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PCBA
鎖定
- 外文名
- Printed Circuit Board Assembly
- 過 程
- PCB空板經SMT上件或DIP插件
- 本 質
- 製作流程
- 基 材
- 電木板、玻璃纖維板
- 金屬塗層
- 銅 錫 金 鎳
- 簡 稱
- PCBA
PCBA電路板
印刷電路板,又稱印製電路板,印刷線路板,常使用英文縮寫PCB(Printed circuit board),是重要的電子部件,是電子元件的支撐體,是電子元器件線路連接的提供者。由於它是採用電子印刷技術製作的,故被稱為“印刷”電路板。在印製電路板出現之前,電子元件之間的互連都是依靠電線直接連接而組成完整的線路。電路面板只是作為有效的實驗工具而存在,而印刷電路板在電子工業中已經成了佔據了絕對統治的地位。20世紀初,人們為了簡化電子機器的製作,減少電子零件間的配線,降低製作成本等優點,於是開始鑽研以印刷的方式取代配線的方法。三十年間,不斷有工程師提出在絕緣的基板上加以金屬導體作配線。而最成功的是1925年,美國的Charles Ducas 在絕緣的基板上印刷出線路圖案,再以電鍍的方式,成功建立導體作配線。
直至1936年,奧地利人保羅·愛斯勒(Paul Eisler)在英國發表了箔膜技術,他在一個收音機裝置內採用了印刷電路板;而在日本,宮本喜之助以噴附配線法“メタリコン法吹着配線方法(特許119384號)”成功申請專利。而兩者中Paul Eisler 的方法與現今的印刷電路板最為相似,這類做法稱為減去法,是把不需要的金屬除去;而Charles Ducas、宮本喜之助的做法是隻加上所需的配線,稱為加成法。雖然如此,但因為當時的電子零件發熱量大,兩者的基板也難以配合使用,以致未有正式的實用作,不過也使印刷電路技術更進一步。
PCBA發展史
1943年,美國人將該技術大量使用於軍用收音機內。
1948年,美國正式認可這個發明用於商業用途。
1950年,日本使用玻璃基板上以銀漆作配線;和以酚醛樹脂制的紙質酚醛基板(CCL)上以銅箔作配線。
1951年,聚酰亞胺的出現,使樹脂的耐熱性再進一步,也製造了聚酰亞胺基板。
1953年,Motorola開發出電鍍貫穿孔法的雙面板。這方法也應用到後期的多層電路板上。
印刷電路板廣泛被使用10年後的60年代,其技術也日益成熟。而自從Motorola的雙面板面世,多層印刷電路板開始出現,使配線與基板面積之比更為提高。
1960年,V. Dahlgreen以印有電路的金屬箔膜貼在熱可塑性的塑膠中,造出軟性印刷電路板。
1961年,美國的Hazeltine Corporation參考了電鍍貫穿孔法,製作出多層板。
1967年,發表了增層法之一的“Plated-up technology”。
1969年,FD-R以聚酰亞胺製造了軟性印刷電路板。
1979年,Pactel發表了增層法之一的“Pactel法”。
1984年,NTT開發了薄膜迴路的“Copper Polyimide法”。
1988年,西門子公司開發了Microwiring Substrate的增層印刷電路板。
1990年,IBM開發了“表面增層線路”(Surface Laminar Circuit,SLC)的增層印刷電路板。
1995年,松下電器開發了ALIVH的增層印刷電路板。
1996年,東芝開發了B2it的增層印刷電路板。
PCBA實用化
