竞赛。奥士康、中京电子、立讯精密、杰赛科技均已筹建了自己的5G研究中心;沪电股份、明阳电路实现了小批量的5G PCB供货;东山精密、依顿电子正加大投资力度,布局5G PCB生产基地……可见,5G通信已成为中国PCB企业不可缺席的一战。
 
积极看好5G PCB市场
 
“事实上5G通信已经提了好几年,真正的产品落地应该是在2019年。”兴森科技采购管理中心元器件采购经理吴远利接受采访时表示,“所以目前5G产业链的格局尚未形成,所有企业都有资格去争取5G话语权。可以预见的是,未来三年内5G肯定会成熟并快速发展起来,这场5G PCB争夺赛一定非常精彩!”
 
金百泽科技总工程师陈春告诉记者:“从去年开始金百泽为客户打样试验5G产品,目前已经开始为部分客户生产一些中等批量5G订单。”据介绍,金百泽科技是一家服务于研发的集成电子电路设计与制造服务商,业务包括电子产品硬件设计、PCB设计、PCB制造、EMS和BOM工程优化等。
 
陈春说道:“据相关产业调研资料显示,全球仅仅5G带来的射频侧基站用PCB年产值可达240亿元人民币/年以上(中国大陆预计占50%),是4G的四倍以上。基于5G的PCB技术规范要求,除了PCB本身的需求,5G的应用将为高频高速材料、更精密的生产和检测设备、表面处理新工艺等上游供应商都将带来新的增长动能。”
 
作为国内知名的PCB设计公司,一博科技从设计的角度去估算5G通信对PCB产业带来的市场价值。“5G的普及,需要在相同面积区域内布局更多的射频发射设备。换句话说,就是需要大量的信号射频装置,才能满足5G数据传输以及全天候覆盖整个社会区域。这些设备的需求对高频板材及高频线路板加工都是巨大的推动力。”一博科技研发副总吴均如是说。
 
5G通信对PCB工艺的挑战

 
对材料的要求:5G PCB一个非常明确的方向就是高频高速材料及制板。吴均指出,高频材料方面,可以很明显地看到如联茂、生益、松下等传统高速领域领先的材料厂家已经开始布局高频板材,推出了一系列的新材料。这将会打破现在高频板材领域罗杰斯一家独大的局面,经过良性竞争之后,材料的性能、便利性、可获得性都将大大增强。所以说,高频材料国产化是必然趋势。
 
在高速材料方面,吴远利认为400G产品需要使用M7N、MW4000等同级别材料。在背板设计中,M7N已经是损耗最低的选择,未来更大容量的背板/光模块需要更低损耗的材料。而树脂、铜箔、玻布的搭配将达成电性能与成本最佳平衡点。此外,高层数和高密度也会带来可靠性的挑战。
 
对PCB设计的要求:板材的选型要符合高频、高速的要求,阻抗匹配性、层叠的规划、布线间距/孔等要满足信号完整性要求,具体可以从损耗、埋置、高频相位/幅度、混压、散热、PIM这六个方面入手。
 
对制程工艺的要求:吴均认为,5G相关应用产品功能的提升会提升高密PCB的需求,HDI也会成为一个重要的技术领域。多阶HDI产品甚至任意阶互连的产品将会普及,埋阻和埋容等新工艺也会有越来越大的应用。
 
陈春补充道,PCB的铜厚均匀性、线宽的精准度、层间对准度、层间介质厚度、背钻深度的控制精度、等离子去钻污能力都值得深入研究。
 
对设备仪器的要求:吴远利指出,高精度设备以及对铜面粗化少的前处理线是目前比较理想的加工设备;而测试设备就有无源互调测试仪、飞针阻抗测试仪、损耗测试设备等。
 
陈春则认为,精密的图形转移与真空蚀刻设备,能实时监控与反馈数据变化的线路线宽和耦合间距的检测设备;均匀性良好的电镀设备、高精度的层压设备等也能符合5G PCB的生产需求。
 
对品质监控的要求:由于5G信号速率的提升,制板的偏差对信号性能的影响变大,这就要求制板的生产偏差管控更加严格,而现有主流的制板流程及设备更新不大,会成为未来技术发展的瓶颈。PCB生产企业如何破局,至关重要。
 
在品质监控上,金百泽更加强化关键产品参数的统计制程控制,要更实时化管理数据,使得产品的一致性得到保证,以满足天线在相位、驻波、幅度等方面的性能要求。
 
如何管控5G的成本投入?
 
