近日，I-Connect007编辑团队采访了Ray Prasad，探讨了驱动元器件尺寸不断变小的因素以及对行业发展趋势的看法。他还简述了当前要重点关注前端、印刷和成像制程的需求以及其中的限制因素。
Nolan Johnson：行业的发展趋势显示电路板上元器件及特征的尺寸越来越小，并且正对制造供应链的生产能力造成压力。是什么因素在驱动这种发展趋势？ 是元器件导致电路板的特征越来越小，还是电路板的特征导致元器件越来越小？
Ray Prasad：如果从宏观来看，驱动力是摩尔定律。20世纪60年代，Gordon Moore博士提出了摩尔定律——即芯片的性能每18个月或两年就会提升一倍。芯片必须放在某种外壳——封装中。封装需要放到电路板上，电路板上会有很多这类封装。
电子通过金属线键合点、引线，再通过电路板上的微导通孔、电路走线，到达另一封装的金属线键合点，然后通过引线，最后回到芯片。电子就像在上下班高峰时段以低速往返。在这个过程中会有寄生损耗。芯片设计人员以皮秒为单位研究性能，但电路板设计人员在做时序预算时以纳秒为单位，电子会由于金属线键合点、电路走线等的感抗、容抗和阻抗而减慢。
为了提高性能，必须减小引线间距、引线尺寸、金属线键合点等。这些都是可提高电子速度的封装特征实例。从通孔元器件到表面贴装元器件，然后是细间距元器件、BGA器件、BTC器件、倒装芯片器件等都可改善封装性能。载板上的走线和间距也经历了类似的进程，但变化没那么大。20世纪80年代，线宽及线距是10密耳，而现在的批量生产中线宽及线距已能达到5密耳，有些公司甚至在推行4密耳的线宽及线距，这就是为什么电路板性能成为整个电子系统性能瓶颈之一的实例。
Dan Feinberg：尺寸和重量是一个主要因素，尤其是当我们要求各种设备完成越来越多功能的同时还要求它们体积越来越小。
Prasad：是的，但是归根结底，完全取决于具体的应用。当然，在消费类应用中，重量和成本将是主要驱动因素。但是如果处理器是25瓦，在这种情况下，散热性能将是主要驱动因素。当然，在任何应用中，成本始终都很重要。但同一因素并不是所有应用的主要驱动者，如果使用的是人造卫星设备并要进入太空，那么他们不会在意成本。即使在诸如笔记本电脑之类的消费类应用中，如果拥有大功率的器件，并且不希望使用风扇对其进行散热，那么散热性能将变得至关重要。所以元器件的尺寸完全取决于应用。
Matties：对于组装制程，那么您认为行业在面临更细间距方面存在哪些挑战？
Prasad：组装方面包括印刷焊膏、贴装、回流焊接、清洗、测试元器件并在必要时进行返工。所有这些制程步骤都会受到间距的影响。印刷焊膏制程受到的影响最大，如果间距小于10密耳，就很难将焊膏印刷在电路板上，因为焊盘太近可能会导致桥接。对于拥有先进基础设施的公司，他们可以毫无问题地为间距约为16密耳的器件印刷焊膏。但是当间距小于16密耳时，印刷能力就成为了多数公司的主要制约因素。我认为真正的问题不会出现在贴装和回流焊接制程中。
Matties：您是说问题会出现在钢板和点涂制程中吗？
Prasad：是的，最大的问题是主要有两种缺陷，尽管IPC-A-610是一本有几百页的验收指南，列出了所有类型的缺陷，但是重要的缺陷是焊点是开路还是短路。如果仔细思考一下，就可以发现短路和桥接是决定成功与失败的真正缺陷。
有趣的是大多数公司的开路缺陷多于短路缺陷。如果让公司收集过去6个月的缺陷数据，并将公司的所有缺陷分为三类——开路、短路和其他，那么在任何一家公司中，开路缺陷的数量大约是短路缺陷的4倍到5倍，我提倡让短路缺陷的数量比开路缺陷更多，甚至可以达到6倍，知道为什么吗？
因为在在线、功能、外观测试中，短路缺陷都会显示异常，永远不会漏检掉。最终会发现短路缺陷，有这类缺陷的产品绝不会交到客户手中。但是开路或焊料不足缺陷可能会漏检掉，甚至可能通过在线测试，这就是为什么在客户工厂或现场发生故障时，供应商和用户之间会有很多困惑和分歧的原因，从根本上解决这个问题的代价可能会更大。
