本文摘要
- PCB(印刷電路板)是連接電子元件的基板,廣泛應用於各類電子產品。PCB上集結了多種電子元件和電路,IC板即為一種整合集成電路的PCB。
- 隨著生成式AI產業的興起,AI伺服器需求增加,推動高階PCB需求。台灣2022年的PCB產值達9,246億元,其中伺服器PCB佔6.8%,ABF載板和高多層板需求持續增長。
- 電動車市場的擴大提升了車用PCB需求。技術升級和5G需求使ECU變得更複雜,進而推動對PCB技術和量的需求。
- PCB有多種類型,如單層、雙層、多層、剛性、剛性柔性、柔性、高頻、高密度互連、金屬基板等,應用於不同領域的電子產品。
- 多層板PCB製程包括裁板、壓膜、曝光、內層顯影、內層蝕刻、內層去膜、鑽孔、通孔電鍍、外層顯影、線路鍍銅、外層去膜、外層蝕刻、剝錫鉛、防焊印刷、表面處理、成型、電測、最終檢查等步驟。
一、PCB 印刷電路板是什麼?
印刷電路板(Printed Circuit Board, PCB)是一種用於連接電子元件的基板,是現代電子產業中不可或缺的零件,從智慧型手機到家用電器,再到工業自動化系統,幾乎所有電子產品都需要用到PCB。
複雜的電子設備需要許多電子元件協同工作,而PCB是讓這些電子元件集結的平台,也就是說,PCB是一塊上面有很多電子元件和電路的薄板,我們常聽到的IC板(Integrated Circuit,集成電路板)是指一個整合了集成電路和其他元件的完整電路板,而IC板通常是焊接在PCB上,再通過PCB板上的導電層,使得不同電子元件能夠進行電流和信號的傳輸,如此一來,我們便能夠製造一個電子系統,完成電子產品的特定功能。
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二、AI伺服器帶動PCB需求
隨著ChatGPT熱潮,生成式AI產業跟著興起,AI伺服器屬於高階、高值的PCB終端應用,根據台灣電路板協會(TPCA)公布報告,2022年全球受到疫情及通膨影響,終端需求一路下滑,但台商PCB製造在此環境下,產值仍達新台幣9,246億元,伺服器PCB占6.8%,約新台幣628億元,其中ABF載板、高多層板(HLC)在AI伺服器的浪潮之下,需求量更是不斷增加。
ABF 載板用於製造高密度封裝(HDI)的印刷電路板PCB,HDI PCB 的高密度連接通常是通過微細線路、盲孔、埋孔等技術達成,主要用途是在有限空間內實現高度集成的目標;而高多層板指的是 PCB 具有較高層數的板材,即多層PCB,用以應對複雜電路和高密度連接的需求。
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三、EV電動車帶動車用PCB產業
近年來,汽車持續朝電子化趨勢發展,電動車(Electric Vehicles,EVs)的普及,促使了車用 PCB 產業的興起,根據國際數據資訊(IDC),2022年,全球電動車市場達到近1,100萬輛,連帶提升車用PCB的需求。
隨著自駕與智慧座艙的技術不斷升級,以及對5G的高速傳輸需求,車輛的功能設計越來越複雜,控制車輛功能的ECU(Electronic Control Unit)數量越來越多,ECU的組成零件中包含PCB,因此若要製造性能更強大、多功能的ECU,對PCB的使用量與技術需求也有所提升。(工研院,2022)
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四、印刷電路板的種類
印刷電路板(Printed Circuit Boards,PCBs)上有許多電子元件,並且具有導電材料(通常為銅箔層)作為電子元件間通訊的橋樑,而根據產品特性和用途的不同,PCB可以分為不同類型:
單層 PCB(Single-Layer PCB)-單面PCB是在板的一側具有一層導電層,而另一側用於整合不同的電子元件的電路板,通常用於簡單的電子產品,如計算機、收音機等,成本相對較低。
雙層 PCB(Double-Layer PCB)- 雙層 PCB 在基板兩側都有導電層,導電層之間各有一絕緣層,正反兩面的元件透過中間的導通孔傳遞訊息,可以實現更緊密的佈線,適用於中等複雜度的電子產品,像是數位相機、儀表儀器、遊戲控制器等。
多層 PCB(Multi-Layer PCB)- 多層 PCB 包含更多的銅箔層,這些導電層之間有絕緣層隔開,並在高壓和高溫下全部粘合和層壓在一起,使其堅固。多層 PCB 提供更高的集成度和複雜的電路設計,應用於高端電子產品,如數據存儲、衛星系統,、醫療器材, GPS等。
