全汉企业电源供应器生产工厂参访 - PSU的奇幻旅程电

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  • 全汉企业电源供应器生产工厂参访 / PSU的奇幻旅程

    全汉企业电源供应器生产工厂参访 / PSU的奇幻旅程电

    一颗好的电源供应器,可以让您的电脑寿命更长久,电源供应器提供稳定的直流电,让电脑零组件能在最佳的环境下工作,反之若电流不稳、电源不足的状况下使用电脑,在无形之中也会折损电脑零组件之寿命。那不禁要问,何以称作好的电源供应器?此次,笔者有幸能参访业界颇负盛名的电源供应器製造大厂,「全汉企业 FSP GROUP」位于中国深圳的生产工厂,透过这趟旅程,让笔者了解到电源的製造与生产的过程,以及全汉对于产品品质的层层把关与绿色环保的理念。

    笔者遂来与各位读者分享,电脑当中那最刻苦耐劳的电力盒子,是如何在全汉的产线中生产,并且兼顾品质与效能的好产品。

    Power Never Ends

    全汉企业自1993年成立至今,有着专业研发技术与完整的生产线,其产品从一般电脑的电源,到工业电脑电源、可携式变压器、电视背光电源模组、LED照明供电模组、医疗电源、ESS、UPS等产品应有尽有,而全汉在2003年起以同名品牌「FSP」,进入消费性市场,这让全汉从原本的OEM、ODM的角度,正式跨入自有品牌的领域。

    也因此,消费性市场中有着全汉金钛极、皇钛极…等,平价高效率的电源供应器可以选择,全汉在全世界有着超过500位,研发工程师,在台湾、美国与中国,都有着研究中心,使得全汉的电源产品都有着80 PLUS之认证;在全汉台湾总部、中国深圳与无锡,都设有测试实验室,像是EMI / EMS Lab.、Anechoic Chamber、Wind Tunnel System、Highly Accelerated Life Test、Environmental Test、Infrared Thermal Camera、Programmable Safety Test System、Thermal Shock Chamber、Vibration…等测试设备与仪器,并有着安规测试中心,通过国际UL CTDP、CSA、NEMKO、TUV等认证。

    自有安规测试中心的好处在于,产品从RD研发初期,就能点出那些设计,会让产品在安规认证时遇到问题;而在量产的过程当中,也能即时的反馈,产品生产上需要注意或者微调修改的细节,让产品从研发到量产的过程中,能大幅降低产品的开发时程,更能有效的掌控产品的品质。

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    ↑ 全汉从初期的PC电源产品,一直扩充产品线,如今各式各样的电源都能看到全汉的身影。

    科普「电源供应器」

    在参观工厂之前,笔者先来替大家複习这颗,被藏在机壳角落、刻苦耐劳的电源供应器。电源供应器全名为「交换式电源供应器」(Switching Mode Power Supply),其工作就是将台电市售桀骜不驯的AC交流电源,转换成温文儒雅的直流电源,供给电脑零组件来使用。

    现在市面上常见的ATX规格之电源,係由处理器龙头Intel在1995年制定,并公开完整的「Design Guide」交给合作厂商,藉以建立起完整的个人电脑生态链;早在1993年PC ATX规格刚制定时,全汉就是Intel的协同设计厂商。

    电源供应器(以下简称PSU),将流入的交流电经过桥式整流器、滤波电容、变压器…等处理后,让原本为正弦波的AC电源,转换成经过整流的DC电源;DC输出电压为+3.3V、+5V、+12V、-12V、+5V Stand By等,提供给电脑当中的主机板、处理器、显示卡以及光碟机、硬碟机、固态硬碟等零组件来使用,此外PSU也有设计保护电路,像是过电压/低电压保护(OVP、UVP)、过电流保护(OCP)、短路保护(SCP)与过温度保护(OTP),以确保PSU在工作时不会因为零组件故障,或者输入电源异常,而导致损坏电脑当中的主要元件。

    在挑选电源供器时,各位可以依据以下几点来抉择:

    1. 主动式PFC设计,在PSU输入AC端中使用主动功率型开关元件,能有效的矫正输入电压与电流之波型,可以有效的降低能源的浪费,也是比较符合环保概念的设计。

    2. PSU所使用的大电容,因为电流在经过变压器与桥式整流器之后,在DC输出时会带有大量涟波的存在,因此需要虑波电容来帮忙整流,依据PSU输出总功率,则会有不同的大电容容值,若太小或者标示不清时就要特别注意(这部分可以参考本刊或者网路上的试用文章得知)。

