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【数字工厂】AT&S:奥地利工厂概况与工业4.0计划

四月 16, 2020 | I-Connect007
【数字工厂】AT&S:奥地利工厂概况与工业4.0计划

Barry Matties最近参观了AT&S公司位于奥地利的工厂。这家工厂目前正在开发有关埋入式有源元器件的新型电路设计策略。Gerald Weis介绍了AT&S公司重点为世界各地的PCB设计师提供服务和培训,还简述了公司在向前发展的过程中将采用最新技术和工业 4.0的计划。
 
Barry Matties:AT&S在多个方面一直是行业的引领者。你们当前的收益是怎么样?
 
Gerald Weis:上一个财政年,AT&S的总收益达到了10亿美元,对此我们感到很自豪。目前,公司约有1万名员工。有趣的是,AT&S公司员工在本公司的工作年限平均是5-7年,长于整个行业的平均值。特别是中国的员工,在公司的工作年限不会太长。
 
Matties:因为每到中国庆祝农历新年的时候,你们就会面临人才流失的问题。你们的工厂在全球的布局是如何的?
 
Weis:公司的总部位于莱奥本(Leoben),在费灵(Fehring)也开设了一处工厂,均位于奥地利。我们在印度Nanjangud生产标准的多层PCB;中国的重庆工厂重点是载板,上海工厂重点是HDI产品;而位于韩国安山市的则是我们规模最小的工厂,主要生产挠性板FPC。
 
Matties:你们是否会批量生产挠性板?
 
Weis:没错。我们生产刚挠结合板和全挠性板,使用的材料是半固化片而不是聚酰亚胺。这类产品可以抗弯折5次至10次。客户通常在安装夹具时会用到这类产品。
 
Matties:你们的印度工厂开设了多久了?
 
Weis:我们在1999年收购了印度最大的PCB工厂——位于Nanjangud的Indal Electronics公司。
 
Matties:公司总部的地理位置会给你们带来哪些优势?
 
Weis:根据奥地利的经济发展历史,莱奥本周围地区一直都很注重钢铁业,但周边的一座大型铁矿山已经被完全开采,资源所剩无几。早在上世纪80年代初,政府就已经意识到不应把全部精力都放在钢铁业上,他们决定开发电子行业为当地的居民提供工作。于是该地区的第一处工厂应运而生——主营业务为IBM公司生产PCB。大约在25年前,转为私有企业的AT&S之所以能够取得成功,得益于正确的管理决策。
 
Matties:公司私有化后的规模有多大?
 
Weis:当时我们在奥地利只有三处生产厂址。总共大约有1500名员工,每年的营业额大约是7千万欧元。
在过去25年里,我们取得的巨大发展离不开早年在便携设备上取得的成功,可以说便携设备是巨大的推动因素。
 
Matties:诺基亚和Research in Motion公司当时在欧洲的规模很大。
 
Weis:这两家公司能够取得成功,AT&S在其中也发挥了重要的作用。去年我参加美国IMAPS器件封装大会时,意识到开发者对诺基亚以及配套的优秀供应链还是有非常深的印象。从某种程度来讲,诺基亚推动了电子行业多个生产相关领域内的发展,特别是微型化。
 
Matties:既然说到了供应链,你对现在的供应链有什么看法?
 
Weis:在PCB内埋入元器件需要在导电连接上采用特殊的表面处理方式。晶圆制造商或第三方供应商通常会直接在晶圆上涂布表面涂层。这时,可追溯性就发挥了巨大的作用,因为整个供应链都需要对此操作做出相应调整。我们作为一家拥有埋入式PCB工艺技术的制造商,也要确保和晶圆厂建立一个可靠的对接口。追踪哪块芯片安装到了哪块板上也是十分有必要的。为了保证工厂具备高效的产出量,需要了解整个价值链。只关注特定的物料是远远不够的,所以我们不仅要考虑我们在价值链中的位置,还要考虑在我们之前和之后环节的实际情况。
 
Matties:可能还要更进一步,研究价值链上的第一步和最后一步,并且了解其他的每一步,因为都是环环紧扣的。
 
Weis:通过生产晶圆,你可以得到一个晶圆和一张显示出所有好芯片的晶圆图。你能看到表面处理方式,比如使用了铝表面涂层,但铝不可能和铜形成可靠、稳定的连接。你要怎样保证有效的电气连接?通常情况下,会使用重新分布层来将铝或金芯片焊盘连接到铜表面,这样一来我们就可以直接连接到PCB结构。晶圆片制造商、第三方供应商或公司内部的工艺流程都有可能应用这样的结构。这是我们正在考虑的关键点,也是我们想尽快完成的工作。当然,第三方供应可能是最快的方式,但也是成本最高的方式。最终,你要根据项目的具体情况以及芯片和PCB的布局来做出决定。一般情况下,我们希望采用最迅速且成本最低的方式,但也要权衡利弊做出最后的决定。此外我们还会考虑组件,这样一来我们就可以直接进行晶圆组装和卷带式组装。
 
Matties:你说的是高电流应用?
 
