设计与成本影响下的软板生产

前言：软板从甚少量、高单价，与尖端技术的昔日，演进到了目前低成本的大量生产与广泛应用。然而纯就技术观点而言，软板本身及其下游组装均已发展到了相当复杂的境界。设计者必须在事先就要对影响成品的各种因素有所认知，以避免对成本与量产制造之方便性（Manufacturability）以及功能性（FuncTIonality）等方面造成困难。

包括单面、双面、浮雕式（Sculptured），以及多层软硬合板（Flex-Rigid-MulTIlayer）等各式产品在内，须皆可采用两种基本流程去进行部分或整体之生产：那就是逐片生产或连续性卷材（Roll Web）或“卷对卷”式（Reel to Rell ；R2R）的连续生产。对于超薄的板材而言（如基材厚 12.5um，铜箔厚5um 者），其逐片生产式制程（Panel Process）将会面临到蚀刻后过度软弱而缺乏自动化机具可用的困境。至于R2R卷对卷式之制程而言，一旦卷材之持取机具（Handing Equipment）对其全程所必须的均匀张力（Tension）有了良好设计时，则其所遭遇到的诸多难题自必得以减少。

卷放卷收之生产

早先之“卷对卷”设备对于连续性软材是直接放在“放送轮”（Unwind）与“卷收轮”(Rewind)两站之间予以拉紧张直，此种做法在使软材穿行各种槽液制程站之同时，将会造成不少困难而使得良率（Yield）为之不振。为了排除此等缺失，现代化R2R收放之间的持取机组，均已加装机械式传送器，张力平衡器（亦称为跳舞机Dancer）。唯其如此对于薄式软材与细密线路之制程方得以顺利展开。此种连续收放过程中，各种软材之化学处理均采喷洒

方式为之。不过软材表面也偶尔会出现蚀刻液之“积水”现象。此种“水池”效应（Puddling）难免会造成蚀刻能力之不足，但却可采“铜面朝下”的方式予以规避。至于双面线路者，则尚可选用较窄的软材或另行加做漏水孔，以减少水池所行成的负面效应。

细线的制作

线路之成像（Primary Imaging）可采乾膜作出为光阻，或利用滚涂（Roll Coated）方式施加液态光阻。所用的乾膜其阻剂层的厚度必须予以精确控制，才能做到最好的成像制程。

不过线路外形的品质除了成像工程本身必须完善以外，够水准的无尘环境（曝光区内须达Class100），软材自动持取机具，以及曝光时间，UV光能量，软材与底片框之间的抽真空等，都要做到最高水准的制程管理。由于光阻剂是经由聚合物单体，在接受UV光能发生交联反应后才形成的，故此种光能的波长必须小心控制，以达到细线边缘的齐直度（DefiniTIon）。理论上看来，想要达到细线蚀刻侧壁的直立，则其毫无斜射的完全平行光势必成为先决条件。然而在平行入射光的途经中一旦出现任何微小脏点时，则其阻剂以及后续蚀刻的线路上，其缺点的发生自必难免。因而入射的平行光与铅直法线（Normal）所形成40左右的斜角，反倒成为消除脏点可能带来不良的最佳偏方，而且侧壁的品质也还不致于丧失太多。

针对细线齐直度的要求，目前可供挑选的光阻或特别调配的阻剂也都不虑匮乏，甚至连搭配最时髦“雷射直接成像”（Laser Direct Imaging；LDI）无需底片之特用光阻，也照样有求必应。至于传统曝光机制程所需各种底片（Phototools）,其等品质与管制之关键性自不在话下，

一种电解式密闭循环的控制器及使用氯化铜为蚀刻剂，将可对软板进行极佳的蚀刻，所得细线的外形品质十分良好，甚至添加补充水排放等也都相当注意环保，不过其造价与实施使用却并不便宜。

设计阶段的熟悉

软板在设计之初就要针对“生产导向式设计”（Design for Manufacturing；DMF）深入了解，以确保后续生产之快速精准，此乃现代化软板业者的主要目标。是故设计者必须要与研发、产品、与制程等各种工程师，在产品设计阶段时就要尽速进行密切的合作。设计对于后续的影响因素约有：

