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PCB制造的发展趋势:新技术、新材料、新挑战

五月 14, 2020 | I-Connect007
PCB制造的发展趋势:新技术、新材料、新挑战

本篇文章中,ESI公司的Patrick Riechel和Shane Noel讨论了如何将新的激光技术和控制功能结合起来,以提高生产率和应对新材料带来的挑战。
 
移动设备的普及和其他可穿戴/便携式电子产品的日益推广,给挠性板制造商带来了一系列挑战。手机、平板电脑和其他个人设备,可以帮助人们进行沟通、管理时间,并将我们与互联网连接起来,在需要的时间和地点提供相关信息;依靠越来越多的“智能”汽车中的传感器和技术更有效地保障出行的安全;利用物联网设备来监控我们周围的世界,实现自动化。无论是哪种技术,市场都在不断地要求设备更小、更强大,而且这些设备需要完成更多的功能,持续运行更长的时间,使用更少的电,比前一代技术更便携,并且所有这一切都要建立在成本更低的基础上。
种种的市场需求通过价值链向下传递,迫使制造商要重新考虑他们的加工能力,重新评估他们采用的加工技术,并重新优化他们在生产中实施的制造步骤。虽然在挠性板制造领域没有类似的摩尔定律,但显而易见的是,为了紧跟发展的步伐,挠性和刚性PCB制造商需要高度重视创新。他们需要不断创新和不断发展,否则将会输给那些有竞争力的同行。他们需要致力于开发新材料的高良率和高产量加工能力,并以更小的规模和更高的精度加工这些材料。

 

近5年技术概览

就在5年前,苹果推出了第一款苹果手表。与此同时,亚马逊的Echo设备将语音辅助技术带入了千家万户。谷歌推出Google眼镜,Oculus Rift将虚拟现实带给大众。这些设备显示了互联领域的重大进展,以及无缝数据传输在我们日常生活中的应用。这些设备和其他后续设备在很大程度上依赖于挠性板的使用。他们提供了市场需要的功能,并满足了可穿戴和便携式设备的外形。
大约在同一时间,苹果发布了最新的旗舰智能手机——iPhone 6,配备了LCD显示屏、单镜头摄像头,并有4G连接。当时用于消费电子产品的最常见FPC材料是双面覆铜挠性层压板,有12μm铜箔和25μm聚酰亚胺介质薄膜,常用设备中80%以上的挠性电路都采用这种材料结构。
如今,苹果iPhone 11采用了OLED显示屏、人脸识别技术、多个摄像头、无线充电和有限的5G天线。消费类电子产品的挠性钻孔应用已经扩大,增加了更广泛的结构和更具挑战性的材料。这种材料组合的扩展使得PCB制造商能够制造出具有明显更小走线和导通孔的FPC,以适应更紧密的电路设计。它还实现了需要更厚导电层的新功能,如大电流无线充电。过去的五年发生了很多变化。
随着便携设备市场对更小规模和更大功能的需求继续占据主导地位,挠性板的设计变得越来越复杂,挠性板制造商需要应对的挑战也越来越多,他们越来越需要关注与他们所使用的工艺、所能加工的材料以及所采用的技术相关的创新。他们需要将更多功能放入到更小的空间内,这意味着挠性板设计必然变得更加复杂。具有较多导通孔数量和较小导通孔尺寸的设计,对于更小体积和空间有了更多限制,薄型材料堆叠成为常态。
不断向更小、更密集的设备发展,给PCB制造商带来了压力。在这种环境下保持高良率需要采用更精密和更先进的加工技术和控制方法,同时还要实现产量最大和成本最低。

 

5G:材料加工挑战的案例研究

5G技术的应用是一个很好的例子,功能丰富的新设备给PCB制造商带来新的挑战,特别是当其涉及到全新、复杂的材料组合时。前几代便携设备的制造利用了已有的方法和技术来处理微型同轴电缆和相对容易处理的介质材料,如聚酰亚胺。如今,在一款最先进的智能手机上要实现5G功能以及体积更小的封装时,所需的诸多材料其情况大不相同了。
权衡LCP和其他低K电介质(如聚四氟乙烯PTFE和改性或氟化聚酰亚胺)时,发现降低其“K”值的许多方法也可能导致材料在生产中遇到意想不到的问题,特别是在大批量生产中。例如,许多新型电介质的热特性给加工带来了特有的挑战。当激光所施加的热量与电介质过度相互作用时,产量会受到限制。通过实施如增加激光束速度的热缓解技术,使激光脉冲间隔更长,或在工艺中增加额外步骤,以至于材料得到充分的冷却时间,可将热影响区域最小化,从而达到限制热影响的目的。但需要考虑这些缓解技术对总产量的影响。

 

生产成本上升

PCB制造商面临的另一个挑战是,随着新生产设施的增加和现有设施的扩大,成本不断增加。过去几年,为支持产能增长,投入新设备的成本急剧上升。越来越严格的环境监管等因素,使得扩张成本更高、耗时更久。虽然美国和欧洲的人工成本上升已经持续了一段时间,但现今被认为成本较低的国家(如中国),其土地和人工成本也开始大幅上升。
这些趋势导致许多PCB制造商将重点放在优化现有设施上,而不是增加新设施。这就要求他们在保持或提高生产产量的同时,尽量减少工厂占地面积,力求从现有系统中获取更高的生产率。

 

