本文摘要

  • PCB(印刷电路板)是连接电子元件的基板,广泛应用于各类电子产品。PCB上集结了多种电子元件和电路,IC板即为一种整合集成电路的PCB。
  • 随着生成式AI产业的兴起,AI伺服器需求增加,推动高阶PCB需求。台湾2022年的PCB产值达9,246亿元,其中伺服器PCB佔6.8%,ABF载板和高多层板需求持续增长。
  • 电动车市场的扩大提升了车用PCB需求。技术升级和5G需求使ECU变得更複杂,进而推动对PCB技术和量的需求。
  • PCB有多种类型,如单层、双层、多层、刚性、刚性柔性、柔性、高频、高密度互连、金属基板等,应用于不同领域的电子产品。
  • 多层板PCB製程包括裁板、压膜、曝光、内层显影、内层蚀刻、内层去膜、鑽孔、通孔电镀、外层显影、线路镀铜、外层去膜、外层蚀刻、剥锡铅、防焊印刷、表面处理、成型、电测、最终检查等步骤。

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一、PCB 印刷电路板是什么?

印刷电路板(Printed Circuit Board, PCB)是一种用于连接电子元件的基板,是现代电子产业中不可或缺的零件,从智慧型手机到家用电器,再到工业自动化系统,几乎所有电子产品都需要用到PCB。 複杂的电子设备需要许多电子元件协同工作,而PCB是让这些电子元件集结的平台,也就是说,PCB是一块上面有很多电子元件和电路的薄板,我们常听到的IC板(Integrated Circuit,集成电路板)是指一个整合了集成电路和其他元件的完整电路板,而IC板通常是焊接在PCB上,再通过PCB板上的导电层,使得不同电子元件能够进行电流和信号的传输,如此一来,我们便能够製造一个电子系统,完成电子产品的特定功能。

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二、AI伺服器带动PCB需求

随着ChatGPT热潮,生成式AI产业跟着兴起,AI伺服器属于高阶、高值的PCB终端应用,根据台湾电路板协会(TPCA)公布报告,2022年全球受到疫情及通膨影响,终端需求一路下滑,但台商PCB製造在此环境下,产值仍达新台币9,246亿元,伺服器PCB占6.8%,约新台币628亿元,其中ABF载板、高多层板(HLC)在AI伺服器的浪潮之下,需求量更是不断增加。 ABF 载板用于製造高密度封装(HDI)的印刷电路板PCB,HDI PCB 的高密度连接通常是通过微细线路、盲孔、埋孔等技术达成,主要用途是在有限空间内实现高度集成的目标;而高多层板指的是 PCB 具有较高层数的板材,即多层PCB,用以应对複杂电路和高密度连接的需求。

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三、EV电动车带动车用PCB产业

近年来,汽车持续朝电子化趋势发展,电动车(Electric Vehicles,EVs)的普及,促使了车用 PCB 产业的兴起,根据国际数据资讯(IDC),2022年,全球电动车市场达到近1,100万辆,连带提升车用PCB的需求。 随着自驾与智慧座舱的技术不断升级,以及对5G的高速传输需求,车辆的功能设计越来越複杂,控制车辆功能的ECU(Electronic Control Unit)数量越来越多,ECU的组成零件中包含PCB,因此若要製造性能更强大、多功能的ECU,对PCB的使用量与技术需求也有所提升。(工研院,2022)

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四、印刷电路板的种类

印刷电路板Printed Circuit Boards,PCBs)上有许多电子元件,并且具有导电材料(通常为铜箔层)作为电子元件间通讯的桥樑,而根据产品特性和用途的不同,PCB可以分为不同类型:

单层 PCB(Single-Layer PCB)-单面PCB是在板的一侧具有一层导电层,而另一侧用于整合不同的电子元件的电路板,通常用于简单的电子产品,如计算机、收音机等,成本相对较低。

 双层 PCBDouble-Layer PCB)- 双层 PCB 在基板两侧都有导电层,导电层之间各有一绝缘层,正反两面的元件透过中间的导通孔传递讯息,可以实现更紧密的佈线,适用于中等複杂度的电子产品,像是数位相机、仪表仪器、游戏控制器等。

多层 PCB(Multi-Layer PCB)- 多层 PCB 包含更多的铜箔层,这些导电层之间有绝缘层隔开,并在高压和高温下全部粘合和层压在一起,使其坚固。多层 PCB 提供更高的集成度和複杂的电路设计,应用于高端电子产品,如数据存储、卫星系统,、医疗器材, GPS等。

刚性 PCB(Rigid PCB)-或称硬性 PCB,通常使用玻璃纤维布强化的环氧树脂(FR-4)作为基板材料,坚固且不具有弯曲性,常用于电脑主机板的中央处理器(CPU)、医疗监测设备、工业自动化设备等。

刚性柔性PCB(Rigid-Flex PCB)-或称软硬结合板、刚挠性PCB, 具有刚性区和柔性区,两区之间通过柔性连接器(Flex Connector)来传递讯息,需要透过精密的定位装罝对位后黏合,再利用各层间导通镀通孔进行电路连结,应用于可摺迭设备、嵌入式医疗设备等等。