Weis:不仅仅是转换器、逆变流器,还有锂电池所需的高达1200伏的电压。汽车的大功率线路板需要48伏的电压。像电力气候控制和电力转向系统等起停系统和辅助设备,其电压从12伏升到了48伏。我们的产品也涉及工业 4.0和机器间通讯领域。工业领域或多或少都关心高效能运算,其中涉及到阻抗可控传输线、精细走线的线宽和线距要求、更薄的铜层以及更多的层数。对于汽车而言,则更加侧重于更厚的铜层和更大的面积,从而在大电流贯穿时能够有效散热。
 
Matties:目前这些领域出现了什么发展趋势?
 
Weis:总的来说,我们认为汽车领域非常有挑战性。从欧洲的角度来看,随着汽车行业的情况变得越来越困难,整个工业领域的形势也不是很好,但所有人都要应对。我们仍然能从中获益,因为汽车变得越来越数字化,而我们正是这个领域的佼佼者。医疗领域的情况非常好,另一大动力是移动设备载板市场。例如助听器的体积都非常小。埋入式技术有利于进一步推动微型化、扩充电池容量,延长产品使用周期。对我们来说,这也是个很有意思的领域。
 
Matties:你在公司里担任什么职责?你的日常工作主要有哪些?
 
Weis:我的工作涉及硬件开发。我与客户合作优优化实际的解决方案,提出新的创意,对PCB做微型化处理,同时还帮助客户研发新的技术。我每天的工作就是做设计以及进行电气仿真。对于那种需要多物理场方法的仿真,我会和公司内部的仿真团队合作一同完成,目的就是要在生产前就找出翘曲问题。首先我们要计算叠层,然后通过模拟来确保产品的性能都正常。如果我们对模拟结果都感到很满意,就启动生产。
 
Matties:越来越多的仿真发挥了巨大的作用。
 
Weis:电气模拟通常是不够的。散热需考虑的因素也很有趣,特别是针对转换器和逆变流器应用。例如,如果在PCB中埋入入晶体管,你可能要先做一些仿真来确定热阻抗并针对性能表现和标准封装器件进行对比。因此,我们有各种各样灵活的软件包和专家来确保更快、更可靠的仿真,确定电气和散热特性的仿真结果。对于电气特性,我们侧重RF应用的H场、B场、E场和S参数。原则上来说,我们会模拟高性能切换和高频传输的解决方案。
Matties:但仿真结果只可与你们输入的变量一致。
 
Weis:我完全同意这一点。在开始仿真之前,我们把所用基材的行为进行表征。我们清楚地知道基材具备哪些性能。在PCB结构的前端仿真过程中,包括用电镀保证生产后的良好效果。通常我们不会只做一次仿真,因为第一次仿真后可能还会出现一些其他的不确定性。我们还需要考虑到取决于PCB布局和所用材料的生产容差。而且机器专用区也会发挥很大的作用。
 
Matties:那热仿真呢?
 
Weis:这要取决于具体应用。对于大功率的应用,我们通常会使用多边形来优化承载电流的能力。针对这种情况,仿真并不能涉及到信号处理。如果客户要求我们考虑这一点,我们还要对这些部件建模,所以也就需要额外的时间来完成。为了优化仿真操作,我们会在仿真前去除不需要的部件。毫无疑问,我们要在快速的仿真速度和准确的仿真结果之间做出权衡。我们会根据经验尽可能做好优化。
 
Matties:我们现在来谈一谈埋入式应用。在什么情况下,设计师应该考虑采用这项技术?
 
