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材料性能大踏步迈进,行业标准也要跟上脚步

十月 17, 2019 | I-Connect007
材料性能大踏步迈进,行业标准也要跟上脚步

I-Connect007团队采访了腾辉电子的首席运营官Mark Goodwin和技术大使Alun Morgan,就标准展开了深入的讨论。他们认为目前的标准没有充分认识到终端客户的需求,新工艺和新材料仍然按照过时的分类观念纳入旧标准中,从而设计师在选择适当的材料时带来了挑战。他们建议建立一个基于性能的简单系统。

Barry Matties:Mark,可以从你发现目前标准存在的问题开始吗?

Mark Goodwin:标准具体分为两个领域:一个是针对产品的,另一个是针对标准的。先来谈谈针对产品的标准。全球市场中热管理产品、绝缘金属基板、导热层压板和半固化片需求不断增加,但却没有相应的对比测试方法和行业标准,致使终端用户无法充分比较这些材料的热性能。这类产品处于标准的真空地带。
另一个标准领域则是一份性能技术规范——IPC-4101,其强调的是树脂的化学组成,而未涉及树脂的功能性。究其原因,这与行业发展过程有关。市场在不断向前发展,技术规范却没有跟上,需要行业共同努力来重新调整制定相应的标准,上述是我的基本观点。
Alun Morgan:我们从两个角度考虑标准的开发。一方面是强制性的,就是防火和电气安全,这是非常明确的,来不得半点马虎。另一方面是Mark提及的性能标准或分类标准,例如IPC-4101或IEC系列,其目的是定义一个标准或技术规范,使设计师能够在一系列材料性能范围内做出选择。目前标准的问题在于有不同的层次,比如高端的是由IEC和ISO等国际机构制定的标准,低端的是由国家标准机构下的行业协会制定的行标。

例如,由某类产品供应商一起制定一份适用于所有客户的标准,最终会形成一份所有供应商均可接受的最低标准。今天上午我正在讨论一份关于FR-4材料的标准,其中要求介电常数必须达到最大值5.2,放到现今,介电常数为5.2的产品几乎没有市场,小于4,甚至为3的介电常数才是出路;我们的需求早已改变,而标准仍滞后。

这正是面临的问题——我们仍然依据旧标准,按过时的分类来定义新产品。标准和技术规范通常基于20世纪五六十年代开发的NEMA(美国电气制造商协会)标准,那时树脂化学组成简单,仅有环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂等,而如今已出现了大量新材料,需要基于性能来重新开发标准,宗旨在于比如能让一位“正在为进入轨道的卫星设计电路板的设计师”利用标准可以找寻到真正需要的东西。

而目前的PCB设计师,很难通过可用的标准来选择材料。对于某些特定领域,比如IMS材料甚至没有任何达成共识的标准。这很正常,因为从开始的想法到形成最终的标准,通常需要2年到3年时间。

Mark Goodwin,腾辉电子首席运营官

Matties:如果这种方法对于具体针对应用的标准是有效的,那么是什么促成了改变? 具体过程是怎样的?

Morgan:基于设计师的要求。设计师对PCB制造商提出问题,说:“我想做一块位于汽车引擎盖下的电路板,应该选用什么材料?”设计师倒过来询问PCB制造商,这就存在问题了,说明设计师缺少评估可用材料的选择能力及权利。

Matties:如果设计师联合起来想要改变IPC制定标准的方式和方法,你认为会发生改变吗?

Morgan:我认为会的,比如IPC正在举办汽车和其他特定领域的研讨会。必须认识到,这种指定标准的方式不再适用,而且必须重新开始。但这是重大决定,会涉及很多投资。自20世纪80年代以来,也有很多人一直在与过去的立场作斗争,包括我。目前的标准已经不再适用,需要重新构建以满足当今OEM的需求。

Goodwin:从某种程度上来说,行动就有机会。现在某些领域出现破冰者,正如汽车业发生的变革来说,从内燃发动机转向电动机为以非传统业务模式进入的新型企业制造机会,如特斯拉和市场其他同类企业。在商业航空航天领域也是如此,抛弃传统、具备更现代的技术背景的企业将为行业发展带来不同的观点。这就是机会。当然,我们会有阻力,诸如军用产品们永远不会改变任何东西,因为对每个环节来说风险都太大了,没人想负这么大的责任。

Morgan:是的,业界对汽车和电动汽车领域都很感兴趣。今年1月我们在企业联合研讨会上发表了一次演讲后,与会代表很有共鸣,他们表示在选择适合应用的材料时,并不认可目前的标准列表。设计者迫切需要帮助,因为有成千上万种材料,却不知道怎样选择。

比如汽车OEM表示,他们的产品中包括引擎盖组、机舱组,以及关键任务组,需要找到对应的国际标准,而不是行业标准。标准就可以按照行业内关注的领域进行制定,设计师也会根据需要找到相关技术组,这样制定标准才会有效。

