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電子元器件及其結(jié)構(gòu)正日趨微型化，這使得鍵合工藝的難度與日俱增。傳統(tǒng)工藝在此領(lǐng)域早已觸及性能天花板，但荷蘭初創(chuàng)企業(yè) Fonontech 研發(fā)的 Impulse Printing™ 工藝卻帶來(lái)了全新突破。該工藝可實(shí)現(xiàn)微米級(jí) 3D 結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體先進(jìn)封裝。倍福的 XFC 組件和 EtherCAT 是實(shí)現(xiàn)該工藝的關(guān)鍵。
電子元器件的微型化趨勢(shì)使得傳統(tǒng)光刻工藝越來(lái)越難以經(jīng)濟(jì)、可靠地制備元器件之間的互連結(jié)構(gòu)。“傳統(tǒng)制造技術(shù)已接近其性能極限。通過(guò)我們的 Impulse Printing™ 技術(shù)，我們正在推動(dòng)工藝邁向新高度。”總部位于埃因霍溫的荷蘭初創(chuàng)公司 Fonontech B.V. 首席技術(shù)官 Fabien Bruning 說(shuō)道。
該工藝的核心組件是表面蝕刻有微米級(jí)結(jié)構(gòu)的硅層轉(zhuǎn)印基板。這些微米級(jí)結(jié)構(gòu)可以吸附油墨，并在后續(xù)工序中將油墨轉(zhuǎn)印至基板（印刷電路板）表面。除了蝕刻好的導(dǎo)電線路外，轉(zhuǎn)印基板還集成有加熱結(jié)構(gòu)。Fabien Bruning 解釋道：“極高強(qiáng)度的瞬時(shí)電流脈沖會(huì)引起極少量的油墨溶劑在與晶圓接觸時(shí)瞬間發(fā)生微爆式氣化， 將油墨從晶圓表面精準(zhǔn)噴印至電路板。”Fonontech 公司 CEO Rob Hendriks 補(bǔ)充道：“該工藝即便在超過(guò) 60 厘米的間距下仍能穩(wěn)定運(yùn)行，但在此距離下精度會(huì)有所降低。”
必須確保印刷過(guò)程同時(shí)滿足非接觸式操作與高速運(yùn)行這兩個(gè)要求。一次電流脈沖即可在不到 1 毫秒的時(shí)間內(nèi)完成電路板或其它基板上數(shù)千條線路的印刷。此外，加熱結(jié)構(gòu)的選擇性加熱功能還可實(shí)現(xiàn)印刷中的結(jié)構(gòu)與基材之間的局部對(duì)齊。Fonontech 研發(fā)的打印頭面積為 128 x 128 毫米，支持所有常見(jiàn)油墨類(lèi)型。“該技術(shù)可實(shí)現(xiàn) 300 毫米晶圓或 600 x 600 毫米基板的快速印刷，這一規(guī)格正逐步成為半導(dǎo)體后道封裝的新標(biāo)準(zhǔn)。”Fabien Bruning 說(shuō)道。通過(guò)平板加熱裝置與鋼網(wǎng)印刷工藝的協(xié)同作業(yè)，設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)更大尺寸部件的制造，例如平板顯示器。多個(gè)打印頭可便捷地并排安裝，以實(shí)現(xiàn)這一需求。
01
快速精準(zhǔn)：通過(guò)基于 PC 的控制技術(shù)
該工藝采用倍福基于 PC 的控制實(shí)現(xiàn)全流程自動(dòng)化。“通過(guò)集成 EtherCAT 和 XFC 技術(shù)，F(xiàn)ontech 能夠?qū)崟r(shí)同步并精確定位設(shè)備的各個(gè)模塊。”倍福荷蘭分公司銷(xiāo)售工程師 Stijn de Bruin 解釋道。在原型機(jī)制造階段，F(xiàn)abien Bruning 從項(xiàng)目初期就確定了最大程度地采用標(biāo)準(zhǔn)組件的設(shè)計(jì)策略。正如他所解釋的，選擇倍福一部分原因是看重 TwinCAT 3 控制軟件的高度靈活性： “例如，我們?cè)?Simulink® 中開(kāi)發(fā)了算法，并在 TwinCAT 中實(shí)時(shí)執(zhí)行這些算法。”他還補(bǔ)充說(shuō)，許多第三方供應(yīng)商都提供配備 EtherCAT 接口的組件。EtherCAT 也被國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（SEMI™）采納為通信標(biāo)準(zhǔn)（E54.20）�；谶@一考量，F(xiàn)abien Bruning 也在致力于將打印頭開(kāi)發(fā)為配備 EtherCAT 接口的獨(dú)立模塊：“這將使半導(dǎo)體行業(yè)的其他企業(yè)更便利地將我們的技術(shù)集成到他們的設(shè)備中。”此外，多個(gè)打印模塊可以組合成一個(gè)大型打印頭，通過(guò) EtherCAT 的分布式時(shí)鐘和 XFC 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更大尺寸結(jié)構(gòu)的高精度打印。
Fonontech 目前使用的是 C6017 超緊湊型工業(yè) PC，該設(shè)備搭載了 TwinCAT 3 PLC/NC PTP、TwinCAT 3 Target for Simulink® 和 TwinCAT 3 HMI。圖像處理應(yīng)用目前部署在 C5240 19 英寸抽拉式工業(yè) PC。Fabien Bruning 評(píng)論道：“雖然我們完全可以在 C6017 上運(yùn)行該算法，但在開(kāi)發(fā)階段將其部署在獨(dú)立的工業(yè) PC 上更加便捷。”