但是，如果使用最多的焊膏，桥接可能会多一点，但它们将无法从测试中漏检，因为可以在发货前发现这类缺陷。我还想强调一点，并不是说应该有很多桥接，而是在制程中应该有更多的桥接、更少的开路；桥接与开路的比值应接近6。当我们不断降低间距时，缺陷率会越来越高。
Matties：随着间距越来越细，由于短路和开路实质上很相近，您是否认为短路和开路之间会发生相互转化？
Prasad：会的，但是大家做的事情很奇怪。即使间距更密，仍会有更多的开路，因为他们看到桥接时，就会采取措施来减少焊膏量和钢板厚度。所以为了减少显而易见的桥接，通常会重新设计钢板（调整钢板厚度、钢板开孔）。
接着回答你的问题，随着间距的降低，必然会有更多的桥接，但是人们会修改其钢板和印刷制程，最后导致焊料不充分。可以预料，这将会导致更多的开路而不是更多的桥接。
Matties：即使间距更密，也会倾向涂布更少或更薄的焊膏。
Prasad：这就是为什么当涂布更少的焊膏时，更细间距PCB的缺陷水平是每百万个有1万多个（还有其他原因，例如引线脆性）。
Matties：焊膏制造商如何适应这种状况呢？
Prasad：对于焊膏印刷，有很多指南。其中之一是钢板开孔与焊料粉末颗粒直径的比率应为4.3或更大。换句话说，应有4个以上的焊粉末颗粒可穿过钢板开孔，以免堵塞钢板。钢板开孔宽度也有指南，开孔宽度大约是间距的一半。通常当间距较小时，开孔宽度要大于间距的一半。对于16密耳的间距，钢板开孔宽度应为10密耳。
较小的间距需要较小的焊料粉末尺寸。然而，焊料粉末的尺寸越小，焊料粉末的暴露表面积越大，更大的表面积意味着更多的氧化，且如果氧化更多，就会生成更多的焊球。对于较小的粉末，需要惰性环境，例如氮气。将这些粉末放入惰性环境中，确保它们不会被氧化，因为较小的粉末更容易被氧化。焊膏制造商发挥着巨大作用，尤其是细间距焊膏制造商。
Matties：钢板的构造形状也起着一定的作用。
Prasad：是的，对于更细的间距，需要更薄的钢板。对于钢板厚度，有一定的限制，取决于所采用的金属。当某些公司想要制作2密耳~3密耳的钢板时，会变得很困难，他们尝试使用聚酰亚胺胶带来制作钢板。此外，使用经过电镀的电铸钢板可以实现细间距。电铸钢板不是轧制钢，因此不会很坚固，普通钢板的成本是200到300美元，电铸钢板的价格为800美元至900美元。
需要具有光滑表面的电铸钢板，使开孔侧壁不会粘附任何东西，并且提起钢板时，需要沉积的所有材料都必须全部沉积在电路板上。如果表面不是很光滑，则提起钢板时，其中的一些锡膏会被钢板一起带走，导致焊料不充分。
Matties：您所说的缺少焊膏是否是通过SPI检测过程确定的？
Prasad：是的，而且不论钢板厚度如何，被焊膏覆盖的焊盘面积要达到最低65％，最高125％至225％，因此需要进行检测。
Matties：我要说的是，如果要采用SPI，就是要在出故障之前，检测是否有足够的焊料或焊膏。
Prasad：这就是需要做的，需要设定焊盘覆盖率的最高值（接近100％）验收标准，SPI会有所帮助。
Matties：现在这是大多数工厂所使用的标准方法吗？
Prasad：不是每家公司都这么做，取决于具体情况。如果你购买一台50000美元的印刷设备，那么它就不会具有SPI功能，我还要提及的是，印刷设备需要的最重要功能是可将焊料从模板孔中吸出。当间距变小时，要确保焊膏不会卡在开孔中。随着间距越来越小，满足该要求会变得越来越难。通常更昂贵的印刷机（10万美元以上）才具备从较小的开孔中吸出焊料的功能，但并不是每家公司都拥有这样的印刷机。
Matties：对于细间距，您认为贴装不是问题，或者说应该没有问题。
Prasad：对大多数公司来说，贴装不是问题，因为大多数机器比过去的机型要好得多，即使偏离了标准， 1级产品和2级产品也允许偏离50%，而对于3级产品，可允许偏离25%。不必追求完美，可以实现自居中。当焊膏融化时，即使有点偏差，焊膏也会被拉回，实现自居中。
Matties：您指的是标准减成法工艺吗？
Prasad：是的，我认为现在加成法工艺尚不普及。
