直接成像技术的优越性

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是否开始采用直接成像技术？ 实例表明,采用该技术可以提高定位精度、成品率以及加工尺寸的精密度。

• 方案的可行性
  

• 直接成像技术使设想成为现实
  

• 用户的收益
  

• 小批量生产剖析
  

• 批量生产的情形
  

Scott Waxler和Shavi Spinz

Orbotech Ltd.

直接成像技术的突破,使全球各地印刷线路板制造商正陆续安装直接成像系统。在各种不同生产线的成功应用表明:直接成像技术具有显著的优势,是当今激烈的市场竞争中一项必不可少的工具。

从成本角度看,该技术缩短了产品周期、节省材料消耗并降低了对劳动力的需求。直接成像技术作为具备高成品率的先进技术,基本功能包括:精密微过孔、图样定位和平面上精细线条或宽线条的一致性暴光。那么,影响制造商安装直接成像系统的主要因素是什么呢？

方案的可行性

从这个角度来说,直接成像技术已经走出实验室阶段并被证实为现实可行的生产解决方案。估计全球已经安装应用了50个直接成像系统,而且这个数目还在迅速地增加。但是,直接成像技术最适合投资在哪一类型的产品生产中？它是仅仅对创新者适用？还是大部分厂商都可以受惠？首先,要弄清楚安装直接成像系统的好处是什么？

在谈到这一点时,印刷线路板制造商有一个“最适合”的描述,可理解为最大限度得到利益和获得可接受的投资回报(ROI)。适合采用直接成像技术的产品特征有:技术复杂、批量小、产量低、快速转型和技术能力有限。具有以上特征或以上特征组合的制造工序就“最适合”采用直接成像技术。

使用直接成像技术可以消除传统的接触式印刷过程中的很多缺陷。这些缺陷包括成像工具被污染、定位不良、曝光不均匀和线宽控制超标等。

一般来说,技术复杂度越高,成像技术的成品率越低。因为外层缺陷导致的损耗远远超过内层缺陷的损耗,对外层采用直接成像技术的投资收益更高。

当采用小批量分期付款方式运作时,取消效果图(artwork)的制作可最大程度地节约成本。在小批量时,接触式印刷机的设置耗费时间。例如,典型的接触式印刷机设置时间是每版(两面)15分钟。

典型的接触式印刷机印刷10版需要4分钟左右,全过程共需要19分钟。同样打印10版,直接成像系统几乎不需要设置时间,印刷时间也只在10分钟左右。在印刷8版时,整套图采用直接成像技术要节约36分钟。

通过取消效果图制作也可节约一大笔费用。批量越小,每个版节约的时间、人力、效果图费用越显著。采用直接成像技术后,制造工艺变成从计算机辅助制造(CAM)直接进行曝光,从而省略了印刷效果图等中间步骤,设置时间也节省了。这些中间步骤包括绘图、菲林平整、验证和修整。这就显著缩短了整个出图周期。

直接成像技术使设想成为现实

直接成像技术使许多设想化为现实。过去,制造商常拒绝某些订单,因为无法做到需要的规格,或者因为成品率太低使订单失去意义。直接成像技术使这一切发生了变化,它使制造商能从订单获得潜在的高收益。在成品率可接受的条件下,显著降低焊盘面积是技术上带来的主要好处。投资这样的不动产具备极大的增值潜力,以至很多人把它比喻为量子技术跃迁。

直接成像技术的最明显的好处是:公司在小规模基础上构建(或计划构建)复杂的技术,同时

转型可以非常快。因为直接成像技术节省了制作光照图(phototool)的费用,减少了接触打印所需要的设置时间。从事小批量,快速转型板材加工的公司可以节省相当的材料费用、时间和人力费用。此外,那些制造复杂产品的公司通常拥有成品率提高所带来的最大潜在收益,因为复杂度和成品率通常是反比的。

对小批量加工,因为减少或消除了返工,对提高成品率有好处。由于备损(overcut,为了获得所期望的最终交货量生成的层面数量)数量太小,可能因为填充一些废料而无法达到所需的装船数量,最终导致制造商返工。或者,在大批量生产时,由于减少因成像缺陷带来的材料损耗,成品率自然提高了。

对于大批量生产而最终成品率甚微的公司,往往是因为层与层间定位不良或外层有不可修复的缺陷。通常假定在迭片前通过自动光学检测系统可以发现内层的缺陷并废弃相应的内层。通过提高成像质量消除外层的缺陷,使用缩放比例和先进的定位技术可以获得更好的层与层间定位,从而就可能节省整个版图。由于成品率和特征尺寸有直接关系,对精密特性和复杂的板材外层和内层使用直接成像技术,有机会得到最高的投资收益,但是这通常受到层与层间定位不良的困扰。

