PCB工廠如何選擇正確的設備？

Kathy Nargi-Toth

Eltek 美國地區總裁

Matt Turpin

Zentech Manufacturing 總裁兼CEO

本期《PCB007中國在線雜誌》，我們把焦點轉向設備——我們不僅關注哪家公司購入了最新、最好的設備，還會關注人們在決定何時購入哪種設備的過程中是如何做出決策的。為了準備這個主題，我們邀請了Eltek公司美國地區總裁Kathy Nargi-Toth和Zentech Manufacturing的總裁兼CEO Matt Turpin和我們一起探討決定購買新設備的整個過程，以及為工藝流程選擇最佳設備方案時要考慮哪些關鍵因素。

Eltek公司的總部位於以色列，製造生產剛撓結合板、多層撓性板和HDI。該公司主要為軍用、國防、航空航天以及醫療電子行業提供服務。Zentech Manufacturing的總部位於巴爾的摩，是一家主要面向軍用/航空和醫療電子市場的EMS公司。

「PCB製造商主要有三種方式評估新設備的採購。」在PCB行業有著超過30年從業經驗的Nargi-Toth說，「第一種方式是解決產能問題或遇到的瓶頸。所以說，這是為了尋找相似的設備；第二種方式是解決現有設備無法處理的技術難題；第三種方式是尋求革新。這種情況就是按照發展藍圖，尋找那些可能還沒上市的設備。這幾種情況下，最好是和主要的設備供應商合作進行。通常情況下，他們已經開始著手開發新技術，他們總是會領先你一步。大多數製造商都會遇到上述三種情況才準備採購新設備，具體還是取決於他們所需要的特定操作是怎樣的。」

Nargi-Toth表示，Eltek公司目前主要的訴求之一就是尋找可處理超薄材料的設備。

「我們準備購買新設備時，要遵從一個決策流程：設備處理撓性材料的效果如何？是如何處理順序層壓、如何處理內層和鍍通孔內層的？側重點在於集中尋找那些可以滿足我們主要需求的設備，即目標設備要有1 mil ~10 mil的處理能力。」Nargi-Toth說，「比如，填孔工序，我們使用同一種設備很多年了，但這種設備並不擅長處理超薄材料。所以當我們打算擴充工廠產能時，我們對另一種設備進行了評估，發現不但可以更好地完成填孔工作（特別是小孔），而且還可以更好地處理超薄材料。這個流程基本就是——我們在某方面有了新需求，然後提議需要哪種設備，之後收集並運行樣機，將樣機的運行結果和現有設備進行對比，最終決定是否購買。我們按照這個流程選購了蝕刻生產線中的設備，在選購激光鑽孔設備時也是這樣做的。基本上，我們會以現有設備為基準，對同一類別下不同設備供應商的2~3種設備進行評測。我們最近又購買了一台激光鑽孔機，我們在選購之前首先調查了市面上都有哪些設備，最後我們選擇了之前一樣的設備供應商，因為它是最符合我們需求的。」

Turpin在EMS行業有著35年的從業經驗，見證了這個行業大大小小的變化。他說，15年前，一家EMS公司購入一套設備，可以一直使用約10年左右，不需要更換。「因為當時的技術變化不太快」，他說。「過去有很多家庭經營的小型工廠。有很多3級和4級工廠，因為那時的工廠不是資本密集型的。那時是做EMS生意的好時機，只需要從設備的角度考慮銷售哪類產品。我也並不是非要說『過去真好』，只是那時候只要買了設備、運行設備就可以了，沒有那麼多變化。之後我們步入了一個新時期，出現了一定比率的變化，這種情況一直到最近才結束。那時候的狀態就是，你知道市面上出現了某種新技術，但你會等到新項目、新客戶或者是新機遇出現了才著手去購買這種適配新技術的設備。你會說，『好的，我知道市面上有一種產線更長的設備，但只有接到了要求我製造30層線路板的大項目我才會去買。』」