Weis:极度的微型化需要给元器件留出足够的空间。埋入技术能够代入更多组装层,而且因为直接在PCB上采用了埋入技术,所以也不再需要保护硅芯片的外壳。经验法则表明,埋入式技术采用的芯片,其体积要比传统芯片注模封装小4倍。显然是因为芯片和PCB之间的密度做了相应调整。我们连接到PCB铜结构是要满足一些要求的,但和焊接点相比要求少了很多。这就是为什么微型化技术是埋入式技术发展的首要推动因素。目前我们还看到向5G技术的发展趋势,客户需要优化设计来实现高频信号的可靠传输。
 
Matties:使用埋入式技术还可以提高可靠性。
 
Weis:没错。我们公司内部的实验室就可以根据IPC标准做可靠性测试。我们能证明采用埋入式技术的产品,其使用寿命要比采用标准塑模封装的产品使用寿命更长。通常只会对样品进行电气测试,产品开发和大规模生产时才会测试可靠性。
 
Matties:但这也会成为推动埋入式技术不断发展的一大动力,因为人们都希望有更可靠的产品。
Weis:没错。从某种程度来讲,可靠性是可以模拟的,这一流程也开始被落实到位。汽车领域是测试可靠性的主要推动因素。在产品被安装到小轿车或卡车里之前,就要在前端证明产品的可靠性。因为封装的特性和材料息息相关,实验室工作人员的日常任务就是获取材料组合的信息、铜层结构信息和PCB特定值,从而保证所有产品的质量与可靠性。
 
Matties:这是属于电路设计的新时代,你还提到了有些人是如何坚持做这份工作,长达30年。可能对他们而言,这是个很大的挑战。
 
Weis:为了了解埋入式技术和优化后的PCB布局,人们需要在三维条件下进行考虑。一般而言,两个组装层上需要一些机械钻孔,而HDI电路板上已经有用激光钻孔。因为某些位置可能有埋入式元器件,已无法在所有位置都钻取通孔。我们还在生产现场检查是否只在非组装区域钻取了通孔。

 
Matties:你们是否会使用加成法技术。
 
Weis:使用什么样的生产技术是和具体生产厂有关。比如在奥地利,我们就使用半加成法工艺和减成法工艺。而在我们亚洲的工厂,也会使用改良半加成法工艺,虽然和奥地利使用的技术类似,但针对移动设备的应用进行了优化。
 
Matties:是不是受到了移动设备行业的推动?
 
Weis:确实如此。这是我们使用该技术的唯一应用领域。这也和加工生产线以及空间要求有关。我们在重庆的工厂导入了另一种不同的半加成法工艺用于IC载板生产,因为这类产品需要超细的线宽和线距。
 
Matties:你们是否会将埋入式技术和加成法工艺结合使用?
 
Weis:我们会这样做。埋入式技术是一项附加工艺步骤。总的来说,这项技术可以和所有生产工艺结合在一起。
 
Matties:这种情况现在很常见吗?
 
Weis:是的,特别是信号处理方面。电力应用使用埋入式技术比较有挑战性,因为大电流所对应的铜层较厚。针对这个领域,我们也正在开发相应的方案。
 
Matties:如今制造业的另一重点就是工业 4.0。你们现在的制造数字化程度如何?
 
Weis:我们目前正在对数字化程度进行评估,而且也正在落实一部分数字化技术。现在奥地利莱奥本-Hinterberg这里的生产园区已经有几种可用的概念。现在我们做的是多品种中低产量的生产,所以高度灵活的概念也是必不可少的。同时还需要新工具,因为升级所有目前正在使用的设备是不可能的。而对于埋入式技术而言,则更有挑战性。我们围绕工业 4.0和智能工厂的数字化已开启了几个项目,专门设置了特定部门去研究这些主题、评估变量、弄清楚设备的使用周期并确定是否应该被替换。
 
Matties:你主要是跟系统设计师和负责布局的人员一起合作?
 
Weis:我们与客户的技术部门展开密切合作,以确保快速可靠地完成PCB布局。双方都有各自的专有知识,结合在一起即可通过最好的方式来取得最优方案。
 
Matties:板上密度变得越来越小。现在设计师要承担的压力越来越大,但有部分却没有积累一定的相关知识或者所要求的相关教育背景。
 
Weis:一块PCB是根据多个机械和电气规则而设计出来的。计算机会在布局过程中和布局完成后自动检查产品是否符合设计准则。检查表是确保数据质量良好的方式。此外,我们还会引入设计评审会议,在设计投入生产之前找出潜在问题。我们公司内部的数据传输格式是ODB++,里面包含了几乎所有生产需要的信息。
 
Matties:你提到了有关数字工厂的实例,因为你需要知道你的设备完成加工所需的材料配方。一旦你完成了这一步,就可以轻松将产品送到蚀刻机那里说,“把压力调整到适合的等级。”
 
Weis:没错,但如果是混合程度高的定制方案,甚至需要有几个闸门来进行核验。而且对计算机的自动化操作还是要进行人工核查。一方面,计算机可更快地完成任务,但另一方面,使用非标准方案时操作员更了解机器行为。在优化生产步骤时,如果你有工作多年的操作员,可以只使用人工智能技术。
 
Matties:根据我的理解,你想表达的是需要把操作员的知识储备都转移到计算机当中,因为工作了20年的操作员差不多也到了该退休的年龄。你提到的案例和数字化工厂有关?
 