Matties：哪种产品采用了细间距技术？在电子产品领域，细间距技术的应用将会很普遍吗？
Prasad：没人想买一部大手机。任何需要产品尺寸小和重量轻的领域，都需要采用细间距技术。我们还在通过采用面阵列封装（例如BGA）进一步缩小产品。例如，如果将0.5mm间距的QFP转换为BGA，则间距将变为1mm，同时因为利用了封装的整个底部，尺寸还会变得更小。另外，当采用1 mm而不是0.5 mm间距的封装时，印刷就不会出现问题。
如果采用超细间距封装（例如10密耳），不仅会出现印刷问题，而且还会遇到很多操作问题，因为引线会非常脆。这是发生问题的另一部分原因（不是印刷问题），因为引线很脆时，在贴装之前，这类元器件会存在机械问题。
对于超细间距，贴装会变得更加重要。主要考虑的不只是间距，还有与之相应的封装类型。如果封装非常脆，而引线只位于封装主体四周（QFP），那么操作和贴装就非常关键。但是如果采用BGA或BTC封装，直接把封装放在其占位上就可以，因为BGA或BTC封装非常坚固。所以细间距技术的应用取决于封装类型。
Feinberg：我在CES2020展会上见到了一些设备，其中并没有电路板，换句话说，整个设备只有芯片，并且芯片与用户之间的连接和控制都是通过无线方式实现的。
Prasad：你可以对比一下硬件公司和软件公司的股票和市盈率。对于硬件，如果你遇到了瓶颈，可以使用软件或AI解决其中的一些问题。
Feinberg：是的，我们还没有办法通过电子流动超越光速。
Johnson：我很想在从减成法工艺发展至加成法工艺时再来讨论一下阈值，是否已明确定义了这个阈值，它有变化吗？
Prasad：我不是这个领域的专家。通过研究加成法工艺，发现很多的公司正在采用该工艺，无论是出于技术还是成本方面的原因。想象一下，如果我们能够制造1密耳或2密耳的电路板，现在需要的电路板层数就会从最初的8层或6层减少至2层。
然后，成本将会下降，但是由于1密耳或2密耳走线的缘故，成本又会上升，可能可以通过减成法工艺来实现，为什么不这样做呢？我不知道。
Johnson：2019年，我们与供应链中的行业同仁进行了多次探讨，有关元器件的一些建议是“尽可能减小体积”，因为汽车和手机制造的推动力正在促使元器件更小。根据这些物料专家的观点，延长产品生命周期的秘诀是使用最小的元器件。如果设计团队开始遵循这些指南，是否会促使他们采用其他工艺？
Prasad：我认为元器件的大小没有那么重要，我的建议恰恰相反，应该尽可能采用最大间距的元器件。如果我们谈论的是0402或0201电阻器和电容器，则尺寸比较重要。
Johnson：尽可能大的间距是有道理的。
Prasad：尽可能采用最大的间距，如果是薄封装，可以使用BGA封装来代替QFP封装。
Matties：您对埋入式有源元器件有什么看法？
Prasad：行业付出了很多努力，也有一些进展。我不清楚未来的走向，但请考虑一下无源电阻器和电容器埋入后所需要的流程。自20世纪80年代以来，我们一直在谈论埋入式无源元器件，但是今天你看到有多少埋入式无源元器件？如果已经很成熟，我们将不会使用0201或0105，因为在任何特定的电路板上，根据电路板的尺寸，你都会放置数百个此类无源元器件，这比尝试埋入主动元器件要简单得多。
Matties：为什么他们不使用埋入式无源元器件？
Prasad：一切都与成本有关。
Matties：埋入式无源元器件的成本会更高吗？
Prasad：是的，电路板的数量是可定制的，比如可以生产1块、5块、10块、20块、100块、1000块、10000块电路板；但当元器件制造时，生产数量在百万到几十亿个的级别。即使10000块电路板，也达不到制造数百万个及几十亿个元器件的制程效率和良率。对于大多数公司而言，每天10000块电路板已经达到了高速，对于元件供应商而言，却算不了什么。对于无源元器件的数量而言，更高达数十亿个，因为在小批量时很难获得效率并保证成本效益。
Matties：这次采访，收获颇多，谢谢你。
Prasad：不客气。
