2022年EIPC夏季研讨会回顾 第2天
上期我们刊登了Pete Starkey先生带来的EIPC夏季研讨会第1天的概要，本文是该会议的第2天回顾。参会者在前一晚的联谊晚宴上聊得酣畅淋漓，虽然难得与老友相见、相谈甚欢，但他们也没有完全放松，都早早休息了。早上9点，多数人都已来到了研讨会现场参加第4场会议，这场会议的主题是新工艺技术，主持人是Polar Instruments公司CEO Martyn Gaudion。
Kai Keller
数字技术在不断重塑电子制造业的发展趋势，德国Notion Systems公司业务开发总监Kai Keller博士分享了他对增材制造数字工艺发展现状的观点，并在发言过程中引用了Gartner的技术成熟度曲线。该曲线是对技术革新常见发展模式的图形描述。曲线首先从技术诞生的萌发期开始，迅速上升至膨胀的期望峰值，然后下跌到泡沫化的底谷期，随后又进入稳步上升的复苏期，最后走向生产力成熟期。
Keller博士表示，制造电子产品是一项很浪费资源的工作，尤其是整个过程会消耗大量的水。所以他的初心是探索整个电子产品的功能增材制造。在2004年，喷墨打印OLED才刚刚起步，但到了2021年，已经实现了高分辨率OLED显示器的批量生产。他说：“这个过程可能会需要很长时间，但增材制造工艺最终会得到普及，因为使用这种工艺具有深远的意义。”
他重点介绍了PCB阻焊喷墨打印工艺，回顾了该工艺自2003年以来的发展历程，如何一步步发展为成熟稳健、被市场接纳的技术。
Keller概述了这项工艺的基本原理，介绍了数据准备过程和全面的工作流程集成，评价了阻焊效果。数字喷墨阻焊打印工艺除了可重复性较高外，还有其他优点：孔内和焊盘上不会出现阻焊油墨，阻焊层厚度可调节，阻焊坝尺寸小且可靠。他还详细介绍了喷墨阻焊层天然的隆起曲线：更宽的底部提高了附着力，同时侧蚀区域无截留化学药水或污物。除此之外，他还展示了很多实例来说明此项技术可以精密控制尺寸。
Notion Systems公司的研发团队仍在进一步加大数字增材制造工艺的窗口，已经成功研发出适用于导体、介质、抗蚀剂、黏合剂、活化层、光学元件和涂层的40多种不同增材制造工艺。
Kunal Shah
美国LiloTree公司总裁兼首席科学家Kunal Shah博士带来了精彩的演讲，主题为适用于新一代PCB技术的新型无镍表面涂层。
Shah博士表示高频PCB是电子行业发展速度最快的领域之一，所以很有必要研发新的表面涂层方法，以获得最佳性能、更高的电子组件可靠性。
尽管化镍浸金（electroless nickel/immersion gold，简称ENIG）是目前高端PCB广泛使用的表面涂层工艺，对于5G频率却不是最佳的涂层，因为镍层会产生较高的插入损耗。ENIG还具有高腐蚀性问题和焊点过脆导致的失效问题。
目前可用于5G PCB的替代涂层包括直接浸金、化学镀钯浸金和化学镀钯自催化金，可这些涂层仍然存在高插入损耗和焊点脆性问题。同时，更厚的贵金属镀层本身性价比不高且不利于环保。
Shah介绍了一种新型无镍表面涂层，即在铜层上添加纳米工程级阻挡层的50纳米厚无氰金。这种表面涂层不仅能形成稳固的焊点，而且还能形成薄而明显的金属间化合物。它的性价比高，与现有的所有替代涂层相比，它能大幅减少贵金属层的厚度。新涂层的工艺设置简单，只需要用到4个处理槽和4个漂洗槽。
在0~100GHz频率范围内，无镍涂层和裸铜的插入损耗几乎相同，经过6次回流焊后的接触电阻数值变化可以忽略不计，且纳米工程级阻挡层可防止铜扩散到金中，保证表面无腐蚀。该工艺无氰无卤，符合RoHS和REACH法规要求。在插入损耗相对较低的情况下，这种工艺还能实现稳固的焊点，且能防止脆性金属间化合物失效。
Marko Pudas