Turpin表示，在過去的5年里，製造商不再需要等接到了訂單再購買新設備了，因為市場研究可以調查出你需要的是什麼。「你必須要對各種新技術快速做出反應，甚至要知道最終報價會是什麼樣的，因為你不能今天買了設備明天就投入使用。你必須要開發出一個相關流程，要學會怎樣去做,而且要聘用相關工作人員。在EMS領域，驅動我們發展的因素更多的是技術發展藍圖，我們必須要劃分出新興技術。不僅要從流程工藝的角度去劃分，還要從元件的角度去入手。元件供應商在不斷生產出一些不可思議的產品，這些產品會對你加工元器件所需要的設備產生一定影響。這種情況在EMS領域越來越明

圖1：為工廠投資新設備時，製造商應遵循經過驗證的評估程序 圖片來源：Eltek Ltd

Turpin舉了一個例子——你不能在接到34層線路板製造項目之後就購買一個爐子。「一個爐子遠遠不夠，像那種可以處理重板以及板上集成有BGA技術爐子，你得有三個。你還需要返工設備來重新返工線路板上的BGA。你一定要提前考慮好這些」，Turpin 說。

Zentech在一年前就開始著手研究的技術之一是清洗技術。「我們僅在尋找所有不同版本的設備上就花費了6個月的時間。以前的板子上只有幾個LGA，一個QFN。但我們現在看到一塊板子上有幾百個LGA，它讓你不得不接受一個全新不同的清洗模式，你會覺得也許能用舊設備清洗這種新產品，但其實不然。所以必須要時刻注意新技術。這和3D AXI是一個道理。當你有了帶有400個底部端子的3級板以後，你就無法再使用人工X光系統了。沒有人可以在目視檢查這些元器件之後還能保持目光沒有變獃滯。你需要採用自動化技術進行這種高強度檢查工作。你仍然需要一名工作人員對樣品進行檢查以保證各個連接點都是合乎規定的，但你不可能讓工作人員肉眼檢查所有這些底端焊點。」Turpin說。

向設備供應商提出要求

他們有沒有要求過設備供應商提供更加適合自己工藝流程的產品？他們遇到設備受限問題時會怎樣做？

Nargi-Toth說，他們公司有一些「1號設備」，都是他們要求供應商提供更好的產品時得到的。「我相信Eltek公司使用過很多Orbotech公司生產的1號設備。」她說，「我們的第一台激光直接成像機器是他們製造的，還有第一台直接成像阻焊層加工設備也是他們生產的。製造商和供應商之間維繫著這種關係對我們的行業來說是非常重要的。我們一直不斷要求我們的供應商為我們提供比只從他們那裡直接購買的設備還要優秀的產品。」

但有些時候，現有技術存在一些顯著的局限性。「我們嘗試過升級處理能力，比如DES生產線，但現有設備存在一些局限性。它可以處理1 mil的介質層，但當我們從中去除了75%的銅之後，它就不一定可以處理1 mil的薄膜了。所以，作為FPC製造商，我認為現有設備在滿足我們需求的過程中存在一定局限性，」Nargi-Toth說。

自動化前景

自動化，或者驅動自動化發展的因素，是如何影響採購新設備的決策制定過程的？

「在EMS領域，當然還有軍用/航空航天和醫療領域，原材料的支出費用大約佔到收入的60%~70%」，Turpin說，「在我們的行業里，最大的支出就是原材料。從自動化的角度出發，你絕對想要把原材料的購買、規劃和處理過程變成自動化流程。」

Turpin表示，雖然直接勞動力一直都很重要，但有一台機器人可以確保生產規程中不會出現報廢產品則更為重要。「你的設備上加工的都是單價為$25,000~$40,000的PCBA，而且利潤和邊際貢獻都相對較低。你真的無法承受出現報廢品。你的重點應該盡量少放在勞動力上，而應該多放在質量和可靠性上，並且把報廢率降為零。同時也要把返工率降為零，因為你無法讓這些元件在你這裡停留太久。你應該更加註重速度，而不是考慮勞動力效率。不得不說，人們總是關注效率，可現在和過去不同了，因為勞動力在總支出中所佔到的比例每年都在減少。至少在我的領域中是這樣的。」

