下一代工業 PCB製造 解決方案
在不久前的過去，工廠的工作主要以體力勞動來衡量。工廠的產量主要取決於員工一小時內能包裝多少容器或託盤，或堆放貨物的速度有多快。幸運的是，對於工廠工人來說，這樣的日子幾乎已經成為過去。如今，工廠依靠軟體控制的自動化設備、用於搬運和放置零件及材料的大型人工智慧機器人，以及用於內部和外部數據資訊通訊的WiFi和物聯網技術。當然，這些先進的工業生產流程也需要經驗豐富的管理人員來確保生產順利進行。
為了確保產品符合性能、運作和可靠性要求，工廠設備依賴工業級PCB製造。有些人可能認為電路板就是電路板，無論其用途或使用方式為何，都沒有明顯的差異。這種想法是錯誤的。就像PCBA的品質要求會根據PCB的用途和使用方式而變化一樣，其製造流程也會隨之改變。讓我們來看看工業級PCB製造所需的專業知識，以及在設計階段可以採取哪些措施來簡化製造流程。
工業和商業PCB製造
PCB代工製造商（CM）遵循以下行業標準：
IPC 6011 印刷電路板通用規範
本標準解釋並定義了成品PCB的三種性能等級。
- 1. 三年級 – 一般電子產品。預期壽命為1-2年或更短。
- 2. 三年級 – 專用服務電子產品。預期使用壽命為3-5年。
- 3. 三年級 – 高可靠性電子產品。預期壽命為15年。
這些規範適用於CM的製造品質。
IPC 6012D 剛性印刷電路板的鑑定與性能規範
本標準根據 IPC 6011 中定義的等級，規定了剛性 PCB 的要求。
IPC 6013 柔性/剛柔結合印刷電路板的鑑定與性能規範
此標準是柔性板和剛柔結合板的匹配標準。
上述標準適用於所有電路板製造工藝，但某些PCBA應用還有額外的規則和指南。這包括航空航太和醫療器材等關鍵產業。商業PCB製造通常屬於要求最低的1級標準。相較之下，工業生產環境更可能需要更高品質的電路板，這些電路板可能需要遵循2級製造流程。這些以及其他差異列於下表。
工業和商業PCB製造製程比較
| 屬性 | 工業PCB製造要求 | 商業PCB製造要求 |
|---|---|---|
| IPC 6011 等級 | 通常是2級或3級 | 通常是1級或2級 |
| 材質 | 通常高Tg | 標準FR-4 |
| 銅的一致性 | 可能需要在重銅和普通銅之間取得平衡 | 通常不會有問題 |
| 堆疊平衡 | 製作電路板時，使其沿 z 方向圍繞中心軸對稱，包括銅箔區域。 | 通常不會有問題 |
| 熱穩定性 | 通常需要穩定的溫度曲線，以便焊料在PCBA中均勻流動。 | 通常不會有問題 |
| 耐濕性 | 通常需要 | 通常不需要 |
上表並非適用於所有工業和/或商業PCB製造工藝，因為具體設計將決定每項內容的重要性。但它可以作為大多數工業和/或商業電路板製造的通用指南。現在，讓我們來看看如何幫助您的代工廠生產工業電路板。
工業PCB基材
基板是印刷電路板的絕緣支撐層，其材料特性決定了電路板的電氣特性、耐熱性和機械強度。
標準通用基材（FR-4）
FR-4是目前應用最廣泛的通用基材。它是將玻璃纖維布浸入環氧樹脂中，然後在高溫下固化而成。它具有良好的絕緣性、機械強度和適中的成本。 FR-4的介電常數約為4.0至4.5，損耗角正切值較低，因此可滿足大多數中低頻電路的訊號傳輸需求。對於常見的工業控制設備、感測器和普通通訊模組而言，FR-4是一種成熟且經濟的選擇。但是，當電路工作在高頻時，FR-4的介電常數會發生變化，損耗因子也會增加，這可能會導致訊號延遲和損耗。因此，它不適用於高頻或高速數位電路。
高頻高速傳輸基板
當應用涉及高頻訊號傳輸時，需要使用特殊的高頻基材。目前市面上主要的高頻材料包括以羅傑斯（Rogers）為代表的聚四氟乙烯（PTFE）基材和陶瓷填充碳氫化合物材料。這些材料的介電常數可低至2.1至3.5，損耗因子遠低於FR-4，能夠降低傳輸過程中的能量損耗和訊號失真，廣泛應用於5G基地台、雷達系統、衛星通訊和射頻微波電路等領域。然而，高頻材料的成本遠高於FR-4，且部分材料的機械強度較低，加工製程也較為複雜，因此在實際專案中必須謹慎選擇。
高功率密度和高散熱電路板
