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Michael Carano:PCB制造过程控制重点
  2022-11-01      

文章来源:PCB007中国线上杂志

Michael Carano是著名的过程控制、电镀及金属化技术、表面处理和可靠性专家。因此,I-Connect007编辑团队特邀请Michael Carano探讨在如今多变的环境下如何实现现有设备的机械化。《CHIPS法案》的政府资金是否会影响PCB裸板制造业?可以调整工厂车间的何种工艺?他强调重点是不仅仅需要关注生产和产品出货,更需要关注过程控制。

Nolan Johnson:您对目前市场以及制造商应该如何提高自身能力有全面深入的见解。是否可以简要介绍您撰写的论文?

Michael Carano:首先,行业都在谈论政府补贴资金高达520亿美元的《CHIPS法案》,但PCB行业的同仁都说:“嘿,这项法案很好,但芯片不会飘在空中,芯片将置于何处?”除非同时增加PCB产能,否则芯片仍将“漂洋过海”,进入海外的半导体封装测试外包企业(Outsourced Semiconductor Assembly and Test,简称OSAT)或类似企业。因为美国本土没有IC载板生产能力。

我的论文探讨了如何通过升级设备使现有制造产能翻番。每家制造商大约需要1000万至1200万美元资金,目前美国约有100家制造商,总计需要投资约12亿美元。如果把基建投资也计算在内,那么这个数字可能要达到约35亿美元,过几年再翻一番,会达到70亿美元的市场。这些投资资金,无论是来自政府、实物贷款还是其他方式,必须要保证。

需要升级和投资的设备,包括水平式设备、新电镀技术、可靠性、内部测试、材料搬运、导通孔形成、激光钻孔等。我研究了所有新设备,最先进的是飞针测试设备。

如果从头开始建设新厂,那投资可能需要2500万至4000万美元。以美国5~6家主要制造商为例,如TTM、Summit、APCT、FTG、Calumet,都拥有多家制造工厂,拥有高素质的人才和极佳的工程设计能力。

Johnson:对于《CHIPS法案》高达520亿美元的政府补贴资金,PCB制造商所需的投资资金只占到了约2%。

Carano:没错。美国的制造商能力强且稳定,企业管理很好,但在进行投资时,他们需要帮助,以最小化或降低投资风险。我知道他们可以做到,并且做得很好。

化学工艺不断发展,材料不断改进。全球PCB制造商用的是同样的化学药水,没有什么秘密配方;全球90%的化学药水和材料是由美国公司开发的。他们可能在全球各地都有机构,而且都在使用这项技术。有人告诉我美国不使用电镀技术,那不是真的。

数字工厂

Barry Matties:你认为PCB裸板制造商应该如何对待数字工厂?似乎很多制造商都持有“我们的规模很小,数字工厂不适合我们”的态度,不愿实施“数字工厂”计划。

Carano:你了解CFX和“未来工厂”。组装公司了解设备、设备相互连接的需求、数据传输方式、基本监控,以及出现故障时如何快速返修。然后是区块链。实际上,区块链是任何交易、软件开发或工厂运营安全的重要组成部分。他们不了解这种联系,或者成本似乎是主要问题。此外,我们为什么不投资更多的半加成或加成法工艺?通常,制造商并不认为CFX、数字工厂对他们来说是一项会提升其在行业中地位的重大举措。

Johnson:制造商很难为旧工艺配备足够的员工。

Carano:劳动力问题在各个行业都面临挑战。我在加利福尼亚州旅行,到处都是制造业的招聘广告,不仅仅是PCB行业存在人工不足问题。行业并不需要博士或硕士学位的电气工程师。我们正在努力吸引那些能够胜任这项工作的人,成为CAD、CAM或钻孔操作员团队的一员,或是能处理化学药水并控制生产线的人。

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行业也需要多促进劳动力开发,向大学和高中学生伸出橄榄枝,使他们对电子产品及其功能产生浓厚的兴趣。也许加利福尼亚州的所有制造商和组装厂都可以共同努力,分享信息,例如,“展示PCB行业真正能做的一切,向他们说明在PCB行业工作是伟大的职业。你可以得到发展和进步。这很令人兴奋,PCB行业所做的一切可以改变和改善人们的生活。”

重建利润

Matties:PCB行业的利润已经很低,已成为资本投资的阻碍。如何帮助行业提高利润?