Weis:是的,这也是正在开展的工作。几乎所有程序在运行过程中都是静止不变的,下一步要做的是机器学习。
 
Matties:AI功能将和数字化方案结合采用。如果你和设计师一同在前端展开合作并且已经找到了所有问题的答案,设备就可以自行做出调整。我们之所以清楚这一点是因为其他工业行业已经做到了这一点,所以人们的思维方式肯定已经转变了。
 
Weis:没错!AT&S也聘用了一些有研究工程、设计和电子产品的人员。我们会共同持续跟踪AI的发展,并研究尽可能多地优化生产的概念。
 
Matties:你们现在大约有1万名员工,相当于一些城市的人口量了。可以简要介绍一下你们的企业文化吗?
 
Weis:AT&S的企业文化是以客户为导向及面向未来。如果客户要求我们开发有挑战性的产品,我们可以在非常短的时间内以一个合理价格找到解决方案。凭借着“超越AT&S”的策略,我们正努力成为一家互连方案供应商,做到在未来向客户提供高度集成的方案。
 
Matties:优秀企业必不可少的一部分就是要成为优秀的企业公民。现在来谈一谈你们在环保方面做出的努力吧。
 
Weis:我们正在努力减少废水和二氧化碳排放量,而且制定了相应的发展路线图。除了我刚才提到的,我们的企业文化不仅仅包括将营业额最大化和优化公司财务,还包括深入探索如何更环保地利用水资源和减少二氧化碳排放量。例如,我们印度的工厂就很大程度地做到了循环用水,因为来自河流的水都已经被污染了。我们必须要对水做好清洁处理才能用于生产流程当中。当水排出工厂的时候,水的洁净程度甚至比引入工厂时还要高。我们在这方面付出了很大的努力,而且我们的客户也一直在敦促我们满足环境标准和道德要求。我们还会尽可能保持生产车间和其他区域清洁。我们想尽量避免在车间残留化学品。这是AT&S公司致力达到行业最高质量标准的部分战略。
 
Matties:空气质量控制得也很不错。
 
Weis:莱奥本工厂的通风系统采用温控的过滤空气。我们只在亚洲工厂里采用了湿度受控制的通风系统。
 
Matties:你们正在申请哪些专利技术?
 
Weis:我们申请的技术涉及很多领域,从PCB生产到PCB分割、5G技术、大功率、线宽与线距要求等。
 
Matties:凭借这些专利技术,你们可以授权给其他公司使用?
 
Weis:现在我们用专利来保护技术,但我们也考虑将专利技术授权给其他公司使用。这个流程就是保证追踪我们的发明,并且在具备优势的时候能够持续保持。
 
Matties:我们来聊聊你们未来的发展方向。埋入式技术似乎是你们会着手推向市场的领域之一。
 
Weis:我认为埋入式技术将结合各类PCB,例如埋入绝缘金属基板(IMS)或挠性电路。如果放入了芯片,就可以将其称为封装;如果埋入了更多元器件,可以将其称为异质性封装。如果你的视野更广,也可以称其为载板。在电路板中,可以放入更多元器件,所以说这项技术可以很容易地扩大规模。
 
Matties:你介绍的所有这些对于设计群体而言都是非同寻常的挑战。
 
Weis:不仅仅对于设计领域是挑战,对于设计软件的供应商也是挑战。采用新技术对他们而言也是挑战,必须要十分了解生产流程,所以我们也要和设计软件展开合作。而且对于销售部门而言也是不小的挑战,因为我们对成本效益的要求也很高。设计师给出精彩的设计,销售人员要和客户商讨如何优化成本。
 
Matties:如果有公司委托你们提供设计服务,你们会接受吗?
 
Weis:我们是从头提供这类服务,也就是从零开始。这个流程通常从元器件管理和设计原理图开始,最后以PCB布局、仿真和数据检查结束。
 
Matties:有多少客户会让你们为他们做设计?
 
Weis:和我们合作的公司类型非常广泛,从新成立的公司到全球性企业。讨论如何在特定产品上应用设计流程一直很重要。我们的方法非常灵活,可以根据实际情况做出调整。

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