對於高功率密度設備而言，散熱是首要考慮因素。金屬芯電路板，例如鋁板和銅板，在這些應用中具有明顯的優勢。鋁板在導熱性、重量和成本之間取得了良好的平衡。其導熱係數通常在 1 至 4 W/m·K 左右，因此適用於 LED 照明、功率模組和其他中低功率應用。銅板的導熱係數更高，可達 3 至 14 W/m·K，適用於汽車 LED、高功率驅動器和其他對散熱要求更高的應用。金屬芯電路板能夠快速將熱量從發熱部件傳遞到散熱器結構，從而降低裝置溫度並延長產品壽命。但它們的加工難度更大、重量更重，並且在便攜式設備中的應用受到限制。
極端溫度和柔性聚醯亞胺基材
對於需要承受極端溫度或反覆彎曲的應用，聚醯亞胺 (PI) 是重要的選擇。 PI 材料具有極高的熱穩定性。其玻璃化轉變溫度通常在 250°C 至 350°C 之間，有些高性能產品甚至可以超過 400°C。它們在 -200°C 至 +300°C 的寬廣溫度範圍內都能保持穩定的物理和化學性質。正因如此，PI 被廣泛應用於航空航太電子、汽車引擎控制系統以及需要高耐熱性和柔韌性的柔性印刷電路 (FPC) 等領域。
材料選擇參考
工業PCB的材料選擇是一項系統級任務，必須綜合考慮電氣性能、散熱管理、機械強度、成本和供應鏈穩定性。不同的應用對材料的需求也各不相同。例如，普通工業控制可以使用採用HASL製程的FR-4基板，高頻通訊需要採用ENIG或沉銀製程的PTFE或Rogers基板，而高功率設備則依賴金屬芯板和厚銅箔。設計人員應在專案初期與製造商溝通，明確工作環境和可靠性要求，然後選擇最佳的材料方案。只有這樣，工業電子產品才能在嚴苛的使用條件下維持優異的性能和較長的使用壽命。
工業PCB製造製程最佳化設計
如上所示，某些PCB製造因素對工業電路板和商業電路板的重要性有明顯差異。一般來說，大多數基本的PCB製造製程都能滿足商業電路板的需求。然而，工業電路板則要求您和您的代工廠商對材料、製造階段和組裝階段進行更嚴格的控制。您可以參考以下工業PCB製造設計技巧來幫助您的代工廠商。
工業PCB製造製程設計技巧
選擇正確的等級
最佳原則是指定滿足性能目標的最低IPC等級。例如，在許多情況下，2級電路板比要求更高的3級電路板更合適。
選擇最適合您PCB應用的材料
選擇電路板時，應綜合考慮環境和應用場景，以做出最佳選擇。對於工業電路板而言，這可能意味著需要使用高壓PCB材料。
確保整個電路板上的銅重量一致。
銅層厚度不平衡在製造過程中（例如熱風整平 (HASL)）和組裝過程中（例如回流焊）都可能造成問題。工業應用中普遍採用大電流 PCB 設計，因此應盡量減少銅層厚度的差異。
設計對稱結構的堆疊結構
幾何平衡的銅堆疊對於訊號完整性非常重要，因為變化會影響阻抗等線路參數。
使用熱平衡法
影響PCB組裝（PCBA）的最重要因素之一是熱平衡和均勻散熱。為避免焊接缺陷，電路板必須設計成具有良好的散熱性能。
確保採用電路板保護措施。
工廠環境會為電路板帶來許多環境風險。其中包括劇烈的溫度變化，這會導致水分滲入電路板。此外，生產過程中也可能發生污染。因此，必須採取適當的防護措施。
工業PCB的主要應用領域
工業控制與自動化
這是工業PCB最核心的應用領域，對穩定性和即時反應的要求非常高。它包括：
- 工業機器人：PCB 是機器人的“大腦”和“神經”，用於其控制器、伺服驅動器和感測器系統。
- 數控工具機：高精度加工的控制核心。
- 可程式邏輯控制器（PLC）：工廠自動化的核心部分，用於邏輯控制和資料處理。
- 工業智慧型設備：包括工業電腦、測試儀器、電力控制系統等。
- 國防與軍事裝備：在對可靠性要求極高的軍事系統中發揮關鍵作用，例如雷達、導航和火控系統。
通訊及網路設備
為了滿足高速、大容量資料傳輸的需求，通訊設備是高階PCB的重要市場。
- 5G 基地台和設備：需要能夠處理高頻訊號的高效能 PCB。
- 高階網路設備：如高速網路交換器和核心路由器，通常使用 22 層或以上的超高層數 PCB。
- 伺服器和資料中心：作為雲端運算和大數據的硬體基礎，伺服器主機板及相關設備使用大量的 10 至 20 層 PCB。
航太
PCB必須在極端溫度、強烈振動和強輻射等惡劣條件下穩定工作，因此可靠性要求非常嚴格。
- 飛行控制系統：飛機的“大腦”，負責飛行姿態、導航和其他關鍵功能。
- 衛星和太空船：其電子系統中的印刷電路板必須具有強大的抗輻射能力以及耐高低溫性能。