就在眾多的增層印刷電路板方案被提出的1990年代末期,增層印刷電路板也正式大量地被實用化。為大型、高密度的印刷電路板裝配(PCBA, printed circuit board assembly)發展一個穩健的測試策略是重要的,以保證與設計的符合與功能。除了這些複雜裝配的建立與測試之外,單單投入在電子零件中的金錢可能是很高的,當一個單元到最後測試時可能達到25,000美元。由於這樣的高成本,查找與修理裝配的問題現在比其過去甚至是更為重要的步驟。今天更復雜的裝配大約18平方英寸,18層;在頂面和底面有2900多個元件;含有6000個電路節點;有超過20000個焊接點需要測試。
PCBA範圍
在朗訊加速的製造工廠(N. Andover, MA),製造和測試藝術級的PCBA和完整的傳送系統。超過5000節點數的裝配對我們是一個關注,因為它們已經接近我們現有的在線測試(ICT, in circuit test)設備的資源極限(圖一)。我們製造大約800種不同的PCBA或“節點”。在這800種節點中,大約20種在5000~6000個節點範圍。可是,這個數迅速增長。
PCBA新項目
新的開發項目要求更加複雜、更大的PCBA和更緊密的包裝。這些要求挑戰我們建造和測試這些單元的能力。更進一步,具有更小元件和更高節點數的更大電路板可能將會繼續。例如,現在正在畫電路板圖的一個設計,有大約116000個節點、超過5100個元件和超過37800個要求測試或確認的焊接點。這個單元還有BGA在頂面與底面,BGA是緊接着的。使用傳統的針牀測試這個尺寸和複雜性的板,ICT一種方法是不可能的。
在製造工藝,特別是在測試中,不斷增加的PCBA複雜性和密度不是一個新的問題。意識到的增加ICT測試夾具內的測試針數量不是要走的方向,我們開始觀察可代替的電路確認方法。看到每百萬探針不接觸的數量,我們發現在5000個節點時,許多發現的錯誤(少於31)可能是由於探針接觸問題而不是實際製造的缺陷(表一)。因此,我們着手將測試針的數量減少,而不是上升。儘管如此,我們製造工藝的品質還是評估到整個PCBA。我們決定使用傳統的ICT與X射線分層法相結合是一個可行的解決方案。
PCBA基材
基材普遍是以基板的絕緣部分作分類,常見的原料為電木板、玻璃纖維板,以及各式的塑膠板。而PCB的製造商普遍會以一種以玻璃纖維、不織物料、以及樹脂組成的絕緣部分,再以環氧樹脂和銅箔壓制成“黏合片”(prepreg)使用。
而常見的基材及主要成份有:
FR-2 ──酚醛棉紙,
FR-3 ──棉紙(Cotton paper)、環氧樹脂
FR-5 ──玻璃布、環氧樹脂
FR-6 ──毛面玻璃、聚酯
G-10 ──玻璃布、環氧樹脂
CEM-1 ──棉紙、環氧樹脂(阻燃)
CEM-2 ──棉紙、環氧樹脂(非阻燃)
CEM-3 ──玻璃布、環氧樹脂
CEM-4 ──玻璃布、環氧樹脂
CEM-5 ──玻璃布、多元酯
AIN ──氮化鋁
SIC ──碳化硅
PCBA金屬塗層
金屬塗層除了是基板上的配線外,也就是基板線路跟電子元件焊接的地方。此外,不同的金屬也有不同的價錢,不同的會直接影響生產的成本;不同的金屬也有不同的可焊性、接觸性,也有不同的電阻阻值,也會直接影響元件的效能。
常用的金屬塗層有:
銅
錫
厚度通常在5至15μm
即焊料,厚度通常在5至25μm,錫含量約在63%
金
一般只會鍍在接口
銀
一般只會鍍在接口,或以整體也是銀的合金
PCBA線路設計
印製電路板的設計是以電子電路圖為藍本,實現電路使用者所需要的功能。印刷電路板的設計主要指版圖設計,需要內部電子元件、金屬連線、通孔和外部連接的佈局、電磁保護、熱耗散、串音等各種因素。優秀的線路設計可以節約生產成本,達到良好的電路性能和散熱性能。簡單的版圖設計可以用手工實現,但複雜的線路設計一般也需要藉助計算機輔助設計(CAD)實現,而著名的設計軟件有Protel、OrCAD、PowerPCB、FreePCB等。
PCBA基本製作
PCBA簡介
