PCB入门.doc

PCB入門目 錄 何謂PCB3 PCBPCB種類介紹.4 單、雙、多層板之差異.4 傳統四層板製作示意圖.略 PCB未來發展趨勢.5 PCB產品之應用.6 生產流程介紹.6 製前設計.7-8 裁板.略 內層線路製作.9 黑化.10 壓合.11 鑽孔.12 Desmear & Deburr(去膠渣&巴里).13 PTH和一次銅.14 外層線路.15-16 二次綠漆.17 去膜蝕銅剝錫(蝕刻)18 防焊剝漆.19-20 噴錫.21 文字印刷.22 ENTEK(有機層塗覆)23 鍍金24 成型25 資料來源26何謂印刷電路板(1)印刷電路板(Print Circuit board)簡稱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:1. 一旦PCB佈置完成,就不必檢查各零件的連接線路上否正確,這對精密複雜的線路(如電腦),可以省去不少檢查功夫.2. 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).3. 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1. 依層別分:單面板雙面板多層板(2層以上)2. 依材質分:軟板硬板軟硬板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 電 氮 測 試 (O/S)半成品檢 驗 鍍 銅 黑 化 下 料 裁 板製 前設 計CNC成 型 電 氣 測 試 噴 錫 壓 合剝錫鉛 化 學 鍍 銅 蝕 銅 剝 膜 鍍 鎳 鍍 金 剝 膜 鍍 金 鑽 孔 成 品 檢 驗鍍錫鉛 內 層 鑽 孔 印 防 焊 漆 文 字 內 層 乾 膜 綱 印 外 層 干 膜 印 刷 自 動 光 學 檢 驗 製前設計功能:1. 依客戶提供資料填寫規範2. 設計作業流程3. 確認生產工具設計規格4. 檢查是否符合製程能力5. 問題資料及規格確認6. 輔助TOOLING之設計及修改產出1. 板厚材料疊構規格2. 表面處理規格3. 孔徑孔位4. 機構圖成型尺寸5. IMAGE資料6. 防焊文字規格7. 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:1. 裁板作業者核對裁板計劃執行單2. 輸入及選取設定參數,并檢查機臺及鋸片狀況3. 裁切(自動裁板機)(1) 將基板搬於整置工作檯上,整平(2) 基板送入裁切檯面加上墊板(3) 核對操作瑩幕上之參數資料(4) 確認板子已推放整齊後,手按啟動鈕裁切(5) 裁切完成,移至磨角機磨圓角4. 裁切完成檢查及標示5. 交內層課製作內層線路品質要求:1. 公差越小越好2. 四個板邊必須相互垂直3. 板邊必須平整無屑4. 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1. 前處理:去除板面之油漬、鉻、鋅等,并使銅面具良好的粗糙度.(1) 微蝕:微蝕槽(H2SO4/H202,SPS/H2SO4)=酸洗(HCL)=水洗(CT水)=烘乾(2) 電解脫脂:電解槽(NaOH、KOH)=水洗(CT水)= 酸洗(HCL)= 水洗= 烘乾2. 壓模:以熱壓滾輪將DRY FILM (UV光阻劑)均勻覆蓋於銅箔基板上.3. 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.4. 顯影、蝕銅、去膜:(1) 顯影: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.(2) 蝕銅: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.(3) 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.5. 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:1. 粗化金屬銅面以增加與膠片材料間的結合力.2. 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:鹼洗=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H2SO4H2SO424微蝕G5B G5SH2O2Cu2+H2O2H2SO4CuSO4H+Cu =Cu2+Cu2+SO42-=CuSO4將銅面微蝕60”18預浸9249NaOH中和板面的酸17氧化92499251NaOHNaCLO2Cu+NaCLO2+H2O=2Cu(OH)2+NaCL2Cu(OH)2=CuO+H2O氧化生長成氧化銅絨毛11還原62206221H2SO4EDTAEDTACuO=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)壓 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 GainP/PThin CoreRegistraionResin ContentResin FlowRheology重要品質缺點氧化不良Pink Ring內層偏移Pits&Dents板厚板薄Wrinkle鑽 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:1. 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 MinuteRPM=Rev Per Minute2. 進刀量Chip Load每分鐘鑽入深度即Chip Load=IPM/RPM3. 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.4. 鑽釘Drill bit一般鑽頭基本要求為盤旋角要大,鑽尖角1277,排屑溝表面需光滑銳利,另外為延長鑽頭壽命,10002000孔後需進行研磨才可再使用.5. 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.6. 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.7. 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:1. 利用KMn04去除鑽孔完後留在孔壁內之膠渣,以利PTH進行.2. 利用尼龍刷刷去銅面因鑽孔留下的Burr(巴里).3. 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:1. 膨鬆=去膠渣=中和2. 刷磨=超音波震盪原理:1. 膨鬆(醇醚類,如二乙基乙醇單丁基醚C8H18O3)2. 