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略论印制电路与5G之关联

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  • 发布时间:2020-07-10 18:38
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【概要描述】中国服务贸易协会专家委员会第三、四届理事 山 西 省 运 城 学 院 客 座 教 授 倪蕴之 全 国 电 子 信 息 行 业 杰 出 企 业 家 江苏苏杭电子集团董事长 、总裁

略论印制电路与5G之关联

【概要描述】中国服务贸易协会专家委员会第三、四届理事
山 西 省 运 城 学 院 客 座 教 授 倪蕴之
全 国 电 子 信 息 行 业 杰 出 企 业 家
江苏苏杭电子集团董事长 、总裁

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一、前言
 
      印制电路板(Printed Circuit Board,简称 PCB),是现代电子设备中不可缺少的配件。PCB在电子设备中是装载元器件的“骨架”、传送电流信号的“血管”,因此 PCB是电子信息产业系统的基础产品(图1)。PCB不仅能为电子元器件提供电气连接,也承载着电子设备数字及模拟信号传输等功能,被称为“电子产品之母”,具有“泛在化”的特点。PCB技术跨越机械、光学、微电子、电气工程、化学、材料、应用物理等多个学科,随着电子设备发展也越来越复杂、深邃,在电子设备中作用越来越重要。在最近全国乃至全世界抗战新型冠状病毒疫情非常时期,PCB为许多医疗设备配套,成为紧急复工后优先生产的产品 。
           
 
                                        图1 装载元器件的PCB (左:工控板,右:服务器网卡)
 
5G是第五代移动通讯系统的简称。
 
      许多人认为这意味着手机有新的功能,有更多的短信、上网和自拍能力,但还不限于这些。5G拥有更高水平的超高速数据传输能力和网络覆盖,被应用于军事、汽车、工业和医疗等。5G号称可以实现“万物互联”。
通信界有句话:”4G改变生活、5G改变社会”。5G将加快新一轮科技革命和产业变革的进程,推动社会生产力再次跃升,专家测算,5G每投入一个单位,将带动六个单位的经济产出。中国信息通信研究院预计,2020到2025年,我国5G商用直接带动的经济总产出将达10.6万亿元,间接拉动经济总产出约24.8万亿元,5G将直接创造超过300万个就业岗位。如果考虑到5G广泛应用对经济增长的间接带动作用,它的经济效益将更为可观。
 
5G应用可归纳为十大领域:
 
1、社交网络
 
      社交网络,也就是网络+社交的意思。借助手机的普遍性和无线网络的应用通过网络这一载体把人们连接起来,从而形成具有某一特点的团体(群)。5G手机是4G手机的延伸与提高,在4G功能基础上网络社交更丰富、更快速。
2、物联网
 
      物联网( IoT)是互联网基础上的延伸和扩展的网络,将各种信息传感设备与互联网结合起来而形成的一个巨大网络,实现在任何时间、任何地点,人、机、物的互联互通。物联网需要巨大的网络容量,5G才能担当此重任。
 
3、车联网
 
     车联网是借助信息通信技术,实现车与人、车与车、车与路、车与云端服务平台之间建立全方位网络连接的综合服务。尤其智能交通、自动驾驶的真正实现必须有5G连接。
 
4、智能制造
 
      智能制造必须与信息技术的融合,以自动化设备为载体,以端到端数据流为基础,此通信网络由5G支撑。
 
5、智能家居 
 
      智能家居就是物联网在家庭中的基础应用,随着宽带业务的普及,智能家居产品涉及到方方面面,包括安全、医疗、家务等通过5G网络化综合智能控制和管理,让家居生活变得更加轻松、美好。
 
6、智慧城市
 
      5G时代也将开启智慧城市新纪元,其主要应用场景为与电子政务、智能交通、智能电网、智慧水务、智慧环保、智慧消防等。
 
7、远程医疗
 
      医疗健康是5G技术的一个重要应用领域。实现5G在医疗健康领域包括远程会诊、远程超声、远程手术、应急救援、远程示教、远程监护、移动医护、智慧院区管理、AI辅助诊断等众多场景的广泛应用。
 
8、移动VR/AR
 
      VR:虚拟现实,AR:是增强现实。5G的高带宽、低时延特性,使实时VR游戏、AR互动更加成熟、更多应用。
9、联网无人机与无人驾驶汽车
 
      无人机就是一种会飞的机器人,新的无人机为联网无人机,利用移动通信网络进行操作控制。汽车无人驾驶技术需要5G的大宽带高网速,5G的高速率能保证即时处理无人驾驶汽车周边的各种突发情况。  
 
