虛擬品管員-智慧化網印參數監控回饋技術

摘要：建構在電路板防焊層印刷之智慧化網印參數監控回饋技術，導入網版漲縮補償回饋系統以及印刷厚度即時監控補償系統，整合數種感測技術以及智慧補償模型，藉此提升電路板防焊層印刷品質，印刷厚度均勻度誤差在±1 µm內，印刷圖案覆蓋位置偏移量在±0.015 mm內，提高產品品質、降低生產成本、提高生產效率、優化生產流程，並有助於智慧製造的實現。
Abstract：Constructing an intelligent screen printing parameter monitoring and feedback technology for the solder mask layer on Printed circuit board, this system introduces a screen stencil expansion and contraction compensation feedback system and a printing thickness real-time monitoring compensation system. By integrating various sensing technologies and intelligent compensation models, the quality of the solder mask layer printing on circuit boards is improved. The uniformity error of the printing thickness is within ±1 µm, and the offset of the printed pattern coverage position is within ±0.015 mm. This technology enhances product quality, reduces production costs, increases production efficiency, and optimizes the production process, ultimately contributing to the realization of smart manufacturing.
關鍵詞：網版印刷、印刷電路板、智慧檢測
Keywords：Screen printing, Printed circuit board, Smart detection

前言
印刷電路板又稱印製電路板或印刷線路板，常用英文縮寫PCB（Printed circuit board）或PWB（Printed wire board），為電子元件的支撐體，在這其中有金屬導體作為連接電子元器件的線路。傳統的電路板，採用印刷蝕刻阻劑的工法，做出電路的線路及圖面，因此被稱為印刷電路板或印刷線路板。印刷電路板是組裝各類電子零組件需要使用到的基板，這個「基板」不只能固定電子零件、也能透過設計過的電路去提供所需電流，因此PCB又被稱為「電子產品之母」，是極為重要的電子部件。

臺灣在全球PCB產業中一直扮演著重要的角色，根據台灣電路板協會(TPCA)的資料以及工研院產科國際所分析，2022年臺灣電路板仍以34.5%的市占率穩居全球之冠，，如圖1顯示臺灣在全球PCB產業中具有強大的競爭力。臺灣PCB產業面臨著許多挑戰，其中一個挑戰是來自中國大陸的競爭，中國大陸一直在推動當地PCB產業的發展，並提供了許多優惠政策和支持，這對臺灣PCB廠商來說是一個巨大的挑戰，即便在中國大陸的競爭壓力下，臺灣PCB產業在未來仍有很大的發展潛力，隨著5G網路時代的到來，智慧手機規格、物聯網及汽車電子複雜度的提升等終端應用產品升級，而軟板、HDI板及多層板業者將是主要受惠者，因此，PCB廠商通過不斷創新和提高生產效率來保持競爭力，他們投資研發新生產技術與設備，以滿足客戶對更高性能和更低成本產品的需求。

在PCB製造流程中，防焊綠漆印刷是一個必不可少的步驟，防焊綠漆印刷不僅可以保護PCB的裸露銅箔線路，還可以防止短路和氧化，從而提高PCB的穩定性和可靠性。然而，防焊綠漆印刷的品質受到多種因素的影響，例如印刷機的速度、壓力、墨水的粘度等。傳統的防焊綠漆印刷方法通常需要經過實驗和調整才能獲得最佳印刷效果，且很難保證生產過程中的穩定性和一致性，智慧化防焊綠漆印刷品質監控技術可將傳統的印刷電路板製造流程中的人工調節和監控改為智慧化的自動調節和監控，以保證印刷防焊綠漆的品質。因此，如何實現智慧化防焊綠漆印刷品質監控技術，是PCB製造行業面臨的一個重要課題。

圖1 2022年全球電路板產值市占率[1]

印刷電路板製程介紹
印刷電路板（PCB）是現代電子產品的核心組件之一，它負責連接並支援不同的電子零件，以實現各種功能。在PCB板製程中，包括了設計、布局、製板、蝕刻、通孔、表面處理、防焊層印刷、分板與測試等多個步驟[2][3]，如圖2。

