电子产品是全球经济的驱动力。从救生医疗设备到安全及安保系统、通信和汽车，电子产品无所不在。电子制造业通过提高生产力和不断创新，在本行业以及其他行业创造了大量就业机会。可穿戴设备、增强及虚拟现实、高端图形和视频等应用只是即将到来的基于电子技术创新中的一部分。
在许多方面，电子产品所带来的技术进步令人惊叹。电子系统的基础是PCB。没有PCB，半导体芯片和其他元件就无法附加。有一个很形象的比喻“芯片不能悬浮”，意思是有了PCB才能实现整个电子系统的互连。
需要生产复杂互连基板的可信赖制造商来支持关键任务应用。PCB大部分转移到亚洲，北美正逐渐萎缩。
对美国来说，对PCB技术和制造业进行投资，以保持电子制造业的实力具有战略意义，其投资将显著低于半导体行业的投资。
导致这种局面的原因
2000~2001年PCB生产转移至亚洲之前，美国PCB的生产价值略高于110亿美元。与日本一样，美国在这项关键和支撑技术方面处于领先地位。
今天，美国PCB产值刚刚超过35亿美元。生产下降的部分原因是OEM，他们在20世纪90年代中期生产专属互连以支持其硬件。然而，随着技术的进步，许多OEM决定关闭其PCB制造设施，转而由专业制造商提供。这些制造商主要来自海外，过去20年，中国已发展成为PCB行业的主要力量。
OEM内部制造的缺失导致了技术领先地位的失守。随着制造移向海外，大型OEM原有的工程和制造人才消失。此外，OEM专属工厂负责引导和利用研发、材料和加工方面的进步。然而，一旦做出外包决定，美国也失去了这些技术能力，包括在HDI和自动化领域的技术能力。
如今，北美的PCB制造商不到200家，远低于20世纪90年代的1500家。许多这些独立的生产基地都归属于少数几家公司。除了由10到12家大公司组成的核心集团之外，大多为小型、单一工厂，年产值不到1500万美元。批量生产已转移至中国等亚洲国家。
此外，图1显示了中国在HDI、微通孔、积层技术以及挠性电路领域的定位。HDI、微导通孔、积层技术对于小型化、实现下一代通信、高性能计算和IC载板、半导体封装至关重要。挠性电路，特别是大批量卷对卷生产，可服务于多种终端市场，包括汽车、医疗和计算机、笔记本电脑。
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图1:2020年中国和北美PCB产品类型划分
虽然产能的向外转移可能意味着北美PCB行业的未来更加暗淡，但仍存在一些机会。图1显示了多层PCB、挠性电路、刚挠结合及高密度(HDI)在北美的比重。制造商目前具备支持这些技术的一些能力，因此，需要进一步扩大产能。
图2:OEM 服务的主要 PCB 终端市场
PCB终端市场
虽然低端计算机及办公设备细分市场可能无法为美国PCB制造提供增长机会，但在通信和互联网基础设施方面仍有机会，还有航空航天与国防(A＆D)、工业自动化(智能工厂和CFX)，以及数据传输、网络安全和服务器、数据存储等“受保护”的应用。
技术发展趋势
据推测，2020年，全球前100家电子企业生产的产品价值超过2.4万亿美元。这一点很重要，原因如下：
- 排名前100位的企业推动了技术在其他方面的发展；
- 大多数公司总部都位于美国；
- 大多数PCB在其他地方制造。
今天，北美不再开发与高端PCB制造相关的最先进技术。当领先的OEM决定关闭其PCB工厂，转而从外部购买时，大部分研发能力也随之消失。例如，HDI是在美国发明的，它是一项很好的支撑技术，可实现更快的信号速度、更小的外形和更低的成本。然而，HDI的大部分生产以及HDI所依赖的互连(IC)载板都来自亚洲。这是主要问题，因为技术中心与生产相随，包括专用设备、材料、化学，当然还有PCB组装。现在众所周知的计算机芯片短缺使这种情况更加复杂。
将元件嵌入IC载板是北美在20世纪五六十年代发明的，当时属于实验室技术。如今，已发展成为一项价值数十亿美元的技术。但重点不是价值，而是技术。HDI和嵌入式元件是支撑技术，它们是下一代硬件的重要组成部分。北美已经失去生产此类产品的能力。
更糟糕的是，许多采购经理希望将PCB商品化，明确目标是压低价格。由于《美国国际武器贸易条例(ITAR)》和美国国防部要求，一些受保护的细分市场，例如航空航天和国防、物联网和高性能计算，必须通过可信赖的供应商网络在美国和北美制造。
机会并没有到此为止。包括人工智能(AI)、可穿戴设备、增材制造和“未来工厂”在内的不断发展和支撑技术的发展趋势，为北美PCB公司拓展业务提供了充足的手段。然而，需要这些公司加强技术能力竞争优势。
机会领域
在电子互连行业发生的许多重大变化中，中小规模企业都有机会加快其技术发展。