10、大数据与云计算
 
      大数据是需要新处理模式才能具有更强的决策力、洞察发现力和流程优化能力的海量、高增长率和多样化的信息资产。云计算是通过网络“云”将巨大的数据计算处理程序分解成无数个小程序,然后,通过多部服务器组成的系统进行处理和分析这些小程序得到结果并返回给用户。大数据与云计算的关系密不可分,需要5G强大的网络服务完成数以亿计的数据的处理。
5G是个大系统,PCB是个小配件,似乎两者不可相提并论,而两者有着不可割裂的密切关系。
 
二、5G设备离不开PCB  
 
1、基础芯片与PCB
 
      半导体芯片构成的集成电路(IC)是电子设备的心脏与大脑,电子设备的“智慧”就取决于集成电路芯片的功能。集成电路产业包括IC设计、芯片制造和芯片封装,集成电路是由半导体芯片进行封装,以实现保护和支撑裸芯片,并且连接芯片的电极与外界的电路。而IC封装的基础件是封装载板 – 一种PCB,芯板安装于载板(或称基板)上才成为集成电路,如图2。根据封装互联方式可以分引线键合基板和倒装封装基板。封装基板约占封装测试产值的20%-50%。
 
                                 
                                          图2  IC封装
 
      IC封装载板是PCB的一个分类,其与常规PCB相比具有高密度精细线路、薄和小等特点,其线宽线距在40μm/40μm-10μm/10μm之间,板厚通常在0.5-1.0mm之间,打线最小节距达到65μm,倒装焊盘节距达到40μm。
由微小化带来的系统级封装(SiP:System in Package)和系统级芯片(System on Chip) 直接集成所有需要的功能,封装成功能模块(图3),成为WiFi、蓝牙、存储器、GPS、指纹识别、人脸识别、智能手表等新型装置。
 
                                   
                                                       图3 SiP载板与模块
 
      根据调研机构分析,2019年封装载板的市场需求规模约80亿美元。封装基板具有技术难度大、投资门槛高等特点,目前封装载板市场和技术主要为日韩与台湾地区企业所垄断。国内芯片设计公司和封测企业所用的封装载板主要还是依靠进口;国内封装基板企业在高端产品,比如高性能处理器封装载板、超薄高密度存储基板方面还是空白。目前国内仅有三四家内资企业可生产载板类产品,这几家内资企业在封装载板领域总的年销售额约2-3亿美元。
 
2、 传感器与PCB
 
      传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官,被称为“电五官”。信息通信、汽车电子、医疗电子和工业电子是传感应用最广泛的四大领域,物联网中“感知”主要是靠传感器。微机电传感器(MEMS)具有体积小、质量轻、低功耗、高精度、设计制造灵活、集成度高、能够批量生产等优势,引领了传感器技术产业变革, MEMS 传感器已经成为移动互联网、物联网时代技术产业变革的重要驱动力之一。
传感器装置都需要PCB,PCB上安装各种传感器件构成模块。红外测温用PCB如图4。
 
                                      
                                                                                  图4 非接触式温度传感器组件
 
 
3、 传输网络基站与PCB
 
      5G基站是5G网络的核心设备,提供无线覆盖,实现有线通信网络与无线终端之间的无线信号传输。基站的架构、形态直接影响5G网络如何部署。5G基站采用了多输入多输出、高频通信、超密组网等技术,加大了天馈系统的安装难度。5G信号的传输距离相比于4G信号有所降低,因此通信运营商将不仅要加密5G宏基站部署,而且需要使用微站和室分站进行盲点补充,这增加了基站数量。
 
      5G离不开传输网络,在当下5G通讯技术投入商用阶段,重点是网络布设,即5G基站建设,2020年会进入高峰。这会增大对通讯基板、高频高速电路板的需求,PCB发挥了巨大的作用。
根据网络公开资料,三大运营商截至2017年底我国4G基站达到380万个,如果按照5G基站数是4G基站数的2倍来测算,那么5G基站需要达到760万个(见表1)。2019年底全国共建成5G基站超13万个。(本文许多数据摘自网络公开资料,只供参考。)
 
                                  表1 5G与4G基站数比较
                           
 
      PCB作为基站建设的重要配件,5G时代基站的大批量建设和升级换代将对通信PCB形成大量需求。另外,由于5G高速高频的特点,采用更大面积、更高层数的PCB,PCB的价值量也会有较大的提升,如表2。
 
                                                               表2 5G宏基站用PCB数量与价值
 
                        
 
