EIPC冬季会议的主题是讨论全球电子产业的未来需求以及欧洲对此的解决方案,这次会议是一次真正国际性的活动,吸引了来自13个国家的代表团,共分5个部分,包含20个演讲,由EIPC主席Alun Morgan主持。举办地位于奥地利的萨尔斯堡。这座城市靠近奥地利与德国的边境,被萨尔察赫河一分为二,可以远眺东阿尔卑斯山的壮观风景,老城中还有很多中世纪和巴洛克建筑,著名的作曲家莫扎特就出生在这里,是个适合夏天来游览的好地方。
会议的开场Morgan借用了Walt Custer提供的数据,给出了全球主要终端电子产品市场的增长速度,并着重提到了增长速度位于前三位的产业:物联网21.0%,医疗电子设备6.5%, 汽车行业4.0%,它们均对欧洲的电子行业产生举足轻重的影响。Morgan认为物联网是由很多小事物组成的大系统,并且展示了这个自我学习的系统如何依赖小事物运作,系统中包含很多传感器,进行数据的感知、传输、存储、过滤、压缩及分析,同时再把决定及动作回传,形成一个不间断的循环闭环,尽管这种可连接性成本很高,并且有其局限性。
博世公司曾预言,现在我们所知的汽车将很快成为历史,将来汽车会成为物联网中的一个活跃部分,可以与交通中的其他连接模式进行通信。自动驾驶汽车对于Morgan和他所骑的摩托车同时来说都是个好消息,因为最终摩托车可以和路上的其他交通工具通信,不停地提醒他们所处的位置,行驶方向及速度。“我们可以围绕摩托车建立一个安全的电子安全空间。”骑行其中仍然充满乐趣,危险也减少了!
最近EIPC举办了生物微机电方面的研讨会,此次研讨会非常成功,Morgan认为这说明医疗诊断行业及“PCB实验室”微流体系统已经有了长足发展,它们可以用于在医院外或手术后医生进入病人家中并连接到云端,进行诊断和病人监护,同当前出现的互联世界融合。
同时,这些板块的显著增长给欧洲的PCB行业提供了大量机会。
不管美国总统Donald Trump创下了什么先例,但是Walt Custer不会把他的陈述建立在“假的事实”之上,他认为在当前英国准备脱欧的情况下,欧洲电子行业的前景处于“欧洲的紧张时期”。
Custer认为在2017年,除了汽车、医疗及半导体设备行业,全球电子设备的大规模市场趋于停滞,新兴的大规模产品仍未形成规模。全球PMI指数显示2016年底为正增长时期,英国工业生产年同比增长1.9%、欧元区为3.2%、美国0.5%、中国6.0%、印度5.7%,在2017年初期仍会继续增长势头。但是美国和欧洲充满政治不确定性,中东、俄罗斯、北韩及中国也有各自的问题。PCB行业的增长还受制于铜箔的供应短缺。
美元显著变强,导致美国本土公司进口价格降低,出口价格提高,但是强势的美元使得全球增长速率的计算变得更加复杂,如果采用2016年固定汇率计算,以美元标价的全球电子行业增长速率接近收支平衡状态,如果采用2016年第四季度的浮动汇率计算,与2015年同期相比,则降至-3.6%。总体来说,电子设备增长有限,原始设计商已经感受到了影响。Custer预计全球电子设备的增长有限,这种情况会持续到另一个大规模终端市场的出现之前,而这个市场将会是下一个个人电脑、媒体平板及手机市场。按照他的观点,汽车行业近期是最有希望的行业。
总体来说,Custer认为从全球角度而言,虽然还是需要仔细监测,但行业状况正在改善,而欧洲相对而言要更好一些。终端产品市场在增长,特别是汽车、医疗及半导体设备制造设备,因此可以预计欧洲的PCB制造商也会迎来增长。他预计在2017年,市场会趋于理性,但是地缘政治状况会成为一个大问题。
第一次技术会议的主题是“新系统设计及其对材料和工艺的影响”,Alun Morgan主持并介绍了会议的主讲人,Stig Källman,来自瑞典爱立信公司的全球PCB元件工程师,他描述了一个适用于当今3G、4G及未来5G的PCB材料工具箱。
