何谓印刷电路板(1)：
印刷电路板(Print Circuit board)简称
PCB,也稱為Print Wiring Board(PWB)它用印刷方式將線路印在基板上,經過化學蝕刻後產生線路,取代了1940年代前(通信機器或收音機)以露出兩端細銅線一處一處焊接於端子的配線方式,不但縮小體積,同時也增加處理速度及方便性.印刷電路板可作為零件在電路中的支架(Supporting)也可做為零件的連接體.
於1960年以後才有專業製造廠以甲醛樹脂銅箔為基材,製作單面PCB進軍電唱機、錄音機、錄影機等市埸,之後因雙面貫孔鍍銅製造技術與起,於是耐熱、尺寸安定之玻璃環氧基板大量被應用至今.
何謂印刷電路板(2):
相對於過去導線焊接方式,PCB最大的優點可分為三方面:
一旦PCB佈置完成,就不必檢查各零件的連接線路是非曲直否正確,這對精密複雜的線路(如電腦),可以省去不少檢查功夫.＄
PCB的設計可使所有的信號路徑形成傳送的線路,設計者可以很合理的控制其特有的阻抗(Impedance).
容易測試檢修:信號線不會有短路碰線的危險,這對於邏輯電路(Diqital Logic Circuit)而言,只要有系統的佈置,要找出其錯誤的地方就方便多了.
PCB種類介紹
依層別分:
單面板
雙面板
多層板(2層以上)
依材質分:
軟板
硬板
軟硬板
單、雙多層板之差異
傳統四層板製作示意圖(1)
傳統四層板製作示意圖(2)
傳統四層板製作示意圖(3)
印刷電路板未來發展趨勢(1)
小孔細線路
印刷電路板為電子產品發展不可或缺的重要零件,而目前電子產品逐漸朝可攜帶化、高速化、多功能化(多元媒體化)的方向發展,所以為因應下游產業的變化,印刷電路已朝高密度、低雜訊化、多層化(4層 6層 8層)、薄板化(板厚3.2 1.6 1.0 0.8 0.3mm)的產品發展.另
外在技術上則有縮小線寬/線距(4mi1/4mi1 2mi1/2mi1),縮小孔徑(10mi1 6mi1)的趨勢,在設計上則多以盲孔、埋孔為主流,技術門檻加高.
印刷電路板未來發展趨勢(2)
與積體電路結合
自「晶圓製造」到「刲裝用IC載板」到「附加卡(Add-on card)」,再到整體系統印刷電路板提供電子零組件的承載與連接,是所有電子產品不可或缺的重要零組件.為配合電子產品的發展,印刷電路板面監與積體電路配合的問題.目前由於高頻、高速產品的出現,印刷電路板所考量與晶片的配合、阻抗控制、EMI(電磁波干擾)等物理特性.
高頻高速所衍生的問題相當複雜,從阻抗控制所衍生在線實、線厚、介質層厚度乃至於原材料等的配合問題.再從EMI的設計與時脈上的控制所衍生電路板佈局設計時的問題,都將陸續浮現.
在高頻高速零件應用普遍的今日,原本僅擔任零組件承載及互連(Interconnection)功能的PCB,已轉變成為扮演訊號輸線(Transmission Line)的角色,以使電子產品能發揮其強大的功能.故不僅是資訊產業會面監高頻高速設計的問題、其它如大哥大、呼叫器、個人數位助理(PDA)等通信產品之應用,亦都將正面監高頻高速的問題.
PCB產品之應用(1)
PCB產品之應用(2)
生產流程介紹
製前設計
功能:
依客戶提供資料填寫規範
設計作業流程
確認生產工具設計規格
檢查是否符合製程能力
問題資料及規格確認
輔助TOOLING之設計及修改
產出
板厚材料疊構規格
表面處理規格
孔徑孔位
機構圖成型尺寸
IMAGE資料
防焊文字規格
品質要求規格
目的:
將原大面積之基板裁切所需之工作尺寸.