    3. 80 PLUS认证,也就是PSU在20%、50%与100%负载的使用下,都能够有着80%以上的转换效率,藉以减少不必要的能源浪费与电费。

    4. 保护电路,对于PSU来说也相当重要,这也是在选购产品时须注意的地方,像是过电压/低电压保护(OVP、UVP)、过电流保护(OCP)、短路保护(SCP)与过温度保护(OTP),方能确保人机使用安全无虞。

    此外,在挑选PSU时切记勿因小失大,花大钱投资高阶板卡、顶级处理器,却在电源供应器上小气,反而不是明确之举,挑选备受信任、性价合宜的电源供应器产品,才能让电脑稳定、效能出色、用的长久。

    全汉辉力生产线参观

    此次笔者来到全汉位于中国深圳的辉力电子厂区参观,在参观开始之前我们先来了解,产品的「开发进程」会经历那些阶段。第一步原型开发阶段,产品会经过A-Test测试功能、EMC、安全、Thermal测试与烧机测试,若通过A-Test之后会来到EVT 阶段,进行Trial Run工程验证与测试,紧接着还有DVT设计验证测试阶段,此阶段有着更完整的Pilot Run测试、安全验证与B-Test,全数通过后才会进到MVT大规模生产验证测试,确保产品在大量生产过程中,能维持产品的功能一致性与其品质。

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    ↑产品开发进程。

    若上述开发进程通通PASS之后,则可以依照需求进行大量生产,全汉的工厂也有制定一套,「电源供应器制造工艺流程图」,一切都从进料开始,接单并进行对料与零件準备,在前置作业中会先进行自动插件、SMD贴片等工作,并且确定自动插件的弯角角度、SMD零件规格是否一致,零件準备完成之后,就会来到生产线,进行手工的插零件的动作,因为电源供应器当中,有着极多无法自动化插件的大型零件,因此这步骤会由作业员进行手动插件,接下来电路板会有插件制程目视总检,确保无漏插、浮插、插错或反插等问题。

    下一步会将插好零件的电路板,送进锡炉进行波峰焊(Wave Solder),锡炉的温度控制也是一门绝活,要慢慢的替电路板与上头的零件进行预热,达到锡炉的工作温度后,电路板会经过有着波浪的锡面,藉此让电路板的接点能吸上焊锡,通过锡炉的电路板,则会进行剪脚、补焊等动作,并且再次进行总检。

    此时完成的半成品,会要再通过ICT在线测试,确定元件无插错、短路、开路等不良状况,以及第一电性测验,透过仪器测试交流波形,测试输出电压、过流、短路等测试,若此时产品出现异常,则要送至修理台进行维修,以确保产线生产的过程正确无虞,到这步产品的电路板以属于成品,接着就要进行组装外壳等动作,在进行第二电性测验、寿命试验、功能测试、最后电性测试、输出线检查等环节,全数通过后才会进行贴标籤与产品包装,而在出货时也会有10%抽验的测试。

    上述开发进程与电源供应器制造流程,是为了先让读者了解工厂生产的程序,接下来笔者会使用参访时所拍摄的照片,透过画面让各位读者了解,上述各项工作是如何完成,PSU的奇幻旅程正式展开。

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    ↑ 本次参观全汉位于中国深圳的辉力电子厂区。

    SMT上红胶/锡膏→插件→迴焊炉

    生产电源供应器的前置作业,会先在电路刷上「红胶」以及列印「锡膏」。在电路板上刷上一层红胶,就能将表面贴焊零件(SMD),牢固地黏在电路板上,以免零件在生产线的中途脱落;为了让SMD的零件能接焊接在电路板上,就会需要将锡膏印在SMD零件的位置上,如此一来只要将零件自动插件至同样的位置,在经过高温迴焊炉时,锡膏遇热融化附着在SMD的金属接点与电路板上,在温度降低之后再次成为固体,如此一来表面贴焊(SMT)的前置作业就已完成。

    而为了确保每一张电路板,上头的SMD零件都有準确的吃到焊锡,会再使用光学检查銲锡性AOI仪器,对每一张电路板上的零件,进行高倍数的拍摄,确保电路板上SMT打件是否正确,有无缺件、偏斜等问题。

