ICT系统互连架构带给覆铜板行业的挑战与机遇

1. 芯片和系统架构的趋势

近年来，随着云计算、大数据、物联网、人工智能等技术的快速发展和传统产业数字化转型，数据量呈现指数式上升。据互联网数据中心（Internet Data Center，简称IDC）2018年预测，全球数据总量在2020年将达到44个ZB，我国数据量将达到8060个EB（1EB=260bit），占全球数据总量的18%。但实际上，2020年全球数据总量已经接近60个ZB，远远超过了2018年的预期。2020年初全球暴发的新冠肺炎疫情，更是促使了数字经济的快速发展。

据中国信通院测算，2020年我国数字经济规模达到了39.2万亿元，占GDP的比重达到38.6%。国家“十四五”规划中提出“加快数字化发展，建设数字中国”的发展战略。数字技术与实体经济深度融合，赋能传统产业的转型升级，显示出数字经济在国民经济和社会发展中的核心地位。数字经济带来的数据爆发式发展必定需要更多的主机板硬件支撑，这也为覆铜板行业带来了前所未有的机遇。

1965年英特尔的联合创始人戈登·摩尔（Gordon Moore）提出的摩尔定律在过去50年内成为半导体行业遵循的准则，准确预言了集成电路尺寸微缩化对半导体行业的技术发展。但摩尔定律是一条经济定律，当实际半导体工艺能力达不到经济效率的时候，投资回报就会越来越低。当2017年半导体工艺节点进入7nm之后，尺度物理限制使得工艺改进带来的效益逐渐降低。尤其是在未来2~3nn的工艺节点上，导线宽度将仅有几个原子直径大小。量子力学的不确定原理使得晶体管不再可靠。因此，摩尔定律终将很难维持下去。Intel生产的CPU多年停留在14nm制程，新一代产品也只进行了结构优化。Intel一直坚持的IDM模式（Integrated Device Manufacture，即垂直整合制造模式）决定其必须选择低制程出货。

除了半导体工艺的物理极限约束性，信息交互和传递的需求也对半导体芯片制程提出了更高要求。从芯片封装来看，在大芯片和高精尖的制程不符合经济规律的情况下，封装就成首先的主攻对象。芯片制造厂家对于3nm之后的制程领域将不再大力投入，相关的应对技术转向了超越摩尔定律的芯片后端架构，包括从传统2维（2D）芯片到2.5维（2.5D）/3维（3D）芯片、从同质集成到异质整合等。

系统级芯片（System on Chip， SoC）与系统级封装（System in Package， SiP）是实现芯片向更高性能、更低成本发展的方式，其中以三维（3D）堆叠技术为代表的先进封装技术成为后摩尔时代的核心驱动力之一。2.5D封装是在Interposer上并排互连芯片，而3D互连层是将芯片进行堆叠，即互连结构在彼此的顶部。

无论是业界的设计者还是晶圆厂都在大力发展2.5D/3D封装的相关技术。目前高端CPU、AI、GPU等高端芯片的封装成本已经超过硅片（die）的成本，芯片和封装的性能提升带来巨大的成本压力，工程师们的研发重点越来越趋向于PCB材料和设计。另外一种趋向就是用SiP类小系统，介于封装和PCB之间来兼顾各方面的优缺点，但封装基板的成本较高。

所以，当目前系统性能的提升不能再依靠芯片制程的时候，封装、PCB等后端工艺和设计就变得越来越重要。从这个角度上分析，芯片、封装和系统的未来需求对覆铜板或者IC基板行业带来了前所未有的机遇！

2. ICT系统功耗对覆铜板的影响

信息与通信技术（Information and Communications Technology，ICT）是信息技术和通信技术相融合而形成的一个新的技术领域。以智能手机为核心的消费电子和以大数据云计算为核心的高性能计算机成为驱动ICT系统电子制造技术的主要来源。ICT系统为覆铜板、PCB产业发展带来机遇的同时，也带来了很多挑战。首先是针对芯片间、芯片和封装体间的微电子封装技术，即互连技术。互连技术中的PCB对于ICT系统的影响主要体现在供电互连和信号传输。

互连技术工艺设计需要考虑到单芯片或者多芯片之间的布线、与PCB节距的匹配、封装体的散热等情况。随着半导体工艺的进步，芯片内的电路密度成倍提高，并且以较高频率运行，且片上连线越来越细，片上供电网络必须将更多的电力以更少的连线资源送至每个单元，保证芯片的稳定性和预定工作频率。

芯片元件的供电通过PCB传送。由于电路功耗器件的存在，因此必定产生功耗损失和温度升高。IR压降和供电网络消耗的大量布线资源成为困扰后端设计者的重要问题。目前大芯片的功耗可达到900W，有的接近于1000W。仅在PCB上的功耗损失会高达500W！

数据显示，2018年全国数据中心总耗电量1500亿千瓦时，占社会总用电量的2%。预计到2025年，这一占比将增加一倍达到4.05%。电费成为能耗大户“数据中心”的最大运行成本，约占整体运行成本的70%。而从电源到芯片的供电过程中，PCB或者覆铜板就浪费掉整个功耗的70%。

虽然工程师们通过将电源和芯片靠得更近、增加PCB的铜厚、增加供电层数，以及包括PCB设计优化等方案来降低浪费功耗，但都不能从根本上解决此问题。所以如何实现芯片的供电是一个大学问，对PCB的性能要求也越来越高。

