日本内置元器基板技术新发展(一)

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  本文主要是依据日本有关电子元件内埋置基板专利进行分析,
  让读者对日本在元件内埋置基板的市场与技术趋势有进一步的了解,
  期望能对国内元件内埋置技术的建立与开发方向有所帮助。
  一、概述
  1.1 崛起的新一代电子安装技术与基板制造技术——内置元器件基板
  在日本电子信息技术产业协会(JEITA)编制的《电子安装技术路线图(2009年版)》中,将内置元器件基板列为第五代(元器件内置式印制电路板)及第六代(系统内置式印制电路板)PCB发展的阶段(见图1)。
  从图1的可看出未来PCB将越来越向着高密度布线、多样化结构、高多层化、高功能化的发展。并预测了:随着电子安装发展PCB将有两大技术将会在未来得到更大的发展,即埋入式多层板和光-电线路板制造技术。
  随着元器件埋入式多层板等模块化进展,使得在PCB上进行元器件装配的工艺过程减少(或去除)。从原来这种传统的装配过程,被演变为半导体芯片、元器件在基板内的安装工艺过程。安装部品的形式,由用单一部品在PCB表面上的安装,改变为元器件在多层板内的安装。这一安装在工艺性质上的变化,动摇了安装阶层的传统概念,打破了安装各阶层过去的鲜明界线。
  应该看到,新一代的安装技术的萌芽正在破土而出。电子安装又扩展出新的领域——元器件内部的系统一体化配线,以及封装过程中的配线。在这种安装的新领域中,出现了采用不同功能芯片间的再配线,以及这些芯片通过薄膜PCB的连接,它取代了ISL等芯片制造工艺中的一部分安装过程。预测未来多层PCB将承担着在其内埋入元器件的内部配线的重要功能。预测未来在元器件埋入式多层板的发展进程中,它的成本降低、提高信号传送速度、减少干扰、实现三元电子安装高密度化以及设计自由度的提高,将成为业界所关注的重要方面。
  JEITA的《路线图》发展到第六代“系统内埋式印制电路板”,又将电子安装技术提升到了更高端。在《路线图》中,是这样描述第六代的系统一体化安装所采用的印制电路板:“它像SiP那样具有不同功能、不同制造技术的多个半导体芯片及电子构成的系统一体化模块内埋于基板中。另外,还包括RF、无线存储模块、网络化及运算处理模块、光系统器件,以及微电机系统(MEMS)等,搭载于多层板上或内埋于多层板中。使系统内埋式多层板的外形尺寸,变化成像内存卡、IC卡及CF卡那样的大小。”
  两年前出台的JEITA的《路线图》对内置元器件基板发展的预测,已经迅速地成为现实。2010年问世的iPhone 4手机所用基板中就运用了内置元器件基板新技术。日本《半导体产业新闻》报自2010年10月开始刊登了以“内埋的新时代——内置元器件基板最新动向”(原日文为:“エンベデッド新时代——部品内埋基板最新动向”)为总标题的连载文章。正如这篇连载文前言中所言:内置元器件基板“现已迎来了它的真正市场扩大的时代”。
  1.2 内置元器件基板制造业近期出现的新变化
  经过全世界的科技工作者及相关企业的长期努力,作为下一代安装技术重要支撑——内置元器件基板技术,现已迎来了它的真正市场扩大的时代。
  日本《半导体产业新闻》报的PCB专栏资深记者稻叶雅己先生近期撰文提出了世界内置元器件基板制造业,在近期出现了三大方面的重要变化:
  其一,是表现在市场方面的变化。原来内埋元器件式基板的主要应用市场是携带型电子产品,而近期在此应用领域以外的市场开始有表现明显增加。
  其二,是表现在从事此类基板制造企业性质方面的变化。原来在日本研发、生产制造这类基板的企业绝大多数是PCB厂家。而近期也有一些非从事PCB业的厂家也加入了此类基板的生产阵列。
  其三,表现在此类基板制造新技术上的新变化。内埋元器件式基板的新工艺开发成功及其得以应用,给此类基板业内的竞争带来了更火热的局面。
  二、内置元器件基板制造业新发展的总述
  2.1 10年后市场规模增加50倍
  日本著名市场调研机构——富士凯美莱总研(富士キメラ総研)在2010年6月发表了“世界半导体安装关联材料市场调研报告”。在该报告中预测:2020年世界印制电路板市场将比目前(2010年)市场规模增加40% ,其销售额达到5兆9000亿日元(约合660亿美元)。其中,内置元器件基板是年销售额增长幅度最高的PCB品种。它到2020年,全世界的内置元器件基板销售额将实现1265亿日元的规模,与目前市场现况相比将增加接近50倍之多。