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    ↑ 作业员替电路板刷上红胶,并且一一确定每张电路板的上胶细节。

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    ↑ 列印锡膏的设备,这必须相当精準的将锡膏列印在零件正确的接点上,如此一来才能确保零件有吃到焊锡,以免出现空焊、冷焊等问题。

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    ↑ 上胶与列印锡膏都準备好之后,电路板就会送进快速打件机,将小型零件能够快速的打在电路板上。

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    ↑ 在输送带上就能看到,已经打好件的电路板,準备进入迴焊炉。

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    ↑ 为了确保电路板上头的零件,再经过高温迴焊炉时不会损坏,因此迴焊炉在温度控制上,有着一套升温曲线需要遵守,慢慢的替电路板与上头的零件加温,达到溶解锡膏的温度之后,再让温度下降。

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    ↑ 高温迴焊炉设备外观,里头有条隧道可以让电路板通过。

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    ↑ AOI仪器,自动检查电路板上的零件是否正确。

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    ↑ 自动零件捲带机,将零件依照打件的顺序,以捲带(tape-on-reel)包装,如此一来才能提供自动插件机使用。

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    ↑ 自动插件机,会依照顺序将零件插在电路板上,如此一来更能省下人工,并加速产线的作业。

    生产线 – 插件→锡炉

    电路板与其零件都準备好之后,就会送到生产线上进行插件、过锡炉、剪脚、功能测试,接着会将功能正常未贴标籤之成品,送进老化房进行烧机测试,通过后才会让成品回到产线,再通过一次高压、功能、ATE与线材测试之后,才会替成品贴上标籤,并且打包装盒。

    这样一条U型生产线,莫约需要95位作业员,并且在每各工作阶段都有一位检验员,检查该阶段的工作是否正确,确保产线的品质。

    在产线头都会有台萤幕,用来显示产线生产状况,例如当半成品未能通过ICT、初测、二测、高压测试时,这些纪录都会显示在这台萤幕上,让管理者能快速掌握产线的状况。

    此外,在参观时笔者发现到,每位作业员手上都带了手环,原来这是静电消除腕带,每位作业员在工作时都须戴上这个设备,若有正确配戴则会亮起绿灯,若未配戴时设备会亮起红灯并且发出警示声,这设备是为了避免作业员在操作时,因为静电而导致IC等精密零件被击穿所设。

    行文至此,或许有朋友不经要问,为何不全面採用自动插件呢?主要原因在于,电源供应器当中有着较大且重的零件,像是整流器、变压器、大电容…等零件,若全採用自动插件对于工厂的成本以及产线的生产速度,肯定会有所影响,因此才将插件分为两个部分,第一步是先进行SMT与AI插件,第二步才会上到人工产线,进行最后的大零件的插件动作。

    到这步会将PSU的所有零件都插在电路板上,接着再送进锡炉进行波峰焊(Wave Solder),如此一来这颗电源供应器,就可以正常工作了。

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    ↑ 产线头的监控萤幕,可以有效的了解目前产线的状况。

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    ↑ 消除静电的设备,每位作业员在上工时,都需要正确配戴。

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    ↑ 像这样戴在手腕上,也有产线是将这设备放在桌旁,可以直接绑在作业员的脚上,以免影响双手的动作。

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    ↑ 而在不同的产线当中,作业员都会有自身的工作要领,这可能会是用纸张列印,或者像这样採用萤幕直接显示,告诉作业员这个位置需要插上什幺零件,以及是否有正负极需要注意。

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    ↑ 到这步,PSU上的所有零件都插完了,再检查无误之后就要送进锡炉了。

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    ↑ 锡炉的出口,在这侧可以看到,焊锡有着一波波的波峰面,这波峰会碰触到电路板上,让电路板能吃到焊锡,在温度降温后焊锡就会吃在电路板上。

    生产线 – 剪脚/补焊检查→装机→功能测试

    半成品离开锡炉之后,会先进行剪脚与补焊检查。将过长的接脚剪去,以免碰到机壳,而在通过锡炉时,有一定机会出现漏焊的问题,这时检查就格外重要,在不同的产线有使用人工检查,也有使用AOI仪器进行检查后,将结果送给后方的作业员,让作业员只要依照萤幕显示的地方,进行补焊的动作。