首先，这些公司要想取得成功，就必须不断地了解所在行业以及其他可能影响其业务的行业的发展动态。例如，人工智能(AI)如何影响电子行业？随着产品开发用于高频应用，对材料和电子制造意味着什么？制造商需要确保工艺和材料结合在一起，以支持先进制造。
预计在未来5年内，OEM产品运行的最大频率将增加（图3）。通信领域OEM预计频率将达到77GHz及以上。他们还预计产品的最大预期寿命将增加至25年以上。这对PCB尤其重要，因为这将推动更高的可靠性要求。
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图3:预计未来5年的平均最大频率
图4和图5显示了其他领域的机会。
图4:OEM趋势——神经网络
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图5:接受调查的OEM有半数生产物联网产品
然而，虽然这些技术趋势为PCB制造商带来了机遇，但同时也带来了重大挑战。当作者采访9家PCB制造商的代表时，以下问题被提到最多：
- 更多的层数、更高阶的HDI 、更厚的PCB·更精细的走线和间距小于2 mil
- 更精细的间距· 超HDI· 小元件和微型BGA
- 更高的厚径比
- 堆叠盲孔和可靠性问题
- 更薄的介质
- 高速材料处理
- 导通孔填充铜能力
此外，由于原材料和运输成本的增加已经挤压了利润空间，这些公司将难以吸引和留住熟练工人。多年来，如何发展和保留熟练人工一直是增长的障碍。该如何应对？
前进之路
大多数北美PCB制造商需要改变思维方式，以迈入高端先进技术及制造业。如果不进行战略投资，就无法提高质量和提升技术发展。他们需要升级和发展员工队伍，不仅是工程师，还包括了解工作流程、质量和交付时间等关键要求的制造人员。此外，还需要增加产能。是的，这一切都需要资金。然而，市场份额的损失、对海外制造的过度依赖和技术进步的减少是不可接受的。
目前，行业和政府部门正计划投资至少500亿美元，用于美国最先进的半导体芯片制造设施。即便如此，这些设施投入运营后，也只能满足美国芯片的部分需求。
这就引出了另一个问题：这些芯片会用在何处？电子系统不仅需要芯片，还需要有机基板、先进的多层板以及组装和测试(OSAT)。如果我们对北美科技产业的未来持认真态度，那么是时候认识到，没有电路板和集成电路载板，就没有半导体产业。
为了使美国跨越技术障碍，提升竞争地位，必须将HDI和超HDI作为先进电子制造的标准设计要求。但掌控HDI技术并不简单，需要在资本设备、人工培训、新加工技术的开发及采用方面进行大量投资，包括半加成工艺和传统金属化的替代技术。制造商必须掌握以下关键技术和工艺：
- 治具和材料选择
- 小孔钻孔和微钻孔
- 激光导通孔形成
- 去钻污，孔金属化和塞孔
- 精细走线和精密对准、图像转移和蚀刻
- 盲孔电镀（超级填充铜）
- 质量控制和认证（测试板、可靠性验证）
尽管如此，重振美国PCB行业所需的投资金额远低于半导体行业。基于过去几个月进行的初步研究，关键在于提高美国前100家PCB制造实体的制造产能和先进技术能力。每家工厂可投资1000万~1200万美元购买设备，以提高良率和技术能力，其中包括激光钻孔设备、激光直接成像、对准和减成法工艺技术，以及导通孔填充、金属化和内部质量控制的全面升级。建议投资及相关成本见表1所示。
表1:确定工厂定位，以明确所需的投资
表1所示，估计数值加起来约为1000万美元。假设这是增加一个工厂的产能和先进制造能力所需的主要支出；然而，这只是关键的起点，尚不包括自有建筑或租赁厂房的投资。
内部已经具备合理能力的中小规模PCB制造商如何投资呢？一是通过税收优惠和低息、无息贷款，补贴经鉴定的前100家OEM制造商和军用航空领域制造商。假设有100家公司投资，总投资只有10亿美元，远远低于芯片制造厂100亿美元的投资。
另一种可能的策略是，企业申请研发税收抵免，如果可能，利用新投资的加速折旧优势。
明智的做法是，对获得此类资金和奖励的公司提出更多要求，包括向员工支付适合的工资，并提供医疗福利，提供安全的工作环境，并根据投资增加相应的人工。
近期目标是在未来3年内将美国高可靠性复杂PCB和IC载板的制造产能翻番，然后在2027年前再将产能增加50%。
总结虽然这些扩容目标似乎过于乐观，但考虑到美国现有的PCB互连制造发展历史，仍相当可行。该倡议将涉及利用现有的设施基础来增加产能，并进一步发展制造技术。
如果联邦政府以及主要芯片制造商认真对待美国的半导体制造业，那么他们将需要在PCB制造和人工方面进行大量投资。
更多内容可点击这里查看，文章发表于《PCB007中国线上杂志》22年8月号，更多精彩原创内容，欢迎关注“PCB007中文线上杂志”公众号。
