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PCB切片分析的重要性:微時代提升產業競爭力的關鍵

勀傑科技 整理

引言

在 5G 時代,我們的生活與科技息息相關,電子產品的好壞直接關係到我們日常的便利與體驗品質。其中,印刷電路板(PCB)的角色愈發關鍵,成為支撐現代科技潮流不可或缺的元件。在這場科技變革的浪潮中,台灣以 PCB 產業嶄露頭角,在全球 PCB 市占高達 32.8%,擁有相當完整的產業鏈。

PCB 不僅是電子產品的神經中樞,更在 5G 時代發揮關鍵作用。其高度導電性和可靠性,是現代通信設備如智能手機、無線網絡等必不可少的組成部分。在這個全球互聯的時代,台灣的 PCB 製造商們不僅具有強大的生產能力,更以技術創新和敏銳的市場洞察力贏得國際競爭中的制高點。

本文將介紹PCB產業現況及瓶頸,以及如何在5G精細化趨勢下,藉由提升PCB切片分析檢測技術、增進產業競爭力。

PCB-電路板是什麼?

印刷電路板(Printed circuit board,PCB)又稱印刷線路板或印製電路板,是組裝電子零件需要使用的基底板材。透過板子上不同的金屬銅箔線路互相連接,導通到各層設計過的相關零組件,使得電子產品得以有效運作,因此又被稱為「電子產品之母」。

在 PCB 問世之前,電子產品零件都是透過電線來連接電路,為了簡化製造過程並節省成本,開始有人以銅箔取代原有電線連接,採用印刷方式在基板上製作電路,有效提高生產效率。隨著電子產品尺寸微縮和精細化的趨勢,現在多數電路板使用覆蓋蝕刻阻劑,經曝光顯影後,藉由蝕刻去除不需要的銅箔,製作出更精密的 PCB 電路板。

PCB 電路板的材質包括電木板、玻璃纖維和各類塑膠板,製造商通常使用玻璃纖維不織物和環氧樹脂組成的絕緣預浸漬材料,再以銅箔壓製成銅箔基板。

常見PCB 電路板類型:

PCB-硬板

Rigid PCB(簡稱 RPCB),是一種硬的塑膠板,再將銅導線製作在電路板上,最大的特色是「不可活動」。在電腦內部零件結構中,硬板一般指的是電腦主機板等主要基板,大多數情況下,提到印刷電路板或PCB通常也是指硬板。硬板又可依照層數來做分類,像是單層板、雙層板與多層板,當電子產品的功能設計越複雜,電路板的迴路距離越長、接腳越多的時候,所需的 PCB 層數也會越多。

PCB-軟板

FPC(Flexible Printed Circuit),又可稱為 Flexible PCB,是柔性的材料,通常以 PI 為基材,較薄且可以隨意彎曲或凹折,因此被廣泛作為連接零組件的板。依據所使用的材料不同,軟板又可分為 PI、MPI、LCP 三種類型。由於無法適應演進快速的高科技,PI 材料已幾乎被淘汰,而 MPI 則以高性價比而被廣泛採用,因此目前的中低頻產品多採用 MPI,高頻產品則常使用 LCP,滿足電子產品小型化的趨勢。

IC 載板

IC 載板(或稱 IC 基板)的主要功能是做為承載 IC 的載體使用,並以 IC 載板內部線路連接晶片與 PCB 之間的訊號,主要為保護電路、固定線路與導散餘熱,是封裝製程中的關鍵零件。隨著目前科技發展對於傳輸速率與訊號干擾等功能需求提高,晶圓製程進步快速,對於 IC 載板的需求也逐漸增加。

PCB 切片分析是什麼

切片分析技術

切片分析技術在 PCB 行業中是常見的分析方法之一,這是一種對印刷電路板進行微觀結構分析的精密技術。它的主要目的在於深入觀察 PCB 的內部結構,了解其電子元件的配置和連接方式,以及潛在的製程缺陷。這項技術的重要性不僅是在確保產品品質以及如何提升產品性能,更在於協助 PCB 製造商優化製程並改進產品設計。

PCB 切片分析操作原理

切片分析實驗通常會將檢驗樣品表面經研磨抛光,或者使用化學抛光、電化學抛光等方法,使其達到無划痕光滑的鏡面效果。接著,利用特定的腐蝕液進行腐蝕,不同的物質或是同一物質在不同方向上會有不同的腐蝕程度,呈現出各種不同的特徵,形成各向異性(anisotropy)的現象。最後,使用電子顯微鏡等儀器進行觀察,獲得更加詳盡和高解析度的結構資訊。

PCB 切片分析方法

在切片分析中,常見的分類方式有縱切片(Vertical Section)和水平切片(Horizontal Section)。縱切片是指沿著垂直方向切割 PCB,這樣可以測量不同層次的厚度,並清楚展現各層之間的電子元件和連接是否正常;水平切片則是沿著水平方向,一層一層進行切割,可用以觀察 PCB 各層次內部的連接和電路結構。

透過 PCB 切片分析,可以更深入了解 PCB 的微觀結構、解析其性能特點,進一步提升電子產品的品質、可靠性與耐用性。

PCB 切片分析常見觀測工具

光學顯微鏡為常見的PCB切片分析檢測工具,主要用於觀測樣品的整體結構、焊點、印刷線路等基本分析。而當有金屬層微觀結構和相變的深入分析需求時,則可能使用到金相顯微鏡。