      5G宏基站内PCB价值量约为15104元/站,室分站PCB价值量约是宏站的30%-40%,约5286元/站。可以看出,5G宏基站单站PCB价值量是4G(约5000元)的3倍。再加上5G基站数将约是4G的2倍,那么5G基站PCB市场相比于4G时代6倍以上。有估算5G基站PCB市场是4G的5-10倍。
 
       就基站的天线而言,5G天线系统PCB由4G时双面板(2000元/平方米)上升到8-12层板(至少3000元/平方米)。5G宏基站假设国内总量达到600万个(全球1000万个),单站PCB用量面积达4G两倍,那么天线PCB达到430亿元以上,比4G时提升4倍以上(表3)。5G基站及采用PCB例见图8。
 
                                     表3 通信基站中天线PCB用量与价值
                        
                          
 
                                 图5 5G基站及采用PCB
 
4、 服务器等平台设备与PCB
      服务器是计算机的一种,是网络中为客户端计算机提供各种服务的高性能的计算机,其中简单来看就可以分为运算以及存储用。由于服务器具备高存储能力以及计算能力,在逐步踏入5G时代后,随着数据的爆发式增长带来的存储与运算需求,服务器行业将迎来稳定且持久的长期增长。5G网络带来的传输速度提升,同时服务器将会应对这存储方面呈几何倍数增长的需求,平台达到价量齐升的局面。随着 IoT、AI和智能驾驶时代到来,数据中心对服务器的需求成为整体服务器市场成长的关键。而且随着信息处理的需求容量与速度持续增加,其中云端服务器出货量占所有服务器出货量的比重将愈来愈大。
 
                                           
                                                                         图6 云服务器
      在 2019 年后服务器行业将受到 5G 时代的冲击,实现长期且稳定的出货量的增长,同时由于服务器产品的不断升级,预计其单价也将在未来逐步增长。随着5G的逐步铺设,在2021年将会继续保持约10%的增长,之后预计将以每年7%~8%的增速稳定且持久的增长。根据 Gartner以及IDC的数据预测,全球服务器的出货量将会在2020年达到1220万台,2021年达到1350万台,2025年达到1800万台。
 
      对于国内服务器需求及出货量而言,中国作为 5G 建设最快国,服务器方面的建设也将遥遥领先,在2021年之前服务器出货量将维持于高于全球增速的平台之上,之后逐步恢复,与全球的服务器增速趋同。
 
      中国的快递市场是物联网应用的范例。中国的年快递量已经超过300亿件,是美国市场的150%,并在继续增长,未来中国的年快递件量将达到600亿件。而传统的数据中心的升级方式无法满足如此巨大的业务升级,为此,需要配备云计算业务平台,推动物流业务实现快速增长。
 
      最近的抗击新冠病毒疫情也加速服务器需求爆发。为避免人间接触感染,在线教育、网络交流、家庭办公的新需求应景而生。政府和企业将线下办公及会议转移至线上,同时也是打开了国内远程办公的大门,提高了远程办公在国内的普及率。而随着网络通信和在家办公模式的急增,各大网络办公平台也在紧急扩容其服务器能力,从而应对市场的需求。
 
      一台服务器的构成主要有硬盘、CPU/GPU、存储、内存、以及各式 PCB 板而组成,随着服务器激增的同时我们认为将会带动存储、芯片以及 PCB的发展。
 
      另外,逐渐成形的物联网风潮,传统产品被加注了通讯和无线链接的功能,进而转变为智能化电子产品,将带动网络建构更趋完整以及无线网络的扩大布建,所应用的路由器、交换机、服务器、存储器等网络设备也会呈现正成长。
PCB充分受益服务器出货量提高及质升级。根据 Prismark 数据统计,预测 2019年PCB中用于服务器/数据存储的市场规模约在52亿美元,而至2022年之时有望达到超过60亿美元的市场规模,平均复合增长率(CAGR)达到 6.4%。而服务器用PCB具备如此大的增速的背后原因不仅只是因为服务器出货量呈稳定增长的趋势,同时还有服务器用PCB不断升级所带来的价值量的提高,高速传输、耐高温的PCB需求必定增加,服务器用 PCB会一半以上是8层以上高多层板。
 
      目前全球数据中心向高速度、大容量等特性发展。全球的数据中心市场增长率大于10%。而中国数据中心增长明显快于全球步伐,增长率大于30%。数据中心三大件服务器、交换机和存储器中皆使用大量的PCB,在高速、大容量、云计算、高性能的服务器不断发展下,对PCB 的设计要求也不断升级,如高层数、大尺寸、高纵横比、高密度、高速材料的应用、无铅焊接等。
 