Marko Pudas博士是芬兰Picosun公司的高级工程师兼项目经理，他阐述了如何用原子层沉积方法在PCB组件施加薄阻挡层。该方法由欧洲航天局资助。
Pudas简述了原子层沉积（atomic layer deposition ，简称ALD）的原理：两种或两种以上化学气相/气态前驱体在基板表面依次发生反应，形成坚固的薄膜。此工艺周期包括引入含有A元素的分子，分子吸附在表面上，引入含有B元素的分子并在表面与A元素发生反应，最终形成单层的化合物AB。重复操作以上步骤，直至达到理想的膜厚度。
ALD是一种批量涂覆真空沉积工艺，即使是面对条件极其苛刻的3D结构，且孔径小于100纳米，也能全面覆盖所需涂覆表面。这种工艺可以沉积多种材料，例如氧化铝和二氧化钛，厚度和质量都可控制。涂层的附着力通过化学药水实现，涂层不会被剥离。常见的涂层厚度一般在100纳米~0.5微米之间。
Pudas通过案例展示了ALD在太空应用中的优点——不仅能缓解锡晶须的形成，而且防腐蚀、抗氧化，甚至还能给气体容器内部酒涂覆涂层以防泄漏。在高可靠性的电子产品中，ALD涂层相当于为PCB组件提供有效的三防漆作用。他还在演讲过程中引用了大量性能测试和认证测试结果。
iNEMI的三防漆评估项目对比了不同测试环境下的三防漆，证明了银和铜上的ALD涂层在腐蚀性极强环境下是有效的。ALD已被提议替代关键应用中的聚合物阻焊层。
第5场会议的主题是5G及今后通讯技术应用的制造技术，由爱立信公司Stig Källman主持。
Sebastien Depaifve
Circuit Foil公司的技术服务工程师Sebastien Depaifve博士介绍了他们针对高速数字应用和高频无线频率应用所开展的新一代超平整电解铜箔研发工作。他描述了过去十年甚低轮廓金属箔到超低轮廓金属箔的发展，并解释在高频应用中，信号主要在导体的边缘进行传递，表面粗糙度对信号损耗的影响。
他总结了影响插入损耗的因素：硅烷黏合处理的类型和含量，有结节或无结节金属箔处理的金属含量，结节的大小和形状（如果有），基箔两面的粗糙度和铜的粒度。
随着鼓表面制备的优化和特定有机整平剂的使用，电沉积工艺技术已逐步改进。此工艺使用了晶粒细化添加剂将晶粒尺寸优化到1微米，实现了最大导电率；Circuit Foil公司还研发了一种模型来研究结节处理形状对插入损耗的影响。较低轮廓的铜箔会减少传输损耗，特别是在高频环境下，所以开发出了无金属钝化工艺。
随着粗糙度的降低，有必要用硅烷或其他化学附着力促进剂来弥补因此产生的机械附着力损失，而硅烷成分已被证实对插入损耗不会产生明显的影响。
最后总结时，Depaifve重申了所有不同参数的优化对于新一代材料的研发是必不可少的，并且必须与树脂及玻纤供应商协作完成优化。
Jim Francey
随后，Isola Group集团欧洲公司RF业务发展部总监Jim Francey作为iNEMI 5G铜箔项目的代表，分享了5G应用中铜箔可靠性和损耗特性的最新研究进展。iNEMI团队将不同铜表面处理进行了分类，目的是在减缓信号损耗的同时仍保持良好的附着力，保证PCB的耐久性。此外，该团队还进行了一项对比研究，以确定PCB制造过程中通过氧化替代化学黏合处理铜粗糙化时信号损耗的效果。
铜附着力的传统测量方法（例如剥离强度）不总是代表印制电路的耐久性和可靠性，而接触轮廓测定法又不足以测量超低轮廓铜箔。IPC TM 650 2.2.22测试方法规定的无接触3D工具，例如白光干涉法和激光扫描显微镜都能更准确地测量出3D高度轮廓。
该团队也明确了一些与超低轮廓铜箔相关的可靠性问题，特别是覆箔层压板或氧化替代面与介质之间的分层情况，以及半固化片与蚀刻后的层压板表面出现的介质分层。这种界面处可能会形成黏合线CAF生长。