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+4KOH4MnO2+2CO2+4H2O3. 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:1. 清潔、整孔:(1) 清潔板面油脂,除去孔內雜質.(2) 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.2. 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3. 預浸:防止酸性物質帶入活化槽.4. 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.5. 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+6. 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. PdCuSO4+2HCHO+4NaOH=Cu+2HCO2Na+H2+2H2O+Na2SO47. 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1. 前處理:(1) 清潔印刷電路板面,以增加感光膜附著之能力.(2) 可用之方法-浮石粉、刷磨、化學藥液.2. 壓膜:(1) 使感光膜附著於印刷電路板面,以提供影像轉移之用.(2) 可用之方法-乾膜(熱壓),液態膜(ED、COATING).3. 曝光:(1) 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.(2) 可用之方法-產生感光膜可反應光源機械.4. 顯影:(1) 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).(2) 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:1. 去油脂:(介面活性劑)(1) 清除板面油脂,增加電鍍附著力.(2) 使線路上之scum剝離.2. 微蝕:(H2SO4+Na2S2O8)(1) 咬銅使線路上之銅粗糙,易於電鍍.(2) 咬銅使線路上之scum剝離.3. 酸洗:(H2SO4)(1) 預浸,與電鍍液保持相同酸度.(2) 去除銅線路上之氧化膜.4. 鍍二次銅:(CuSO4 Solution,陽極為銅球)增加銅厚.5. 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.去膜蝕銅剝錫(蝕刻)目的:利用蝕刻方式咬去多餘面銅使線路面型.流程:去膜=蝕銅=剝錫原理:1. 去膜:(KOH)去除鍍二次銅時之Plating Resistor.2. 蝕銅:(Cu2+NH4OH+NH4Cl)利用CuCl2去攻擊沒有錫保護的銅面,只留下鍍一層錫的銅線路.3. 剝錫(HNO3+護銅劑)利用硝酸去剝除在銅線路上之錫,使銅線路成型.防焊剝漆(SOLDER MASK)目的:為保護電路板上線路,避免因刮傷造成短路、斷路現象和達成“防焊”功能,故在電路板上塗上一層保護膜,稱之為防焊剝漆(Solder Mask).流程:前處理=塗佈印刷=預烘=曝光=顯影=熱烘(後烘烤)1. 前處理:若電路板上銅面或線路有氧化或油脂附於上時,當綠漆塗佈印刷時,綠漆塗佈印刷時,綠漆將無法密著於板面,會造成耐熱性和耐化性變差,而造成綠漆剝落(Peeling).2. 塗佈印刷(Coat Or Print):(1) 印刷:早期使用空綱印刷(Flood-Screen Print),但為避免綠漆進孔後再洗出或有顯影不潔之疑慮,故多在綱版上加檔墨點(Dot Pattern).(2) 淋幕法(Curtain Coating):為一種自動化連線生產方式,利用PUMP將綠漆自蓄池中抽出,使綠漆通過過濾器(Filter)、黏度控制器(Viscosity Controller)和溫度調節器進入垂流塗裝頭(Coating head),其槽口寬度可以調整,綠漆自槽口垂流而下時,將會形成一道寬度和速度很均勻的液膜,使水平輸送的板子,可均勻接受塗佈.而塗佈膜厚不均和破膜是此法易產生之問題.3. 預烘(Precure):主要目的為趕走油墨中之溶劑,呈不黏(Tack Free)狀態,因油墨中含有熱硬化劑,故預烘時間與溫度應有限制.預烘不夠時,在曝光時油墨會黏著底片,而出現壓痕,或污染底片.若溫度過高,時間過長,也會導致顯影不良,形成殘膜(Scum).故時間長短和溫度高低必須有所限制.4. 曝光(Exposure):一般以紫外光波長36nm為主,曝光量需要400-800mj/cm2,曝光功率以85kw-10kw為適當.曝光的目的,是使油墨接受紫外光照射,先使其中光起始劑分解成自由基,進而攻擊感光性樹脂以進行自由基連鎖聚合,瞬間聚合使分子量增大而不溶於弱鹼(1%碳酸鈉),但強鹼(5%NaOH)仍可溶的組成,而能達成顯影和剝除的目的.曝光量不夠,油墨會遭到侵蝕而產生白化或側蝕;曝光量太高,易產生光散射,會有露光現象,使得解像度降低,或顯影不潔情形發生.5. 顯影(Development):將來曝興的區域去除,一般使用條作為使用1%左右碳酸鈉水溶液,在25-30下,以1.5-3.0kg/cm2的噴壓,對輸送的板面進行噴顯與沖洗.若顯影液溫度過高,顯影速度會變快,但油墨本身會被侵蝕而白化.而噴壓太低,無法達到顯影效果;噴壓太高時,亦將引起側蝕.6. 後烘(Postcure):為使油墨內分子聚合達到完成效果,一般為150,60分鐘.對耐熱性和化性均沒問題.以目前防焊綠漆在市場的商品種類已不在少數,但必須具下列兩個基本條作才能有所發揮:1. 對特定波長紫外光的感光相當敏銳,使能完成良好顯影解像.2. 必須符合IPC-SM-804B的要求及達到其他各種有關規範之規定,是一種永久性的板面防焊及保護層.噴 錫目的:將錫/鉛(Sn/Pb比例63/37)融熔,再經過熱風平整錫面,錫覆蓋於銅面上,主要目的為提供Soldering lnterface.流程:上板=微蝕(SPS)=水洗=酸洗(H2SO4) =水洗=烘乾=上鬆香(Flux) =HSAL(噴錫) =水洗=刷磨=水洗=烘乾=收板原理:1. 微蝕(SPS):主成份為過硫酸鈉(Na2S2O8),以增加銅表面的粗糙度,并去除銅面氧化物.2. 酸洗(H2SO4):去除銅面氧化物.3. 上鬆香(Flux):主要界面活化劑,於高溫時HBr會汽化,活化銅面.4. HASL(噴錫):將融熔錫/鉛Wetting在銅面上,並利用熱風(183以上)整平.文字印刷目的:用絲綱於PCB表面印出文字,使電子零件符號表示其安裝位置.流程:架綱=對位=油墨=印刷=烘烤=出貨原理:與防焊印刷相近.有機層塗覆(ENTEK)目的:是屬於有機保焊膜類(OSP ; Organic Solderability Preservatives),主要是利用凡得瓦力於銅面形成一層有機薄膜