电源模块封装最终决定了ICT系统的功率及电流密度。随着系统变得越来越密集和功率元件更接近负载点，散热问题成为严重问题。没有封装技术的根本性进展，功率密度和散热密度就无法继续提升。Vicor率先推出功率元件封装平台—转换器级封装（Converter housed in Package，简称ChiP），可以实现更小、更灵活的元件尺寸，简化设计流程，并显著降低了能源成本。

合封电源是一项支持耗电极高的人工智能处理器和48V自动驾驶系统的关键技术。Vicor合封电源系统提供高达1000A的峰值电流。合封电源不仅可消除“最后一英寸”问题，为处理器高效供电，而且还可通过支持48V输入实现为整个机架的处理器高效供电［8］。

在ChiP封装的应用中，PCB铜箔电源层的配电损耗已成为一个占主导地位的损耗项，并制约性能。电源模块最大限度降低阻抗的最佳位置是直接位于处理器下方，并将电源模块的输出功率引脚与上面处理器的电源引脚阵列精确匹配。但这也是储能所需大量旁路电容器的最佳位置，以满足瞬态处理器的电源需求，从而会造成PCB布局冲突。

垂直供电（VPD）的难题已经使用多层堆叠技术解决。实现高密度三维集成的主要手段包括：多功能芯片、多功能基板、立体组装和三维板间垂直互连等。此外，在功耗不变情况下，提升电压则电流下降。目前Intel和AMD已经采用此技术，即在功耗不变的情况下，提升电压来降低电流。在PCB上用高压，在芯片里面再将高压转成低压。通过这种方式，电路上的功率损耗就小了。但这种架构对于覆铜板行业来说是一个挑战。因为所采用PCB的层数显著下降，覆铜板使用量有所减少。

高密系统是ICT的趋势，但大量的无源器件无法实现主板小型化。采用无源器件内置技术后，被动器件（如：电阻、电容）将会被集成在PCB内部，而外部不会留下任何无源器件，这样PCB的空间和尺寸会被压缩至最小！

随着SiP封装技术的不断发展，越来越多的元器件被埋入IC载板。越来越多的科技工作者认为，直接将IC等主动元件和其他被动元件在PCB大拼板加工过程中直接埋入，将大大缩短整个电子制造产业链。所以如果覆铜板PCB能集成更多的电容、电感、电阻，这个将会给行业带了很大的优势，同时也是覆铜板厂商的机遇。

电源模块是指可以直接装置在PCB上的电源供给器，这类电源称为使用点电源供给系统或负载点电源供给系统。由于该类电源模块优点较多，因此广泛应用于设备交换、电信通讯、光电传输以及路由器等各大领域。

3. ICT高速对覆铜板的影响

互连技术中的PCB对于ICT系统的影响还表现在信号的无损传输上。信号损失表现在从发射端到接收端的信号能量丢失。能量丢失越多，误码率越高。而损失最大的是PCB传输线部分。近年来新发展起来的光、电缆、无线射频等技术或许取代传统的高速PCB传输线，这些都直接取代用PCB蚀刻的传输线来传输信号的方法，对CCL和PCB厂商来说是一个很大的挑战。

在不改变传统架构基础上，就需要将覆铜板做得性能很好、成本很低。比如＠16GHz，根据仿真和测试的数据来看，low etch技术因为其优质的低损耗性能，使得端到端的整个链路功耗降低12%。在高频化的PCB和CCL中信号的传送是沿着铜箔的轮廓曲线进行传输的，其传送距离与表面粗糙度（Rz）的大小密切相关。

当铜箔的轮廓大时，由信号传送的距离增长，而造成信号传送速度的减慢，并传送损失也增加。因此减少传输路径和减少表面铜瘤是缓解趋肤效应的有效手段。但铜箔与树脂间的高抗剥离强度要求铜箔表面具有合适的铜瘤结构。因此，对铜箔进行适当的表面处理对于覆铜板行业来说也至关重要。

ICT系统间的信号传输速度不是由一条线的速度决定，而是取决于整个带宽。带宽由信号传输速度和互连线密度决定。类似于高速公路，单通道的速度起不来，但可以修多条通道，那么整个道路的汽车流通量就大了。所以高速信号传输系统在讨论速度的时候，通常考虑布线密度。

为了实现这个目的，人们就必须在PCB上实现高密布线。高密布线要求CCL、PCB和IC载板制造工艺的同步提升。由于传统蚀刻不能保证很小的线距和线宽，所以一种新的方法被提出来。即先拉好铜丝，或者其他更好的金属丝，再埋在PP片上，直接压合成“带线”的微波形态。这样在增加密度的同时，可以提升损耗和工差。极小的工程误差带来巨大的设计裕量，具有很大的性能提升能力。H公司等正在开发量产能力。这个对于PCB和覆铜板行业来说是一个很好提升的机会。

4. 小结

ICT系统互连架构持续发展带给覆铜板、PCB、IC载板很大的挑战和很多的机遇。一个很大的特点是PCB中一些电的功能有移向封装和硅片的趋向，减少了PCB的重要性，这个对于覆铜板行业来说是一个很大的挑战。覆铜板和PCB行业需加大力度投入研发，以保持其对于ICT产业的作用和贡献。

审核编辑：郭婷