5G时代,SMT、半导体制造与PCB相邻产业如何整合?

近年来,随着电子产品小型化的发展,要求功能集中、体形小巧、轻薄且低能耗、低成本,促使业界对芯片的封装形式有了新的需求,尤其是物联网等应用高速的发展,让SiP等先进封装技术逐渐成为主流。

根据来自BusinessInsider的消息,到2025 年将会有550 亿件IoT 产品,相当于地球上每个人拥有4 件以上IoT产品,比手机普及率高10 倍。根据Gartner(高德纳)预测,到2022 年将有80% 的企业IoT 项目会涉及AI元器件,但是当前仅有10%。AIoT将促进商业以指数倍增长。这些市场信息都在告诉我们制造业的春天已经来临,所以我想谈谈我们SMT会有什么样的变化。传统上半导体和SMT生产是独立的。目前正在发展的先进封装应用技术带动了半导体生产和传统SMT的整合。目前,一些半导体封装公司已经买了越来越多的SMT贴片机来贴装被动元器件,然后用半导体die bonder贴装来完成SIP的制造。

SIP的概念是如何低成本大规模生产半导体功能的元器件或模块以满足各种不同应用的需要,用于自动化,医疗,消费产品等等。另外,因为FO(Fan Out)既可以用wafer方法处理(FOWLP),也可以用Panel 方法处理,所以扇出型封装(Fan out package)的发展使得生产成本可以进一步降低,开始受到非常多的关注。为了使现有工厂设备使用率达到最大化,大多数FO是在芯片上完成的。如果要在Panel上完成,客户需要进行严谨的评估测试(Audit)和投资半导体行业并不常用的大板材使用设备,如果产品需求量不够大,做这样的投资是不划算的。因此目前FO panel base仍停留在起步阶段。IoT和可穿戴产品发展缓慢某种程度也是受限于此。SMT贴片机在这个领域还未到大展拳脚的时候。

同样,一些大的EMS厂商正把bare dies、倒装芯片和电子元器件贴在混合电路板或者智能穿戴这类小型电子元器件和C4密集的产品上。后工序的半导体和SMT生产整合使得很多制造步骤得以简化并且质量更稳定,从而满足先进电子产品高性能、高质量、低成本的要求。

另一方面,过去对SMT在连板的质量要求并不是很高。但是因为近年来小型化的趋势,电子产品变得很小且元器件非常密集,如果还是表面贴装后再分割板材就不再可行了,因为可能会损坏电路板和边缘的电子元器件,并且可能对电路板造成污染从而影响质量。

5G商用启动后,我们可以预见越来越多的高端电子产品将会出现,比如智能穿戴产品,或者高频率通讯设备。至于高端电子产品,我们将看到这类产品使用了很多柔性板,软硬板,嵌入式硬板等使用嵌入技术组装了大量的IC或者芯片,或者小型电子元器件,比如008004(公制0201 公制)要用到Type 6或者Type 7焊膏等。基于这样的改变和质量要求,以前的基板先贴后割则需要改为先割后贴。我们必须改变传统的SMT制造方式来适应新的技术变革。

我们注意到近年SMT设备供应商开始收购和兼并了一些Die bonder公司,比如Micronic收购了MRSI,FUJI收购了Fastfor,Yamaha收购了Shinkawa,ASM 收购了Amicra。

这两个行业的整合越来越强烈,随之而来的垂直整合和兼并将重新定义 EMS or OSAT 在技术和生产上的功能。 

关于自动化,半导体客户和SMT客户的需求也有很多不同概念。半导体客户希望自动化自己的生产设备方案,而SMT客户则希望通过机器手或人,传送设备或者AGV来自动化自己的生产线包括搬运处理原材料。

由于工业4.0的推动,半导体客户看重机器的生产方案和可追溯性,而SMT客户则垂青于MES和包括车间测试,组装和运输在内的大数据的数据采集和分析(加上AI 功能),最终都是为了软件能够更好地连接工厂的ERP 系统以实现库存最低,交货时间最短,从而使工厂效率最大化。至于设备和软件的连接,SMT并没有真正的标准,大部分是借用于IPC。所以,我们可以说SMT是以机器为中心。然而半导体客户,他们习惯用SECSGEM的标准适用于所有半导体设备,所有设备必须按客户具体要求来定制,所以在这方面而言半导体是以客户为中心。这就是为何SMT的设备供应商给半导体客户提供设备的时候一定要加强和客户沟通, 要根据客户的具体情况来设定特殊技术支持, 才能真正满足客户需求。

在电子产品的组装工厂,我们也应该考虑自动化和测试及最终组装阶段的数字化传输。在软件方面,我们可以把来自ICT或者ATE的测试结果和功能测试,及SMT生产数据合并在一起进行互相核对,找到问题并解决问题。这样的话,就涉及很多图像文件传输和大量历史数据的存储,这样就会碰到很多计算机系统产生的操作问题。这就是为何每当涉及软件的时候,我们软件工程师关于机器软件的知识就显得不够用,所以我们的工程师必须精通IT和数据系统。

谈到“最后装配”,今天我们的SMT客户需要手工插入很多异形或者大型的电子元器件。为了实现自动化,我们需要非常多样化的高效插件机器。目前在市场上,我们看到一些中型SMT 设备改做插件,如果客户只做固定几种类型电子元器件的插件而不需要做任何其他改变这是没有问题的,否则的话只能选择市场上仅有的FUJI sFAB,因为它可以灵活插件。因为包装, 托盘,供料器设计和夹具设计需要耗费很多成本和时间,不像用手工插件很简单且成本低,尽管如此,随着元器件的多样化,“最后装配”也会慢慢的改变,当工厂重视DFM(Design for Manufacturing),”最后装配”会被优化从而适合高度自动化。

以前我们有LCD,LED,OLED组装,目前流行miniLED和microLED,对贴片数量和生产速度的需求将大大改变SMT生产设备的版图。我们必须注意批量传输的生产设备。一台普通的4K 电视机需要在显示器上放置1000-2000 万个microLED(15 微间距),这对钢网印刷机和贴片机等设备来说是个大挑战。现在很多设备供应商正投入大量资源致力于研发一种经济可行的用于生产MicroLED的技术方案。

光通讯是另一个大跃进行业,2018年也是光通讯(100G 以上速度)的元年。美国的数据中心已在使用100G的系统,正往400G、600G迈进。而中国却只使用了较低的30到40G的系统。2019年开始中国的数据中心准备使用100G,同时追赶400G的发展,3到5年后光通讯消费产品会出现,会形成一个推动市场,光通讯的AOC及其他高频率的通讯产品也需要Die Bond做到3到5个微米范围,100G以上就需要做到1 个微米的准确性。到那时,不知道这方面的生产会属于半导体后端,还是SMT厂家。

不难看出,5G新时代导致下游市场终端产品技术创新,对SMT及半导体制造设备需求的深度和广度发生重大变化。如今客户对生产制造工序工艺复杂度、精准度、流程和规范提出了更高要求;另外随着劳动力等生产要素成本上升,OEM/EMS面临着成本和效率的双重诉求。如何提升自动化水平、降低成本,实现效优整合是所有行业创新升级的大方向。2020年慕尼黑上海电子生产设备展(productronica China),SMT行业领军企业将以更大的展示面积、更创新的产品和技术,充分演绎各自的降本增效解决方案。

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