iNEMI项目通过制定材料性能标准纲要以及交叉引用一套现有标准，帮助用户指定满足电气性能要求和可靠性要求的材料类别，同时最大限度地避免因规格要求过于严格而产生的额外成本，以使行业受益。减少因满足OEM规格要求所需的设计迭代次数和重新认证次数也可以节省额外的成本和时间。
此项目完成后，将可实现指定铜箔拓扑结构，制定黏接处理的通用标准，并为满足PCB电气性能特性要求提供更好的保证。同时，针对不同铜表面涂层所产生的信号损耗，该项目还能预测出铜箔附着力的持久性和可靠性，且能减少产品认证成本并缩短相应的周期。
Helmut Kroener
PTFE多层结构的黏接一般会存在很多挑战。Showa Denko Materials公司PWB材料部高级营销总监Helmut Kroener介绍了可应用于PTFE HDI和多层结构任意层的新型低损耗热固性黏结膜。
随着无线频率下的应用变得越来越先进、越来越多样，对具有良好介质及低损耗特性的高性能基板的需求在持续增加。在所有的低损耗材料中，PTFE虽然价格较高，但传输损耗最低，而且基于PTFE的多层基板具有极佳的低介电特性。这类材料的熔点较高，多层层压工艺较困难，特别是在混合结构中，组成材料无法承受如此高的黏接温度。
Kroener介绍的低损耗黏结膜能在200℃温度下加工多层结构，提供了成本更低、加工速度更快的解决方案。热固性材料中的官能团和PTFE材料发生剧烈反应，并且能和低轮廓铜箔产生极佳的附着力，可进一步降低传输损耗。
该膜未经过玻纤增强，但含有无机填料，因此其性能是各向同性的，Dk为3.0，Df为0.0023。在50微米的聚酯载体膜上，其宽度可达520毫米，厚度为25、50或65微米。也可以作为树脂涂覆铜箔的介质，具有相同的厚度，黏合在12微米或18微米的铜上。这种树脂具有较低的熔体黏度及良好的间隙填充能力。一经固化，可以使用激光钻孔或机械钻孔的方式钻微通孔，并使用普通的PTFE工艺来电镀。
Tommy Höglund
接下来的演讲内容和前面的主题完全不一样。EIPC夏季研讨会最后一场演讲的主题是制作卷对卷挠性电路的非化学工艺。瑞典DP Patterning公司市场营销经理Tommy Höglund介绍了干相成图技术。
他介绍的这项工艺不用在PCB工厂中生产挠性电路，而是在EMS工厂里直接将挠性电路加工引入贴装生产线。
用到的治具是激光雕刻的金属圆柱体。设置用时5分钟，加工时间约1小时，就可出加工出具有所需电路图形的金属辊，其中，电路图形区域被雕刻为轮廓清晰的负像，原始表面部分为绝缘区域。
生产线长18英尺，为制造单面挠性板的卷对卷传输系统，成像机构以卷筒速度旋转制备好的工具（称为cliché）。cliché的间隙与高速旋转的圆柱形切割机间隙接近，大小对应挠性层压板基膜的厚度（聚酯纤维的厚度通常为35~75微米）。
材料在cliché的张力下进料，并通过cliché和切割机之间的辊隙。覆金属层（通常是铜或铝）在对应 cliché原始表面的区域被铣切掉，以留下所需的电路。在生产天线、加热器、RFID电路，以及在18微米厚铜层上加工300微米线宽和200微米线距的常见挠性电路时，这一系统的加工效果非常好。
干相成图工艺可持续性优点包括碳足迹低、能耗低、不使用化学品、不耗费水资源以及残留物可回收等。其目标细分市场通常为通讯、汽车、LED照明及加热器。
随着研讨会接近尾声，参会者一致认为本次研讨会取得圆满成功，同时也向大会组织者Kirsten Smit-Westenberg、Tarja Rapala-Virtanen和Carol Pelzers表达了诚挚谢意。
特别鸣谢Alun Morgan提供的现场照片。
Pete Starkey任I-Connect007杂志技术编辑。
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