根據不同的技術可分為消除和增加兩大類過程。
PCBA減去法
減去法(Subtractive),是利用化學品或機械將空白的電路板(即鋪有完整一塊的金屬箔的電路板)上不需要的地方除去,餘下的地方便是所需要的電路。
絲網印刷:把預先設計好的電路圖製成絲網遮罩,絲網上不需要的電路部分會被蠟或者不透水的物料覆蓋,然後把絲網遮罩放到空白線路板上面,再在絲網上油上不會被腐蝕的保護劑,把線路板放到腐蝕液中,沒有被保護劑遮住的部份便會被蝕走,最後把保護劑清理。
感光板:把預先設計好的電路圖制在透光的膠片遮罩上(最簡單的做法就是用打印機印出來的投影片),同理應把需要的部份印成不透明的顏色,再在空白線路板上塗上感光顏料,將預備好的膠片遮罩放在電路板上照射強光數分鐘,除去遮罩後用顯影劑把電路板上的圖案顯示出來,最後如同用絲網印刷的方法一樣把電路腐蝕。
PCBA加成法
加成法(Additive),普遍是在一塊預先鍍上薄銅的基板上,覆蓋光阻劑(D/F),經紫外光曝光再顯影,把需要的地方露出,然後利用電鍍把線路板上正式線路銅厚增厚到所需要的規格,再鍍上一層抗蝕刻阻劑-金屬薄錫,最後除去光阻劑(這製程稱為去膜),再把光阻劑下的銅箔層蝕刻掉。
PCBA積層法
積層法是製作多層印刷電路板的方法之一。是在製作內層後才包上外層,再把外層以減去法或加成法所處理。不斷重複積層法的動作,可以得到再多層的多層印刷電路板則為順序積層法。
內層製作
積層編成(即黏合不同的層數的動作)
積層完成(減去法的外層含金屬箔膜;加成法)
鑽孔
減去法
Panel電鍍法
全塊PCB電鍍
在表面要保留的地方加上阻絕層(resist,防以被蝕刻)
蝕刻
去除阻絕層
Pattern電鍍法
在表面不要保留的地方加上阻絕層
電鍍所需表面至一定厚度
去除阻絕層
蝕刻至不需要的金屬箔膜消失
加成法
令表面粗糙化
完全加成法(full-additive)
在不要導體的地方加上阻絕層
以無電解銅組成線路
部分加成法(semi-additive)
以無電解銅覆蓋整塊PCB
在不要導體的地方加上阻絕層
去除阻絕層
蝕刻至原在阻絕層下無電解銅消失
增層法
增層法是製作多層印刷電路板的方法之一,顧名思義是把印刷電路板一層一層的加上。每加上一層就處理至所需的形狀。
PCBAALIVH
ALIVH(Any Layer Interstitial Via Hole,Any Layer IVA)是日本松下電器開發的增層技術。這是使用芳香族聚酰胺(Aramid)纖維布料為基材。
把纖維布料浸在環氧樹脂成為“黏合片”(prepreg)
鐳射鑽孔
鑽孔中填滿導電膏
在外層黏上銅箔
銅箔上以蝕刻的方法制作線路圖案
把完成第二步驟的半成品黏上在銅箔上
積層編成
再不停重複第五至七的步驟,直至完成
B2it
B2it(Buried Bump Interconnection Technology)是東芝開發的增層技術。
先製作一塊雙面板或多層板
在銅箔上印刷圓錐銀膏
放黏合片在銀膏上,並使銀膏貫穿黏合片
把上一步的黏合片黏在第一步的板上
以蝕刻的方法把黏合片的銅箔製成線路圖案
再不停重複第二至四的步驟,直至完成
PCBA生產方式
PCBA簡介
SMT(Surface Mounted Technology)
表面貼裝技術,主要利用貼裝機是將一些微小型的零件貼裝到PCB板上,其生產流程為:PCB板定位、印刷錫膏、貼裝機貼裝、過回焊爐和製成檢驗。隨着科技的發展,SMT也可以進行一些大尺寸零件的貼裝,例如主機板上可貼裝一些較大尺寸的機構零件。
SMT集成時對定位及零件的尺寸很敏感,此外錫膏的質量及印刷質量也起到關鍵作用。
PCBADIP