  该调研报告还认为,2009年世界内置元器件基板的生产量年增长率为-50.6%,为1770万块,销售额比2008年也减少了53.9%,为14.6亿日元(约合0.16亿美元)。由于2009年半导体市场的不景气,半导体封装器件生产企业的研发费用、产品更新换代的费用,出现大幅度地缩减,采用高技术设计的产品投放市场及其市场的购买力都有明显地减少,这造成了采用新兴内置元器件基板需求量的必然下降。但从长远发展来看 ,内置元器件基板的市场将会表现出很强盛的扩大势头。内置元器件基板今后将会发展到可内埋入像PoP(Package in Package)那样的有源器件,以达到实现被安装电子部件的扁平化(“低脊背化”)目的。因此,预测未来的内置元器件基板市场需求还是会快速扩大。同时,未来像处理器这样的高价值器件也会埋入在这类的多层板内,内置元器件基板的销售额将会获得很大幅度的增长。
  根据市场调研,在2010年由于世界上日本以外的企业开始投入内置元器件基板的正规生产,因此这种基板的2010年世界销售额将会增长到26亿日元(约合0.29亿美元),从而它已恢复到2008年的市场需求规模。
  2.2 四类不同性质的企业参与了此基板市场竞争
  由于出现了内置元器件基板市场扩大的利好发展背景,也使得更多原从事不同制造业的企业加入了这一个内置元器件基板生产队伍中。在世界上,近期加入的内置元器件基板生产行列中的厂家,从原企业性质上看,已经发展到除由原来的绝大多数为PCB企业外,还包括了电子元器件制造的厂家、 半导体组装厂家、EMS厂家等。   在世界上,目前参与了此基板市场竞争的来自不同行业的企业大致可分为四种类型;① 印制电路板制造的厂家;②电子元器件制造的厂家; ③半导体组装的厂家; ④ EMS(electronics manufacturing service,电子专业制造服务)。从事内置元器件基板制造的这四类不同性质的主要企业,见图2所列。
  内置元器件基板最初主要是在印制电路板制造厂家中研制、生产的。PCB 业成为了这类基板成长壮大的“摇篮”。与来自其它行业企业从事内置元器件基板生产相比,PCB业中从事内置元器件基板制造的企业,其数量最多、队伍庞大。这不仅在日本,在世界可生产内置元器件基板的其它国家(如在韩国)也同样如此。
  目前从事电子元器件制造的厂家参与此类基板的生产制造,主要出于的考虑是:在基板内进行内埋的片式元器件,原本就是本企业生产的。因此,它们发展此类基板在选取元器件方面有着得天独厚的优势。现已加入这种基板生产队伍的这类企业,主要有日本的村田制作所、TDK、太阳诱电等生产陶瓷电容的著名厂家。
  投入内置元器件基板生产的半导体组装的厂家是从采用了裸芯片内埋入基板内这一有利方面去考虑的。它们作为半导体后工程制造厂商,是十分精通实现内引线等键合的常规裸芯片组装方式的。而将裸芯片内埋于基板中,这一制造工程是在常规裸芯片组装工艺技术基础上发展起来的。对此它们并非陌生。
  当内置元器件基板发展一定的生产规模时,必然有EMS企业介入此制造行业。并且,这些EMS企业的加入,还对内置元器件基板业获得进一步发展,起到了重要的决定性作用。
  2.3 加入内置元器件基板生产行列的PCB厂家所面临着技术创新与延伸
  加入内置元器件基板生产行列的PCB厂家,首先面临着解决内置元器件基板在制造工艺技术上的新课题。过去,这些厂家无论是PCB的生产,还是元器件的装联,都是围绕着采用Cu-Cu的引线,或是利用凸块,通过锡焊料的焊接去实现基板与元器件键合方式来进行。而埋入在多层板内层的元器件与基板内层电路的电气连接,则是采用了多种的新方式来实现的。这就需要PCB厂家在此方面工艺上有所创新、有所摸索与掌握。他们还需要在内置元器件基板特殊的加工设备上,投入资金去选型、购置。
  但PCB厂家在内置元器件基板工艺的开发上,也存在着可延伸、可借鉴传统PCB技术的另一侧面。并且在内置元器件基板制作过程中,还可部分的采用原有PCB加工的设备。例如在对内置元器件基板的微孔加工,可以进行继续使用一般HDI多层板生产所原来就具备的激光钻孔设备。
  2.4 未来的内置元器件基板主导性应用市场的变化
  现在,内置元器件基板的主要应用市场是移动电话及携带型信息终端产品(如PDA等)。内置元器件基板的市场正是以这两类产品为中心在发展。移动电话及携带型信息终端产品采用内置元器件基板,通常是内埋于元器件的照相(包括摄像)模块基板、无线通信模块基板材料等,以实现基板面积的缩小、所产生的电感得以减少。
  展望未来发展,还有哪些电子产品会应用内置元器件基板?人们对汽车电子产品进入它的应用市场行列抱有很大的期望。在实现汽车电子化的进程中,ECU内的高密度安装成为需要解决的重要技术课题。而将ECU用的部分元器件内埋在多层板内的研究已经开始进行。
  内置元器件的PCB主板(母板),目前也在一些大型移动电话厂家进行积极的开发之中。未来这种新型的PCB主板产业化的实现,以及将内置元器件多层板作为主板的移动电话等终端电子产品真正问世、走入市场,将会成为内置元器件基板扩大市场的关键。这种期望一旦能够成为现实,那将使得内置元器件基板的市场中主导性的品种发生转变,这将对它的市场格局产生深远的影响。
  三、世界主要内置元器件基板制造厂家的新动向