Nargi-Toth表示，從PCB角度來看，尤其是在撓性板領域，會把自動化當作去除傳統的處理不當問題和增加產量及提高生產效率的方式。「正如Matt所說，處理不當有時候會導致產品報廢。雖然自動化有自動化的問題，但它的可控性和可預測性更強一些」，她解釋道，「最終，處理方式在整個生產操作過程中至關重要。消除由處理問題導致的報廢情況有助於增加產量，從而提升效率，增強公司的整體競爭力」。

「我要給Kathy補充一點，我們引入自動化的目的一直是為了減少變異程度、提升質量和可靠性、減少報廢率，並非是為了減少勞動量，」Turpin說道，「這就是我想說的：自動化是用來減少變異程度、提升可靠性，而不是用來減少勞動量」。

不再以客戶為導向

Turpin表示，客戶的需求曾經是驅使公司決定購買新設備的主要因素，但現在情況不同了。至少不像過去那樣是主要驅動因素了。

「EMS經歷過這樣三個時期：第一個時期我把它稱之為美好舊時光，人們只需要購買一套設備就可以使用10年以上；隨之而來的第二個階段不是「有了設備，客戶就會送上門來」，而是「有了項目、有了客戶，你就可以去買入設備支持你的項目」；而現在我們已經處於第三階段，即凡事必須提前考慮、規劃好的狀態了。一般情況下，你必須要有一個技術發展藍圖，而且你要在做過一定程度的研發之後先行想好客戶的需求。因為一旦客戶找上門來，即使設備的交付時間只有4~6周，但是一個全面的評估流程要花上更多時間。資本支出就是以流程的自動化為中心——你必須要全面考慮好流程開發，並對其進行分析、開展培訓，確保你已經盡到了最大努力，之後才可以將新的設備引入工藝流程中。一旦你把所有這些工作都完善起來，在等待併購買的基礎上完成這些工作，客戶一般都會願意等待。

「我們還希望與客戶共享我們的技術發展藍圖。確保可以查看客戶的工程組，知道客戶的方向是什麼，比如下一個要生產的產品是什麼，這樣我們就可以從中獲取信息，先行一步。這不是把手指沾濕在空中揮一揮就可以看到整個行業走向的黑魔法。我們可以從客戶需求中得到一些指點，但這種好事並不常有。」

給設計師的建議

Nargi-Toth認為，設計師最好可以在整個設計流程的初期就開始與製造商合作。「他們要儘早與製造商合作。如果我們在設計初期就參與到項目團隊中，我們就可以最大程度地為設計師提供幫助。這一點很重要，因為設計師應該和PCB製造商及EMS裝配公司一同權衡新設計的利弊，從而做出決策。很多時候，設計師並不能全面了解製造過程中的限制因素，如果他們等到設計完成後再解決這些問題，會造成延誤。設計師經常使用簡單的DFM分析作為第一步，但這種方法無法全面解決複雜的產品，比如剛撓結合結構和HDI結構。在這些類型的產品中，材料設置將在電路板如何加工以及緊密公差產品的產量上（例如3級環形圈或包裹電鍍要求）發揮關鍵作用。對於更加複雜的設計，你需要了解並正確選擇材料，並且合理設計產品。設計師不一定要完全理解PCB製造商在評估主要基於電性能的材料時必須面對的無數製造難題。」

Turpin表示贊同。「與製造商合作——這是我給出的首要建議。而且，至少要了解製造商的難處和他們的流程，也就是他們能做什麼、不能做什麼。因為PCB設計現在面臨的問題是，成為PCB設計師的門檻太低了。有很多其實是承包商，這樣的情況越來越多，甚至大公司都漸漸轉變為承包模式。業內有很多濫竽充數的設計師對PCB製造一竅不通，他們不知道EMS公司的職責是什麼，他們設計的產品布局非常差，甚至都無法製造。」他說道，「可問題在於，按照承包商的做事方式，等產品到了我和Kathy手中，已經支付過了設計費用，所以客戶對他們要得到的產品一無所知。所以我們不得不唱黑臉，告訴他們『不可以，這樣是行不通的，你必須要這樣、這樣、這樣做』。如此一來，整個進度都被耽擱了。還有更糟糕的情況——他們根本沒有時間放慢進度，所以他們選擇將錯就錯。或者他們會委託其他裸板供應商，這類供應商不會在乎設計的對錯，他們願意接受那些無法生產的產品訂單」。