剛性 PCB(Rigid PCB)-或稱硬性 PCB,通常使用玻璃纖維布強化的環氧樹脂(FR-4)作為基板材料,堅固且不具有彎曲性,常用於電腦主機板的中央處理器(CPU)、醫療監測設備、工業自動化設備等。
剛性柔性PCB(Rigid-Flex PCB)-或稱軟硬結合板、剛撓性PCB, 具有剛性區和柔性區,兩區之間通過柔性連接器(Flex Connector)來傳遞訊息,需要透過精密的定位裝罝對位後黏合,再利用各層間導通鍍通孔進行電路連結,應用於可摺疊設備、嵌入式醫療設備等等。
FPC 柔性 PCB (Flexible Printed Circuit) -或稱軟性 PCB ,使用柔軟的基板材料,如聚酯薄膜或聚酰亞胺薄膜,具有彎曲性且重量輕,生產成本較高,常用於空間受限且需要輕量化或彎曲的應用中,如螢幕、智能手錶、航空儀表板和娛樂系統等。
HF 高頻 PCB (High Frequency ) -高頻 PCB 針對高頻率信號和微波應用而設計,因為會有電磁干擾和射頻干擾,所以製造時達成阻抗匹配,避免信號反射是很重要的,也因此高頻 PCB 的設計和製造需要高水平的技術,常應用於無線通信設備和雷達系統。
HDI 高密度互連板(High Density Interconnect PCB)-HDI PCB 使用微細線路、盲孔、埋孔、堆嵌等技術,搭配BGA封裝,實現高度集成和高密度連接。通常用於高性能電子設備,如智能手機、平板電腦、高端通信設備等,以滿足小型化、輕量化、高性能的需求。
金屬基板(Metal Core PCB)-使用金屬作為基板材料,而不是傳統的玻璃纖維,金屬基板有優越的散熱性能,因此通常用於散熱要求較高的設備,例如 LED 照明、太陽能轉換器等等。
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五、印刷電路板製程
印刷電路板製程分為16個步驟,首先裁切基板至所需尺寸,接著覆蓋感光乾膜並透過曝光使之硬化,形成內層線路圖案。緊接著,進行內層蝕刻與去膜,以及鑽孔以製作各種所需孔洞。通孔電鍍後,進行外層顯影、線路鍍銅與錫鉛以增強外層線路並保護之。接下來,透過外層去膜、蝕刻及剝錫鉛步驟,確保外層線路正確形成。之後進行防焊印刷以及表面處理,防止氧化。最後,完成成型加工,經過電測與最終檢查,確保產品符合品質要求。
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步驟一:裁板(Sheets Cutting)
將基板裁切成需要的尺寸。
步驟二:壓膜(Dry Film Lamination)
在板子表面覆蓋一層感光性的有機薄膜,經曝光後,把底片線路圖案轉移至板面上。
步驟三:曝光(Exposure)
將貼好乾膜的板子送入曝光機中曝光,乾膜在底片透光區域受UV光照射後會產生感光硬化,將底片上的線路影像移轉到板面乾膜上。
步驟四:內層顯影(Inner Developing)
將未感光的乾膜溶解於顯影液中,形成內層線路圖案。
步驟五:內層蝕刻(Inner Etching)
未感光的乾膜溶解後,下方的銅面就會裸露出來,板子經過蝕刻段,裸露的銅面會被蝕刻液溶解掉露出底材,有乾膜貼附的銅面則保存完好,形成內層線路。
步驟六:內層去膜(Inner Stripping)
利用去膜液將受到感光硬化的乾膜去除。
步驟七:鑽孔(Drilling)
加工製作出客戶所需的零件孔、固定孔、導通孔等等,及提供後製程所需的定位孔,在品保需要時也提供檢查用的切片孔。
步驟八:通孔電鍍(PTH Plating)
通孔電鍍也被稱為一次銅電鍍,利用化學的方法在孔內不導電的樹脂、玻璃纖維孔壁上鍍一層薄薄的銅,使孔壁金屬化。其目的是連接內層及外層線路。
步驟九:外層顯影(Developing)
將電路板外層未感光的乾膜溶解。
步驟十:線路鍍銅(二次銅) (Pattern Plating)、鍍錫鉛(Tin-Lead Plating)
在顯影後接著是鍍二次銅與錫鉛,目的是增加外層線路厚度。鍍錫的目的是為了保護錫面下的銅面不被下個流程的蝕刻液溶解掉。
步驟十一:外層去膜(Stripping)、外層蝕刻(Etching)、剝錫鉛(Tin-Lead Stripping)
利用去膜液把板面上的乾膜去除,此時下方的銅面會裸露出來,經蝕刻液蝕刻後,裸露的銅面被溶解掉,露出底材。鍍上錫的銅面因有錫的保護,不會被溶解,而形成外層線路,最後透過錫鉛剝除液把板面上的錫鉛全部去除。
步驟十二:防焊印刷(Solder Mask)