      所有服务器中大多数是基于英特尔的 X86 计算体系结构,而随着英特尔计算能力的提高,对于PCB的层数及材料的要求也越来越高,从之前的1U或2U服务器的4层、6层、8层主板发展到现在的 4U、8U 服务器的16层以上, 背板则在 20 层以上,PCB 层数的增加对供应商的整体加工能力提出更高要求。PCB 在高端服务器中的应用主要包括背板、高层数线卡、HDI卡、RF卡等(如图7),其特点主要体现在高层数、高纵横比、高密度及高传输速率。高端服务器市场的发展也将推动 PCB 市场特别是高端 PCB 市场的发展。
 
                          
         
       图7 服务器用PCB (左:背板,右:子板)
 
 
5、 应用层中各类智能终端与PCB
 
      智能终端硬件是5G的重要入口,涵盖品类广泛。其中教育、医疗、安防等领域市场空间巨大,智能手机、VR设备、机器人、可穿戴设备、智能车载设备等热门新型智能终端设备应用最为广泛,如图8。这些智能硬件也推动了PCB向集成化、小型化发展,扩大了挠性板和刚挠结合板的需求。
 
 
                                                              
                                                                                            图8 5G的应用
 
      目前几乎人人皆有的手机就是物联网应用的终端,可发送与接受相关信息,进入5G时代的智能手机将有更快、更多信息。5G智能手机需要有更高性能的PCB,手机用PCB是PCB先进水平体现,含有高密度互连(HDI)板、挠性板与刚挠结合板,分别如图9之a、b、c。
 
                                   
                                        图9 不同种类PCB
 
      又如医疗健康是人人关心的大事,也是物联网的一个重要应用领域。随着5G正式商用以及与大数据、互联网+、人工智能、区块链等前沿技术的充分整合和运用,物联网在医疗健康领域越来越呈现出强大的影响力和生命力,产生了称“医联网”的分支。万物互联在医疗健康领域包括远程会诊、远程超声、远程手术、应急救援、远程示教、远程监护、移动医护、智慧院区管理、AI辅助诊断等众多场景的广泛应用。可穿戴电子装置的重要意义是作为医疗健康服务终端,目前的智能手表、智能手环及健身鞋等就是为监测和记录、传递人体健康信息,如图10。有无数的远程监控的新设备,通过手机或手表和Wi-Fi连接,可以监控慢性疾病,饮食、化妆品检测,食品/营养数字监控,运动成绩记录等。这些产品都用到新颖PCB- 印制电子电路。
 
      中国的智慧医疗市场需求不断増大,我国智慧医疗行业投资规模2016年已达437亿元,到2018年超过700亿元,预测在2020年我国智慧医疗行业投资规模将突破千亿元。
 
                                                  
                                                                                     图10 可穿戴电子装置应用
 
                               
                                                                                             图11 可穿戴装置及其PCB
 
 
三、 5G促进PCB智能制造
 
1、 PCB智能制造需要5G 网络
 
      当前物联网相关技术和产品在PCB制造业领域的应用,主要是基于工厂内部的传感器实现的智能化生产。通过在产线上装配传感器和通信模块,动态感知设施、材料、人员的状态,实现生产过程的智能决策和动态优化,显著提升全流程生产效率、提高质量、降低成本。
 
      智能制造是具有信息感知获取、智能判断决策、自动作业执行等功能的先进制造过程及系统与模式的总称。具体来看智能制造体现在制造过程的各个环节与信息技术的融合,如大数据、云计算、人工智能、物联等技术。简而言之,智能制造具有以下特征:以智能工厂自动化设备为载体,以关键制造环节的智能化为核心,以端到端数据流为基础,以通信网络为基础支撑,实现高效的个性化生产。
 
      智能制造已成为全球化课题和国家级战略课题,其中信息通信系统升级是智能制造中很重要的一环。现在5G时代的物联网在使能智能工厂多样化需求方面,有着绝对的优势。
 
      智能工厂及智能化制造是离不开互联网的,从工厂内的信息互联到与客户互联、供应商互联,及产业交流都于网络途径进行。PCB产业同样面临着利用物联网实现智能制造的选择。
 
      首先,看到PCB产业走向智能制造的必要性。中国以改革开放吸引外国资本来中国投资建厂,投资建立了许多PCB工厂,同时国内本土PCB企业也快速发展壮大,成为世界第一PCB制造大国。目前,已成全球制造业中心的中国人口红利在消失,劳动力成本在上升,原材料成本、能耗成本也在增加,经济利益驱使企业转型升级。再加上现在生态文明建设已是重点,PCB企业必须实行清洁生产,那么采取智能制造将是有效途径。另外,美国和欧洲以及日本从曾经的PCB制造业霸主地位走向下坡路,最近西方国家为找回失落的制造业,就以工业4.0及智能制造为策略,要夺回与中国制造业的竞争力,他们就从生产自动化、智能化着手,在美国已新建实现智能制造工厂,认为其PCB品质与成本可以与中国大陆企业竞争。PCB企业转型走智能制造之路这是我们必须要做的,无情的市场是没有商量的余地。
 