光學顯微鏡可看倍率約為10-2000倍,若是需看更微小的樣品,就需用到更進階的設備,如:掃描式電子顯微鏡 (SEM)。

PCB-電路板的產業現況

PCB-電路板的產業現況

PCB 產業的困境

2023年後,PCB產業面臨著諸多挑戰。除了後疫情時代的市場還需要時間復甦,充滿不確定性,東南亞地區的低成本勞動力競爭力,也使廠商必須新評估製造成本,尋求提升競爭力的策略。除此之外,舊有的生產設備在面對市場需求的多樣性和技術進步的同時,已逐漸顯露出分析能力不足的問題。

其中,光學顯微鏡及其他僅能進行表面分析的設備,已難以應對日益複雜的電路板微觀結構分析需求。為了提升產業競爭力,PCB 製造商迫切需要跟進新技術,特別是在微觀層面的精密分析上,必須引進更先進的工具,例如高解析的掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)。不僅能有效解決表面分析的不足,更能提供高度精確的微觀分析,為製程優化和品質控制提供更全面的支援。

PCB 市場趨勢

隨著數據需求的快速增長,PCB 市場正迎來一波新的趨勢,高速數據傳輸成為一個主要驅動力;科技的不斷進步促使設備變得更小型化,這對PCB的製造提出了更高的要求;而近年來環保意識的提高使得無鉛製程成為新的標準,高密度互連技術的發展則在實現更複雜電路佈局的同時,縮小了電子設備的整體體積。

這些市場趨勢的崛起,迫使 PCB 廠商進行技術和製程上的不斷創新,以滿足客戶對更高性能、更小型化、更環保的電子產品的需求。

台灣 PCB 產業的轉機

在面臨大環境低迷、淨零排碳的環保需求、以及南向佈局等跳戰,台灣 PCB 產業也逐漸找到其產業轉機。高階產品的需求不斷提高,像是 5G 通訊的快速發展,可以帶動市場對高速數據傳輸能力的需求,使 PCB 廠商有許多機會參與發展,而為了因應淨零排碳的要求,汽車產業的電子化趨勢與醫療電子產品的普及也為 PCB 產業開啟了新的商機,使其在不斷變化的市場中找到了轉機的契機。

透過積極參與高階應用領域,台灣 PCB 產業有望在轉型中找到新的發展方向,實現更全面、穩健的發展。

PCB 切片分析檢測利器——桌上型掃描式電子顯微鏡

如上所述,電子元件不斷精緻化,PCB(印刷電路板)的微觀結構分析變得愈發複雜,傳統的表面分析工具已難以滿足需求,若是要競爭微型化趨勢的PCB市場就需添購設備來提升競爭力。然而,實際上的應用差異大嗎?如果添購設備又要做什麼準備?掃描式電子顯微鏡使用門檻高嗎?這些問題讓人望之卻步。

掃描式電子顯微鏡在PCB檢測應用上與光學顯微鏡的差異

SEM掃描式電子顯微鏡是利用電子束對樣品進行掃描,透過反射、散射等信號獲得影像。相較於傳統光學顯微鏡,SEM 擁有較高的解析度,能夠觀看微奈米級的樣品,以進行表面形貌分析,同時還能結合EDS功能分析元素組成,滿足微型PCB不論是量產前檢測或失效分析,都能獲得更全面精準的檢測結果。

舉例來說,以同樣的樣品做PCB缺陷分析,光學顯微鏡僅能看出較表面的裂痕或孔洞,但若是需要深入到觀察晶粒的程度,除了在樣品製備上,會需要使用ion milling 拋光避免機械研磨刮傷及髒汙以讓晶粒更加顯著外,也必須使用SEM這類高階電子顯微鏡才能精確分析。

高解析影像、低使用門檻的桌上型掃描式電子顯微鏡

傳統落地款電子顯微鏡需要較高的操作技術,因此使用者需經過冗長培訓才能使用設備。同時因其體積龐大,需要較大的實驗室空間來安置,在安裝前還需評估環境條件是否符合設備的規定範圍內。從設備、人員到維護成本都相對高。

近年來桌上型掃描式電子顯微鏡的崛起,解決了傳統落地款電子顯微鏡在使用上的高門檻問題。除了僅需一張桌子空間即可放置的優點,內建光學導航系統及直覺性的UI介面,讓使用者只需花費簡短時間就能學會操作SEM。

光學顯微鏡桌上型掃描式電子顯微鏡(Phenom系列)
原理透過可見光成像透過電子束成像
解析度最高約200nm最高約3 nm (使用BSD)
放大倍率10~2000倍數萬倍-百萬倍
使用優點門檻低、易上手需約30分鐘的培訓
應用表面結構 (微奈米等級如:晶粒無法觀測)•微奈米程度的表面結構
•搭配EDS可做元素分析
成本設備及維護成本皆較低相較於光學高,維護上比落地款單純
*解析度依不同廠牌、型號、使用情況等有差異,數據僅供參考。

桌上型掃描式電子顯微鏡為PCB產業轉型開啟新的契機,提供的高解析度影像既能檢測出如5G通信產業這類高密度PCB的細微結構缺陷,同時也滿足使用上的方便性。

如果您對於掃描式電子顯微鏡(SEM) 在PCB產業上的應用有興趣

歡迎來電/來信 洽詢

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