激光技术发展

第一台商用UV激光器是灯泵浦结构,其特点是较低的重复频率,为1kHz至5 kHz,低平均功率1 W至3 W。尽管这种性能曲线满足了当时的应用需求,但这些激光器普遍被认为可靠性和寿命都比较低。这些激光器不再适合应对当今FPC材料生产1周7天/1天24小时连续运转的生产环境和高产量带来的加工挑战。
如今,激光技术的进步已使最新最先进的二极管泵浦固体(DPSS)激光器、光纤UV激光器能够以远高于100 kHz的重复频率和数十瓦的平均功率工作,通常可持续运行数万小时。这些新型高性能激光器为大批量生产挠性电路提供了基础。然而,它们必须与类似的高性能光束传输和控制能力相匹配,以实现处理广泛的材料和应用(通常用于消费电子产品)所需的高生产率、良率、质量和灵活性。

 

可应对当今挑战和技术的激光系统

将新的激光技术用于特定的应用需要的不仅仅是正确的激光器。它还需要一套合适的光束传输和控制技术来优化激光器的特性及其对材料的影响。现在不仅增加了加工挑战,而且与当今最先进的激光器上更高的重复率和更高的平均功率相关的挑战也增加了。

 

大范围材料和大功率激光器的优化

以高良率激光加工具有一系列热性能和高捕获层厚度的厚和薄材料结构已经是一种挑战。与此同时,集成高重复率、高平均功率激光器还要能够最大限度地提高生产率,使应对这种挑战变得更加困难。理想的激光系统提供了改进的方法来减少工件的热积累和激光能量变化(图1)。
图1:较大的咬口尺寸等于较低的局部加热
将高重复率激光技术与更快的光束控制能力相结合,如ESI的AcceleDrill™ 技术,能够实现更好的热管理,并最小化热量对材料的影响。对光束进行这种程度的控制,能够加工更易出现热问题(如分层、介质或粘接剂凹蚀)的新材料,因为增加光束速度能够实现足够的脉冲间隔,以避免过多的热量积聚(图2和图3)。
图2:粘接剂/粘合片界面的最小凹蚀
必须减少激光加工过程中的自然激光能量波动,以确保最佳质量和良率。这点在敏感的深度控制应用中尤其重要 ,例如在底部焊盘铜厚比较薄、易损坏或分层的情况下进行盲孔加工。另外,这在容易加工的极薄电介质(例如15μm或更薄)应用中也很重要,因为此类介质的加工只允许非常小的误差范围,否则将损坏底层铜。避免这种能量波动的最佳方法包括在加工过程中对激光能量进行实时监测和补偿,如采用ESI公司的Precision Pulse™技术。

 

 

图3:由于较高的局部加热影响导致不可接受的凹蚀

解决生产成本上升的问题

随着工厂占地面积的溢价和增加产能的成本增加,生产力成为重中之重。大幅度提高产量的系统可以推迟添加更多系统的需要,使PCB制造商能够避免与扩展相关的成本,如获取新土地、厂房空间、许可证和资源等。新系统可以用更少的单元来达到上一代系统的产能。减少所需的机器数量,还可以减少资源消耗以及人员需求方面的间接费用。
如前所述,提高激光系统生产率不仅可以通过有效使用大功率激光器,还可以通过减少在两个特征之间移动激光束所花费的非生产性时间来实现。另外准备开始激光器加工的动作,如对准工件上的特征,对系统进行维护,也会增加额外的加工时间。
增强光束定位,如ESI公司的Third Dynamics™技术,可减少在工件上待加工特征之间移动激光束所需时间,是最大限度减少非生产性移动时间的一种方法。另一个最新的关于光束控制的开发,可以大幅改善需要多个有效光斑尺寸加工中激光束的移动时间,比如盲孔加工。
瞬间转移激光焦点,从而改变有效激光光斑大小的能力,如ESI公司的DynaClean™ 功能,则无需将光束通过每个工件的特征两次——一次聚焦,一次失焦。有效的结果是移动时间减少了50%。
先进的比例补偿算法,加之最先进的视觉能力,可以减少必要的对准点数量,以满足给定的工艺精度目标。在极端情况下,这种能力可以将加工所需的时间减少数分钟,特别是对于有弯曲图形的工件。
最后,稳健的系统设计与稳健的制程开发相结合,可以显著减少维护时间及停机时间,从而提高系统的整体生产率。由信誉良好且经验丰富的激光系统制造商进行精密机械、光学和系统工程可以显著减少激光系统所需的维护量,特别是主导挠性激光加工行业的大功率UV激光系统。同样,有效的激光和光学保护机制对此类UV激光系统也至关重要。这些措施延长了激光和光学元件的使用寿命,同时减少了与清洗和更换激光和光学元件相关的预防性维护停机时间。

 

总结

全球对科技产品的需求不断增长,变革步伐不断加快,PCB制造商难以看清未来,难以了解下一步将面临哪些挑战;然而,唯一明确的是为有效响应新的需求并从中获利的战略工具,将是敢于创新的能力。随着下一代技术的到来,掌握最新的技术和工艺是在竞争激烈的市场中保持竞争力的最佳途径——以不变应万变。
Patrick Riechel 是MKS Instruments 公司ESI 挠性电路微加工工具的产品营销总监。他有15 年以上的电子产品设计和制造经验,曾先后就职于Symbol Technologies、Motorola Solutions和ESI 公司。Patrick 拥有麻省理工学院(MIT)的MBA 学位和系统工程学硕士学位,以及布朗大学的电子工程学士学位。他是拥有7 项专利的发明者,是将工业级的头戴式产品计算技术带到摩托罗拉的催化剂,由于在电子领域的贡献,他荣获麻省理工学院Robert Noyce Fellowship。
Shane Noel 是MKS Instruments公司ESI 挠性电路微加工工具的产品营销经理。他在电子产品的设计和制造领域有20 年以上的从业经验,曾就职于LPKF 公司和ESI 公司。Shane 拥有德克萨斯大学奥斯汀分校材料学硕士学位和哥伦比亚
大学材料学学士学位。

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