軟板:創新和製程

PCB軟板已成為現代高密度電子產品的關鍵推動者,但要達到此密度等級則需要更薄的層板和更精細的線路。傳統的三層式軟板是由銅、聚醯亞胺和黏合劑所組成,後來逐漸由更薄、更平滑的兩層式軟板所取代且不需要使用附著層 – 銅直接沉積於聚醯亞胺上。兩層式電路板的厚度只有 30 µm,線路間距也只有 15 µm (0.6 mil)。因此,加工板的處理必須非常小心以避免形成皺褶、張力或刮痕。

可折疊軟板在智慧手機中連接電子元件

軟板與生俱來的物理性質對於製程來說會形成一些關鍵的挑戰,因此會對於良率造成負面影響,對於設計的可行性來說也會造成潛在衝擊。這些挑戰可以透過軟板輔助技術來解決,這些技術不但能大規模生產軟板 (FPC),還可確保高品質的良率和產出。有越來越多的軟板供應商採用先進的軟板製造技術以提升製造效率、改善良率,並維持較低的成本和市場競爭力。

FPC 的生產設計和製造有別於硬板PCB,且在過去十年間已開發出整個生產週期的新解決方案,可支援 軟板PCB 生產的精細度。傳統片對片 (sheet-to-sheet) 材料處理製程的改進和最近的自動化卷對卷 (roll-to-roll, R2R) 製程,使得軟板的生產不斷進步,可滿足越來越高的市場需求。如果您的工作涉及軟板,下面這些技術應該是您需要瞭解的。

智慧手機設計裡的多層軟板

軟板 CAM 和 CAD 解決方案:更有效的掌握從設計到生產的流程

專門針對軟板開發的製造性設計 (DFM) 軟體工具有助於解決設計階段所產生的問題。這些先進的工具可用來實現手動編輯工作階段的全自動化,並減少錯誤和關鍵的週期時間。在今天許多可用的軟板 DFM 工具中,有自動運算連接點彎曲和表面平滑,以及自動覆蓋層和防焊最佳化,使設計能達到更快的速度、更優越的品質和更高的精確度。

經過分析及生產優化的FPC板 (來源:Frontline PCB Solutions)

典型的多層軟硬結合板設計 (來源:Frontline PCB Solutions)

以工具為基礎的軟板電路設計分析器可以提供更多的控制功能,它能幫助工程師在設計之前、期間和之後對設計產品進行檢查。它們可以用來檢查軟板的結構性限制,並告知補強需求、空氣間隙、預彎曲區域、頻繁移動的元件、導線重疊和連接,以及傳導層有關的問題。

特別是專注於 CAD 和 CAM 工具, 如:Mentor Graphics 的 Xpedition、Frontline 的 GenFlex 和 InCAM Flex 等,都是可用於軟板印刷電路板設計的

可實現高密度和高良率的軟板面板雷射鑽孔技術

雷射鑽孔與佈線在軟板印刷電路板生產中很常見。在高密度軟板製造過程中,紫外線雷射鑽孔技術可以用來直接在銅和聚醯亞胺層上鑽直徑 70 µm 以下的穿孔。高精度雷射鑽孔能夠擷取板子上的靶標,精確的對位鑽孔位置,以確保穿孔的最佳對位精度。雷射機械裝置也用於 PCB 中常見的精確精細佈線和槽道切割。雷射鑽孔支援基於片材 (sheet-based) 的生產,最近也被捲對捲生產模式採用。

雷射直接成像:用於非平整軟板材料的精度和變形補償

目前為止,先進的軟板供應商已經依靠雷射直接成像 (LDI) 設備搭配基於片材的成像技術生產雙面軟板、軟硬結合和多層軟板材料。藉由LDI 可協助克服軟板生產挑戰:

  1. 高精確度的景深 (DOF) 光學:可以在表面不夠平整,以及表面起伏變化在 100 µm 至 300 µm 之間的軟板材料上進行細線的成像。具有大鏡面掃描 (LSO) 技術的 LDI 可提供超過 300 µm 的景深,可在任何軟板表面上確保最佳線路品質和均勻度。其他較低精確度的光學成像架構在景深僅有 100 µm時,其線路成像品質就較低,並且不均勻,因此會影響良率。
  2. 變形補償:聚醯亞胺軟板材料在生產過程中容易變形和拉伸。為了補償這種變形,每塊軟板片材都要經過測量,然後用補償校正後的結果進行成像,以精確地將圖樣和鑽孔對齊。只有具有高對位精度的直接成像解決方案,才能根據每個測量過的片材經過計算修改和校正圖樣成像。透過擷取小區域特徵點,此方式可精確對準圖案與穿孔,以實現高良率的 FPC 生產。

