图注:香港电子厂手工焊接场景,来源香港电视节目
图注:“原子粒”收音机电路板,来源RTHK
早期的手工焊接是焊工拿着工具手焊,课程设计中手焊过一个无线麦克风。1994年在无锡的生产线上实习,就是手工焊电路板电路。像拿笔一样拿电烙铁是错误的,烙铁杆是高温会烫着手。
传统的通孔焊接技术(THT, Through-Hole Technology),有几个主要的步骤:钻孔、过孔装配、焊接、检验。
在初级阶段,过孔装配完全由人工来完成。穿孔元件(插件元件、通孔元件)都设计了焊脚来穿过电路板,以达到零件焊接在电路板的目的。焊脚有其最小尺寸的限制,否则焊脚会容易被折断,或是掉到地上而造成外力的折断,所以这样的零件做到5mmx5mm就已经是很小了。
图注:1978年香港:手工将元器件插到电路板上,来源香港电视节目
1970年代,集成电路开始广泛使用,双列直插封装(DIP,dual in-line package)元件是微电子产业的主流,既可以用通孔插装技术的方式安装,也可以利用DIP插座安装。
1990年代,我学过基于Zilog Z80 单片机的8位机汇编语言编程,下图的 Z80就采用了DIP封装。我还学过基于8086的16位机汇编语言编程并做过最小计算机的软硬件设计,这些“屠龙术”我一辈子都没机会应用。
到了今天,传统的通孔焊接技术依然在使用,用于不适合表面安装(SMT)的组件,例如大型变压器和需要散热的功率半导体(如电动汽车里大量使用的IGBT和SiC)。值得说明的是,同一块PCB上,可以部分元器件采用SMT,部分元器件采用通孔技术。
当然,自动化能力大大提高。自动插件机的应用很普遍了,绝大部分的标准化器件不再需要人工过孔装配了。焊接也不需要人工了,可以采用波峰焊(wave soldering)。如果穿孔器件少,也可以考虑采用通孔回流焊接工艺。
第五章:中国印制电路板产能占全球50%
1956年,中国大陆开始PCB的研制工作。收音机因为产量巨大,率先使用了这个技术。
上海无线电器材厂用国产锗晶体管,于1959年国庆10周年的前夕组装出美多牌便携式7管中波段超外差式收音机300台并投放市场,首次实现了国产晶体管收音机商品化。
正是从这里开始,中国开始采用PCB印制电路板,并有了生产线。
1960年代,批量生产出单面板,小批量生产双面板并开始研制多层板。
1970年代,由于受当时历史条件的限制,PCB印制板技术发展缓慢,使得整个生产技术落后于国外先进水平。
1980年代改革开放。与其是抱残守缺,不如一步到位引入西方最先进的技术。世界已经进入了集成电路时代,PCB印制电路板的制作也更加精密化。
1990年代后,港台地区和西方厂商纷纷来中国设厂,引进了先进水平的单面、双面、多层印制板生产线,产量和技术都突飞猛进。
我是在1997年底第一次摸到用于通信设备的16层板(深南电路制造),叹为观止。
在2000年之前,全球最大的PCB制造基地是在美国、欧洲和日本,那时候中国大陆只占到6%。
2002年,中国成为第三大PCB产出国。
2003年,PCB产值和进出口额均超过60亿美元,首度超越美国,成为世界第二大PCB产出国,产值的比例也由2000年的8.54%提升到15.30%,提升了近1倍。
自2006年开始,中国超越日本成为全球第一大PCB生产国,PCB的产量和产值均居世界第一。
2017年开始,中国的PCB产量占全球一半左右的产能。
有不少内资PCB大厂。赵浩先生介绍,苏州东山精密通过收购了维信(MFLEX )和超毅(Multek,伟创力子公司),并进入软板、硬板、IC载板(封装基板)、SMT领域,服务苹果等最终用户。在深圳华侨城活动时,经常能看到深南电路的总部大院,同时做PCB和SMT。还有鹏鼎(富士康子公司,原深圳福永的富葵)、兴森、景旺、沪电、超声、胜宏、安捷利美维等众多本土厂家。
PCB生产过程中要用到很多化学物质,所以环保上的投入是很大的。
近年来,随着智能手机、平板电脑等电子产品向大规模集成化、轻量化、高智能化方向发展,PCB制造工艺要求不断提升,对PCB制造中的曝光精度(最小线宽)要求越来越高,多层板、HDI板、柔性板及IC载板(封装基板)等中高端PCB产品的市场需求也再不断增长。去年缺芯,蔡志匡教授告诉我:封装基板紧缺,闻“基”起舞。
以色列奥宝科技(Orbotech)从AOI(自动视觉检测)起家,发展为著名PCB制造解决方案提供商,并于2018年被美国KLA(科磊)以34亿美元收购。创始人科比·里克特(Kobi Richter)曾经是战斗机王牌飞行员。他还成功创立了一家医疗企业,“将宝剑锻成锄头”(意为降维应用创新)是他带来的重要启示之一。