新一代信息技術將PCB逼上微米級時代

林金堵

CPCA顧問

本刊名譽主編

信息技術[1]代表著當今世界先進生產力的發展方向，它能將信息的重要生產要素和戰略資源得到充分發揮、優化資源配置，推動傳統產業升級，提高社會勞動生產率和社會運行效率。因此，信息技術已成為世界發展和進步的重要生產力，受到世界各國密切關注和重要投資。

當今世界正處在信息技術革命的時代，信息技術革命正以傳統產業難以比擬的“增量效應、乘數效應和技術外溢效應”形式，不斷向著其他領域的產品和服務滲透，并推動相應產業產品和服務平臺的信息化的快速發展和進步。因此，信息技術領域已經成為國家創新能力，推動經濟和社會發展以及提升整體競爭力的最重要的動力引擎！我國早在“十一五”（2006年至2010年）規劃中就明確了國家戰略新興產業是國家重點扶持的對象，其中信息技術產業被確定為七大戰略產業之一。2010年《國務院關于加快培育和發展戰略性新興產業的決策》中列出了七大國家戰略性產業體系，再次提出了信息技術產業為七大戰略產業之一。信息技術產業的重要性和地位在“十二五”規劃和“十三五”規劃中仍然獲得持續的扶持和發展，特別突出了發展“新一代信息技術”的重要性。

新一代信息技術是信息技術的升級和換代性的發展和進步。新一代信息技術的“新一代”意味著不僅是信息技術領域中的分支技術（如集成電路、計算機、無線通信等等）升級，更重要的是指整體信息技術平臺和產業實現“代”級變遷和躍升，將更大的推動國家經濟社會發展和進步。

1 信息技術

信息技術（Information Technology）是指“用于管理和處理信息時所采用的各種技術的總稱”。信息技術的主體（要）內容是：采用計算機科學和通信技術來設計、開發、安裝和實施信息系統及其應用軟件，它包括了傳感器技術、計算機與智能技術、通信技術和控制技術等。從內容來看是以信息和通信兩大部分為主體，因此信息技術又可稱為信息和通信技術。

1.1 信息技術的分類

信息技術的分類可以按結構組成、工作程序、應用設備類型、功能層次等進行，但大多數是按前兩種方法。

1.1.1 按結構組成分類可分為硬件技術和軟件技術

（1）硬件技術。硬件技術主要是指各種信息設備及功能部件，如電話機、手機、通信衛星、多媒體電腦等的設備及其功能部件。

（2）軟件技術。軟件技術主要是指信息的獲得和處理的各種知識、方法和技能，如語言文字技術、數據統計分析技術、規劃決策技術、計算機軟件技術等。

1.1.2 按工作程序分類。

信息技術按工作程序分類可分為以下五大類：

（1）信息獲取技術。信息獲取技術包括：信息的搜索、感知、接收、整理等，其中包含各種設備，如望遠鏡、照相機、顯微鏡、衛星，以及溫度計、鐘表、互聯網搜索器等。

（2）信息傳遞技術。信息傳遞技術包括：超越空間的共享信息技術、單向或雙向傳遞信息技術、單通道和多通道傳遞信息技術、廣播傳遞信息技術等。

（3）信息存儲技術。信息存儲技術是指跨越時間而保存的信息技術，如印刷/打引技術、照相技術、錄音/錄像技術、磁盤/光盤技術等。

（4）信息加工技術。信息加工技術是指對信息進行描述、分類、排序、轉換、濃縮、擴展、創新等技術，其過程已經由人腦的信息加工走向機械設備自動化加工又發展到計算機與網絡化加工。

（5）信息標準化技術。信息標準化技術的目的是使信息的獲取、傳遞、存儲、加工等的各個環節能有機融合，提高信息共享交換能力和效率，并為此而制定共享和遵守的相關的標準，如信息管理標準、字符編碼標準、語言文字規范化標準等。

2 新一代信息技術

新一代信息技術是信息技術的升級和換代，不僅是信息技術領域中的分支技術（如集成電路、計算機、無線通信等）升級，更重要的是指整體信息技術平臺和產業實現“代”級跨越。將促進人類和世界走向“萬物互聯時代”。

新一代信息技術產業的含義和主體內容：加快建設寬帶、泛在、融合安全的信息網絡基礎設施；推動新一代移動通信、下一代互聯網核心設備和智能終端的研發與產業化；加快推進三網融合；促進物聯網和云計算的研究和示范應用；著力發展集成電路、新型顯示、高端軟件、高端服務器等核心基礎產業。新一代信息技術的主要方向是：下一代通信網絡（NGN，Next Generation Network）是建立在IP（Internet Protocol）、物聯網、三網融合、新型平板顯示、高性能集成電路和云計算為代表的高端軟件等六大內容。

