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深圳市线路板行业协会
2018年5月第三期
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刚挠结合电路板专利技术分析

时间:2018-7-20  来源:《广东知识产权》总第47期  编辑:
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    摘要:
    印制线路板统称为PCB,它包括刚性、挠性和刚挠性结合的单面、双面和多层印制板等。刚挠结合板是当前最复杂的电子互连结构之一,但具有可弯曲性等优点,随着全球智能手机市场的大规模增长,其需求量也持续增长。然而,由于条件和技术的限制,如何制造性能优良、成本低廉的、具有市场竞争力的刚挠电路板是各大企业重要研究课题之一。本文主要从专利技术分析出发,分析了全球刚挠电路板制造技术领域的整体发展趋势、国家地区布局、主要申请人、重点技术分支等,并单独对我国关于刚挠电路板技术领域进行了分析。


    关键词:
    PCB   刚挠电路板   精细线路


    引言:
    将装载有元器件的印制线路板称作印制电路板(Printed Circuit Board,,简称PCB)。按照我国国家标准GB2036-94(印制电路术语)的解释:印制电路或印制线路成品板统称为印制板,它包括刚性、挠性和刚挠性结合的单面、双面和多层印制板等,它是电子设备的一种极其重要的基础组装部件。本文研究的刚挠结合印制电路板也称软硬结合印制电路板,它是当前最复杂的电子互连结构之一,这种电路结构将传统PCB与更小尺寸且便于安装的FPC融为一体,解决了各种电子系统可靠互连问题,而且在工业领域获得了非常成功的应用。

    到目前为止,我国研制的刚挠结合板在技术指标、合格率等方面仍与国外相比具有较大的差距。国外刚挠结合多层印制电路板已达22层,国外的刚挠结合板研究已不仅局限于刚性区和挠性区的结合,而是更多的和HDI、盲埋孔、埋入无源元件等技术结合,向高密度互联、多功能方向发展,对国家的军事、宇航、民用等领域的长足发展具有重大的意义。虽然目前刚挠板技术主要集中在国外,但我国经过多年的研发,刚挠板技术取得了长足发展,国内市场涌现了一批专注于刚挠板设计的厂商,这些厂商经过多年研究开发,用于挑战技术高地,投入大量研发经费,针对刚挠板技术进行自主突破,都拥有了自己的自主专利产权。刚挠板国内外市场竞争激烈,因此为了提升企业市场竞争地位,做好刚挠结合板专利布局和挖掘对企业来说是非常重要的。


     一、刚挠结合板专利申请状况


     1.全球专利申请态势分析

     刚挠结合板的全球状况是衡量该项技术发展高度的重要指标,也是该项技术专利态势分析研究的切入点。本文将围绕该项技术在全球的发展趋势、区域布局、重点申请人状况以及重点技术分支状况等几个方面对其全球专利申请状况进行阐述。

     1.1发展趋势分析
通过对刚挠结合板全球相关专利申请随年代变化趋势的分析,可以初步掌握自2000年以来,全球刚挠结合板技术的发展过程和趋势,从而对其未来发展方向形成简单判断。



图1-1 刚挠结合板技术领域全球专利申请趋势

     图1-1示出了刚挠板领域的全球专利申请态势,由图1-1可知,该领域于2003年以前处于缓慢发展期,专利申请量较少,这主要原因是因为刚挠结合板处于起步阶段;从2003年到2008年期间,专利申请量逐步增多,这主要是因为自2003年始,电子设备越来越趋于小型化,刚挠结合板技术不断成熟演化,并在2005年经历了一个小高峰,年申请量为113项,此后,专利申请量又有所下降。

     在经历低谷后,刚挠板领域的技术开始进入了快速发展期,专利申请量逐年增长,尤其是在2009年之后,专利申请量急剧增加,在2012年达到了峰值,为151项,2012年后的申请量显著减少的原因在于PCT申请进入指定国的时间较长,因此,专利申请量数据较实际的偏少。

     1.2国家/地区分布分析



图1-2 刚挠板领域全球申请国家/地区分布图

     图1-2是刚挠板领域全球申请国家地区分布图。对刚挠板领域首次申请国的专利申请量占比进行研究,环形整体代表全球提交的专利申请量之和,从图1-2中可以分析出,刚挠板领域的专利申请国/地区主要以中国、日本、美国和韩国为主,中国、日本、美国和韩国的占比分别为33%、32%、18%、10%;该四大国/地区作为申请国的专利申请量之和超过全球申请总量的93%。上述数据一方面可以反映全球各个国家对刚挠板领域的专利重视程度和重视意识,另一方面也可以反映哪些国家/地区是刚挠板领域的重点发展国家/地区。从图1-2可以明显的看出,中国是最为重视的地区,日本相对于美国和韩国地区较为重视。这说明中国刚挠板领域的发展在全球范围内占据着重要的地位。


