软板:创新和制程

PCB软板已成为现代高密度电子产品的关键推动者,但要达到此密度等级则需要更薄的层板和更精细的线路。 传统的三层式软板是由铜、聚酰亚胺和黏合剂所组成,后来逐渐由更薄、更平滑的两层式软板所取代且不需要使用附着层 – 铜直接沉积于聚酰亚胺上。 两层式电路板的厚度只有30 µm,线路间距也只有15 µm (0.6 mil)。 因此,加工板的处理必须非常小心以避免形成皱褶、张力或刮痕。

可折叠软板在智能手机中连接电子元件

软板与生俱来的物理性质对于制程来说会形成一些关键的挑战,因此会对于良率造成负面影响,对于设计的可行性来说也会造成潜在冲击。 这些挑战可以透过软板辅助技术来解决,这些技术不但能大规模生产软板 (FPC),还可确保高质量的良率和产出。 有越来越多的软板供应商采用先进的软板制造技术以提升制造效率、改善良率,并维持较低的成本和市场竞争力。

FPC的生产设计和制造有别于硬板PCB,且在过去十年间已开发出整个生产周期的新解决方案,可支持软板PCB生产的精细度。 传统片对片 (sheet-to-sheet) 材料处理制程的改进和最近的自动化卷对卷 (roll-to-roll, R2R) 制程,使得软板的生产不断进步,可满足越来越高的市场需求。 如果您的工作涉及软板,下面这些技术应该是您需要了解的 。

智能手机设计里的多层软板

软板 CAM和CAD解决方案:更有效地控制从设计到生产的 流程

专门针对软板开发的制造性设计 (DFM) 软件工具有助于解决设计时间所产生的问题。 这些先进的工具可用来实现手动编辑阶段的全自动化,并减少错误和关键的周期时间。 在今天许多可用的软板DFM工具中,有自动运算连接点弯曲和表面平滑,以及自动覆盖层和防焊优化,使设计能达到更快的速度、更优越的质量和更高的精确度。

经过分析及生产优化的FPC板(来源:Frontline PCB Solutions)

典型的多层软硬结合板设计(来源:Frontline PCB Solutions)

以工具为基础的软板电路设计分析器可以提供更多的控制功能,它能帮助工程师在设计之前、期间和之后对设计产品进行检查。 它们可以用来检查软板的结构性限制,并报告补强需求、空气间隙、预弯曲区域、频繁移动的组件、导线重叠和连接,以及传导层有关的问题。

特别是专注于CAD和CAM工具,如Mentor Graphics的Xpedition、Frontline的GenFlex和InCAM Flex等, 都是可用于软板设计的。

可实现高密度和高良率的软板面板激光钻孔技术

激光钻孔与布线在软板印刷电路板生产中很常见。 在高密度软板制造过程中,紫外线激光钻孔技术可以用来直接在铜和聚酰亚胺层上钻直径 70 µm以下的穿孔。 高精度激光钻孔能够撷取面板上的靶标,精确地对位钻孔位置,以确保穿孔的最佳对位精度。 激光机械装置也用于PCB中常见的精确精细布线和槽道切割。 激光钻孔支持基于片材 (sheet-based) 的生产,最近也被卷对卷生产模式采用。

激光直接成像:用于非平整软板材料的精度和变形补偿

目前为止,先进的软板板供货商已经依靠激光直接成像 (LDI) 设备搭配基于片材的成像技术生产双面软板、软硬结合和多层软板材料。借由LDI可协助克服软板生产挑战:

  1. 高精确度的景深 (DOF) 光学:可以在表面不够平整,以及表面高低变化在100 µm至300 µm之间的软板材料上进行细线的成像。 具有大镜面扫描 (LSO) 技术的LDI可提供超过300 µm的景深,可在任何软板表面上确保最佳线路质量和均匀度。其他较低精确度的光学成像架构在景深仅有 100 µm时,其线路成像质量就较低且不均匀,因此会影响良率。
  2. 变形补偿:聚酰亚胺软板材料在生产过程中容易变形和拉伸。 为了补偿这种变形,每块软板片材都要经过测量,然后用补偿校正后的结果进行成像,以精确地将图样和钻孔对齐。 只有具有高对位精度的直接成像解决方案,才能根据每个测量过的片材经过计算修改和校正图样影像。透过撷取小区域特征点,此方式可精准对准图案与穿孔,以实现高良率的 FPC生产。