（1）下一代通信網絡是建立在IP（Internet Protocol）技術基礎上的新型公共電信網絡，能容納各種形式的信息在統一管理平臺下實現音頻、視頻、數據信號的傳輸和管理，提供各種寬帶應用和傳統電信業務，是一個真正實現寬帶窄帶一體化、有源無源一體化、有線無線一體化、輸入輸出一體化的綜（整）合業務網絡。

（2）三網融合。三網融合是指電信網、移動互聯網和廣播電視網的有機融合，而不是物聯網的形式。

（3）物聯網。射頻識別標記（電子標簽）（RFID，Radio Frequency Identification）在物聯網初期得到極大發展。RFID可分為低頻、高頻、超高頻和微波，目前RFID已向超高頻或微波方向發展，同時，物聯網也向智能交通、智能監控、手機支付農民和導航等發展。

現在的物聯網主體是廣泛應用RFID、二維碼、傳感器等技術，今后將向納維碼數字標識（如光學指紋或納米“身份證”）技術發展此項技術。集納米、光學、材料和信息等相關技術突出特點是看不見、不可復制和抗高溫等惡劣環境，達到安全可靠，并可應用于多領域[2]如各種設備、部件、印制板產品等。

（4）新型平板顯示。目前，新型平板顯示是以薄膜晶體管顯示器（TFTLCD）為主體方向發展，現在又向有機發光二極管 OLED、電子紙等顯示器系統發展。

（5）高性能集成電路。大家知道，集成電路產業是信息技術產業基石，同樣的，新一代信息技術產業必須要高性能集成電路產業相適應。在新一代信息技術中，高性能集成電路與物聯網、云計算、大數據等的融合必然會推動高性能集成電路產業快速發展壯大（表1）。

表1 近10年來中國IC集成電路布線的發展速度

高性能集成電路的“高性能”主要表現在它的集成度、大功率化和高導熱化上，并且正在快速走向光量子芯片[3]方向。

①IC的高集成度。集成電路（IC）是把晶體管、二極管、電阻、電容和電感等元件及布線互連。在一小塊半導體晶片或介質基片上，封裝然后在一個管殼內形成具有電路功能的微型組件。集成電路的特點和發展是其集成度按“摩爾定律”（即集成電路上集成元件數量是以每18個月增加一倍，其性能也增加一倍等）的速度發展，集成電路的技術已經由微米技術時代（2000年以前量產的為0.5 μm～1.0 μm）進入納米技術時代，如2014年量產的集成電路為32 nm，2018年量產的集成電路為16 nm，而試產的集成電路已到達7 nm。可以看到這個發展速度還會繼續，其布線密度已經接近物質的原子尺寸大小（極限），未來的集成電路的集成度要創新發展必然要跳出“摩爾定律”。

②IC的大功率化。由于集成電路的高集成度化，不僅在單位面積上要連接更多的元件數量（不是一般的增加，而是成千上萬倍的增加），而且要求在更大面積上進行集成元件。因此，從生產效率和成本上看，集成元件的半導體晶片（如硅片）尺寸已經由Φ200 mm→Φ300 mm，將向Φ400 mm或Φ450 mm發展，集成電路的功率將會越來越大。

③IC的導熱化。由于集成電路的高集成電度化、大功率化等必然要產生大量熱或高導熱的課問題。目前，各種各樣應用領域的集成電路的工作溫度（如表2）。

表2 集成電路在不同領域中的工作溫度

（6）云計算。云計算是指計算任務分配到大規模的數據中心或大量計算機集群組成的資源上，使各種應用系統能夠根據需要而獲得計算能力、存儲空間和軟件服務，通過互聯網將計算資源免費或按需租用方式提供給使用者。在使用者看來，云計算是可以無限擴展的、獲取隨意的、按需使用、按使用付費，像人們使用水電一樣的基礎設施。大規模的數據中心或大量計算機集群的核心是超級計算機，而百億億次超級計算機（又稱e級超級計算機）[4]是世界各國進行高端信息技術上創新和競爭的最高點。2020年將會研制出百億億次超級計算機，不僅會帶來新一代信息技術的發展與進步，而且也關系到誰能引領世界新一代信息技術的領導者！

3 新一代信息技術對PCB的主要要求

凡是信息產生、加工處理、傳輸和應用等都離不開PCB，而上述的新一代信息技術特點和主體內容（六個方面）都與PCB密切相關、特別是高性能集成電路的介質基板（片）和支撐等更直接依靠PCB技術和產品來組成，或者說新一代信息技術需要高性能PCB技術和產品來實現！