板子經過前處理,把板面清潔乾淨後,在板子表面覆蓋一層防焊感光油墨,預乾燥後進行曝光作業。經曝光後,未感光的防焊油墨會溶解於顯影液中,而感光的防焊油墨在感光硬化後,顯影液無法溶解,形成防焊板面圖案。
步驟十三:表面處理(Surface Treatment)
目的是防止表面氧化。
步驟十四:成型(Profiling)
進行外型加工裁切,以製作出符合客戶需求之尺寸。
步驟十五:電測 (Electrical Testing)
對板子線路進行檢測,並對板子電性功能進行測試。
步驟十六:最終檢查 (Final Visual Inspection)
全面檢查產品外觀、確保出貨品質。
六:噴嘴與流量計在印刷電路板產業中的應用
印刷電路板的製程中包含大量的電鍍、顯影、蝕刻、清洗等步驟,需要用到各式各樣的化學藥品進行加工。在這些過程中,藥液的噴灑用量、分佈狀態,液體與材料的接觸時間,甚至是藥液衝擊面板的力道大小都會影響成品的品質,甚至導致整批昂貴的金屬材料直接報廢,因此,和市集優質的噴嘴非常重要。此外,透過液體流量計來測量化學藥劑的用量,製造商能夠更準確地調節材料的流量,從而達到更高品質的產品和更高效率的生產。
應用一:通孔電鍍除膠渣液體噴灑
➤ 實際案例:全球知名電子產品生產設備整合製造商
情況:該公司研發的水平除膠渣化學銅設備(DSM&PTH)可有效去除電路板在通孔電鍍製程過後,電路板孔洞中殘留的膠渣,確保印刷電路板在後續製程中達到最佳的導電性能。而除膠渣需要使用各式各樣的化學藥劑,因此該公司正在尋找耐腐蝕效果佳的噴嘴。
解決方案:LORRIC的 QF 系列快拆噴嘴
QF 系列快拆噴嘴使用高品質的工程塑料製造(PP、PVDF)提供優異的耐化性能,能有效延長噴嘴的壽命。此外,QF 系列噴嘴採多件式快拆設計,一旦完成安裝,後續若需要更換噴嘴,只需要將噴嘴頭從底座拆下更換即可,省去重新定位噴嘴位置的麻煩,簡化機台的維護與保養流程。除了噴嘴產品,我們也推薦該公司設備使用LORRIC的面積式流量計量測電鍍製程中的藥液用量,LORRIC面積式流量計浮子透過加工製造,並透過流量實驗室嚴格把關,誤差控制在業界頂標的±5% F.S.。流量計本體與接頭採用高品質塑料,提供優異的抗腐蝕性,有效延長產品使用壽命。
應用二:電鍍製程硫酸銅藥液監測
➤ 實際案例:韓國前十大印刷電路板製造商
情況:該公司於1987年成立,主力發展DRAM內存芯片的模塊 PCB 和組裝各種半導體芯片時使用的基板。截至2022年,該公司已是韓國十大印刷電路板供應商之一。該公司在電鍍製程線中原先使用德國品牌的蹼輪式流量計,用來測量硫酸銅藥液的使用量。韓國基於工安要求,所有使用藥液的設備都有使用透明隔板把機台與工作環境區隔開來。但也因如此,傳統的LCD螢幕在隔著隔板的狀態下讓工作人員難以讀取流量數據。
解決方案:LORRIC 的 FP-AS510 蹼輪流量計
FP-AS510 蹼輪流量計採用LED/LCD雙螢幕設計,並搭配情境燈號,即使在黑暗的工作環境或是有隔板區隔,工作人員都能清楚辨識流量以及確認機台工作狀況。此外,FP-AS510 蹼輪流量計使用專利軸感應技術,在極低流速(0.15 m/s)下仍能偵測流量,線性度更是業界最高的0.5% FS;內建三種通訊方式(4-20mA類比輸出、Modbus RTU RS485控制信號、以及光耦開關訊號(Pulse signal))也能無死角配合客戶的通訊需求。
應用三:立式連續電鍍設備強酸鹼藥液監測
➤ 實際案例:全球前五大PCB製造商
情況:該公司電鍍產線使用立式連續電鍍設備(Vertical Continuous Plating Line)有效提高電鍍的分佈成效,並保持每片面板的電鍍品質一致性。立式連續電鍍設備中使用許多化學藥劑,LORRIC的面積式流量計採用高品質塑料,耐化性強,面對強酸鹼藥液具有一定的抗腐蝕能力,有效降低設備維護的頻率,並降低維護成本。
解決方案:FU-ES EchoSense 管夾式超音波流量計
隨著印刷電路板對於產品精度要求越來越高,許多廠家在流量量測方面傾向選擇不會與藥液接觸的超音波流量計。針對此需求,LORRIC研發了新的 FU-ES EchoSense 管夾式超音波流量計。EchoSense 管夾式超音波流量計是專門為小管徑應用設計的產品。機身採用探頭與主機結合的一體式設計,只需要90秒即可完成機構安裝。此外,裝置能自動偵測管路規格(材質、管厚、液體聲速等),一鍵即可完成機器設定。探頭與管路接觸的部分改用橡膠耦合墊,不需要再使用超音波膠,降低裝置維護的難易度。