流程:
裁板作業者核對裁板計劃執行單
輸入及選取設定參數,并檢查機臺及鋸片狀況
裁切(自動裁板機)
將基板搬於整置工作檯上,整平
基板送入裁切檯面加上墊板
核對操作瑩幕上之參數資料
確認板子已推放整齊後,手按啟動鈕裁切
裁切完成,移至磨角機磨圓角
裁切完成檢查及標示
交內層課製作內層線路
品質要求:
公差越小越好
四個板邊必須相互垂直
板邊必須平整無屑
避免刮傷板面
內層線路製作(1)
目的:
將基板上整面的銅皮利用化學蝕刻方式,將不要的銅蝕去留下線路.
流程:(乾膜法)
前處理=> 壓膜=> 曝光=> 顯影=> 蝕銅=> 去膜=>沖孔
前處理:去除板面之油漬、鉻、鋅等,并使銅面具良好的粗糙度.
微蝕:微蝕槽(H2SO4/H202,SPS/H2SO4)=>酸洗(HCL)=>水洗(CT水)=>烘乾
電解脫脂:電解槽(NaOH、KOH)=>水洗(CT水)=> 酸洗(HCL)=> 水洗=> 烘乾
壓模:
以熱壓滾輪將DRY FILM (UV光阻劑)均勻覆蓋於銅箔基板上.
曝光:
以UV光照射使底片之線路成像於基板之乾膜上.
原理:D/F之光起始劑=>照光(UV)=>自由基=>聚合反應&交聯反應=>線路成像.
显影、蚀刻、去膜:
显影:以1%Na2CO3沖淋,使未成像(CURING)之乾膜溶於鹼液中,并以CT 水沖洗板面,將殘留在板面之乾膜屑清除.
蚀刻:以蝕刻液(CuCL2、HCL、H2O2)來咬蝕未被乾膜覆蓋之裸銅,使不需要之銅層被除去,僅留下必需的線.
去膜:以3%之NaOH將留在線路上之乾膜完全去除,內層板即成型.
內層板沖孔:
確保內層生產板靶位之準確性,作為鉚合、壓板等製程TOOLING HOLE配合.
黑 化
目的:
粗化金屬銅面以增加與膠片材料間的結合力.
避免金屬銅面與膠片材料在高溫的壓合過程中,樹酯內DICYS與金屬銅發生氣化反應而生成水,因而使結合不良.
流程:
水洗=>酸洗=>微蝕=>預浸=>氣化=>還原
槽序 槽名 藥液 主要成份 反應式 反應機構特性
19 鹼洗 液鹼 H2O+NaOH 去除板面殘留油脂(皂化)
22 酸洗 H2SO4 H2SO4
24 微蝕 G5B G5S
H2O2
Cu2+ H2O2
H2SO4
CuSO4 H+
Cu =>Cu2+
Cu2++SO42-=>CuSO4 將銅面微蝕60”
18 預浸 9249 NaOH 中和板面的酸
17 氧化 9249
9251 NaOH
NaCLO2 Cu+NaCLO2+
H2O=>2Cu(OH)2+NaCL
2Cu(OH)2=>CuO+H2O 氧化生長成氧化銅絨毛
11 還原 6220
6221 H2SO4
EDTA EDTA
CuO=>Cu2O+Cu 以EDTA將氧化銅還原成氧化亞銅,絨毛長度變短
(80%Cu2O+20%CuO)
压合
目的:
接續內層製程,將已進行Image Transfer之內層,外層銅箔及Prepreg疊好透過熱壓製程使樹脂完全硬化而將其結合成多層板.
