设计与成本影响下的软板生产
2023-09-22 03:23:02智能控制解决方案

  前言:软板从甚少量、高单价,与尖端技术的昔日,演进到了目前低成本的大量生产与广泛应用。然而纯就技术观点而言,软板本身及其下游组装均已发展到了相当复杂的境界。设计者必须在事先就要对影响成品的各种各样的因素有所认知,以避免对成本与量产制造之方便性(Manufacturability)以及功能性(Func

  包括单面、双面、浮雕式(Sculptured),以及多层软硬合板(Flex-Rigid-Multilayer)等各式产品在内,须皆可采用两种基本流程去进行部分或整体之生产:那就是逐片生产或连续性卷材(Roll Web)或“卷对卷”式(Reel to Rell ;R2R)的连续生产。对于超薄的板材而言(如基材厚 12.5um,铜箔厚5um 者),其逐片生产式制程(Panel Process)将会面临到蚀刻后过度软弱而缺乏自动化机具可用的困境。至于R2R卷对卷式之制程而言,一旦卷材之持取机具(Handing Equipment)对其全程所必须的均匀张力(Tension)有了良好设计时,则其所遭遇到的诸多难题自必得以减少。

  早先之“卷对卷”设备对于连续性软材是直接放置在“放送轮”(Unwind)与“卷收轮”(Rewind)两站之间予以拉紧张直,此种做法在使软材穿行各种槽液制程站之同时,将会造成不少困难而使得良率(Yield)为之不振。为了排除此等缺失,现代化R2R收放之间的持取机组,均已加装机械式传送器,张力平衡器(亦称为跳舞机Dancer)。唯其如此对于薄式软材与细密线路之制程方得以顺利展开。此种连续收放过程中,各种软材之化学处理均采喷洒

  方式为之。不过软材表面也偶尔会出现蚀刻液之“积水”现象。此种“水池”效应(Puddling)难免会造成蚀刻能力之不足,但却可采“铜面朝下”的方式予以规避。至于双面线路者,则尚可选用较窄的软材或另行加做漏水孔,以减少水池所行成的负面效应。

  线路之成像(Primary Imaging)可采乾膜作出为光阻,或利用滚涂(Roll Coated)方式施加液态光阻。所用的乾膜其阻剂层的厚度必须予以精确控制,才能做到最好的成像制程。

  不过线路外形的品质除了成像工程本身必须完善以外,够水准的无尘环境(曝光区内须达Class100),软材自动持取机具,以及曝光时间,UV光能量,软材与底片框之间的抽真空等,都要做到最高水准的制程管理。由于光阻剂是经由聚合物单体,在接受UV光能发生交联反应后才形成的,故此种光能的波长必须小心控制,以达到细线边缘的齐直度(Definition)。理论上看来,想要达到细线蚀刻侧壁的直立,则其毫无斜射的完全平行光势必成为先决条件。然而在平行入射光的途经中如果出现任何微小脏点时,则其阻剂以及后续蚀刻的线路上,其缺点的发生自必难免。因而入射的平行光与铅直法线(Normal)所形成40左右的斜角,反倒成为消除脏点可能带来不良的最佳偏方,而且侧壁的品质也还不致于丧失太多。

  针对细线齐直度的要求,目前可供挑选的光阻或特别调配的阻剂也都不虑匮乏,甚至连搭配最时髦“雷射直接成像”(Laser Direct Imaging;LDI)无需底片之特用光阻,也照样有求必应。至于传统曝光机制程所需各种底片(Phototools),其等品质与管制之关键性自不在话下,

  一种电解式密闭循环的控制器及使用氯化铜为蚀刻剂,将可对软板进行极佳的蚀刻,所得细线的外形品质十分良好,甚至添加补充水排放等也都相当注意环保,不过其造价与实施使用却并不便宜。