- 低空經濟和商業航空航太：隨著新興產業的發展，無人機、小型衛星和類似產品也對工業PCB提出了新的需求。
汽車電子
現代汽車越來越像電子設備，它們使用大量的工業級印刷電路板。
- 高級駕駛輔助系統 (ADAS)：自動停車和自適應巡航控制等功能的電子控制單元需要高性能、高可靠性的 PCB。
- 車載資訊娛樂系統：處理導航、音訊和視訊娛樂的複雜系統。
- 核心控制系統：例如引擎控制單元（ECU）和電池管理系統（BMS）。
醫療保健
醫療電子設備與人類生命直接相關，因此其印刷電路板對可靠性和精度有著非常高的要求。
- 高階醫療影像設備：MRI 和 CT 系統的核心控制板。
- 生命維持和監測系統：用於監視器、呼吸器、心律調節器和類似設備的精密電路。
- 便攜式和植入式醫療設備：對小型化和高密度互連（HDI）技術有非常高的需求。
能源和電力
該領域的設備通常需要在高壓大電流環境下 24 小時不間斷運作。
- 電力控制系統：用於電網監測、保護和自動化管理。
- 新能源設施：例如太陽能逆變器和風力發電控制系統。
- 智慧電錶：例如智慧電錶、智慧水錶和智慧燃氣表，廣泛應用於能源計量和物聯網。
工業PCB和消費性PCB的主要區別
工業PCB和消費PCB的核心差異可以概括如下：消費PCB的目標是在可控成本下實現性能和厚度，而工業PCB的目標是在惡劣環境下實現極高的可靠性和穩定性，即使成本不是主要考慮因素。
| 獨特之處 | 消費級 | 工業級（典型值） |
|---|---|---|
| 工作溫度 | 0-70℃下 | -40–85°C，甚至-40–125°C |
| 生活需求 | 3-5年 | 10至20年或更長時間 |
| 板材（Tg） | 標準 FR-4（Tg 130–140°C） | 高Tg FR-4（Tg ≥ 170°C）、聚醯亞胺、高頻材料 |
| 銅厚 | 1–2 盎司（35–70 微米） | 3盎司至10盎司或更多（厚銅PCB），用於電源層 |
| 表面處理 | OSP，鍍金 | ENIG、浸銀、浸金等工藝，主要關注耐腐蝕性和可焊性。 |
| 驗收標準 | IPC-A-600 2 級 | IPC-A-600 3級（高可靠性電子產品） |
| 測試要求 | 常規飛探/夾具測試 | 增加熱應力測試、熱循環測試、導電陽極絲（CAF）測試等。 |
為什麼選擇 GreatPCB 進行工業 PCB 製造
當您需要工業PCB時，您需要的不僅僅是一塊電路板。您需要的是穩定的品質、嚴格的材料控制和可靠的生產流程。 GreatPCB專注於PCB和PCBA製造，擁有嚴格的品質控制、快速的反應速度和強大的客製化專案支援。我們可提供高Tg FR-4、PTFE、Rogers、鋁基PCB、厚銅PCB、剛撓結合PCB以及其他特殊類型的電路板。
從原型製作到大量生產，GreatPCB 致力於確保每一塊電路板都能滿足您的效能和可靠性需求。如果您的專案需要更佳的耐熱性、更強的耐用性或更高的訊號性能，我們的團隊可以協助您選擇合適的材料和製程。 GreatPCB 為工業控制、通訊、汽車、醫療和能源等應用領域提供專業的 PCB 製造解決方案，協助您的專案成功。
常見問題
1. 什麼是工業PCB？
工業級PCB是用於惡劣或高要求環境的電路板。與消費級PCB相比，它通常需要更高的可靠性、更好的耐熱性和更長的使用壽命。
2. 工業PCB使用哪些材料？
常用材料包括高Tg FR-4、PTFE、Rogers、鋁基材料、銅基材料和聚醯亞胺。選擇合適的材料取決於應用和工作環境。
3. 工業PCB和消費性PCB的主要差異是什麼？
主要區別在於可靠性。工業級PCB的設計目標是長壽命、性能穩定，並能適應嚴苛的工作環境。而消費級PCB通常是為了降低成本、減輕使用強度而設計的。
4. GreatPCB 能否訂製工業 PCB？
是的。 GreatPCB 支援客製化 PCB 和 PCBA 項目，包括特殊材料、厚銅、高頻板、剛撓結合板和其他工業級解決方案。
5. 如何為我的專案選擇合適的PCB？
您應該考慮工作溫度、功率等級、訊號傳輸速度、機械強度、成本和可靠性需求。如果專案比較複雜，最好儘早與PCB製造商溝通。
6. 你們遵循哪些測驗標準？
我們遵循 IPC-A-600 3 級高可靠性電子產品標準，包括熱應力測試、熱循環和 CAF 測試，以確保最高的可靠性。