在细线软板印刷电路板中,有超过 80%的片材式是使用LDI大规模生产。在卷对卷生产基础设备中,对LDI的需求仍不断成长,用于软板卷轴的LDI技术则正在开发中。

自动光学检测 (AOI):实现更高水平的质量检测

大部分的 FPC产品都是双面或单面的。 传统上,这些产品并不需要进行AOI检测。 然而在过去5年中,细线路软板已经成为智能型手机互连的主要组件,使得整合设备制造商要求对单面和双面FPC进行更高的质量管控,因此AOI 层级的检测已逐渐成为强制要求。

由于聚酰亚胺基材是透明的,对检测构成了极大的挑战。 新开发的 AOI检测工具具有多重成像功能,能够执行FPC的全面扫描,透过不同成像逻辑检测确保不会看到底部的图样层产生误判。

在检测和验证阶段, AOI通常涉及面板材的人工处理。 这种人工操作方式存在操作方面的瑕疵,经常会损坏精细的FPC薄形片材,使得报废显著增加。

自动操作超薄的软板材是主要的核心技术挑战,因此转移到卷对卷操作模式进行检测和验证的需求与日俱增。

自动化软板卷对卷 AOI系统

现今在亚太地区约有 100 台 AOI系统使用卷对卷的检测和验证模式,主要用于智能型手机的生产。 这些AOI不仅用于单面和双面软板,也用于硬板层和多层软板的内层检测。

自动光学成形:透过复原 FPC报废提高良率

由于细线双面 FPC的核心只有30 µm,因此对缺陷的人工修复或重工在过去一直无法实现 – 有缺陷的FPC基本上直接被废弃。 但在过去3年中,业界开发出全自动的铜成形解决方案,可用于成形及修复精细的FPC。 这种自动化的光学成形解决方案使用先进的荧光成像和激光溶蚀工具,在一个循环成形系统中协同作业,在不会损坏 FPC 基材的情况下就能消除细微的短路,而且不会损坏FPC。 这些有缺陷的FPC在还原后就不需要废弃,进而提高了最终良率,大幅节省了生产成本。 最近在卷对卷模式中也实现了自动光学成形技术。

用于防焊软板层的直接成像 (DI)

没有玻璃纤维的纤薄软板产品在生产过程中容易移动和变形。 这些变形在整个生产过程中不断累积,必须在防焊阶段进行校正。 这就是越来越多 FPC 在阻焊层使用 DI 生产智能型手机,以及DI成为高良率、大规模FPC生产的解决方案选项的原因。

卷对卷处理:消除损坏情况

虽然片对片制程的发展受到多步骤批量处理程序和小基板尺寸的阻碍,但卷对卷处理制程可高速、连续地处理长度通常为 100m的长形软板卷筒。 通过此方式可大幅提高生产效率,一卷长的连续生产卷筒可以生产上万片小型FPC。 卷对卷模式不仅适用于单面和双面软板,亦适用于多层软板的内层处理。

高速连续性卷对卷 (R2R) 制程

卷对卷处理基础设施需要在所有上述生产设备的客制化,以及包括化学生产线在内的其他制程方面进行较大规模的提前资本投资。 这种投资规模远超过片对片制程所需,因此软板供应商对于卷对卷模式的采用持保留态度是可以理解的。 然而,通过消除软板搬运损伤,使用卷对卷制程获得更高质量和更高良率的优势将使得它极具成本效益。

结论

FPC对于种类广泛的应用来说极具价值,对于现代智能型手机更是如此,在这些应用中,FPC可以提供高水平的图样密度和互连折叠功能。 此技术可实现高效率的纤薄产品设计,而这样的设计是传统硬板PCB所无法实现的。 但生产这些超薄、软板和精密互连面临诸多的挑战。 在整个生产过程中特别需要关注的是确保这些软板带来的技术优势不会因为低良率和低制造效率而大打折扣,使得终端设备的成本随之增加。

利用高效率的卷对卷处理制程和先进的激光钻孔、 AOI和DI技术,再加上针对软板优化的软件工具,软板供应商正在取得全新的规模经济效应,并在竞争激烈的市场中为设计者提供使其产品脱颖而出的高度可靠、 高度通用的软板。

作者:Micha Perlman,奥宝科技资深营销经理
出版:EDN

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