2、 PCB智能制造的网络架构
 
      企业智能化的两要素:信息化与自动化,信息是灵魂、头脑,自动化设施是肢体。头脑与肢体的联络就是神经,即网络系统。智能化PCB工厂必定建有信息中心,布开一张互联网,整个企业管理都将依托网络信息中心开展相关业务,如图12。
 
                            
                                                                                     图12 智能工厂网络分布
 
      智能工厂管理以信息为中心,围绕信息系统搭建管理与作业网络架构,按信息来源与用途不同分设多个模块,供不同对象获取与应用不同数据信息。由信息指导管理与作业实施。这将带来一种全新的企业经营模式,基本有以下两个层面:
 
1)管理层 
 
      依托互联网络信息,高层领导了解宏观经济、市场趋势、行业发展,制定企业发展目标;财务方面掌握金融信息,做好资本运作、资金流动;人力资源了解人才和劳动力市场,做好人事安排、教育培训;营销方面掌握市场信息,做好客户联络;采购方面了解物料行情,做好供应商联络;生产与技术方面了解产业链信息,做好及时、保质交货,及新技术开发,满足客户要求。
 
      管理层常会采用网络系统与ERP 软件等来进行如生产安排、物料管控,成本控制等营运面所要考虑的问题。网络的信息量是巨大并复杂的,如何有效整合各方面信息是非常最重要。特别是做好与关联组织之间网络连接,做好从PCB客户到材料、设备供应商
 
2)作业层
 
      依托互联网络信息,在生产车间实施产品管控:安排上线生产,监测生产过程,交付合格产品;设施管控:自动化加数字化设备硬件与软件维护,确保正常运转。主要运用制造执行系统(MES) 并与信息中心互连,新的自动化生产设备都有数字化系统,具备接受外界网络数据信息以及输出自身运作数据信息的功能。这样内部互相网就能进行现场状况的掌控,如网络传递生产工单和仓库原材料供给,指示设备运作,监控在线PCB生产过程和品质、工艺与设备的作业参数等,并且一旦出现异常情况会自动报警与采取相应措施。作业层的主题就是通过网络系统有效将作业层的各项信息资料进行整合,即时反映现场状况并进行最有效的分配利用,达到完成作业。
 
四、结束语
 
      总之,5G少不了PCB ,没有PCB则物联网或5G设备无法实现;PCB也离不开5G,5G为PCB提供了市场,为PCB智能制造提供了技术基础。两者相互依存!
 
      在这次突发的新冠病毒疫情非常时期,也可看到5G与PCB的密切关系。武汉突击建造火神山医院、雷神山医院,其中配置华为的5G网络通信平台,设备急需PCB配套,就有PCB制造企业春节期间加班加点赶制完成。除了5G网络系统外,PCB制造企业也为医院的呼吸机、测温仪等医疗仪器设备赶制PCB,PCB产业也为“战疫”贡献了力量。
PCB属于定制型产品,与上游设计企业、下游终端企业发展紧密相联。作为PCB业者,就是要研发相关的技术,随时给客户支持。新一代的通信设备对PCB提出新要求,5G及物联网用PCB主要是背板(高多层板)、高密度(HDI)板、挠性板与刚挠结合板,特征体现于高频、高速和高密度精细化。另外,新一代PCB更要关注相应材料的特性,移动物联网设备的PCB都要求低损耗基板材料,即高速高频材料。PCB生产企业要掌握这些材料可加工性和产品可靠性,满足客户的需求。
 
      近年以来,作为PCB产业增长驱动力的消费电子、计算机行业需求趋于饱和,通信领域成为PCB行业第一大市场领域。5G是通信行业的重点,如果用一个词来形容5G领域疫情后的机遇,那就是“暴发”。在疫情以后,5G的网络规模、用户规模都将会暴发。此次疫情期间,电信运营商已经在共建共享网络方面,开了一个很好的头,这会成为一种行业趋势。现在,5G及物联网建设也将进入高潮,PCB作为通信设备的直接上游,也必将迎来攀升!总之,5G及物联网将成为PCB行业快速增长的新引擎。
 
本文原载于2020年6月11日《江苏经济网》

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