Goodwin:我坐在这里数着IPC-4101规格单的数量,数到97时,我放弃了。如果作为设计师,面对21个或更多规格单可用于编织环氧树脂玻璃,我该如何选择?这就是问题所在,例如,如果我们将树脂化学组成定义从规范中去除,就可以一次性将这些规格单去掉一半,因为每种玻璃态转化温度(Tg)都会有一种溴化环氧树脂和一种未溴化环氧树脂。

Andy Shaughnessy:设计师不可能了解所有材料,并明确材料之间的差异。

Alun Morgan,腾辉电子技术大使

Goodwin:甚至CCL制造商也辨别不出所有这些材料。
Morgan:是的,这就是问题所在。这些标准来自旧的DoD(国防部)军用标准,当DoD决定不再开发时,IPC接管了这些标准。当开始有3到4个树脂体系时,这非常简单,运行良好,但事情已经发生了变化。

Goodwin:我很赞同,编写技术规范的方式与聚合物/树脂化学组成无关。

Morgan:当系统少时,这是有效方法。酚醛树脂,一般用纸作为增强物;环氧树脂,一般与玻璃纤维结合;高端聚酰亚胺、高温树脂与玻璃组合。所有树脂都被归于3类,出发点完全合情合理,但现在这种归类方式不可行了。专家不会了解所有这些材料,作为设计师更是不要抱有任何希望,是时候重新定义了,原则是按材料是如何工作和如何完成功能的。
Goodwin:重要的是电气、物理和热性能。
Morgan:其余的都没关系。引擎盖下的部件太多了,特别是化学物质,但谁在乎呢?你需要能够以某种方式对其进行分类。
Goodwin:不过,简单的第一步就是转向我们已经具备的电气和热性能的性能特征,并去除其与引擎盖下的树脂化学组成的联系。步骤庞大但相对简单,因为已经规定了性能,终端用户不存在性能风险。

Nolan Johnson:标准的终端用户基本上都是设计师,但负责开发标准的往往是生产商,他们有一套自认为重要的不同要求,设计师在标准开发过程中并没有很好地表达使用者的想法。

Morgan:也有既得利益的原因。我过去参与的每次单独会议中,目的就是确保公司的材料包含在所有技术规范中,确保所提供的产品符合已经达成一致意见的标准,即获取参与者的既得利益,这就是标准由生产商负责的原因。

Goodwin:除此之外,还参加过某些关于标准的具体讨论会议,标准中对某些术语都没有明确定义,所以甚至都不能称之为标准。

Morgan:与IEC标准的制定方法不同,这些就像指定工艺标准的方法一样,这不是主要标准,而是最低的技术共同点。

Goodwin:比如“二级树脂”一词,没有公开的定义,以至于业界讨论时,每个人都有自己的观点。

Morgan:我作为材料技术专家,与那些根本没有思考这些的人讨论这个问题很有趣,因为我经常遇到只为自己公司利益说话的人。我认为IEC标准的开发方法更好,因为更为国际性,而不是代表公司去开发标准;代表国家的专家,也是通过国家推选出来的。另一个问题是,从事标准开发的人年纪比较大,他们的知识经验存在局限性。

Matties:这就需要我们更多的呼吁与讨论,让行业都认识到,这样发挥的作用也就越大。

Morgan:曾经有一段时间人们说:“不要谈论标准,我们不想听。”但现在听到的声音是:“我们同意你的观点,但我们不知道该怎么做。”

Goodwin:事情正在不断向前发展。

Morgan:现在有很多关于这个问题的讨论,每次有机会我都会表达我的观点,其他人也是如此,所以改革即将到来。

Matties:作为一个行业,如果接纳“基于性能来制定标准”的概念,那么我们将在什么时候进行全面转换?

Goodwin:在我看来,第一步是从现有规范中删除所有对树脂化学组成的参考,这可以相对容易地完成。IPC关注性能去除树脂化学组成,则是向前迈出的一大步。最后,例如关于是否符合REACH化学组成,我们只需要了解是否符合就够了。

Morgan:修改标准会非常困难,我可能更倾向让系统保持原状。取而代之的是重新开始一个新的项目,找到一群对此感兴趣的人,制定一个基础,从低损耗或高频电子产品着手,制定一个用于高可靠性的标准。想象一下可能有4类到5类的基本性能,在这个阶段甚至可不针对具体应用。然后提出要求,比如“如果为高可靠性基材编写规范,要囊括什么内容?属性是什么?”