图1-3 刚挠板领域全球主要国家/地区专利申请趋势图

     从图1-3可以反映出,在全球刚挠电路板领域,日本在1999年以前的申请量均超过美国、中国和韩国,申请量处于领先优势;在2000年,美国的申请量首次超过了日本,之后又被日本反超,一直处于世界领先地位,日本的申请量在2004年达到峰值,之后申请量逐渐萎缩,而中国在刚挠电路板领域的申请量逐渐增加;到2007年,中国的申请量首次超过日本,在2009年左右,受全球经济危机的影响,中国申请量有所减少;而自2010年起,随着全球智能手机市场的大规模增长,由于刚挠电路板具有可弯曲性的优点,其需求量也持续增长,中国在刚挠电路板领域的申请量快速增加,各大厂商也加大投入力度,来进行相关布局和研发。可见,国内申请人开始逐渐意识到该领域的巨大价值和良好前景,逐渐掌握核心技术,且专利布局意识增强,我国在刚挠电路板领域的专利布局正在加速。

     1.3主要申请人分析
专利申请人是专利申请的载体,也是专利布局的谋划者。刚挠电路板领域在全球范围内主要掌握在哪些企业手中,哪些企业在专利布局上具有优势地位,这些企业在全球所关注的市场热点在哪里,该领域历年来申请人排名变化情况都是专利布局研究中应该关注的热点,因此通过分析该领域主要申请人的状况,进一步对该项专利技术的整体态势产生更深入的认识。



图1-4 刚挠板领域全球主要申请人分布图

     图1-4仅列出了刚挠电路板领域全球前10名重要申请人的情况。从全球前10名重要申请人的情况来看,刚挠电路板领域专利申请的主要申请人排名第一位的是韩国的三星,第二位的是日本的富士,第三位的是日本的揖斐电株式会社,而中国的台湾的臻鼎 富葵位居第四位,中国内地的欣兴电子、广东欧珀移动分别位居第五位和第六位。由上图也看出,日本企业在刚挠电路板领域全球前10名中占据5家,占比50%,说明日本企业在刚挠电路板领域具有一定的技术优势。

     1.4重点技术分支分析
关于刚挠电路板的制造方法的改进涉及到的方面有很多、也难以有比较准确的分类,本文主要对窗口、精细线路和盲孔这三项重点的制造方法进行分析。

     //窗口的制作方法
刚挠结合板在经过了几十年的快速发展,窗口制作仍然是其中最关键的环节,目前其制作方法也是多种多样,当然,主要的生产方法有预先开窗法,填充法,控深铣法,激光切割法。预先开窗法是指在刚挠结合板的制作之前,需要预先对覆盖膜,外层刚性板,粘结胶膜等所需材料进行开窗处理,其处理方式可以为冲切、铣切、激光切割等方式,然后再通过压合形成露出挠性区域的刚挠结合板,其制作后结构如图1-5所示:



图1-5 预先开窗法结构示意图

      填充法的前处理和预先开窗法相似,同样需要对窗口区域对应的刚性板和粘结胶膜进行开窗处理,不同的是在压合之前,需要用与窗口区域同样大小的填充物进行填充处理,以保持板面的平整性,其中,填充物必须满足耐高温、热膨胀系数与刚挠结合板材料相似等条件,比如玻纤环氧树脂等,最后,通过切掉外层窗口区域刚性板或者蚀刻去除外层铜箔以取出填充物,其制作流程如图1-6所示。



图1-6 填充法制造流程图

      控深铣法是指通过深度控制技术(机械铣,激光烧蚀,V-Cut等),对外层刚性板进行自切形成自槽,在完成压合和图形转移等工序后,最后将开窗区域的刚性板去掉,即完成刚挠结合板的制作,这种技术必须根据不同刚形层板厚来调整自槽深度,一般自槽深度为外层刚性板的1 /3 -2/3之间为宜,其制作的结构如图2-7所示。激光切割法是在压合前不需要对窗口区域的外层材料进行处理,经过对外层刚性板进行图形转移,阻焊和表面处理后,然后根据不同刚性板板厚调整激光参数,对其弯折区域进行开窗处理,但是不能切过内层挠性板,因此,深度的控制显得尤为重要。相比前面的加工方法,激光切割法的流程大大减少。


 图1-7 控深法铣加工示意图

    //精细线路的制作方法
精细线路的制作方法主要包括减成法(Subtractive)、半减成法(Semi-Subtractive)、加成法(Additive)、半加成法(Semi-Additive)。目前减成法是精细线路最普遍的制作方法,该法通常先用光化学法或扮网漏印法在铜箔板面,将所需图形转移上去,这些图形都是由抗蚀材料组成,然后蚀刻去掉多余铜箔,留下电路图形。模具冲切法是采用旋转式模具,通过模具冲切铜箔形成电路图形,随后把多余的铜箔去除。相比减成法,加成法更有利于制作精细线路。

    //盲孔的制作方法
盲孔(Blind Via)是指不完全穿过板的全部厚度,只在板的一面能看到自孔结构。作为刚挠结合板层与层之间重要的互连方式,对于SMT过程中,盲孔因为不需要元器件大孔,微盲孔就为外层和内层提供了优秀连接,而且能减轻整板重量。盲孔成型的方法有很多种,包括机械钻孔、等离子蚀孔和激光烧蚀成孔等方法,根据盲孔穿过导体层数分为一阶、二阶和多阶自孔,随着电子产品集成度的增加以及轻薄化的发展,一、二阶盲孔已经不能满足当前发展需求,因此,全板的Any Layer HDI为未来微孔互连提出了新的方向,Any layer HDI技术能够直接通过微盲孔连接层与层之间电气信号,从而省去中间大量的基材铜箔,使得成品的厚度变得更加轻薄化,相比一阶盲孔,使用Any layer HDI技术可使得成品体积减小近1/4。