FPC 柔性 PCB (Flexible Printed Circuit) -或称软性 PCB ,使用柔软的基板材料,如聚酯薄膜或聚酰亚胺薄膜,具有弯曲性且重量轻,生产成本较高,常用于空间受限且需要轻量化或弯曲的应用中,如萤幕、智能手錶、航空仪表板和娱乐系统等。

HF 高频 PCB (High Frequency ) -高频 PCB 针对高频率信号和微波应用而设计,因为会有电磁干扰和射频干扰,所以製造时达成阻抗匹配,避免信号反射是很重要的,也因此高频 PCB 的设计和製造需要高水平的技术,常应用于无线通信设备和雷达系统。

HDI 高密度互连板(High Density Interconnect  PCB)-HDI PCB 使用微细线路、盲孔、埋孔、堆嵌等技术,搭配BGA封装,实现高度集成和高密度连接。通常用于高性能电子设备,如智能手机、平板电脑、高端通信设备等,以满足小型化、轻量化、高性能的需求。

金属基板(Metal Core PCB)-使用金属作为基板材料,而不是传统的玻璃纤维,金属基板有优越的散热性能,因此通常用于散热要求较高的设备,例如 LED 照明、太阳能转换器等等。

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五、印刷电路板製程

印刷电路板製程

印刷电路板製程分为16个步骤,首先裁切基板至所需尺寸,接着复盖感光乾膜并透过曝光使之硬化,形成内层线路图案。紧接着,进行内层蚀刻与去膜,以及鑽孔以製作各种所需孔洞。通孔电镀后,进行外层显影、线路镀铜与锡铅以增强外层线路并保护之。接下来,透过外层去膜、蚀刻及剥锡铅步骤,确保外层线路正确形成。之后进行防焊印刷以及表面处理,防止氧化。最后,完成成型加工,经过电测与最终检查,确保产品符合品质要求。

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步骤一:裁板(Sheets Cutting)
将基板裁切成需要的尺寸。

步骤二:压膜(Dry Film Lamination)
在板子表面复盖一层感光性的有机薄膜,经曝光后,把底片线路图案转移至板面上。

步骤三:曝光(Exposure)
将贴好乾膜的板子送入曝光机中曝光,乾膜在底片透光区域受UV光照射后会产生感光硬化,将底片上的线路影像移转到板面乾膜上。

步骤四:内层显影(Inner Developing)
将未感光的乾膜溶解于显影液中,形成内层线路图案。
 

步骤五:内层蚀刻(Inner Etching)
未感光的乾膜溶解后,下方的铜面就会裸露出来,板子经过蚀刻段,裸露的铜面会被蚀刻液溶解掉露出底材,有乾膜贴附的铜面则保存完好,形成内层线路。

步骤六:内层去膜(Inner Stripping)
利用去膜液将受到感光硬化的乾膜去除。

步骤七:鑽孔(Drilling)
加工製作出客户所需的零件孔、固定孔、导通孔等等,及提供后製程所需的定位孔,在品保需要时也提供检查用的切片孔。

步骤八:通孔电镀(PTH Plating)
通孔电镀也被称为一次铜电镀,利用化学的方法在孔内不导电的树脂、玻璃纤维孔壁上镀一层薄薄的铜,使孔壁金属化。其目的是连接内层及外层线路。

步骤九:外层显影(Developing)
将电路板外层未感光的乾膜溶解。

步骤十:线路镀铜(二次铜) (Pattern Plating)、镀锡铅(Tin-Lead Plating)
在显影后接着是镀二次铜与锡铅,目的是增加外层线路厚度。镀锡的目的是为了保护锡面下的铜面不被下个流程的蚀刻液溶解掉。

步骤十一:外层去膜(Stripping)、外层蚀刻(Etching)、剥锡铅(Tin-Lead Stripping)
利用去膜液把板面上的乾膜去除,此时下方的铜面会裸露出来,经蚀刻液蚀刻后,裸露的铜面被溶解掉,露出底材。镀上锡的铜面因有锡的保护,不会被溶解,而形成外层线路,最后透过锡铅剥除液把板面上的锡铅全部去除。

步骤十二:防焊印刷(Solder Mask)
板子经过前处理,把板面清洁乾淨后,在板子表面复盖一层防焊感光油墨,预乾燥后进行曝光作业。经曝光后,未感光的防焊油墨会溶解于显影液中,而感光的防焊油墨在感光硬化后,显影液无法溶解,形成防焊板面图案。