  世界内置元器件基板应用市场开拓的“急先锋”之一是大日本印刷株式会社(DNP)。DNP公司大规模工业化生产制造内埋元器件基板是于2006年3月开始的。目前该公司主要面向照相功能模块等应用市场,可生产、提供4~5个品种的内埋元器件基板产品。到2009年底,该公司已累计生产内埋元器件基板1.2亿块。2011年1月该公司又在本公司网站上(网站:http://www. dnp.co.jp)向业界宣布:它于近期开发成功内埋部品厚度在0.15mm以下、基板总厚度为0.28mm的内置元器件基板。这比2010年1月问世的薄型化内置元器件基板又减少了26% 的基板厚度,成为了世界上目前最薄的内埋元器件基板产品。当前DNP公司成为手机用内置元器件的模块基板的世界最大的生产提供厂商。
  日本TDK公司开发的埋置元器件基板产品,在多层板内层埋入的芯片厚度只有50μm,实现了其薄型化。埋置IC器件基板的整体厚度为300μm(四层多层板)。电路导线线宽/导线间距(L/S)为40μm /40μm;连接凸块的间距为80μm。所埋置芯片的基板为用于DC/DC转换器的功率模块。这种模块主要应用在智能手机中。TDK公司计划于2011年夏进行大规模的生产供货。
  芬兰嵌入式封装(embedded packaging)技术知名专业生产厂家——Imbera Electronics公司,经过多年的对内置元器件基板的研究,它在2011年向外界宣布:目前这种基板已经达到月产数百万个产能规模。
  日本クローバー电子工业株式会社(简称clover-e公司)十几年来,一直不间断地从事对内置元器件基板的开发及市场扩展的工作。至2010年底,clover-e公司内置元器件基板累计出厂数量已达到了180万块。公司的内置FC基板月产能力已达到了20~30万块。该公司在2011年间计划将所开发的手机用内置元器件主板实现工业化生产。
  日本トッバンNECサーキツト ソリューションズ公司(简称TNCSi公司)是为日本的大型HDI多层板生产厂家之一。2002年TNCSi公司就开始投入内置元器件基板的开发,但是这种基板的开发及应用走过了一段曲折的路程。近年它推出了采用了全积层法层多层板的结构新结构的内置元器件基板,从而增加了布线密度,配线容纳性。这种新结构内置元器件基板主要应用市场是移动电话用通信模块封装基板。TNCSi公司计划在2011年开始大批量投入这种基板的生产。并制定了在2012年此基板的销售额达到20亿美元的目标。   韩国大型PCB厂家三星电机(SEMCO)公司近期开发出在IC封装基板中埋置高容量电容与电感的制造技术与产品。这种埋置元器件的封装基板不久一旦实现了正规的大批量生产,预计它将会有很大的市场。
  日本冲プリンテッドサーキット公司(简称OKI公司)是日本实现工业化生产内埋元器件基板的先行者之一。公司正式介入内置元器件基板的生产制造业是在2003年。它经历了七年之多的实际生产的摸索,在内埋元器件基板的制造技术上获得不断进步,在客户中得了产品具有高可靠性、高性能的好评价,在2010年间内置元器件基板的市场有了大幅度的增加。该公司所获得的大好商机,主要来自于新型移动电话应用领域的需求扩大。在2011年6月举办的JCPA展览会上,OKI公司还向业界披露:该公司在新近开发的内置锂离子电池基板获得技术进展。
  对于已经从事多年内埋元器件基板的CMK公司来讲,2010年是该公司发展此类基板产品历程中发生重大转变的一年。该公司在2010年起除了已大批量生产作为内置元器件基板制最初作起步的内埋EWLP型有源器件基板外,还紧接其后的从少量试作转为批量生产了内置无源元器件型基板,以及内置混载有源、无源元器件型的基板等。就在2010年间,CMK公司开始实施投资25亿日元(约合266万美元)建设内置元器件基板新生产线的计划,将公司的此类基板事业又推进了一大步。
  日本半导体无源元器件大型生产企业——村田制作所、太阳诱电两家公司所各自开发的内置元器件多层板用片式电容(“埋置电容”)已经在2010年间先后实现了工业化的大批量生产、供应。而日本KOA株式会社正在积极地投入埋置元器件多层板用片式电阻的研发工作。村田制作所于2010年10月在世界上率先问世了埋置电容(产品牌号:GRU系列)产品,实现了其规模化生产。日本太阳诱电株式会社也于近期推出工业化生产的此类埋置陶瓷电容已实现商品化有两种这类产品:即一种为外形尺寸为1005尺寸(即1.0×0.5mm)、电容量为1μF、厚度(片式电容的高度)为0.22mm。另外还一种品种,它的厚度更为减少,达到0.15mm。厚度(片式电容的高度)为0.22mm。它的电容量为0.47μF。目前,太阳诱电株式会社在它所属的群马县的玉村工厂内,正建设月产能力为1000万个埋置陶瓷电容的生产线。
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