    2.中国专利申请态势分析


     2.1中国发展趋势分析


图1-8 刚挠结合板技术领域中国专利申请年代分布趋势图

    从图1-8可以看出,从2005~2016年间,中国刚挠结合板领域的申请量总体呈现上升趋势,2005年的申请量仅为10件,2008年达到27件,受全球经济危机的影响,2009年下跌至17件,之后开始一路攀升,到2016年申请量到达顶峰,为109件。随着经济的发展,说明我国智能手机市场大规模增长,需求量也持续增长,中国在刚挠电路板领域的申请量快速增加,各大厂商也加大投入力度,来进行相关布局和研发。

    2.2中国不同省份的申请量情况


图1-9 刚挠结合板领域中国不同省份申请量的统计图

    如图1-9所示,对中国各省份的申请量情况进行统计可以一定程度上反映各个省份在软硬结合板领域的重视程度和科研能力。由图1-9可以看出,我国刚挠电路板领域专利申请的区域相对比较集中,广东省和江苏省在软硬结合板领域的专利申请量远远高于其他省份,比例分别是65.7%和21%;这和软硬结合板的相关厂家位于江苏和广东两大省份是吻合的。之后按排名依次是上海、浙江、北京、四川、福建、江西、湖南、陕西等,这几个省份申请量差距不是很大。其余省份申请量则基本没有,没有体现在图中。

    2.3中国主要申请人分析


图1-10 刚挠结合板领域中国主要申请人分析图

    通过分析图1-10中国申请人专利申请量排名,可以一定程度上反映各公司厂商的创新能力。由图1-10可以看出,软硬结合板领域的申请人基本上均属于公司厂商,而并未出现大学或者其他研究机构,这可能跟软硬结合板属于高精密度以及高复杂工序的有关,而一般大学或研究机构难于提供一系列相关生产软硬结合板的仪器;由于富葵精密和臻鼎科技同属于富士康一家公司,因此统计时将两者放在一起,富葵精密、臻鼎科技排名第一,广东欧珀移动和高德(无锡)电子排名第二、三名。之后是揖斐电株式会社和崇达的电子厂商。再之后的排名分别为江苏弘信华印、景旺电子、镇江华印、广州杰赛科技、欣兴电子、深圳华麟、博罗县精汇电子科技以及兴森快捷等公司。

    从以上分析也可以看出:有许多国外企业在中国申请专利,这说明中国市场越来越受到国外企业的重视,同时也使国内的企业面临着更加激烈的行业竞争。

    二、主要申请人重点专利分析


    1.富葵精密和臻鼎科技重点专利分析

    富葵精密和臻鼎科技同属于鸿海科技,主要生产软性电路板、高密度连接板,硬质电路板,广泛应用于电脑资讯、消费性电子产品、网络、汽车以及医疗等领域。



图2-1 富葵精密和臻鼎科技在国内的年份申请量统计图

     其在中国范围内的软硬结合板领域的申请为34项。由上图可以看出,从数量和时间上来看,从2007年开始有申请量,并在2012年申请量达到最高,在此之后申请量略有下降,在2015年又有小幅上升。富葵精密和臻鼎科技的主要申请方向为软硬结合板相关细节的改进。

     2.广东欧珀移动的重点专利分析

     广东欧珀移动是国内大型的高科技企业,主要生产OPPO系列手机,并生产和销售VCD、DVD、家用小电器、平板电视机、MP3等。



图2-2 广东欧珀移动在国内的年份申请量统计图

     其在中国范围内的软硬结合板领域的申请为31项。由图2-2可以看出,从数量和时间上来看,从2012年开始有申请量,并在2016年申请量达到最高为26件专利申请,可见,公司持续在该领域进行大规模的投入和研发。广东欧珀移动的主要申请方向为与移动终端配合使用的软硬结合板。

     三、总结


     本文分析了刚挠结合板技术领域的国内外专利申请及其发展趋势。从全球刚挠结合板的技术发展来看,日本、韩国的企业在刚挠电路板领域占据一定的技术优势,富士、三星等企业引领行业的发展,我国在刚挠电路板领域近年来的专利申请量较大,发展迅速。通过对近几年的重点专利技术和热点技术的专利申请进行分析,我国专利申请的重点主要集中在精密线路图形、刚性板和挠性板之间的层压,金属化孔和镀铜等工艺细节的改进。


     作者简介


     陈峰,贵州大学硕士毕业,国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心审查员,主审领域印刷电路板。

     罗娱,中国科学院硕士毕业,国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心审查员,主审领域印刷电路板。

     梁庆然,广东技术师范学院本科毕业,国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心审查员,主审领域功率半导体器件领域。