“如果你的配方是正确的,不管你走到哪儿,味道都是一样的。” Källman对于PCB基材的选材采用了麦当劳巨无霸的产品逻辑,对原材料进行标准化,即玻璃、树脂及金属箔,这样整个爱立信集团的原材料需求随时都能够同样满足,同时原材料的性价比高,供应充足,且可以满足性能需要。
他的工具箱包含三个应用等级:第一级为E0材料是最好的候选材料,因为它在所需频率范围内具有最稳定的介电常数、低吸湿性和相对较低的损失,同时它可由无纺覆铜板及配套的粘结片获得,简化了设计流程。生产最大的挑战是材料的移动,需要特别注意才能达到对准及零件安装所需的精度。
通常来说,该PCB技术需要有薄基板处理能力、细线严格公差导体以及处理不同材料移动能力。必需的设备及能力包括非接触式测量、防水、激光直接成像、激光加工、钻孔铣削分板自动对准系统、等离子处理、清洁室环境及合适的测试检查系统,还需要对应于小体积、高精度部件的企业文化和持续投资的企业策略。
医疗电子设备,特别是可穿戴设备和植入设备的微型化及日益增加的功能对基材互连密度提出了越来越高的要求。Karl-Heinz Fritz来自同样位于瑞士的Cicor公司,在他关于超高互连密度印制电路板的演讲中给出了可行的解决方案。
他以简单的助听器为例子,现在它的功能仅仅是听力辅助,但是根据Karl-Heinz Fritz的推断,2.0版助听器将包含大量诊断和监护功能,同时大小尺寸保持不%E通用途;第二级是同类别的组;第三级为供应商具体数据。选择核心电介质的标准流程是在构建时用厚度作为输入值。对于预浸料,优先考虑的事情应该是指定玻璃纤维,接下来要求供应商采用正确的树脂含量实现标称厚度。
Källman给出了微带线和带状线设计时导体几何结构、介电间距及介电常数对阻抗的影响图表,列出了不同芯厚度、不同预浸料玻璃类型对应的成本指数值,同时展示了所有的无卤素材料及其满足爱立信公司目前及未来需要的特性,涵盖内容从基本的FR4.1到先进的微波基材。
尽管来自德国Isola公司的Helmut Kroener提前向大家道歉,因为他的演讲充满了大量数据,但是实际上他对于高频应用时层压工艺及PCB制造误差对贴片天线和馈源网络的影响给出了清晰且很有启发的阐释。
他采用77GHz雷达天线为例子,展示了如何用名为蒙特卡洛仿真的统计方法来确定关键误差,进而研究各独立变量对目标性能特性的影响。该流程首先采用用户定义的平均偏差和标准偏差对每个独立变量指定一个正态分布,接着基于正态分布概率为每个独立变量随机选择数值,使每个选择的变量独立亅,而有源组件的间距低于200微米,无源元件采用008004封装尺寸,目前的HDI技术已经无法提供足够的布线密度和元件空间,并且在具有成本效益的高产量方面已经达到了极限。
Cicor不仅擅长HDI PCB生产,在薄膜技术方面也有着长期丰富的经验,可使线及间距低至10微米,但是生产比较昂贵,以前仅用于小面板。目前该公司已经填补了这两种技术之间的空白,实现了超级HDI技术,可以达到25微米布线间距、90微米定位焊盘、35微米孔径,同现在的标准HDI相比,在内层可以节省37%的空间,外层节省30%。
他们的DenciTec产品可以全部采用PCB工艺生产305X457大小的面板。
FED董事长Rainer Thüringer教授做了上午最后一场演讲,FED是位于德国的一家专业协会,专注于设计、印制电路板及电子制造。他的主题是EMC共形板设计,演讲的题目叫做“最大化包含运行射频能量”,实际上它是与基础设计原则有关的非常好的基础指南。
他首先探讨了磁场和电场RF场是如何产生的,前者通过产生RF磁偶极场的差模电流引起辐射,后者通过由产生电偶极场的电感耦合引起共模电流辐射,进而他又探讨了如何通过良好的设计减轻这些影响。他清晰地阐释了能量在同层成对路径、不同层成对路径以及地平面单独路径上是如何分布的,同时强调了邻近效应在保存能量方面的重要性。实际上,返回电流总是沿着阻抗最低的路径,而对于高频脉冲,则总是沿着线路下面电感最低的路径。地平面不连续会导致返回信号顺着另一条路径前进,进而导致射频辐射,干扰信号质量。他给出了很多接地、滤波和降低电源连接处的电感回路的实践方法,同时探讨了EMI控制和信号完整性所需的PCB叠层,对电源及参考面定位、阻抗控制、串扰抑制及滤波方面提供了专家指导,最后得出结论,如果想要得到良好的信号完整性和EMC性能,电路板至少需要四层。