步骤十三:表面处理(Surface Treatment)
目的是防止表面氧化。

步骤十四:成型(Profiling)
进行外型加工裁切,以製作出符合客户需求之尺寸。 

步骤十五:电测 (Electrical Testing)
对板子线路进行检测,并对板子电性功能进行测试。

步骤十六:最终检查 (Final Visual Inspection)
全面检查产品外观、确保出货品质。

六:喷嘴与流量计在印刷电路板产业中的应用

印刷电路板的製程中包含大量的电镀、显影、蚀刻、清洗等步骤,需要用到各式各样的化学药品进行加工。在这些过程中,药液的喷洒用量、分佈状态,液体与材料的接触时间,甚至是药液冲击面板的力道大小都会影响成品的品质,甚至导致整批昂贵的金属材料直接报废,因此,和市集优质的喷嘴非常重要。此外,透过液体流量计来测量化学药剂的用量,製造商能够更准确地调节材料的流量,从而达到更高品质的产品和更高效率的生产。

应用一:通孔电镀除胶渣液体喷洒

电子产品生产线通孔电镀除胶渣设备

➤ 实际案例:全球知名电子产品生产设备整合製造商

情况:该公司研发的水平除胶渣化学铜设备(DSM&PTH)可有效去除电路板在通孔电镀製程过后,电路板孔洞中残留的胶渣,确保印刷电路板在后续製程中达到最佳的导电性能。而除胶渣需要使用各式各样的化学药剂,因此该公司正在寻找耐腐蚀效果佳的喷嘴。

解决方案:LORRIC的 QF 系列快拆喷嘴
QF 系列快拆喷嘴使用高品质的工程塑料製造(PP、PVDF)提供优异的耐化性能,能有效延长喷嘴的寿命。此外,QF 系列喷嘴採多件式快拆设计,一旦完成安装,后续若需要更换喷嘴,只需要将喷嘴头从底座拆下更换即可,省去重新定位喷嘴位置的麻烦,简化机台的维护与保养流程。除了喷嘴产品,我们也推荐该公司设备使用LORRIC的面积式流量计量测电镀製程中的药液用量,LORRIC面积式流量计浮子透过加工製造,并透过流量实验室严格把关,误差控制在业界顶标的±5% F.S.。流量计本体与接头採用高品质塑料,提供优异的抗腐蚀性,有效延长产品使用寿命。

应用二:电镀製程硫酸铜药液监测

PCB厂电镀製程设备

➤ 实际案例:韩国前十大印刷电路板製造商

情况:该公司于1987年成立,主力发展DRAM内存芯片的模块 PCB 和组装各种半导体芯片时使用的基板。截至2022年,该公司已是韩国十大印刷电路板供应商之一。该公司在电镀製程线中原先使用德国品牌的蹼轮式流量计,用来测量硫酸铜药液的使用量。韩国基于工安要求,所有使用药液的设备都有使用透明隔板把机台与工作环境区隔开来。但也因如此,传统的LCD萤幕在隔着隔板的状态下让工作人员难以读取流量数据。

解决方案:LORRIC 的 FP-AS510 蹼轮流量计
FP-AS510 蹼轮流量计採用LED/LCD双萤幕设计,并搭配情境灯号,即使在黑暗的工作环境或是有隔板区隔,工作人员都能清楚辨识流量以及确认机台工作状况。此外,FP-AS510 蹼轮流量计使用专利轴感应技术,在极低流速(0.15 m/s)下仍能侦测流量,线性度更是业界最高的0.5% FS;内建三种通讯方式(4-20mA类比输出、Modbus RTU RS485控制信号、以及光耦开关讯号(Pulse signal))也能无死角配合客户的通讯需求。

应用三:立式连续电镀设备强酸硷药液监测

PCB製造商立式连续电镀设备

➤ 实际案例:全球前五大PCB製造商

情况:该公司电镀产线使用立式连续电镀设备(Vertical Continuous Plating Line)有效提高电镀的分佈成效,并保持每片面板的电镀品质一致性。立式连续电镀设备中使用许多化学药剂,LORRIC的面积式流量计採用高品质塑料,耐化性强,面对强酸硷药液具有一定的抗腐蚀能力,有效降低设备维护的频率,并降低维护成本。

 

解决方案:FU-ES EchoSense 管夹式超音波流量计
随着印刷电路板对于产品精度要求越来越高,许多厂家在流量量测方面倾向选择不会与药液接触的超音波流量计。针对此需求,LORRIC研发了新的 FU-ES EchoSense 管夹式超音波流量计。EchoSense 管夹式超音波流量计是专门为小管径应用设计的产品。机身採用探头与主机结合的一体式设计,只需要90秒即可完成机构安装。此外,装置能自动侦测管路规格(材质、管厚、液体声速等),一键即可完成机器设定。探头与管路接触的部分改用橡胶耦合垫,不需要再使用超音波胶,降低装置维护的难易度。

参考资料

  1. ^ PCB是什么?印刷电路板是电子产品之母,硬板、软板、IC载板介绍一次看!-丰云学堂永丰金证券
  2. ^ AI伺服器 PCB业新蓝海-工商时报
  3. ^ AI伺服器 PCB业新蓝海-TPCA台湾电路板协会
  4. ^ 电动车带领PCB技术再进化-经济部产业技术司
  5. ^ PCB有多少种类型-MOLO TECHNOLOGY
  6. ^ Types od PCBs-ABL Circuits
  7. ^ 何谓PCB?-晟钛股份有限公司
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