  软板在设计之初就要针对“生产导向式设计”(Design forManufacturing;DMF)进一步探索,以确保后续生产之快速精准,此乃现代化软板业者的主要目标。是故设计者必须要与研发、产品、与制程等各种工程师,在产品设计阶段时就要尽速进行密切的合作。设计对于后续的影响因素约有:

  上述种种必须在产品设计之初就要尽快详加考虑。但实际上却经常是到了生产阶段方才想到要去解决某些设计的问题,这种本末倒置事后聪明的案例在软板界中屡见不鲜。若能于设计即采行失效模式(Failure Mode)与有效分析(Effect Analysis)之理念者(FMEA),则许多潜在的问题均可将消弭之于无形。设计与制程中若能纳入此种做法,则整体之生产将更完善。

  多年来软板的生产主要都是采用聚亚醯胺(Polyimide)板材做为基材与表面盖膜(Coverfilm)。然而当产量大增之际成本将变为敏感的因素,使得板材的选用也随之多样化。今日软板可用的板材也持续不断的增加,计有:

  上述各种板材的成本与性能也都各有不同。Fig3即利用“有胶层聚亚醯(PI)”板材成本做为对比的参考数字,而对四种板材进行比对而列出的资料。

  各种板材的使用性能资料可从原物料供应商处取得,也可另行研发与试验而得知。能够广用于业界的板材,其等良好的数据也正是制程稳健与产品性能的关键,大多数供应商几乎都有是按照IPC或MIL等标准所规定的细则去规范应有的数据。因而业者们对全新产品之领域,尚有许多后续工作需要实地执行与发布数据,例如汽车所用之软板,即将涉及各种已上市的板材。

  为了使产品在尺寸与性能等要件方面都能达到良率成本的效益,所选择的制程途径正是其关键之所在。正如前文所述,软板的生产基本上可分为卷放卷收之R2R式与单一逐片式等两种做法。

  R2R连续生产技术在成本与良率方面均较有利;但由于板材货式之取得(Availability),线R的产能配合或成本等因素,使得某些形式的软板仍不得不采用单片式制程。有趣的现象是某些产品制程开始时采用R2R途径;但前进到了某一节骨眼时却又不得不改用单片式的做法。现在的客户对其完工软板已愈来愈偏好成卷状的货品,尤其是自动化组装大批量低单价的产品类,如通讯用途的天线类或IC卡类(Smartcard)等市场即是。

  下Fig4即显示出单纯的R2R与单片做法的混合制程。至于某种特定产品需要先用何种最佳生产途径?其重要的因素经常是取决于成本。而其他影响制程途径之因素,经过仔细考量下,仍以技术与最佳良率以及最低成本为优先,并非一定要采行R2R或部分R2R之生产途径。

  R2R之连动生产方式对大批量者极具经济价值,可供生产单面软板或无镀通孔的双面软板使用,而且在后段还可再搭配各种单片制程;如多层软板、浮雕式软板、软硬合板、甚至另一种特殊Regalfex软板等生产。

  R2R的生产线最常用于“印后即蚀”(Print and Etch)的单面板制程,此种单纯的连动生产线,其本身即具有“资料回送”(Feedback)系统,可随时自动修正作业条件,比起单片要方便了很多。这种连续软材的制作一旦可达到双面之对准要求时,尚可执行合自动的电测与光学检验,是故具有镀通孔的真正双面板也仍旧能利用R2R而大量生产。

  不过采用R2R进行连续性钻孔与镀孔之自动化设备,却必定会占用大量空间投下大量资金,对许多公司而言都不免是一种沉重的负担。幸好最近已出现一种最新式的成孔与镀孔技术,将可大幅度降低所占用的空间,并还更可使得产速大幅加快!果真如此则此种连动式的做法将大有可为。

  纯粹的R2R制程线中,即使软板表涂层(Covercoat)的印刷,或表护膜(Coverfilm)的贴合,亦均可在自动化连续工作中达成目标。现行设备的进一步改装升级,以及新板材或全新接著剂的研发与应市,也都在持续的进行中,以期能达到低温连线式贴合的方便性。不过一旦此种全自动连线一时还不能顺利推出时,则业界仍可利用单片式的既有制程设备,与对准工具系统去进行自动化的生产,其中双面表护膜贴合的对准工程尤其要仔细考虑。