在細線路軟板印刷電路板中,有超過 80% 的片材式是使用 LDI大規模生產。在捲對捲生產基礎設備中,對 LDI 的需求仍不斷成長,用於軟板捲軸的 LDI 技術則正在開發中。

自動光學檢測 (AOI):實現更高水準的品質檢測

大部分的 FPC 產品都是雙面或單面的。傳統上,這些產品並不需要進行 AOI 檢測。然而在過去 5 年中,細線路軟板已經成為智慧型手機互連的主要元件,使得整合設備製造商要求對單面和雙面 FPC進行更高的品質管控,因此 AOI 層級的檢測已逐漸成為強制要求。

由於聚醯亞胺基材是透明的,對檢測構成了極大的挑戰。新開發的 AOI 檢測工具具有多重成像功能,能夠執行 FPC 的全面掃描,透過不同成像邏輯檢測確保不會看到底部的圖樣層產生誤判。

在檢測和驗證階段,AOI 經常涉及面板材的人工處理。這種人工作業方式存在操作方面的瑕疵,經常會損壞精細的 FPC 薄形片材,使得報廢顯著增加。

自動操作超薄的軟板材是主要的核心技術挑戰,因此轉移到捲對捲操作模式進行檢測和驗證的需求與日俱增。

自動化軟板捲對捲AOI 系統

現今在亞太地區約有 100台 AOI 系統使用捲對捲的檢測和驗證模式,主要用於智慧型手機的生產。這些 AOI 不僅用於單面和雙面軟板,也用於剛性層和多層軟板的內層檢測。

自動光學成形:透過復原FPC 報廢提高良率

由於細線雙面 FPC 的核心只有 30 µm,因此缺陷的人工修復或重工在過去一直無法實現 – 有缺陷的 FPC 基本上直接被報廢。但在過去 3 年中,業界開發出全自動的銅成形解決方案,可用於成形及修復精細的 FPC。這種自動化的光學成形解決方案使用先進的底材螢光成像和雷射融蝕工具,結合在一個閉迴路成形系統,在不會損壞 FPC基材的情況下就能消除細微的短路。這些有缺陷的 FPC 在還原後就不需要廢棄,進而提高了最終良率,大幅節省了生產成本。最近在捲對捲模式中也實現了自動光學成形技術。

用於防焊軟板層的直接成像 (DI)

沒有玻璃纖維的薄化軟板產品在生產過程中容易移動和變形。這些變形在整個生產過程中不斷累積,必須在防焊階段進行校正。這就是越來越多FPC在阻焊層使用 DI生產智慧型手機,以及 DI 成為高良率、大規模 FPC 生產的解決方案選項的原因。

捲對捲處理:消除損壞情況

雖然片對片製程的發展受到多批量處理程序和小基板尺寸的阻礙,但捲對捲處理製程可高速、連續地處理長度通常為 100m 的長形軟板捲筒。透過此方式可大幅提高生產效率,一捲長的連續生產捲筒可以生產上萬片小型 FPC。捲對捲模式不僅適用於單面和雙面軟板,亦適用於多層軟板的內層處理。

高速連續性捲對捲 (R2R) 製程

捲對捲處理基礎設施需要在所有上述生產設備的客製化,以及包括化學生產線在內的其他製程方面進行較大規模的前期資本投資。這種投資規模遠超過片對片製程所需,因此軟板供應商對於捲對捲模式的採用持保留態度是可以理解的。然而,透過消除軟板搬運損傷,使用卷對卷制程獲得更高品質和更高良率的優勢將使得它極具成本效益。

結論

FPC 對於種類廣泛的應用來說極具價值,對於現代智慧型手機更是如此,在這些應用中,FPC 可以提供高水準的圖樣密度和互連折疊功能。此技術可實現高效率的纖薄產品設計,而這樣的設計是傳統剛性 PCB 所無法實現的。但生產這些超薄、軟板和精密互連面臨諸多的挑戰。在整個生產過程中特別需要關注的是確保這些軟板帶來的技術優勢不會因為低良率和低製造效率而大打折扣,使得終端設備的成本隨之增加。

利用高效率的捲對捲處理製程和先進的雷射鑽孔、AOI 和 DI 技術,再加上針對軟板最佳化的軟體工具,軟板供應商正在取得全新的規模經濟效應,並在競爭激烈的市場中為設計者提供使其產品脫穎而出的高度可靠、高度通用的軟板。

作者:Micha Perlman,奧寶科技資深行銷經理
出版:
EDN

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