设计与成本影响下的软板生产

关键字：FPC FPC技术 软板 柔性线路板 PCB线路板 电磁干扰 主板维修 PCB生产 PCB加工 PCB设计 ATE电路板设计 手机PCB板 PCB抄板 PCB改板 电路板抄板 PCB制板 单面板 双层板 样机制作 设计软件 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（Functionality）等方面造成困难。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。卷放卷收之生产早先之“卷对卷”设备对于连续性软材是直接放在“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。细线的制作线路之成像（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一旦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。设计阶段的熟悉软板在设计之初就要针对“生产导向式设计”（Design for Manufacturing；DMF）深入了解，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：1． 成本2． 板材的选择与使用3． 成品板的外形、大小与重量4． 结构5． 制程之路径6． 试验及检验标准7． 电性之效能8． 机械性能——弯折组装或是动态工作9． 外形性能——尺度安全性，耐热性及耐候性10．组装技术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。板材之性能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不断增加，计有： 1． 聚亚醯胺Polyimide—无胶层者（Adhesiviless）2． 聚亚醯胺Polyimide—有胶层者（Adhesive）3． 聚亚烯萘Poly Ethylene Napthalate (PEN)4． 聚对苯二甲酸乙二酯Poly Ethylene Tetraphalate (PET) 或聚酯类(Polyester)5． 薄环氧树脂与玻纤之FR-4板材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。制程途径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），线路的设计，与R2R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？其主要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然可以利用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，将可大大减低所占用的空间，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完成任务。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，两者对于产品都非常重要。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，以免对板材造成不良的反效果。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，出货前还要对裸露出的众多焊垫，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无法避免的。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。结论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系统，因而在制程能力与产品品质两方面，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。