    剪脚、补焊完毕之后,会将半成品送进刷磨机,将电路板底部的杂质过多的焊锡给抹平;随后就是功能初测,确保产品能正常工作之后,才会进行装机、上固定胶等动作,这时还会有检查员在做最后的确认,接着就是自动测试各组输出电压是否正确,到这步测试完毕后会将产品送进老化房。

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    ↑ 作业员使用自动工具,替电路板上过长的针脚进行修剪。

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    ↑ 若在检查时发现漏焊的状况,也会在这边进行补焊的动作。

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    ↑ 也有产线会採用AOI仪器进行检查,并将拍摄的高解析画面,传给后方的作业员进行修补。

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    ↑ 省去人力检查,只要依照程式的指示进行修补。

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    ↑ 研磨机将电路板底部的杂质过多的焊锡给抹平。

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    ↑ 初次测试,确保电源供应器可以正常运作,若不幸未通过测试,维修班就在隔壁,立刻接手处理。

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    ↑ 通过初次测试之后,就会进行机壳的组装。

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    ↑ 这位作业员则是用固定胶,将一些大型元件给固定住,以确保产品能通过各项安规认证的要求。

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    ↑ 检查员在做产品的最后确认。

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    ↑ 第二电性测试,确定电压输出都正常之后,就要送进老化房了。

    老化房 – 烧机测试

    所谓的老化房就是,透过模拟高温、环境恶劣的测试情境,算是对产品进行压力测试,在老化房烧机的产品,会输入110、220交流电,而PSU的后方会接着一个负载,让PSU工作再80%负载的状况下烧机2个小时;通过老化房测试的产品,才会回到产线做最后的测试、贴标籤与装箱的动作。

    但各位可以想想看,假设这批生产的是650W的电源供应器,在80%负载的状况下运行2个小时,若採用一般的大电阻当作负载,将电源供应器产生的直流电都转换成热能,这样电力成本有多高?;而全汉为了有效的利用这些产生的直流电,将原本当作负载的大电阻,换成一组「逆变器」将直流电转换为交流电,回受给老化房所使用的电源,如此一来能有效的回授70%的电力,对于全汉来说不仅节省成本,更是能替整个社会节省能源消耗。

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    ↑ 老化房外监控用的电脑,显示烧机测试的开始时间、目前设备状态,以及是否有故障品出现。

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    ↑ 具备逆变器的老化房,可以有效的将电源供应器产生的直流电,再转换成交流电回受给整个测试系统。

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    ↑ 传统老化房採用的大电阻,只能将直流电转换为热能散发,虽能达到测试目的,但也会造成大量的能源浪费。

    生产线-最后测试与装箱

    经过老化房烧机测试后的产品,会再次回到生产线上,进行最后测试、贴标籤以及装箱等程序。最后测试这关,会使用「HI-POT高压测试」,用来验证产品的品质以及电器安全特性,这也是国际安规机构所要求的测试标準;除了高压测试之外,还会有「功能测试」、「ATE自动测试」与「线材测试」,这些步骤都是要再三确保产品的品质,成为客户与消费者能够信赖的电源供应器厂商。

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    ↑ 高压测试员,戴上绝缘手套来操作,检测产品时否能达到高压测试的标準。

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    ↑ 功能测试,将电源接上,透过程式来测试产品之功能。

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    ↑ ATE自动测试。

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    ↑ 线材测试。

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    ↑ 最后的产品包装,就可以上栈板等待出货,在出货时也会拿10%的产品进行抽测。

    研发实验用仪器

    全汉具备着生产与研发的能力,因此在厂区当中也有众多的研发实验用仪器,可以模拟各种使用环境,对产品进行压力测试。更何况,当产品要贩卖至全球时,各个地区的环境温度与湿度变化截然不同,这势必需要透过「高温、高湿测试机」进行测试,确保产品在各种温度、湿度条件下都可正常工作;除了温度之外,对于产品的噪音,全汉也相当讲究设有「半无响室」,可针对产品以及使用的风扇进行噪音测试,也具备「风流测试系统」,可以测试风扇的风量、风压、转速…等参数,让产品研发时有更完整的数据可以参考。

