从800毫米到2000毫米,这位工匠打开了中国超长线路板的“大门”

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说到印制电路板,可能大家都熟悉。但是2米超长电路板,大家就不一定见过了。其实,它就在我们身边,大家每天乘坐的电梯、通讯基站天线、大型机床等都会用到超长线路板。

深圳市博敏电子有限公司(以下简称为“博敏”)是国内首家成功研发2米长线路板的企业,公司技术中心技术总监黄建国是“操刀人”。

黄建国这个绝活攻克了生产技术的诸多难题,打开了公司制作超长天线板订单的新局面。此后,各式各样的超长尺寸、超大尺寸及超常规尺寸电路板如雨后春笋般涌现,由黄建国主笔撰写的多篇行业论文在《印制电路信息》发表,为超长超大印制电路板在轨道交通控制系统、高清音视频控制器、医疗器械、航天航空以及工业控制等领域的应用提供了方向。

打开制作超长天线板的新订单

如今,印刷线路板市场需求越发多样化,传统的生产线生产的产品性价比较低,无法实现高额利润。如何实现差异化生产,在特种印制板上发力,创造一条高端的技术路线?黄建国认为,这就需要对生产线进行智能化处理,依靠兼容性设备和定制设备共同协作,实现多品种、小批量生产。

2013年之前,国内能做到的最长线路板是800毫米。作为一家以高端印制电路板生产为主,集设计、加工、贴装(SMT)、销售、外贸为一体的国家高新技术企业,博敏接到了一个订单:客户需要2000毫米长的线路板。“超长线路板以前都是通过分段印刷,再拼接到一起。但拼接口会存在偏差,如焊接强度、耐振动性、垂直性等没有一次性成型的效果好。”黄建国思考着更好的方法,他将线路图形横向分割为多个常规加工能力范围内的子区域,将各个子区域分别光绘至银盐胶片上,然后将图形分别复制至低厚度菲林片上……

就这样早出晚归、废寝忘食地研究了半个多月,从方案策划,工程资料设计再到验证实施,黄建国团队终于克服种种困难满足了客户需求,将超长线路板进行图形转移时,提高转移至线路板上线路图形的精确度,消除图形的失真,保证线路的精度。

当时,该技术属国内先进技术,攻克了生产技术难题,打开了博敏制作超长线路板的新订单。

印制板应用领域广泛,不同产品有不同的性能要求,不同时期客户有不同的性能要求,黄建国在完成研发超长线路板的课题后,又接到有对降低PCB(印刷电路板)制程对PIM(无源互调)影响的要求。当时,PCB制程的要素有很多,如:面铜厚度、线宽、蚀刻因子、油墨厚度、铜箔轮廓、表面处理等等,各环节在互调时容易失真,影响信号传输速率。黄建国以实验配置的方式,在行业内皆无法建模的情况下,研究出面铜厚度等对PIM的影响因素,并提出改善管控方案,解决行业难题,顺畅了同类型产品的生产,解决了行业老大难问题。

问题的解决,带来的是生产率提升5-10%,博敏年利润增收超过120万。在2018年中国电子电路信息秋季论坛上,黄建国发表该论文,得到行业内广泛认可,为同行业发展提供技术指引。

择一行、爱一行

1999年,嘉应大学化学系化工专业毕业的黄建国来到博敏,从事化验分析工作,负责全流程的药液分析、检测。随后的21年里,黄建国一直从化验员做起,到技术员、夜班值班主管、工程师、技术中心副主任、技术中心主任,直到现在的技术中心总监,全面负责技术中心的产品策划、开发、服务。

刚来时,有师傅带黄建国学习技术。但大部分时间,是黄建国通过请教、琢磨、对比来理解学习、掌握技术:如做超长线路时,他会琢磨如何将分段的线路拼接完成,形成一条完整的线路。经过21年的锤炼,黄建国已掌握了全面扎实的技术基础,在解决各类技术产品时能系统、快速地解决各项难题。接到客户要求时,实现客户需要的功能工艺。

于己于人,黄建国都是一个严格的人。有的同事不理解,认为线路板没必要反复钻研与论证,这过于严格,也有些同事因受不了黄建国的严格而离职。但在几年后,不少离职的同事和黄建国说:“感谢你当初的严格,我来到其他公司后,才能迅速对工作上手。”

黄建国认为,要满足客户的需求,这就需要打破砂锅问到底的精神,“同行笑我长不胖,因为我常常睡觉时都在想问题。”有时候,黄建国也有困惑,没日没夜策划产品的工艺和流程,到底有没有意义?但当产品做出来时,黄建国就明白了意义所在。

“我是一个执着的人,会像猫伏在洞口守老鼠一样,必须解决存在的技术难题。”黄建国把这归结于危机感,危机感源于“怕自己落后,不掌握最前沿的信息技术,被别人取代。”

当前,5G通信对印制电路板的发展来说,是一个很好的契机,不管是初阶段的Sub6G频段的应用,还是日后毫米波频段的人工智能、自动驾驶等方向的应用。黄建国希望能“择一行、爱一行,把学习当成一种生活方式”,希望更多人和他一起沉下心做事,在5G时代做好印制电路板,把中国电路板行业做成传承百年的招牌。

中国PCB产业的真实水平

印刷电路板,也就是PCB,是承载电子元器件并连接电路的桥梁,作为“电子产品之母”,广泛应用于通讯电子、消费电子、计算机、汽车电子、工业控制、医疗器械、国防以及航空航天等领域,是现代电子信息产品中不可或缺的电子元器件。