1．  成本

2．  板材的选择与使用

3．  成品板的外形、大小与重量

4．  结构

5．  制程之路径

6．  试验及检验标准

7．  电性之效能

8．  机械性能——弯折组装或是动态工作

9．  外形性能——尺度安全性，耐热性及耐候性

10．组装技术

上述种种必须在产品设计之初就要尽快详加考虑。但实际上却经常是到了生产阶段方才想到要去解决某些设计的问题，这种本末倒置事后聪明的案例在软板界中屡见不鲜。若能于设计即采行失效模式（Failure Mode）与有效分析（Effect Analysis）之理念者（FMEA），则许多潜在的问题均可将消弭之于无形。设计与制程中若能纳入此种做法，则整体之生产将更完善。

板材之性能

多年来软板的生产主要都是采用聚亚醯胺（Polyimide）板材做为基材与表面盖膜（Coverfilm）。然而当产量大增之际成本将变为敏感的因素，使得板材的选用也随之多样化。今日软板可用的板材也不断增加，计有：

1．  聚亚醯胺Polyimide—无胶层者（Adhesiviless）

2．  聚亚醯胺Polyimide—有胶层者（Adhesive）

3．  聚亚烯萘Poly Ethylene Napthalate (PEN)

4．  聚对苯二甲酸乙二酯Poly Ethylene Tetraphalate (PET) 或聚酯类(Polyester)

5．  薄环氧树脂与玻纤之FR-4板材

上述各种板材的成本与性能也都各有不同。Fig3即利用“有胶层聚亚醯（PI）”板材成本做为对比的参考数字，而对四种板材进行比对而列出的资料。

各种板材的使用性能资料可从原物料供应商处取得，也可另行研发与试验而得知。能够广用于业界的板材，其等良好的数据也正是制程稳健与产品性能的关键，大多数供应商几乎都有是按照IPC或MIL等标准所规定的细则去规范应有的数据。因而业者们对全新产品之领域，尚有许多后续工作需要实地执行与发布数据，例如汽车所用之软板，即将涉及各种已上市的板材。

制程途径

为了使产品在尺寸与性能等要件方面都能达到良率成本的效益，所选择的制程途径正是其关键之所在。正如前文所述，软板的生产基本上可分为卷放卷收之R2R式与单一逐片式等两种做法。

R2R连续生产技术在成本与良率方面均较有利；但由于板材货式之取得（Availability），线路的设计，与R2R的产能配合或成本等因素，使得某些形式的软板仍不得不采用单片式制程。有趣的现象是某些产品制程开始时采用R2R途径；但前进到了某一节骨眼时却又不得不改用单片式的做法。现在的客户对其完工软板已愈来愈偏好成卷状的货品，尤其是自动化组装大批量低单价的产品类，如通讯用途的天线类或IC卡类（Smartcard）等市场即是。

下Fig4即显示出单纯的R2R与单片做法的混合制程。至于某种特定产品需要先用何种最佳生产途径？其主要因素经常是取决于成本。而其他影响制程途径之因素，经过仔细考量下，仍以技术与最佳良率以及最低成本为优先，并非一定要采行R2R或部分R2R之生产途径。

R2R之连动生产方式对大批量者极具经济价值，可供生产单面软板或无镀通孔的双面软板使用，而且在后段还可再搭配各种单片制程；如多层软板、浮雕式软板、软硬合板、甚至另一种特殊Regalfex软板等生产。

R2R的生产线最常用于“印后即蚀”（Print and Etch）的单面板制程，此种单纯的连动生产线，其本身即具有“资料回送”（Feedback）系统，可随时自动修正作业条件，比起单片要方便了很多。这种连续软材的制作一旦可达到双面之对准要求时，尚可执行合自动的电测与光学检验，是故具有镀通孔的真正双面板也仍然可以利用R2R而大量生产。

不过采用R2R进行连续性钻孔与镀孔之自动化设备，却必定会占用大量空间投下大量资金，对许多公司而言都不免是一种沉重的负担。幸好最近已出现一种最新式的成孔与镀孔技术，将可大大减低所占用的空间，并还更可使得产速大幅加快！果真如此则此种连动式的做法将大有可为。