02
目標(biāo)：實(shí)現(xiàn) 5 微米級(jí)分辨率
原型機(jī)目前正在基板上打印多個(gè)寬度為 10 微米的圖案。“如此精細(xì)的結(jié)構(gòu)已超越大多數(shù)印刷技術(shù)的工藝極限。”Rob Hendriks 解釋道。然而，F(xiàn)onontech 并不滿足于此，其目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)線寬 5 微米且套刻誤差范圍控制在亞微米級(jí)的精密打印工藝。實(shí)現(xiàn)這種高精度印刷所需的精確時(shí)序控制依托的正是倍福的 XFC 極速控制技術(shù)。同時(shí)，還需將現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)控制方案升級(jí)至采用空氣軸承的亞微米級(jí)定位平臺(tái)。“得益于基于 PC 的控制系統(tǒng)的開(kāi)放性和靈活性，整套方案可以與現(xiàn)有的硬件和控制解決方案無(wú)縫對(duì)接。”Stijn de Bruin 說(shuō)道。
在該系統(tǒng)的測(cè)試版中，除空氣軸承系統(tǒng)外，還集成了多種電機(jī)變體及一個(gè)搬運(yùn)平臺(tái)。針對(duì)最高 48 V 的低壓場(chǎng)景的緊湊型驅(qū)動(dòng)技術(shù) — EL72xx EtherCAT 伺服電機(jī)端子模塊和 AM8100 伺服電機(jī) — 可以進(jìn)一步節(jié)省安裝調(diào)試階段的占用空間及成本投入。Fabien Bruning 認(rèn)為，分布式控制器和 EtherCAT 功能的集成是另一種值得探索的技術(shù)方案：“事實(shí)上，若想開(kāi)發(fā)并推廣配備高性能從站控制器及集成運(yùn)動(dòng)控制的功能單元，市場(chǎng)上基于 PC 的控制技術(shù)的替代方案并不多見(jiàn)。”
關(guān)于德國(guó)倍福
倍福（Beckhoff）是一家專(zhuān)注于自動(dòng)化新技術(shù)的德資企業(yè)，創(chuàng)立于 1980 年，總部位于德國(guó)威爾市。作為全球自動(dòng)化技術(shù)的驅(qū)動(dòng)者，倍福定義了自動(dòng)化領(lǐng)域的許多標(biāo)準(zhǔn)，是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定者和推動(dòng)者。公司所生產(chǎn)的工業(yè) PC、現(xiàn)場(chǎng)總線模塊、驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品和 TwinCAT 自動(dòng)化軟件構(gòu)成了一套完整的、相互兼容的控制系統(tǒng)，可為各個(gè)工控領(lǐng)域提供開(kāi)放式自動(dòng)化系統(tǒng)和完整的解決方案。經(jīng)過(guò) 40 年的發(fā)展和努力，倍福已在世界各地設(shè)立 30 多家分支機(jī)構(gòu)，加上全球的合作伙伴，業(yè)務(wù)遍及 70 多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。
倍福于 1997 年進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，中國(guó)區(qū)總部落戶于上海市北高新產(chǎn)業(yè)園區(qū)，現(xiàn)有員工 300 人，辦事處遍及國(guó)內(nèi) 30 座大中城市。創(chuàng)新產(chǎn)品和解決方案廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、半導(dǎo)體、光伏太陽(yáng)能、電子制造、金屬加工、包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、塑料加工、輪胎加工、木材加工、玻璃機(jī)械、物流輸送以及樓宇自動(dòng)化等眾多領(lǐng)域。
公司傾力推廣的 EtherCAT 實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)于 2014 年成為中國(guó)國(guó)家推薦性標(biāo)準(zhǔn)，并已入編工信部的《國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》。作為一家技術(shù)驅(qū)動(dòng)型公司，倍福一直注重在技術(shù)上尋求突破創(chuàng)新，在業(yè)內(nèi)享有“創(chuàng)新引擎”的美譽(yù)。倍福基于 PC 的控制技術(shù)具有良好的開(kāi)放性，它支持所有主流的工業(yè)通信協(xié)議，將 IT 技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化技術(shù)完美融合在一起，為實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 和智能制造奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
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