下午会议的第一部分议题是“能够实现高一次合格率的先进部件及附件科技”,由Chrisian Behrendt主持。
第一个演讲人是Wolfgang Schmitt,他来自德国的Heraeus Electronics公司,他介绍了一种熔接焊膏,为PCB镍金基板的焊接提供了一种无压低温方案。此种方案最初是为汽车和动力电子设备设计的,材料最初用于亚洲市场,现在欧洲也已经上市。在降低制造成本、加工成本和材料成本有潜在优势。
他阐释了熔接原理,5艺的能力范畴,需要替代方法来大量地制造细线PCB。
AltE3收集及反馈。最后,他把所有工序放在一起,展示了各工序公差会如何累积,并展示了如何优化整个工艺链,如何采用直接显像、光学内层对准及CCD钻孔降低误差。
会议第三部分的议题是焊接及可焊性表面处理的发展,由来自英国Polar Instruments公司的Martyn Gaudion主持。
尽管化学镍金(ENIG)存在腐蚀的问题,但是它仍然是最流行的PCB金属可焊接性表面处理方法。来自德国MacDermid Performance Solutions公司的Chris Klok陈述了化学镍金化学品取得的进展,同时重点介绍了目前对于化学镀镍腐蚀效果的特征,机理及控制方法的研究。
他解释说,实际上化学镍金中的沉淀工艺取决于可控腐蚀电流置换机理,而过多的电流置换或过多的局部电流置换会导致过度腐蚀导致弱焊点,提高出现焊点失效的风险。腐蚀水平和可接受性仍然是无法明确界定,当焊点失效时可能会带来争议。研究发现,如果要得到一致的化学镀镍效果且保持最低的腐蚀程度,需要控制三个因素:控制化学镀镍沉淀的磷含量,控制浸金化学工艺中的电流置换反应,控制金的厚度和分布。
化学镀镍沉淀物中磷含量高曾被认为比磷含量低更能提高抗腐蚀性能,但是当磷含量超过10%时就很难保证高的金厚度,同时沉淀物更倾向于金层粘合失效的风险。传统的ENIG系统依赖于控制化学镀镍速率的pH值,但是随着化学品的老化,增加pH值会降低磷含量,进而降低化学镀镍沉淀物的抗腐蚀性能。MacDermid公司优化了化学镀镍工艺,把磷含量保持在9%左右,同时在浸金工艺中引入了表面活化剂,以抑制腐蚀效果,提高金厚度的均匀性。
Klok还提到了当前的IPC-4552 ENIG标准包含了镍腐蚀的评估系统,可以给腐蚀争议提供指导,同时标准还包含了工艺控制和监测方法。
汽相回流焊技术再次引起了业内兴趣,特别是在无铅焊接中,因为这种技术可以提高湿润度和温度均匀性,同时没有过热的风险。来自法国Inventec Performance Chemicals公司的Emmanuelle Guéné展示了汽相回流焊接中无铅焊膏免清洗化学成分可靠性研究的结果。
研究首先比较了回流或者汽相回流焊接后焊膏残留物的可清洁性,进而比较了焊膏残留物的化学可靠性。
可清洁性试验选取了四种焊膏,其中的三种标称是免清洗的。测试组件分别采用不同浓度的含水清洗剂喷雾、共溶溶剂和单溶溶剂清洗。尽管人们预计汽相回流焊接样件更容易清洗,但是试验%Bmannn将改进的半加成工艺称为mSAP,它正逐步成为主流工艺,将HDI带入下一代。这种工艺采用3微米铜片,整个流程为:激光钻孔、化学镀铜、图形电镀、去膜、闪刻。Orbotech已在其Nuvogo Fine系列直接成像系统中使用了这种成像技术,它可以使最优线分辨度达到10微米,间距15微米,对准精度为+7.5微米,并配备了多波激光和大范围扫描光学器件,以最大化产量。
来自德国Schmoll的Stephan Kunz探讨了PCB制造工艺的对准以及提高产量降低成本的方法。