圖2 PCB板製作流程圖

1. 設計和布局
PCB的設計和布局是PCB製程的第一步，通常由電子工程師和PCB設計師設計PCB的布局，並確認電子元件的位置、連接點和導線路徑、信號完整性、功率分佈、熱管理、機械尺寸和製造限制等因素，這個步驟非常重要，因為它會影響到PCB的性能和可靠性。
2. 製板與蝕刻
製板過程中，首先需要使用電鍍方法在一塊銅板上形成一層非常薄的銅箔，然後用光學曝光和化學蝕刻等方法刻蝕出所需的電路圖案。接著，使用鉻酸或鉬酸等化學物質清潔表面，確保表面無塵無污染。
3. 鑽孔與通孔
為了連接不同層次的電路，PCB需要在特定位置進行鑽孔。鑽孔後，通孔（vias）的形成是通過在孔內塗覆導電材料（如銅）來實現的。根據功能和尺寸，通孔可以分為盲孔、埋孔和通孔。
4. 表面處理
為了提高導電性和防止氧化，PCB上的銅圖案和通孔通常需要進行表面處理。主要的表面處理方法包括有機保護（OSP）、鍍金（ENIG）、鍍錫、鍍銀等。其中，鍍金是最常用的一種方法，它可以提供良好的導電性和抗氧化性，並且適用於各種焊接技術。
5. 防焊層印刷
為了保護PCB表面並防止焊接過程中的短路，需要在非焊盤區域應用一層防焊層，防焊層通常是一種綠色的防焊綠漆油墨，可以有效抵抗潮濕、化學腐蝕和電氣短路等，阻焊層多使用網版印刷製程進行製作。
6. 分板與測試
在完成所有表面處理後，需要將大型PCB板分割成單個的小型電路板。分板可以使用V-cut、CNC銑削或激光切割等技術來實現。分板後，對PCB進行功能測試和品質檢驗，以確保其性能符合設計要求。
印刷電路板製程涉及多個環節，從設計和布局到最後的分板與測試，每個步驟都對電路板的性能和品質有著至關重要的影響，其中防焊層印刷，為PCB版製作的最後一道製程，若在此製程出現印刷品質異常，則需要重新進行PCB板製作流程，因此需要充分瞭解網版印刷製程，分析網印製程影響防焊層印刷品質的關鍵因素。

防焊層印刷製程介紹
電路板防焊層網印製程是一種常見的電路板表面處理方法，其目的是在電路板表面形成一層綠色的防焊綠漆，用於保護電路板不受腐蝕、短路等損傷。
以下是電路板防焊層網印製程的主要步驟，如圖3：
1. 設計與製作網版：
首先，需要根據電路板的設計要求，設計出相應的網印防焊層圖案。然後，將網印防焊層圖案轉換成為網版防焊層圖案，並透過曝光程序，在已塗佈乳劑的尼龍網版上產生防焊層圖案。
2. 印刷：
使用網印機將防焊綠漆均勻地印刷在電路板的表面，以形成一層均勻的防焊綠漆層。在印刷過程中，需要依據防焊綠漆的黏度控制網印機的架高高度、離版高度、印刷速度、刮刀刀壓、刮刀下壓深度等參數，以確保防焊綠漆印刷厚度的均勻性和一致性。如圖4。
3. 固化：
印刷完成後，需要使用烤箱，或紫外線燈等設備進行防焊綠漆的固化處理，以確保防焊綠漆能夠牢固地附著在電路板表面。
4. 印刷品質檢查：
最後，需要進行防焊綠漆層的檢查，以確保防焊綠漆層的厚度和質量符合要求，並且沒有任何缺陷和污染物。
防焊綠漆網印製程可以保護電路板表面不受腐蝕、短路等損傷，同時也有美觀的效果。此外，綠漆網印製程還具有成本低、效率高等優點，因此被廣泛應用於電子產品的生產製造中。

防焊綠漆網印的印刷品質檢查，傳統作法為固定印刷數片電路板後，使用濕膜規進行破壞式厚度量測，針對印刷過程的綠漆厚度監控，同時透過人工目視檢查方式，確認防焊圖案印刷位置是否有出現偏移，並根據檢查結果進行網印機印刷參數調整或是更換網版。因此，傳統製程必須相當仰賴製程作業人員的經驗，且無法將印刷品質數位化，並與網印參數進行影響關聯分析，使印刷品質無法有效提升，並難以滿足目前5G通訊以及車用之高階電路板的高精度印刷品質要求。

圖3 防焊層網印流程

圖4 印刷示意圖

電路板防焊層印刷品質要求
電路板防焊層印刷的品質對整個電路板的性能和可靠性具有重要影響。以下是一些主要的電路板防焊層印刷品質要求：
1. 覆蓋範圍：
防焊層應該完全覆蓋在設計要求的區域，確保非焊接區域得到充分保護。同時，防焊層應避免覆蓋在焊接區域，以確保焊接過程中獲得良好的接觸和導通性。防焊層印刷覆蓋範圍會出現異常原因，主要影響於網版經過長時間印刷後，會出現網版張力衰退，致使防焊圖案在印刷過程出現變形與偏移，現常見檢查方式為網印製程作業人員，在印刷過程隨時以人工目視檢查的方式，進行即時確認防焊層印刷覆蓋範圍是否正確。
2. 厚度一致性：
防焊層的厚度必須符合設計要求，通常在10-50 µm之間，且防焊層厚度應保持一致，以確保整個電路板的防護性能，不均勻的厚度可能導致局部區域的防護性能不足或過厚的防焊層影響焊接質量。現在常見檢查方式，為定期離線使用濕膜規檢查，如有出現印刷厚度異常，在根據印刷製程人員現場判斷，進行網印機印刷參數調整、網版清潔或油墨更換等方式，進行印刷厚度異常修正。
3. 無破損和缺陷：
防焊層應無破損、起泡、刮痕等缺陷。這些缺陷可能導致非焊接區域受到錫焊劑滲透，影響電路板的性能和可靠性。