  经由印刷涂布的“表涂层”(Covercoat),其所用物料不管是热硬化或紫外线光(UV)硬化,两者对于产品都很重要。施工方法则以合面满涂(Flood Print)法最具效率,如可感光涂料之滚涂法(Roll Coating)或喷涂法(Spray Coat)即是。所得湿膜先经局部聚合式的预乾后,即采底片曝光成像之选择性方式除去各种待焊点之表面皮膜,其做法与感光成线术(Primary Imaging))并无不同。表面黏装的焊垫通常为长方型,故经由感光法所得到的各种开口(Apertures),其品质要比事先机械冲切之贴膜者更为良好。要注意的是某些软性板材的熔点甚低(如聚酯类POLYESTER),因而其涂膜之加热预乾与后硬化在温度上不可太高,以免对板材造成不好的反效果。是故设备,板材与制程途径的选择都应详加考虑。

  某些软板在完成表涂层或表护膜之后,出货前还要对出的众多焊垫,另行加做最后的表面处理,方可使铜面免于氧化,而在焊锡性上得确保(如有机保焊剂OSP即是)。如须按客户的要求而需另做其他表面皮膜(如化镍浸金ENIG)者,须注意此等表面处理制程与板材之间,在温度与化学性质方面是否能完全匹配亦为重点之一。就R2R而言,OSP之表面改质处理其搭调即十分良好,甚至还可采高速移动方式来进行处理。但R2R对电镀类(或浸镀类)之处理而言,其投资之庞大想必是没办法避免的。由于处理时间甚长,是故连线机组长度之可观也是意料中的事,是故软板流程在此等领域中目前仍多采单片式做法。不过某些高电流密度的新型处理机种也正在开发中。

  软板下游组装中常需用到的补强片(Stiffeners或Rigidisers)以支助零件的安装焊接。此等补强片与接著剂可供选+用的物料甚多,前者如FR-4、FR-3、CEM-1,后者有铝片或聚亚醯板材类,亦另有热著胶或感压胶等。此种补强片贴著的步骤均可因材而施法,在压合段时即应针对多点补强处采自动或手动进行逐一施工。大批量生产之各种辅肋工具系统也应及早齐备。

  软板完工后即将进行各种零件的安装,此种下游组装可利用原排板之整片式去进行,或采分割切开后的单片再去加工。设计阶段就要对组装步骤预留公差,未来大批量组装工作为了方便众多零件起见,亦可采用R2R式连线做法。因而软板的生产与软板的组装两方面都需要更周详深入的计划,以得到最佳的线路品质。

  前文已说明软板之设计与制造均应采取弹性的做法,设计者对下游制造者与组装者等制程,亦须尽早参与且至于重要。此种协同合作将导向成本效益互连完美之解决方案,并在Fig4中指出此等理念在全制程中之最佳途径。

  由于卷放卷收之连续制程中已大量使用了各种控制管理系统,因而在制程能力与产品的质量两方面,均已获得显著的改善。当对板材有了较深入的了解而在产速与产量方面充分的发挥下,也还可选用更好的化学品使得整体品再形提升。对于大批量生产而言,必须清楚的认知与充分的利用才是产品成本的关键。连续式卷动制程比起单片做法大幅度减少了持取动作,使得大型生产排板中,各单一货板间的分界或间距得以减少,其理之至明也就不言而谕矣。

  正如本文之所示,R2R制程对于其连接范围的延伸仍大有可为,但必须与实用性的达成上取得平衡。且整体连线中不同站别之间作业速度迥然有异也需加以权衡。线路设计尽早与生产流程的协同交流,以达到最有效率与最具弹性的搭配,其之最佳成果也就水到渠成了。

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