早在2006年中国就超越日本,成为全球第一大印刷电路板生产国。2019年全球印刷电路板产值为613亿美元,中国产值约为329亿美元,咱们占了全球总产值的一半多。

其中,IC载板是印刷电路板里面技术门槛最高的,是半导体封装中价值量最大的耗材。

2018年全球IC载板份额,前十大企业占据83%,台资企业占32.9%,日本企业占24.1%,韩国企业占22%。 而咱们国内的IC载板企业起步较晚,近年才开始新建IC载板生产线,主要企业有深南电路、兴森科技、崇达技术、丹邦科技和中京电子等,目前市场份额相对较少。

下面接着说印刷电路板的配套产业,很多人可能不知道,与印刷电路板配套的刀具和机床,中国已经是世界第一。微孔是印刷电路板的关键结构,而机械钻孔是印刷电路板微孔主流的加工方法,精密微型钻头,则是加工印刷电路板微孔的关键工具。

目前,印刷电路板向孔径微小、高密度、高精度的方向发展,由此对钻头提出了更高的要求。深圳金洲研制出世界最细的钻头,直径只有0.01毫米,相当于人类头发直径的七分之一,制造难度极大,需要在外径0.01毫米的钻头上面开螺旋沟槽,还要进行刃口磨削。钻头如此精密的结构,肉眼是无法直接看出来的。

所以目前世界仅有2家能生产0.01毫米极小钻头的企业,一家是我们,另一家是日本企业,其产品单价高达4.5万日元。

全球每三部手机中,就有一部是采用金洲超微钻头加工的。日本旗胜、美国TTM等全球PCB行业排名前20的企业,大多数都在使用深圳金洲的微钻产品。铣刀方面,金洲成功突破了0.10毫米极小径铣刀的制备工艺。

2019年金洲的PCB微钻铣刀,年销量达到3.7亿支,市场占有率接近世界第一。

接下来要说的就是名副其实的世界第一--广东鼎泰,广东鼎泰生产的微钻针,被广泛应用于PCB、3C、汽车、航空航天、军工和模具等领域,是富士康、三星、方正等企业的主要供应商,其PCB硬质合金钻针和铣刀的市场份额,已经位居全球第一。

说完刀具,接下来说说机床。印刷电路板的生产,用的最主要的机床就是钻孔机,钻孔占印刷电路板生产成本的30%-40%。 2020年深圳大族激光的钻孔机,全球市场占有率为60%。

钻孔机细分为机械钻孔机和激光钻孔机,机械钻孔一般用于150微米以上的孔,激光钻孔一般用于150微米以下的孔,激光钻孔机的价格高于机械钻孔机,单价约为60万美元。 机械钻孔机方面,大族激光出货量全球第一,市场份额遥遥领先于中国台湾东台精机、中国台湾大量科技等竞争对手。

激光钻孔机方面,大族激光的激光钻孔机市场份额,仅次于日本三菱 ,位居世界第二。

再说说与机床配套的电主轴,电主轴技术是保证印刷电路板加工设备的动态性能、加工精度、加工效率和可靠性的关键技术之一。 广州昊志机电,在国内PCB钻孔机,和成型机电主轴市场,处于全面领先的地位,实现了大规模进口替代,客户包括大族激光、大量科技等。

此外,生产印刷电路板的高价值设备,还有曝光机和自动光学检测设备。

先聊聊曝光机,印刷电路板线宽越来越窄,密度越来越高,传统的掩膜曝光工艺,无法达到所需的加工精度。而激光直接成像曝光的制程,可低至微米量级,而且设备运行的稳定性和经济效益也较为突出,所以激光直接成像设备,逐步开始替代传统曝光设备。传统曝光机方面,中国台湾川宝科技市场占有率最高。

激光直接成像曝光机方面,以色列奥宝科技/Orbotech占据全球过半的市场份额。激光直接成像曝光机单机约为90万美元,属于高附加值产品。国内厂商主要有大族激光、新诺科技、芯硕半导体等。

接着说自动光学检测设备,它能够在印刷电路板生产的各环节中,及时发现产品的各类缺陷。全球自动光学检测设备市场份额,主要被美国安捷伦、日本欧姆龙、日本迪恩士、以色列奥宝科技/Orbotech、以色列康特科技/Camtek等企业占据,国内厂商主要包括正业科技、精测电子等。

其他设备和软件方面,先说说电镀设备,主要企业有昆山东威、中国台湾竞铭机械、中国台湾亿鸿工业等。

昆山东威在行业内率先实现,垂直连续电镀(VCP)设备的设计标准化、 生产流程化、产业规模化,一举打破了国外垂直升降式电镀方法的垄断地位,显著提高了PCB电镀工艺的效率和品质,成为国产PCB专用电镀设备的主流,目前已向超过50%以上的PCB企业提供了VCP产品,并出口到了国外,主要性能指标方面,已经达到甚至超越了国际同类产品水平,客户包括富士康、敬鹏电子、方正科技、深南电路、比亚迪等。

国内压板机市场份额,中国台湾活全机械占50 —— 55%以上,其主要竞争对手为德国博可。

印刷电路板设计软件份额,主要被美国明导、澳大利亚奥腾、日本图研、美国楷登电子等企业占据。

最后总结一下: 整体来看,中国已经是世界第一大印刷电路板生产国,市场份额也是遥遥领先。但细分来看,高端产品IC载板仍有很大的提升空间。

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