DIP即“插件”,也就是在PCB版上插入零件,由於零件尺寸較大而且不適用於貼裝或者生產商生產工藝不能使用SMT技術時採用插件的形式集成零件。行業內有人工插件和機器人插件兩種實現方式,其主要生產流程為:貼背膠(防止錫鍍到不應有的地方)、插件、檢驗、過波峯焊、刷版(去除在過爐過程中留下的污漬)和製成檢驗。
PCBA產業現狀
PCBA簡介
由於印製電路板的製作處於電子設備製造的後半程,因此被稱為電子工業的下游產業。幾乎所有的電子設備都需要印製電路板的支持,因此印製電路板是全球電子元件產品中市場份額佔有率最高的產品。日本、中國大陸、中國台灣地區、西歐和美國為主要的印製電路板製造基地。
受益於終端新產品與新市場的輪番支持,全球 PCB 市場成功實現復甦及增長。香港線路板協會 (HKPCA) 數據統計,2011 年全球 PCB 市場將平穩發展,預計將增長 6-9%,中國則有望增長 9-12%。 台灣工研院 (IEK) 分析報告預測,2011 年全球 PCB 產值將增長 10.36%,規模達 416.15 億美元。
根據 Prismark 公司的分析數據與興業證券研發中心發佈的報告表明,PCB 應用結構和產品結構的變化反映了行業未來的發展趨勢。近年來伴隨着單/雙面板、多層板產值的下降,HDI 板、封裝載板、軟板產值的增加,表明應用於電腦主板、通信背板、汽車板等領域的增長比較緩慢,而應用於高端手機、筆記本電腦等“輕薄短小”電子產品的 HDI 板、封裝板和軟板還將保持快速增長。
PCBA北美
美國印刷電路板協會 (IPC) 公佈,2011 年 2 月北美總體印刷電路板製造商接單出貨比 (book-to-bill ratio) 為 0.95,意味着當月每出貨 100 美元的產品,僅會接獲價值 95 美元的新訂單。B/B 值連續第 5 個月低於 1,北美地區行業景氣度未有實質性回升。
PCBA日本
· 日本地震短期影響部分 PCB 原材料供給,中長期有利於產能向中國台灣地區和中國大陸地區轉移
· 高端 PCB 廠商加速在大陸擴產,技術、產能和訂單向大陸轉移是大勢所趨
· 台灣中時電子報報道,日本供應鏈斷裂,中國、韓國 PCB 板廠將成大贏家
PCBA中國台灣地區
· 台灣工研院 (IEK) 分析師指出,受益於全球總體經濟復甦以及新興國家消費支撐,2011 年台灣 PCB 產業預計增長 29%
PCBA向中國轉移
PCBA應用
PCBA簡介
電腦及相關產品、通訊類產品和消費電子等 3C 類產品是 PCB 主要的應用領域。根據美國消費性電子協會 (CEA) 發表的數據顯示,2011 年全球消費電子產品銷售額將達到 9,640 億美元,同比增長 10%。 2011 年的數據相當接近 1 兆美元。 CEA 表示,最大需求來自於智能手機與筆記本電腦,另外銷售十分顯著的產品還包括數碼相機、液晶電視等產品。
PCBA智能手機
據 Markets and Markets 發佈的最新市場研究報告顯示,全球手機市場規模將在2015 年增至 3,414 億美元,其中智能手機銷售收入將達到 2,589 億美元,佔整個手機市場總收入的 76%;而蘋果將以 26% 的市場份額佔領全球手機市場。
iPhone 4 PCB 採用 Any Layer HDI 板,任意層高密度連接板。iPhone 4 為了在極小 PCB 的面積內,正反兩面裝入所有的晶片,採用 Any Layer HDI 板可以避開機戒鑽孔所造成的空間浪費,以及做到任一層可以導通的目的。
PCBA觸控面板
隨着 iPhone、iPad 風靡全球,捧紅多點觸控應用,預測觸控風潮將成為軟板下一波成長驅動引擎。DisplaySearch 預計 2016 年平板電腦所需觸摸屏出貨量將高達 2.6 億片,比 2011 年上升 333%。
PCBA電腦