圖2：投資設備是跟上不斷發展的技術驅動力的關鍵 圖片來源：Zentech Manufacturing

Nargi-Toth認為，像Eltek公司這樣的製造商所面臨的挑戰之一是如何把處理樣板這一環節併入整個行業。「你看看北美地區如今的樣板市場，你會發現很多都是在境內小型工廠中製造的。事實是，即使他們沒有世界上最好的設備，但他們可以設計並製造出一兩個產品，並且會保證這個產品是可以投入生產的。但如果你把這個設計交給生產廠商，他們可能會說，『我們無法在規模生產中製造這種產品』。這句話通常意味著，公差太過緊密，產量可能會受到負面影響，標準面板上的材料利用會出現浪費。最終結果就是成本比預計高出很多，或者需要對設計做出調整進而拖慢進度，無法滿足客戶即時上市的目標。在處理樣板時，這種情況對錯過即時上市有很大影響。最好是與可以從頭至尾、從產品設計到產品上市提供一條龍服務的工廠合作」，她說道。

Turpin指出，PCB製造方面的問題在於，在構建樣板數量時，可製造性有時會在方程中丟失。「因為你在購買一塊或三塊線路板時，它要麼會花費你很多錢，要麼會花費你超級多的錢。如果存在較高的重複性成本，很多時候只有在進入後續流程之後才會發現。」Turpin說道。

「是的，在投入生產的時候，沒人願意接手這種設計不佳的產品」，Nargi-Toth補充道，「樣板製造商不在乎產量是多少。他們也不會去跟蹤後續成果，因為他們不會再見到這些。他們一次性生產，然後就開始著手下一個產品了。而製造商不同，他們每個月都不停見到同一批零件編號，產量不好的設計在這裡是行不通的。我們想通過儘早與客戶接洽，避免這種問題的出現。」

溝通

Nargi-Toth說，現在有更多OEM和設計師會儘早與她的公司取得聯繫。「我們與OEM的合作佔到了整個合作過程的50%。我們有很多工作都是直接與OEM合作，尤其是在醫療產品上，因為我們要一起完成FDA的審核過程。我們幫助他們鎖定材料和流程。在這類項目中，我們從一開始就參與到了設計師的工作中。」她說道，「在撓性和剛撓性項目中，設計師想讓你儘早參與進來，這是因為他們認為我們可以幫助他們想出如何得到理想板面設計，並且能把線路板摺疊進最後的封裝中。從一開始這就是一個機械和電氣設計項目，所以我們肯定可以通過儘早參與到其中貢獻額外的價值。

Turpin傾向於從一開始就參與到其中。「去年我們收購了一家設計服務機構，所以我們擁有可以在任何平台上布局的標尺和工具組。這是行之有效的，所以我們在一開始就參與進來，提前做好布局、解決好這些問題，讓裸板製造商和我們自己的工作都變得輕鬆一些。我們的可靠性強、性價比高，而且上市時間較短」，Turpin說道，「有時候OEM有自己的工程師。如果他們自己完成布局工作（如果不需要我們完成布局），一般情況下時間可能會減半，為我們客戶工作的設計師十分敬業，他知道自己的職責是什麼，他們在發布最終封裝之前一定會查看輸入量。」

「換句話說，就是最後要通過DFM和DFA查看是否存在被忽視的問題，尤其是針對封裝新類型而言。客戶公司的設計師在使用新封裝的時候會打電話給我們，詢問在設計中要使用多少佔用空間。他們非常聰明，知道不能夠按照製造商給出的佔用空間去設計。他們會以那個值為基礎，然後根據其他因素做出調整。但這樣還不夠。我希望我們或其他部門可以100%地參與到整個過程中。我只能說有25%~30%的時候我們可以得到想要的，我們試著讓這個計劃可行」。