流程:
黑化(如上頁)=>疊合=>壓合=>後處理
流程 黑化(氧化) 疊合 壓合 後處理
利用含次氯酸根之藥液將內層Thin Core之銅面氧化成CuO&Cu2O,提供足夠之Roughness來讓Epoxy填充結合并抵抗Epoxy中之架橋劑在高溫時攻擊銅面 將氧化後之內層板與B-Stage之Epoxy以及最外層銅箔疊合成壓合單元 利用高溫(180℃)高壓(400Psi)將 B-Stage之Epoxy轉化成C-Stage,提供層間機械結合力與層間所需之介電層厚度 利用X-Ray鑽孔貢鑽出後續鑽孔製程所南非之基準工具孔
重要控制點 Weight Gain P/P
Thin Core
Registraion Resin Content
Resin Flow
Rheology
重要品質缺點 氧化不良
Pink Ring 內層偏移
Pits&Dents 板厚板薄
Wrinkle
钻孔(DRILLING)-(1)
目的:
為使電路板之線路導通及插件,必須有導通孔及插孔,這些孔必須以高精密之鑽孔製程來產生.
流程:
設定鑽孔程式=>上PIN=>鑽孔=>下PIN
原理:
進刀速Feed(IPM)及轉速Speed(KRPM)
此兩者對孔壁品質有決定性之影響,若二者搭配不好則孔壁會有粗糙(Roughness)、膠渣(Smear)、毛邊(Burr)、釘頭(Nailhead)等缺點.
IPM=>Inch Per Minute
RPM=>Rev Per Minute
進刀量Chip Load
每分鐘鑽入深度即Chip Load=>IPM/RPM
板子疊高片數Stacking
為提高生產量,將板子疊高2或3片,再以PIN固定.
鑽釘Drill bit
一般鑽頭基本要求為盤旋角要大,鑽尖角127±7,排屑溝表面需光滑銳利,另外為延長鑽頭壽命,1000~2000孔後需進行研磨才可再使用.
面板Entry與墊板Backup
面板之作用為防止板面損傷、減小毛邊及鑽釘之定位,墊板之作用為防止檯面損傷、減小毛邊及幫散熱.
鑽孔機之精確度
鑽孔機之精確度將影響孔位之準確度,其X、Y軸定位準確度應在0.002’’之內.
分段鑽
鑽小孔時若採一段鑽,因排屑量急增鑽頭易被阻塞而造成斷針,使用分段鑽孔方式,可將孔鑽透并孜善Smear、斷針及精確度不良之缺點.
去膠渣&去除巴里(Desmar&Deburr)
目的:
利用KMn04去除鑽孔完後留在孔壁內之膠渣,以利PTH進行.
利用尼龍刷刷去銅面因鑽孔留下的Burr(巴里).
利用C8H18O3滲透環氧樹脂,使孔壁內之膠渣(Epoxy)膨鬆軟化易於過錳酸鉀咬蝕.
流程:
膨鬆=>去膠渣=>中和
刷磨=>超音波震盪
原理:
膨鬆(醇醚類,如二乙基乙醇單丁基醚C8H18O3)
去膨渣(Kmno4+Naoh)
Mn+7和Epoxy反應還原成Mn6+及Mn4+,反應機構如下式:
C+4KmnO4+4KOH→4MnO2+2CO2+4H2O
中和(有機醛類)
醛類為一種還原劑,將孔壁內之Mn7+、Mn6+、Mn6+、Mn4+在酸性溶夜中還原成Mn2+自孔壁清除,以免殘存在孔壁內造成化學銅附著不良.
PTH&CuI(一次銅)
目的:
將孔內非導體部份利用無電鍍方式孔導通,并利用電鍍方式加厚孔銅及面銅厚度.
流程:
清潔、整孔=>微蝕=>預浸=>活化=>加速=>化學銅=>鍍一次銅
原理:
清潔、整孔:
清潔板面油脂,除去孔內雜質.
利用介面活性劑使孔壁內環氧樹脂及玻璃纖維上附一層正電的薄膜.
微蝕(H2SO4+Na2S2O8):
除去氧化并咬蝕銅面使之粗糙,鍍銅時接合力更好
預浸:
防止酸性物質帶入活化槽.
活化(催化劑):
使錫膠體附著於孔壁,利用錫鈀膠體外有氯離子團(負電)和孔壁介面活性劑(正電)形成凡得瓦利鍵結.
加速劑
剝除板面及孔內錫膠體層,使裸露出來之鈀層易與化學銅附著.