任何一项新技术,其前期研发所投入的成本都是庞大的,况且5G通信迟迟未有产品落地,“投入高、回报高、风险大”成为业内共识。如何平衡新技术的投入产出比例?本土PCB企业在成本管控上各显神通。
 
吴均认为,成本管理有两条路,一条是通过生产规模和产能的增大来平衡成本,这会形成一些大型的生产企业;另一条路是针对产品快速研发、交付的PCB生产企业,产品设计研发更灵活,从而应对产品周期缩短带来的快速交付压力。
 
拥有硬件设计、PCB设计优势的金百泽认为,降本增效最关键的是从源头抓起。陈春解释道,首先在PCB的工程设计阶段,就要围绕成本进行优化设计,并召集跨部门小组进行成本方面的专项评审,通过采购、生产和工艺等部门的工程阶段的早期参与,提出更多的降成本设计。比如可以通过定制板材尺寸、相似工艺流程产品合拼来提升利用率,加大生产板尺寸,优化叠层结构降低板材成本。
 
区别于前两者,兴森科技的成本管控逻辑更有大刀阔斧的特色,只要投入产出一定成正比,兴森就有信心攻破。就以其IC载板业务来说,从2013年布局至今,五年内投入超过10亿元人民币,却得到连续五年的亏损。直到2018年下半年,兴森科技终于成功切入到韩国三星、金士顿、海力士等知名企业的产业链,订单如同雪花般涌来。目前公司IC载板业务已经满负荷运作,订单甚至排到了明年。
同理,兴森科技肯定不会错失5GPCB市场的无限商机。吴远利表示,一方面5G PCB技术起点高,前期设备投入资金大,专业人士缺乏,一般的中小型企业是很难一蹴而就的。而兴森科技在工艺技术、配套设备、专业人才上就一直储备着竞争优势。另一方面,由于5G通信产品迟迟未落地,短时间内5G PCB本质上是配套终端客户研发的试产产品,这就要求PCB企业要全方位地与终端客户、与设备厂商同步接轨,不断调整、匹配客户需求。目前兴森科技已经与三星、华为、中兴等全球5G领跑者达成长期合作,拥有明显的客户优势。
 
此外,为了减少客户采购和公司销售的双重成本,兴森科技还不断深化一站式的PCB定制化服务,从CAD设计、销售、制造、SMT表面贴装,甚至到电商平台都在筹备之中。
 
在更智能、环保的环境下制造PCB
 
不可置否,PCB属于高科技行业,但由于PCB制造过程中包含了蚀刻等工艺,PCB企业不知不觉间被误解为“污染大户”“耗能大户”“用水大户”。在高度重视环保和可持续发展的今天,PCB企业一旦被扣上“污染帽子”将会是举步维艰,更别提发展5G技术了。因此中国PCB企业纷纷建设起绿色工厂、智能工厂。
 
环保方面,PCB企业所处地区的经济越发达,受到的限制和管理就越大。兴森科技、金百泽科技、一博科技三家制造工厂分别位于广州、惠州、深圳,处于全国经济最发达的广东地区,所以在谈及PCB环保工作时三位受访者都深有感触。
 
“节能环保是PCB企业绕不开的坎儿,兴森科技除了投入巨资推进节能减排工作,还与政府机构、环保单位定期开展沟通交流,坚持贯彻国家政府的环保目标和要求。”吴远利说道。
 
智能工厂方面,由于PCB的加工流程很复杂,设备种类和品牌也很多,全面实现工厂智能化的阻力极大。目前一些新建工厂的智能化水平是比较高的,国内部分先进新建智能工厂的人均产值可达到行业平均水平的3~4倍以上。但另外一些是旧工厂的改造升级,不同设备之间、新旧设备之间均涉及不同的通信协议,智能化改造的进度缓慢。
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