Schmoll在数控钻孔及分板机方面有着长期丰富的经验,现在正从战略角度逐步拓宽其设备范围,包括内层曝光、蚀刻后冲压、x射线钻孔、直接显像、阻焊层曝光及开槽,所有这些都有一个共同的主题,即对准。该公司正越来越专注于软件开发,Kunz 阐释了预防知识的数据库能够如何提高对准质量进而提高产量。这些系统的关键数据反馈可以用于降低制造公差的持续改进。
他探讨了有效面板识别的选项,然后一步步地分析了整个制造过程,对于每一个工艺都指出了如何提高质量、保存可追溯性数据、最大化对准精度、最小化误差,以及持续工艺改进中有效数据的生成%B果并没有显著的区别,所以可以得出结果:焊膏本身的特性及清洗流程相对于回流焊接方法本身对结果的影响更大。
研究的第二部分采用IPC TM-650中的方法(章节2.6.3.3,版本A)对四种焊膏进行了SIR测试,然后是更为严格的BONO残留物腐蚀性评估测试。结果显示,经过汽相回流后焊膏的SIR值总是存在轻微的降低,另外对流回流时SIR值接近限值的焊膏如果进行汽相回流则可能会不合格。由此可以得出结论,如果期望获得较高的化学可靠性,不建议采用“过激”的催化剂,比如卤素,特别是在汽相回流的情况下。对于两种不同的测试方法,BONO测试相对于SIR测试更加严格和敏感,因此其被用于焊膏开发,预测在恶劣环境中焊膏产生腐蚀的风险程度。
Inventec Performance Chemicals公司的第二个演讲的演讲人是Patrick Duchi,该演讲是关于免清洗无铅材料汽相去焊剂工艺的化学优化。
他概况了电子产品的装配趋势,清晰地指出微型化、无铅焊接以及免清洗助焊剂的使用对于PCB组装的可清洁性有直接的影响。微型化对可清洁性的一个关键影响是零件下的间隙很小。法律法规已经限制了清洁产品的选择范围,但是仍然有大量可供变量,再进行成千上万次的模拟运算,介电层厚度作为矢量,线宽、铜厚度、容积介电常数和底盘尺寸均作为独立变量。
仿真结果显示,介电常数公差由±0.05改为±0.02时,虽然成本非常高,但是对于阻抗和中心频率的影响很小,同时镀铜层厚度的整体影响也很小。影响最大的是蚀刻公差,其次是材料的介电层厚度。Kroener强调了层压板制造商的重要性,它们需要有正确的工具及能力,才能满足材料的开发进而满足客户的要求。他同时给PCB供应商提供了一项性能验证测试,可在线后端测试采用,具体方法是在面板上增加一个附加的测试板,以实现使用矢量网络分析仪对共振频率进行测量。
便携设备移动数据流量的增长以及机器之间的通信已经对目前的4G蜂窝网络提出了严峻的挑战。为了满足移动数据需求,5G手机可能采用毫米波架构。那什么科技可以提供所需的天线特性?来自瑞士Optiprint的Jim Francey和Terry Bateman展示了PCB可以为毫米波硬件提供很有吸引力的解决方案,同时通过在以合作者身份参加的MiWaveS FP7项目中的工作,探讨了互联和天线的技术要求。
经过对几种基材进行评估,液晶高分%子液体的特性,并介绍了其中特殊的一个类别——低共熔溶剂,这种材料不仅价格合适,还易于制取。MACEFEST项目使用的是氯化胆硷和乙二醇的混合物,它对于金属盐有着非比寻常的溶解特性,这已经在几种能够改变金属离子在溶液中的电化学特性的金属表面处理应用中得到了验证。
MACFEST项目致力于开发一种通用PCB表面处理技术,以提高引线可键合性和可焊接性,以传统专用化学镀镍为基础,通过离子液体化学在其上浸钯,接着浸金。这种名为“ENIPIG”的表面处理方法的可焊接性能经过独立测试的结果,同目前的表面处理方法相比非常好。而且,聚焦离子束横截面表明,化学镀镍没有出现与液体沉积相关的晶界腐蚀。
第一天最后一项活动是参观壮观的红牛7号机库,其所有人是红牛创始人Dietrich Mateschitz,里面收藏着各种年代的飞机、直升机及一级方程式赛车。参观结束以后,与会者一起在M32餐厅用餐,餐厅位于Mönchsberg现代艺术博物馆上方,可以俯瞰萨尔斯堡。
感谢Alun Morgan先生允许我使用他的照片。