一般来说,在此所列的直接成像技术的特征和最适合的应用,其目就是指出采用直接成像技术的明显好处。然而,这些特征和好处并是唯一的。例如,当一个公司因为要批量生产而需要扩大绘图和接触印刷能力时,它会想到直接成像技术可能带来的机会和收益。该公司证明,投资一套用于内层和外层的直接成像系统所带来的投资收益,会高于花费50万美元购买绘图仪、显影剂、接触式印刷机、扩建暗室和额外的清洁室等所得到的收益。

用户的收益

为了帮助理解直接成像技术的影响力,目前对用户进行了一项调查,通过比较采购前的期望值和应用后的收益,获得的数据相当有说服力。

小批量生产剖析

从New Jersey的R&D Circuits和英国的Stevenage Circuits公司看到,取消效果图制作和缩短交货时间带来的投资收益是易于计量的。在小批量情况下,平均交货时间通常不到5天。此外,很多工作室相当一部分工作的交货期不到1天。因为一天和两天交货期的价格要远远高于按照标准的5天交货期的价格,显然这是一个获利颇丰的好机会。

报告显示,每个公司在效果图制作中平均每张菲林需要花费25美元。这包括菲林材料成本、检验、修整、显像化学药剂、储存成本和绘图费用诸如资产贬值、人工开销和环境花费等等 。

这些公司预测,使用直接成像系统会节省20到25美元。在快速转型工作室的典型产品上,每年仅取消效果图制作一项就可节省近90万美元(这个数字根据批量大小和效果图制作费用的差别而变化),计算如下:

• 日均直接成像产品,10MJ光阻:每天2,000面

• 平均批次大小:10个版面

• 每个效果图平均节省:20美元

• 每年工作时间:300天

• 附加费用,10MJ光阻:0.10美元/英寸²

• 每天菲林数量:2000/10=200

• 满负荷运行时,预计每天直接成像成本为:15万美元

• 对10MJ的每年附加成本=3英寸²*0.10美元/英寸²*2000面/天*300天/年=18万美元

• 取消效果图每年可节省总额=200张菲林*300天/年* 20美元/每张菲林= 120万美元

• 取消效果图每天可节省净额=1,200,000 - 150,000 - 180,000 = 87万美元

通过节省使用接触印刷机的劳力可以节约更多费用。正如前面提到的,接触印刷机大约需要15分钟才能可以设置完毕,而先进的直接成像系统实际上设置时间为零。

那些快速转型的公司同样可以发现,直接成像在焊盘尺寸大为减少的情况下,仍然可以达到可以接受的成品率,这正是重要的节约成本的潜在源泉。 事实上,直接成像所能处理的精密焊盘/孔径比是传统的成像工艺根本无法加工的。

批量生产的情形

对于那些欲通过提高目前产品成品率的公司和那些欲采用新工艺,但是受到经济条件甚至当前成像工艺能力制约的公司,直接成像技术具有独特的技术优势。这些技术优势包括:在提高成品率的同时,改善边与边定位精度,特别是层数多的产品；而提高层与层间定位精度则使可加工的焊盘孔径比更小,从而提高板材的实际利用率；更细的线宽公差提高了对阻抗的控制；大尺寸更精细成像的一致性；为获得更精密的定位精度放置显著的特征标志。

诸如Würth Electronik GmbH & Co、Parlex公司和若干大型高技术PCB制造商的实践表明,显著提升成品率以及使设想成为现实所带来的收益可以很快收回企业的投资。1999年3月,Würth电子公司安装了一套直接成像系统,它的目标是在等离子掩模上为Dycostrate 微过孔应用制作0.0508mm的走线和线间距以及精确的定位。目前Würth公司在可获利的成品率条件下,可以制作0.0508mm线径和线间距以及0.1016mm等离子蚀刻微过孔的成像,原因就是直接成像系统提供了杰出的边与边定位精度和线宽精度。在Parlex公司,他们购买的直接成像系统用于柔性材料上制作0.0508mm线宽和线间距的成像。可以这样说,传统的方法无法应对的挑战,利用直接成像技术之后问题解决了。效果图不足、接触问题、曝光量的差异都是制做过程需要克服的问题。内部测试证明,直接成像设备可以解决0.0508毫米线径和线间距的一致性问题。

对PCB制造厂商而言,购买直接成像系统的目的是提高目前0.0635mm到0.0762mm芯片载体的成品率,这是目前业务快速增长的领域。他们同样希望实现亚0.0508mm线径和线间距以及具备0.2032mm俘获焊盘(capture lands)的0.2032mm直径CO₂保形掩模间隙。

随着各种验证数据的不断出现,系统的优点更加显而易见。很清楚,直接成像技术为目前PCB制造业提供了实在的利润空间。直接成像对每一项业务都是最适用的吗？每个制造商都需要充分调查,分析直接成像技术和特定业务的关系。