商業應用和軍事/醫療應用之間存在著一定差異。「商業應用則更強調交易性。你可能永遠都見不到設計師，除非他們遇到了問題，而這時候他們可能已經進行到Rev B或C階段。不幸的是，製造商正在介入，試圖在事後進行修改，這會帶來一定困難，同時也會造成浪費。」Nargi-Toth說道，「但在軍事/航空航天或醫療項目中，我們經常看到OEM已經知道自己需要幫助，所以想儘早展開跨界合作。他們嘗到過合作帶來的甜頭，這種合作不僅可以順利地按時完成項目，還可以達成商業目標，所以他們打算繼續展開合作。

總結

Nargi-Toth認為，在為投資新設備制定決策的過程中，製造商應該制定出某種評估程序。

「大多數公司在評估新材料和新設備時都有這樣一個程序。顯然，他們應該了解這個設備的最終目標是什麼」，Nargi-Toth說。「如果是克服瓶頸，那麼制定決策的管理層應該從操作和工程部門角度考慮。這個決策應該基於要怎樣提升某個工藝流程的生產力。如果是技術開發，要根據已經確定的現有需求對工藝流程進行優化，之後的工程開發和產品開發包括了評估標準的開發。如果是根據發展藍圖為下一代產品所需求的技術購買新設備，正如Matt談到的，公司要做一些研究工作去更好地了解市面上有什麼設備，有哪些設備尚在研發當中並且可能在未來12~24個月內面世」。

首先，製造商一定要明確自己需要哪種設備，以及設備是用來完成什麼目標。一旦明確了這兩點，就要開始制定項目計劃，評估市面上的現有設備。

「即使是製造中使用的最簡單的設備，都要花費$250000。如果你想買一台全新的自動電鍍裝置，其價格高達500萬美元。這可不是一筆小數目，你不能只運行了幾個樣品就去購買」，Nargi-Toth說道，「一開始就要制定項目計劃，並且要充分清楚要通過新設備完成什麼目標。一旦制定好計劃，你就可以決定如何去評估現有技術，從而保證你做出了正確的選擇，能根據自己的具體需求購買合適的設備」。

Turpin同意她的說法。「在我看來，Kathy所說的這些不僅適用於EMS業務，還適用於任何正在試圖解決問題的人。不要輕易決定購買設備，除非你已經清楚自己要解決什麼樣的難題，是技術或者工藝方面的難題，還是效率難題。弄清楚你要解決什麼，不論這是不是你對設備供應商的評估要求，你都要告訴他們你的目標以及打算如何進行評估。」Turpin說，「當然，你要確保自己會檢查項目計劃，在這個過程剛進行的時候，你試圖解決的問題就是你要開發並記錄的工藝流程，在投入使用新資本支出的過程中也推出新的工藝流程。但從一個更高的層次來說，先從一個問題開始入手。不要從『我需要買一套X、Y、Z設備』開始入手，而是要從『我遇到了問題A、問題B、問題C，我應該怎麼解決它呢？』開始入手」。

最終，Turpin指出雖然他們很想與客戶密切結合，也希望元件製造商可以與自動化供應商整合在一起。「他們應該確保自己生產的產品可以和放置元件、清潔元件、檢測元件等操作方式整合到一起」。

Nargi-Toth表示，製造商與客戶進行開放式溝通，共享發展藍圖中要進行的合作，這樣對雙方都有益處。「因為我們可以利用從他們那裡收集到的信息指導我們的研究，而我們也可以更好地滿足他們今後提出的要求，對他們來說也是好事。」她解釋道，「如果我們知道未來幾年內次級1 mil導線和空間可以應用到植入式醫療器件中，我們就會朝著這個方向努力。而我們也會進行相應的研究工作，在這之後我們才會去評估設備。首先，我們一定要知道怎樣才能實現這種技術。實現這種技術的最佳方式是什麼？是使用減成法還是加成法？這才是推動我們不斷向前發展的思維模式」。

每家公司都應該制定一個發展藍圖或五年計劃，這就強調了行業內整個供應鏈之間進行溝通的必要性。與客戶和供應商三者密切合作可以幫助你更好地展望未來，有助於公司決定在何時購入哪種新設備，從而取得長遠成功。

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