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™ 工藝卻帶來了全新突破。該工藝可實現(xiàn)微米級 3D 結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體先進(jìn)封裝。倍福的 XFC 組件和 EtherCAT 是實現(xiàn)該工藝的關(guān)鍵。
電子元器件的微型化趨勢使得傳統(tǒng)光刻工藝越來越難以經(jīng)濟、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。通過我們的 Impulse Printing™ 技術(shù)，我們正在推動工藝邁向新高度。”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 說道。
該工藝的核心組件是表面蝕刻有微米級結(jié)構(gòu)的硅層轉(zhuǎn)印基板。這些微米級結(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：“極高強度的瞬時電流脈沖會引起極少量的油墨溶劑在與晶圓接觸時瞬間發(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 補充道：“該工藝即便在超過 60 厘米的間距下仍能穩(wěn)定運行，但在此距離下精度會有所降低。”
必須確保印刷過程同時滿足非接觸式操作與高速運行這兩個要求。一次電流脈沖即可在不到 1 毫秒的時間內(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現(xiàn)印刷中的結(jié)構(gòu)與基材之間的局部對齊。Fonontech 研發(fā)的打印頭面積為 128 x 128 毫米，支持所有常見油墨類型。“該技術(shù)可實現(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 說道。通過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。多個打印頭可便捷地并排安裝，以實現(xiàn)這一需求。
01
快速精準(zhǔn)：通過基于 PC 的控制技術(shù)
該工藝采用倍?；?PC 的控制實現(xiàn)全流程自動化。“通過集成 EtherCAT 和 XFC 技術(shù)，F(xiàn)ontech 能夠?qū)崟r同步并精確定位設(shè)備的各個模塊。”倍福荷蘭分公司銷售工程師 Stijn de Bruin 解釋道。在原型機制造階段，F(xiàn)abien Bruning 從項目初期就確定了最大程度地采用標(biāo)準(zhǔn)組件的設(shè)計策略。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，我們在 Simulink® 中開發(fā)了算法，并在 TwinCAT 中實時執(zhí)行這些算法。”他還補充說，許多第三方供應(yīng)商都提供配備 EtherCAT 接口的組件。EtherCAT 也被國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會（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發(fā)為配備 EtherCAT 接口的獨立模塊：“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，多個打印模塊可以組合成一個大型打印頭，通過 EtherCAT 的分布式時鐘和 XFC 技術(shù)，實現(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 評論道：“雖然我們完全可以在 C6017 上運行該算法，但在開發(fā)階段將其部署在獨立的工業(yè) PC 上更加便捷。”
02
目標(biāo)：實現(xiàn) 5 微米級分辨率
原型機目前正在基板上打印多個寬度為 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)是要實現(xiàn)線寬 5 微米且套刻誤差范圍控制在亞微米級的精密打印工藝。實現(xiàn)這種高精度印刷所需的精確時序控制依托的正是倍福的 XFC 極速控制技術(shù)。同時，還需將現(xiàn)有運動控制方案升級至采用空氣軸承的亞微米級定位平臺。“得益于基于 PC 的控制系統(tǒng)的開放性和靈活性，整套方案可以與現(xiàn)有的硬件和控制解決方案無縫對接。”Stijn de Bruin 說道。
在該系統(tǒng)的測試版中，除空氣軸承系統(tǒng)外，還集成了多種電機變體及一個搬運平臺。針對最高 48 V 的低壓場景的緊湊型驅(qū)動技術(shù) — EL72xx EtherCAT 伺服電機端子模塊和 AM8100 伺服電機 — 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：“事實上，若想開發(fā)并推廣配備高性能從站控制器及集成運動控制的功能單元，市場上基于 PC 的控制技術(shù)的替代方案并不多見。”
關(guān)于德國倍福
倍福（Beckhoff）是一家專注于自動化新技術(shù)的德資企業(yè)，創(chuàng)立于 1980 年，總部位于德國威爾市。作為全球自動化技術(shù)的驅(qū)動者，倍福定義了自動化領(lǐng)域的許多標(biāo)準(zhǔn)，是國際標(biāo)準(zhǔn)的制定者和推動者。公司所生產(chǎn)的工業(yè) PC、現(xiàn)場總線模塊、驅(qū)動產(chǎn)品和 TwinCAT 自動化軟件構(gòu)成了一套完整的、相互兼容的控制系統(tǒng)，可為各個工控領(lǐng)域提供開放式自動化系統(tǒng)和完整的解決方案。經(jīng)過 40 年的發(fā)展和努力，倍福已在世界各地設(shè)立 30 多家分支機構(gòu)，加上全球的合作伙伴，業(yè)務(wù)遍及 70 多個國家和地區(qū)。
倍福于 1997 年進(jìn)入中國市場，中國區(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、光伏太陽能、電子制造、金屬加工、包裝機械、印刷機械、塑料加工、輪胎加工、木材加工、玻璃機械、物流輸送以及樓宇自動化等眾多領(lǐng)域。
公司傾力推廣的 EtherCAT 實時工業(yè)以太網(wǎng)于 2014 年成為中國國家推薦性標(biāo)準(zhǔn)，并已入編工信部的《國家智能制造標(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。倍?；?PC 的控制技術(shù)具有良好的開放性，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)和自動化技術(shù)完美融合在一起，為實現(xiàn)工業(yè) 4.0 和智能制造奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。
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