纯粹的R2R制程线中，即使软板表涂层（Covercoat）的印刷，或表护膜（Coverfilm）的贴合，亦均可在自动化连续工作中完成任务。现行设备的进一步改装升级，以及新板材或全新接著剂的研发与应市，也都在持续的进行中，以期能达到低温连线式贴合的方便性。不过一旦此种全自动连线一时还不能顺利推出时，则业界仍可利用单片式的既有制程设备，与对准工具系统去进行自动化的生产，其中双面表护膜贴合的对准工程尤其要仔细考虑。

经由印刷涂布的“表涂层”（Covercoat），其所用物料不管是热硬化或紫外线光（UV）硬化，两者对于产品都非常重要。施工方法则以合面满涂（Flood Print）法最具效率，如可感光涂料之滚涂法（Roll CoaTIng）或喷涂法（Spray Coat）即是。所得湿膜先经局部聚合式的预乾后，即采底片曝光成像之选择性方式除去各种待焊点之表面皮膜，其做法与感光成线术（Primary Imaging））并无不同。表面黏装的焊垫通常为长方型，故经由感光法所得到的各种开口（Apertures），其品质要比事先机械冲切之贴膜者更为良好。要注意的是某些软性板材的熔点甚低（如聚酯类POLYESTER），因而其涂膜之加热预乾与后硬化在温度上不可太高，以免对板材造成不良的反效果。是故设备，板材与制程途径的选择都应详加考虑。

某些软板在完成表涂层或表护膜之后，出货前还要对裸露出的众多焊垫，另行加做最后的表面处理，方可使铜面免于氧化，而在焊锡性上得确保（如有机保焊剂OSP即是）。如须按客户的要求而需另做其他表面皮膜（如化镍浸金ENIG）者，须注意此等表面处理制程与板材之间，在温度与化学性质方面是否能完全匹配亦为重点之一。就R2R而言，OSP之表面改质处理其搭调即十分良好，甚至还可采高速移动方式进行处理。但R2R对电镀类（或浸镀类）之处理而言，其投资之庞大想必是无法避免的。由于处理时间甚长，是故连线机组长度之可观也是意料中的事，是故软板流程在此等领域中目前仍多采单片式做法。不过某些高电流密度的新型处理机种也正在开发中。

软板下游组装中常需用到的补强片（Stiffeners或Rigidisers）以支助零件的安装焊接。此等补强片与接著剂可供选+用的物料甚多，前者如FR-4、FR-3、CEM-1，后者有铝片或聚亚醯板材类，亦另有热著胶或感压胶等。此种补强片贴著的步骤均可因材而施法，在压合段时即应针对多点补强处采自动或手动进行逐一施工。大批量生产之各种辅肋工具系统也应及早齐备。

软板完工后即将进行各种零件的安装，此种下游组装可利用原排板之整片式去进行，或采分割切开后的单片再去加工。设计阶段就要对组装步骤预留公差，未来大批量组装工作为了方便众多零件起见，亦可采用R2R式连线做法。因而软板的生产与软板的组装两方面都需要更周详深入的计划，以得到最佳的线路品质。

结论

前文已说明软板之设计与制造均应采取d性的做法，设计者对下游制造者与组装者等制程，亦须尽早参与且至于重要。此种协同合作将导向成本效益互连完美之解决方案，并在Fig4中指出此等理念在全制程中之最佳途径。

由于卷放卷收之连续制程中已大量使用了各种控制系统，因而在制程能力与产品品质两方面，均已获得显著的改善。当对板材有了较深入的了解而在产速与产量方面充分发挥下，也还可选用更好的化学品使得整体品再形提升。对于大批量生产而言，必须清楚的认知与充分利用才是产品成本的关键。连续式卷动制程比起单片做法大幅减少了持取动作，使得大型生产排板中，各单一货板间的分界或间距得以减少，其理之至明也就不言而谕矣。

正如本文之所示，R2R制程对于其连接范围的延伸仍大有可为，但必须与实用性的达成上取得平衡。且整体连线中不同站别之间作业速度迥然有异也需加以权衡。线路设计尽早与生产流程的协同交流，以达到最有效率与最具d性的搭配，其之最佳成果也就水到渠成了。

参考文献

1.     Photoresist, Willian S.DeForest,McGraw-Hill,Inc.1975.

2.     Radiation Curing: Science and Technology,  edited by S. Peter Pappas, Plenum Press, New York,1992(Chapter 10: Photopolymers: Radiation-Curable Imaging Systems, Bruce M. Monroe, DuPont Electronics)