Gartner 分析師指出,筆記本電腦在過去五年裏是個人電腦市場的增長引擎,平均年增幅接近 40%。基於筆記本電腦需求減弱的預期,Gartner 預測,2011 年全球個人電腦出貨量將達到 3.878 億台,2012 年將為 4.406 億台,比 2011 年增長 13.6%。CEA 表示,2011 年,包括平板電腦在內的可移動電腦的銷售額將達到 2,200 億美元,台式電腦的銷售額將達到 960 億美元,使個人電腦的總銷售額達到 3,160 億美元。
iPad 2 於 2011 年 3 月 3 日正式發佈,在 PCB 製程環節將採用 4 階 Any Layer HDI。蘋果 iPhone 4 和 iPad 2 採用的 Any Layer HDI 將引發行業熱潮,預計未來 Any Layer HDI 將在越來越多的高端手機、平板電腦中得到應用。
PCBA電子書
根據 DIGITIMES Research 預測,全球電子書出貨量有望在 2013 年達到 2,800 萬台,2008 年至 2013 年複合年增長率將為 386%。分析指出,到 2013 年,全球電子書市場規模將達到 30 億美元。電子書用 PCB 板設計趨勢:一是要求層數增多;二是要求採用盲埋孔工藝;三是要求採用適合高頻信號的 PCB 基材。
PCBA數碼相機
iSuppli 公司稱,隨着市場趨於飽和,2014 年數碼相機產量將開始停滯不前。預計 2014 年出貨量將下降 0.6% 至 1.354 億台,低端數碼相機將遇到來自可拍照手機的強烈競爭。但該產業中的某些領域仍可實現增長,如混合型高清 (HD) 相機、未來的 3D 相機和數字單反 (DSLR) 這種比較高檔的相機。數碼相機的其它增長領域包括集成 GPS 和 Wi-Fi 等功能,提高其吸引力和日常使用潛力。促使軟板市場進一步提升,實際上任何輕薄短小的電子產品對軟板的需求都很旺盛。
PCBA液晶電視
市場研究公司 DisplaySearch 預計,2011 年全球液晶電視出貨量將達到 2.15 億台,同比增長 13%。2011 年,由於製造商逐步更換液晶電視的背光源,LED 背光模塊將逐漸成為主流,給 LED 散熱基板帶來的技術趨勢:一高散熱性,精密尺寸的散熱基板;二嚴苛的線路對位精確度,優質的金屬線路附着性;三使用黃光微影製作薄膜陶瓷散熱基板,以提高 LED 高功率。
PCBALED 照明
DIGITIMES Research 分析師指出應白熾燈於 2012 年禁產禁售的規範,2011 年 LED 燈泡出貨量將顯著成長,產值預估將高達約 80 億美元,再加上北美、日本、韓國等國家對於 LED 照明等綠色產品實施補貼政策,及賣場、商店及工場等有較高意願置換成為 LED 照明等因素驅動下,以產值而言全球 LED 照明市場滲透率有很大機會突破 10%。於 2011 年起飛的 LED 照明,必將帶動對鋁基板的大量需求。
PCBA未來趨勢
五大發展趨勢
· 具有強大生命力的組件埋嵌技術 ─ 組件埋嵌技術是 PCB 功能集成電路的巨大變革,PCB 廠商要在包括設計、設備、檢測、模擬在內的系統方面加大資源投入才能保持強大生命力。
· 更新制造工藝、引入先進生產設備。
向無滷化轉移
· 在製造 PCB 預浸料胚時,發展微波技術來減少溶劑和能量的使用量
· 研發新型的樹脂系統,如基於水的環氧材料,減小溶劑的危害;從植物或微生物等可再生資源中提取樹脂,減少油基樹脂的使用
· 尋找可替代含鉛焊料的材料
· 研發新型、可重複使用的密封材料,來保證器件和封裝的可回收,保證可拆卸
廠商長線須投放資源以提升
· PCB 的精密度 ─ 減小 PCB 尺寸,寬度和空間軌道
· PCB 的耐用性 ─ 符合國際水平
· PCB 的高性能 ─ 降低阻抗和改善盲埋孔技術
· 人力資源素質 ─ 包括技術和管理人員