Goodwin:我想要一个相对较高的玻璃转化温度(Tg)。

Morgan:没错。T2-60应该是什么?它应该至少为一个小时。玻璃转化温度(Tg)呢?最低是175。材料的介电常数(Dk)怎么样? 我们并不关心那么多,所以让我们把最大值设为4.5。你将浏览我们所知道的全部事项列表,并提出通用标准。然后对其他领域也这样做。关于低损耗,什么最重要?我们不关心玻璃转化温度(Tg)。好的,我们把它设为最低120。材料的介电常数(Dk)怎么样?我们想要最大为4。这样做是第一步,然后开始将产品与这些类别相匹配。接下来,再对这些类别进行细化,使其更具体地针对特定行业。

作为设计师,你可能能够找到一组非常好的材料或规范标准,以满足具体要求。

Goodwin:确实,因为当你与一家PCB制造商进行沟通时,对方唯一关心的是他们是否符合客户提出的IPC规格表要求。但现在变成了将这些性能进行组合,使用这些有限数量的技术规范进行管理将是向前迈出的一大步。

Morgan:当然,这也不是很高效,还是会有过度指定的问题,因为他们认为这样最容易。一些人说:“什么是我要用的最好层压板?”“哦,聚亚酰胺是最好的,所有的部分都使用聚亚酰胺。”这是完全错误的,但这就是军方多年来一直在做的事情。

Goodwin:更糟糕的是,IPC正在增加类别以纳入新材料,但依据的不是新材料性能,至少有一个数据表正在讨论中。原因就是以不同的方式实现了这种性能(即通过树脂化学组成),在我看来这真是疯了。

Morgan:基于基本化学组成的分类被打破了。任何需要特殊性能要求的设计师会要求PCB制造商:“我的设计该使用何种材料?”但这并不是标准发挥作用的方式,而应该是:“这就是我设计的内容和相应需要的性能,我需要在这个确切的材料类别中进行选择,任何符合该标准的材料都将助力达成性能。”但你现在还不能这么说。

Matties:你提到已开始根据应用来确定材料,这对设计师有帮助,但由于目前没有以性能为基准的标准,因此此路不通。

Goodwin:这与标准无关;这是我们对终端客户需求的认识。

Morgan:例如,一位客户来找Mark并说:“我们正在为5G网络产品寻找合适的材料。”Mark拿出一张数据表说:“这些是适合的。”或者客户说:“我想对电路板做热管理,应该使用什么材料?”Mark再次为他们提供了所有符合该类别要求的产品,这是正确的方式,否则最终选择太多导致无法缩小其范围。

Goodwin:我只关注IPC规格表的细节,这很有意思。有些标题甚至都没有体现出性能,比如有编织玻璃、树脂系统、阻燃剂和填料等。所有性能内容标注在表的底部,比其他特征都低。在我看来,这完全是错误的方式。

Morgan:再拿智能手机进行类比,如果有人说:“我想购买一部新手机。”你不会说:“你喜欢高通芯片还是ARM芯片?”他们会说:“我才不关心用哪种芯片,我关心的是其工作性能。”

Matties:当你推荐了具体针对于应用的明确材料时,设计师会将它与某个标准进行对照吗?还是他们有其他方式?

Goodwin:在高速数字化、RF甚至热管理等高端应用中,业界越来越多地指定供应商采用特定的材料解决方案。

Matties:这是发展趋势,因为他们知道哪些供应商为该应用提供特定的服务。

Goodwin:他们知道指定产品符合所要求的特征。还有,如果我们考虑热管理(甚至某种程度的Dk和Df),那么有很多不同的测试方法可供使用,但无论如何,均无法轻松比较数据表值。

Morgan:选择何种产品的理由是因为他们知道上次在类似的设计中该产品能满足要求,就这么简单。

Matties:如果我们有一个简单的索引,那么他们就可以在确定具体应用类别以及定价、供应链等方面做出更明智的选择,因为这些都是竞争因素。

Goodwin:对于参与供应链管理的人来说,最经典的案例是你正在与一家英国的PCB公司合作,设计师说:“根据我的设计,需要X公司的这种产品。”可棘手的问题是X公司在英国没有供应链,那么他们该怎么做?这是从另一个角度来看的。没有能满足业界所有要求的基于性能的标准,就不存在可使供应链在物流、成本和性能方面能够高效运行的解决方案。

Matties:听起来是一种很好的方法,而且这个问题或呼吁正在推动行业采用新的方法。

Morgan:市场需要更高效,在材料已经标准化的基础上应该有一份可以从中进行选择的列表,以便明确哪些材料都会适用于其产品。即使作为材料供应商的我们也希望市场可以指定我们产品,但这并不高效,至少应该有另一种选择。

Goodwin:从供应链的角度来看,其中存在巨大的矛盾。比如当你置身于大型OEM的供应链中,在一开始他们会与你讨论风险管理、供应的连续性,但是实际中你会发现根本不存在风险管理,因为某些制造商甚至会指定一家生产厂商的某一台设备上生产的某一种产品。

Shaughnessy:我想知道设计师在制定这些标准时是否发挥了作用,他们不知道化学成分和所有相关信息,但似乎设计师应该参与标准的制定,因为他们应该是那些必须理解这一切的人。

Goodwin:他们应该参与其中,尤其是应该了解影响产品电气性能和物理特性的要素,每个人都有自己的职责,但重点应放在性能上,而不是产品的成分上。

 

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