新一代信息技術對PCB的主要要求有“三高”方面：（1）高密度化要求，必須與高性能集成電路的集成度相適應的發展；（2）高速（頻）化要求，必須與集成電路的高速（高頻）化相適應的發展；（3）高導熱化要求，必須與集成電路的高導熱設計相適應的發展；（4）高性能化要求，必須與集成電路的高性能化的發展要求相適應，才能達到高可靠性和長使用壽命的目的！

3.1 PCB產品高密度化

新一代信息技術的高性能集成電路的集成度（以IC線寬表示）將進入納米技術時代，而PCB產品性能和發展進步必須與之相適應從而進入微米技術時代（見表3）。從表3中可以看到，PCB高密度化的發展越來越跟不上IC集成度的發展，或者說PCB高密度化的發展越來越趕不上IC集成度發展的要求。按照20世紀末的數據，2018年的PCB線寬應該小于5 μm，實際上可量產20 μm線寬的企業還是極少數。

大家知道，PCB是用來支撐集成電路等元件的，高性能集成電路必須要有高性能PCB來支撐。在高性能集成電路的發展中，對PCB最突出而迫切要求是高密度化（線寬）發展與進步。這里所指的高性能集成電路是指小于10 nm的“納米級”互連布線，而高密度PCB是指小于10 μm的“微米級”互連布線。PCB要實現“微米級”連線的高密度化，必須在材料和制造技術等下功夫才能達到。如基材方面，采用“微米級”的超薄銅箔基材，制造過程復雜、成本高；而在PCB制造方面，采用基材銅箔減薄或采用加成方法形成的“微米級”導線。從導線等性能（如強度等）和成本上看，采用基材銅箔減薄技術將是制造微米導線的主體方向。

3.2 PCB產品高速（頻）化

新一代信息技術將以移動通信第五代（5G）技術為基礎開展和發展，而5G技術的傳輸頻率可高達52 G（在軍用領域10年前就超過1000 G！這里的1 G=1000 MHz），而高性能集成電路芯片的速度將以集成的元件數量呈指數式快速增加。因此要求在PCB中信號傳輸完整性高、失真小，這就要求PCB的介質層的介電常數（如≤3.0）和介質損耗（如≤0.002）等要很小，但環氧樹脂系基板很難達到要求，必須采用其他樹脂體系（如PPO聚苯醚體系等），制造的導線（孔、盤等）尺寸不僅是微米級細線要求，而且需要精準的尺寸（位置準和偏差小）要求和更加完美的加工。

3.3 PCB產品高導（耐）熱化

由于傳送信號速度極快或頻率極高，必然會增加電阻和介質損耗，導線制造上或多或少的缺陷（如微小的缺口、凹陷、針眼等）都會帶來更高的熱量，PCB板內的溫升越來越嚴重而且溫升到100℃以上將成常態化，因此PCB板的耐熱和導熱也成為突出的課題！為了解決PCB板內的溫升的課題，在選擇基板材料方面，除了選用高Tg（≥180℃）、高熱分解溫度（Td≥360℃）和低CTE（如小于百萬分之十）外，重要的是要有高導熱性能，其導熱系數要根據不同應用場合（領域）來選擇不同的導熱系數。各種基板材料導熱性能等情況（見表4）。

3.4 PCB產品高性能化

PCB產品高性能化主要是指具有高的可靠性和使用壽命。在新一代信息技術中的六個主體內容里都離不開（特別是E級超級計算機和通信設施等）PCB產品，它們要求的PCB產品不僅需要高密度化、傳輸信號完整化和高導熱化，而且要求很小的熱膨脹系數（CTE）和很好的耐熱溫度（即要高的玻璃轉變溫度Tg），只有高性能化的PCB產品，才能保證新一代信息設備的可靠性和使用壽命！

表3 IC集成度和PCB高密度化發展的情況

表4 各種基板材料的導熱性能等概況[7]

3.5 關注印制光路板

近兩年來，我國科學家潘建偉等先后研制成功光量子通信、光量子計算機，交通大學金賢敏團隊研制成功的光量子芯片[4]等產品，而光量子芯片是由大量的光量子器件集成的（如利用硅基光波導芯片集成了超過200個光量子器件等[8]），這標志著世界光量子應用時代將到來。因此，光量子元組件、光-電轉換元件和印制光路板等將走向開發、應用的新時期！印制光路板與目前印制電路板的應用，也是類似連接和支撐光量子芯片、光量子元組件和光-電轉換元器件等來實現光量子的傳輸等功能[5]。因此，印制光路板的開發和研制要擺到日程上來[5]！