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。