    产品在工厂生产完毕后,会须经过陆路交通以及海运的配送,将产品送至各地的营业据点,在运送的过程当中肯定会有震动、高温的状况产生,全汉也有一套可测试「抖动与摔落」的设备,让新产品还未运送时,就能先模拟运送时会面临到的问题,并在研发过程中将其克服;为了测试全汉产品的使用寿命,也备有「高加速寿命测试」设备,可结合高低温与震动进行测试,用来确保产品运作之极限。

    身为电源供应器製造大厂,肯定备有雷击、静电快速脉冲的测试设备,与20KA电涌发生控制系统,让研发人员可以模拟出,真实环境的各种可能,对于厂商来说不怕一万,只怕万一漏测这项目,唯有最完善的测试设备,方能确保产品品质、知晓产品之极限,推出脍炙人口的产品。

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    ↑高温、高湿测试机,确保产品在不同温度的环境中,也能正常使用。

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    ↑半无响室,可以用来测试产品运作时的噪音,就连元件的高频音,都能清晰地听见。

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    ↑风流测试系统,让研发人员更能掌握风扇之特性。

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    ↑ 抖动与摔落的测试设备,确保产品能承受运送时的任何震动。

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    ↑ 高加速寿命测试,可结合抖动、温度对产品进行测试。

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    ↑  RoHS有害物质检验,会对产品进行抽丝剥茧,检验其中是否含有危害物质。

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    ↑ 垂直燃烧试验机,可以用来测试,当产品遇到火灾或外力因素燃烧时的状况。

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    ↑ 雷击、静电、快速脉冲仪器,可以模拟出被雷打到、静电与快速脉冲产生时,对产品的影响。

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    ↑ 半开放的自动测试系统。

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    ↑ 20KA电涌发生控制系统。

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    ↑ 在参访的过程中,也有研发人员,针对产品进行讨论与测试。

    总结 – 工艺严谨 品质有据

    此次工厂参观的行程,可以看见全汉在生产过程的用心,每个环节该测试、该检查的步骤都没有少,在产品的生产过程中都使用Barcode条码来追蹤,这条码就像是产品的身分证一样,透过条码纪录下产品在每各生产步骤时的状况,达到最严格的生产品质控制。

    全汉有着研发、製造、测试安规的能力,因此在产品研发过程,就能考量到日后投线生产时,会不会有设计上需微调,以及产品送验安规时需要注意的细节,让全汉能提升产品的研发时程,进而让产品的品质与产量兼顾,满足客户与消费者的期待。

    此次参观行程,更替笔者上堂电子製造工艺的课程,像是极小的SMD零件要如何透过SMT技术焊接在电路板上?(上胶→印锡膏→迴焊炉),锡炉又是用什幺原理,能够快速地替电路板上的每个接点洗上焊锡(波峰焊),在製造过程时的各项测试,与老化房-烧机测试,唯有亲自走一遭工厂参观,才能吸收到这些平时测试产品,摸不着、看不见的生产过程,在此特别感谢,全汉企业提供如此宝贵的机会,让笔者上了一堂电源供应器的製造课程。

    全汉新品 黑爵士Hydro G

    此次参访的行程,在产线上隐约发现了全汉蓄势待发的新品「黑爵士Hydro G」电源供应器,这款电源供应器有着650/750/850W的不同选择,并有着崭新散热设计、80 Plus金牌认证之产品。

    Hydro G採用LLC谐振架构,具备两级EMI滤波、主动PFC、全日系电解电容、+12V单路电力输出、DC-DC电路与独立5V Standby小板设计、全模组化黑扁线材,并备有135mm FDB液态轴承风扇,有着0dB类无风扇设计,当电源负载在50%以下时,风扇会停止运作,降低电源之噪音,而当负载升高时则会启动风扇,带来良好的散热效果;在电源转换效率上,使用110Vac在50%负载时有着极佳的90%转换效率。

    此次黑爵士真的黑的彻底,从外到内黑的低调有质感,在产品外观上还提供了「可替换侧标贴纸」,让DIY玩家可以依照喜爱,去更换电源供应器的侧标贴纸,实在贴心的有点可爱。

    详尽的产品试用报导,就留待编辑部收到黑爵士Hydro G时再来深度介绍。

    全汉企业电源供应器生产工厂参访 / PSU的奇幻旅程电
    ↑FSP黑爵士Hydro G。

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    ↑ 极致工艺、齐全好料、装机首选。