Pd2++Sn2=>Pd0+Sn4+
化學銅(甲醛+Cu2+Naoh):
利用甲醛當還原劑、催化劑,在鹼性藥液中把Cu2還原成Cu附在表面上. Pd
CuSO4+2HCHO+4NaOH=>Cu+2HCO2Na+H2+2H2O+Na2SO4
電鍍一次銅:
加厚孔銅及面銅厚度.
外層線路制作(1)
目的:
針對印刷電路板最外兩面進行線路製作之流程.
流程:
前處理=>壓膜=>曝光=>顯影
前處理:
清潔印刷電路板面,以增加感光膜附著之能力.
可用之方法-浮石粉、刷磨、化學藥液….
壓膜:
使感光膜附著於印刷電路板面,以提供影像轉移之用.
可用之方法-乾膜(熱壓),液態膜(ED、COATING…).
曝光:
利用感光膜的特性(僅接受固定能階之波長),將產品需求規格製作成底片,經由照像曝光原理,達影像轉移之效果.
可用之方法-產生感光膜可反應光源機械.
顯影:
利用感光膜經曝光後,產生感光反應部分或未感光反應部份(此必須依感光膜之特性),可溶解於特殊溶劑,內達到製作出需求之圖型(線路).
可用之方法-鹼性藥液(碳酸鈉)、酸性藥液.
原理:
於PTH(Plated Through Hole)後,進入外層線路製作流程,因銅面滯留於空氣中易與產生氧化銅,或殘留有未除尺之電鍍藥液,借由前處理之清潔效果,一則可去除板面上之各種髒點,二則可增加板面粗糙度(Roughness),提供感光膜於附著時,有更多之接角面積,而增加附著力,以防止鍍線時產生電鍍液滲透進入,而造成短路.
前處理過後之板,送入無塵室內,因感光膜之厚度均相當薄,若於附蓋感光膜前有微小顆粒附著於銅面,造成感光膜無法附著於其上,將造成顯影後斷路,另則因感光膜對光相當敏感,及存放其上,將造成顯影後斷路,另則因感光膜對相當敏感,及存放溫度若過高易造成流膠現象,故必順借由無塵室控制溫度、濕度、黃光及落塵量.目前業界上最常使用多為乾膜熱壓法(本公司亦採用本法),乾膜之操作、製程控制、存放均相當方便,但缺點為原料利用率較少、事業廢棄物較多、價格亦較貴,但目前仍在市場佔有相當比例.而未來市場產品導向朝細線路發展,此朝乾膜製用上必更不易,故成本相對提高,故應朝向液態感光膜,發展塗佈更薄之感光劑,相對也必須使用更高等級之無塵室.
壓有感光膜之板子,在經由產生約波長為365nm之UV光感應後會產生圖形(線路)於感光膜上,此時由乾膜特性可看出顏色不同,而提供線上人員初步檢驗,放置15分鐘後進行影,此時顯影液之控制便相當重要,因控制不當輕則必須重做,嚴重則造成報廢,然因各家使用之乾膜不同,且顯影藥液亦不同,故必須藉由負責之製程人員找出最佳之操作參數.
CUII二次銅(線路鍍銅)
目的:
補足一次銅孔及銅線路厚度,達客戶要求.
流程:
去油脂=>微蝕=>酸洗(硫酸)=>鍍二次銅=>鍍錫
原理:
去油脂:(介面活性劑)
清除板面油脂,增加電鍍附著力.
使線路上之scum剝離.
微蝕:(H2SO4+Na2S2O8)
咬銅使線路上之銅粗糙,易於電鍍.
咬銅使線路上之scum剝離.
酸洗:(H2SO4)
預浸,與電鍍液保持相同酸度.
去除銅線路上之氧化膜.
鍍二次銅:(CuSO4 Solution,陽極為銅球)增加銅厚.
鍍錫:
在銅線路上鍍錫做為Etching Resistor(抗蝕刻)之用,以避免蝕銅時咬蝕到銅線路.
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