Carano:据我所知,约20年前就有了向近岸技术的转变,但现在还没有全面恢复。然而,大多数人并没有意识到,所报告的电路板价值中有近200亿美元是在iPad、手机、智能手机和其他无论如何都不会在美国生产的产品中。

我们从未在本土真正生产过手机用PCB。然而,这种模式已经从整体上推动了电子技术的发展。半导体和电路板之间存在融合,有机会可专注于利润更高的工艺,因为这些工艺受到了保护。我们不想这类工艺被输出,而是留在这里。这就是应用于本土军事、航空航天、医疗、汽车和互联网基础设施产品的工艺。制造商会认为,与其说是提高利润,还不如说是提高良率。如果有更高的良率,他们会赚更多的利润。但问题是,如何将良率从90%提高到95%?这点可能非常重要。

良率主要与劳动力开发、培训、认证、设备、仪器等有关。我拜访过几家制造商,他们的设备还没有升级,其中一些设备已经使用20年,无法从3 mil线宽线距升级到1mil线宽线距。如果投资能够提高良率,那么就有机会获取更多利润。另一关键点是,美国大约有180座PCB生产厂房,其中可能近一半厂房员工不足50人。

如果大型OEM说:“我认可贵公司的质量和生产能力。我每周需要10000件产品。”你如何帮助他们?它将占用公司的全部产能,公司空间有限。这就是我的论文观点,建议将产能翻倍、雇佣更多员工的原因。这种举措可以帮助美国PCB行业恢复到几年前的水平。

让我们面对现实,与15年或20年前市场开始向亚洲转移时相比,今天的技术更加先进。好消息是我们保留较高的行业地位。我们不需要拥有一切,只要有IC载板、高端航空航天、国防、医疗、安全和安保应用即可,这是一项大业务。网络安全处于最前沿,将拥有受保护型行业的所有PCB生产订单的机会。如果能得到汽车企业、各种安全软件公司,以及军事航空公司的支持,我们就有机会在北美重塑PCB行业。

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Matties:关于良率,已经有了过程控制,这不是管理层的规则吗?如果管理良好的公司,仍存在过程失控,那么管理规则可能需要做出很大改进。

Carano:是的。这些年来,可用不到50000美元的投入,完成数条生产线的完全自动化,实现过程控制。通过控制器、在线控制器进行在线监控,当漂洗不良而受到离子污染时,用电导率探针测量水的电导率。这些小探针大约只要180美元,可把它们像笔一样放在口袋里,检查过程也很方便。但是应用不广。重点要监控的不仅仅是生产和发货,还需要过程控制。

很多次我去到工厂,在化学镀铜生产线边,检查化学镀铜控制器。不知道多少次发现:“哦,这是一个很好的控制器,但它没有连接或运行不正常,最近也没有校准。如果不打算使用它,为什么要拥有它?”这就是发生变化的关键点,当出现变化时,就会出现问题。

Matties:所以,制造商投资部分必须源于工艺考虑,比如过程控制工程师、工艺工程师等。但当你开始谈论拥有50名员工的工厂时,你可以走进工厂,花50000美元进行调整。他们不知道吗?因为50000美元不是资源限制。

Carano:对。这并不是说他们没有相关知识。问题是只有一位可做所有工作的工程师,其他人员都是行政人员。工厂需要有更多工程人才,能了解过程和过程中发生一切的员工。但工厂只有一个年轻人,他进来后,第一天做成像,第二天做阻焊,第三天又要做电镀,因为“火”发生了,需要他到处救火。哪里都需要他,有些事情失控了。我现在要解决什么问题?随着控制装置的自动化程度提高,仪器将可提供在线分析。

不要仅仅依靠供应基地来为公司做这一切;需要在现场解决问题,并且需要更严格的控制。如果正在构建4~8层板,也许不需要做所有这些投资,但无论如何都需要过程控制。只有少数过程在控制方面真正实现了自动化。也许备选蚀刻设备有进料和出料功能,但即使如此,也要确保设备得到维护,以便能提供精确的读数,并使化学药水保持在严密的操作窗口内。另一点更广泛,这就是工程设计的作用。成像有很多工作要做,所有工艺必须结合在一起,不仅仅涉及电镀、材料或材料处理,还包括蚀刻、成像、表面制备、工作流程以及管控方式。在这个行业中,同时进行的事情太多了,且相互关联。

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现有工厂的特有挑战

Johnson:您的论文中,重点强调了机械化和自动化。现有工厂投资1000万美元,可在生产车间实现更多的机械化和自动化吗?

Carano:这是个好问题。公司在这个角落里有蚀刻设备,那里有成像设备,可使面板通过成像工序到蚀刻工序再到显影工序。在我职业生涯的早期,通过直接金属化水平加工PCB。从裸铜开始,经过水平去污,然后钻孔。所以,它是水平去污,一直发展到目前的直接金属化生产线。因为直接金属化可缩短生产过程,确实压缩了大量时间,提高了生产率和质量。然后PCB进入有开口的薄板层压设备,光致抗蚀剂层压,面板成像。然后进行显影、蚀刻和剥离,全部自动化,全部水平加工。

通过自动化可以做很多事情,可以适当调整设备可加工的尺寸,用最新的蚀刻技术替换设备。新设备的占地面积可能较小,可水平加工。在亚洲,可能除了电镀,几乎所有工艺都是以某种方式或外形进行水平加工。有的公司可连续不断地水平电镀,现场有很多工程师一直在监控生产线,专门解决技术问题。

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