PCB内层基础的介绍

1、层基础介绍制程目的三层板以上产品即称多层板 , 传统之双面板为配合零件之密集装配，在有限的板面上无 法安置这么多的零组件以及其所衍生出来的大量线路， 因而有多层板之发展。 加上美国联邦 通讯委员会(FCC)宣布自1984年10月以后，所有上市的电器产品若有涉及电传通讯者， 或有参与网络联机者，皆必须要做 接地以消除干扰的影响。但因板面面积不够,因此 pcblay-out 就将接地 与电压二功能之大铜面移入层，造成四层板的瞬间大量兴起,也延伸了阻抗控制的要求。 而原有四层板则多升级为六层板， 当然高层次多层板也因高密度装配而日 见增多 .本章将探讨多层板之层制作及注意事宜 .制作流程依产品的不同

2、现有三种流程A. Print and Etch发料t钻对位孔t铜面处理t影像转移t蚀刻t剥膜B. Post-etch Punch发料T铜面处理T影像转移T蚀刻T剥膜T冲工具孔C. Drill and Panel-plate发料T钻孔T通孔(PTH )t电镀T影像转移T蚀刻T剥膜上述三种制程中 ,第三种是有埋孔 (buried hole) 设计时的流程使用，第一种制程已被淘 汰，厂目前使用第二种 ( Post-etch Punch) 制程高层次板子较普遍使用的流程 .1. 发料发料就是依制前设计所规划的工作尺寸， 依发料单 来裁切基材， 是一很单纯的步骤， 但以下几点须注意：A. 裁切方式 -会

3、影响下料尺寸B. 磨边与圆角的考量 -影响影像转移良率制程C. 方向要一致 - 即经向对经向，纬向对纬向D. 下制程前的烘烤 -尺寸安定性考量2. 铜面处理在印刷电路板制程中，不管那一个 step ，铜面的清洁与粗化的效果，关系着下 一制程 的成败，看似简单的一道制程，其实里面的学问颇大。A. 须要铜面处理的制程有以下几个a. 干膜压膜b. 层氧化处理前c. 钻孔后d. 化学铜前e. 镀铜前f. 绿漆前g喷锡(或其它焊垫处理流程)前h.金手指镀镍及其它任何表面须另行处理的制程前a. c. f. g.等制程一般为独立加装设备处理，其余皆属制程自动化中的一部份，多数采 用化学药液加压处理方式。B.

4、 处理方法现行铜面处理方式可分三种:a. 刷磨法(Brush)b. 喷砂法(Pumice)c. 化学法(Microetch)以下即做此三法的介绍C. 刷磨法刷磨动作之机构，见图所示.表4.1是铜面刷磨法的比较表注意事项a. 刷轮有效长度都需均匀使用到b. 须做刷痕实验，以确定刷深及均匀性 优点a. 成本低b. 制程简单，弹性缺点a. 薄板细线路板不易进行b. 基材拉长，不适层薄板c. 刷痕深时易造成D/F附着不易而渗镀d. 有残胶之潜在可能D. 喷砂法以不同材质的细石(俗称pumice)为研磨材料 优点：a. 表面粗糙均匀程度较刷磨方式好b. 尺寸安定性较好c. 可用于薄板及细线 缺点：a.

5、Pumice容易沾留板面b. 机器维护不易E. 化学法(微蚀法)化学法有几种选择，见表F. 结纶使用何种铜面处理方式，各厂应以产品的层次及制程能力来评估之，并无定论，但可 预知的是化学处理法会更普遍，因细线薄板的比例愈来愈高。3. 影像转移3.1 印刷法A. 前言电路板自其起源到目前之高密度设计 , 一直都与丝网印刷 (Silk Screen Printing) 或网 版印刷有直接密切之关系，故称之为印刷电路板 。目前除了最大量的应用在电路板之外，其它电子工业尚有厚膜 (Thick Film) 的混成电路 (Hybrid Circuit) 、芯片电阻 (Chip Resist ) 、及表面黏装

6、 (Surface Mounting) 之锡膏印刷等也都优有应用。由于近年电路板高密度 ,高精度的要求 ,印刷方法已无法达到规格需求, 因此其应用围渐缩, 而干膜法已取代了大部分影像转移制作方式.下列是目前尚可以印刷法代替的制程 :a. 单面板之线路 ,防焊 ( 大量产多使用自动印刷 ,以下同 )b. 单面板之碳墨或银胶c. 双面板之线路 ,防焊d. 湿膜印刷e. 层大铜面f. 文字g. 可剥胶 (Peelable ink)B. 丝网印刷法 (Screen Printing) 简介丝网印刷中几个重要基本原素:网材,网版,乳剂 ,曝光机 ,印刷机 ,刮刀 ,油墨,烤箱等 ,以下逐一简单介绍 .a

7、. 网布材料(1) 依材质不同可分丝绢 (silk), 尼龙 (nylon), 聚酯 (Polyester, 或称特多龙 ),不锈钢 , 等. 电路板常用者为后三者 .(2) 编织法 :最常用也最好用的是单丝平织法 Plain Weave.(3) 网目数 (mesh), 网布厚度 (thickness), 线径 (diameter), 开口 (opening) 的关系 开口:网目数 : 每 inch 或 cm 中的开口数 线径 : 网布织丝的直径 网布 厚度 : 厚度规格有六 ,Slight(S),Medium(M),Thick(T),Half heavy duty(H),Heavy duty

8、(HD),Super heavy duty(SHD)b. 网版 (Stencil) 的种类(1) . 直接网版 (Direct Stencil)将感光乳胶调配均匀直接涂布在网布上，烘干后连框共同放置在曝光设备台 面上并覆以原稿底片， 再抽真空使其密接感光， 经显像后即成为可印刷的网版。 通常乳胶涂 布多少次 ,视印刷厚度而定 . 此法网版耐用 ,安定性高 ,用于大 量生产 . 但制作慢 , 且太厚时可能 因厚薄不均而产生解像不良 .(2) . 间接网版 (Indirect Stencil)把感光版膜以曝光及显像方式自原始底片上把图形转移过来，然后把已有图形的版膜贴在网面上，待冷风干燥后撕去透明

9、之载体护膜，即成间接性网版。 其厚度均匀 分辨率好 ,制作快 ,多用于样品及小量产 .c. 油墨油墨的分类有几种方式(1) . 以组成份可分单液及双液型 .(2) . 以烘烤方式可分蒸发干燥型、化学反应型及紫外线硬化型 (UV)(3) .以用途可分抗蚀 ,抗镀,防焊 ,文字,导电,及塞孔油墨 . 不同制程选用何种油墨 , 须视各厂相关制程种类来评估, 如碱性蚀刻和酸性蚀刻选择之抗蚀油墨考虑方向就不一样 .d. 印刷作业网版印刷目前有三种方式 :手印、半自动印及全自动印刷. 手印机须要印刷熟 手操作 ,是最弹性与快速的选择 ,尤以样品制作 .较小工厂及协力厂仍有不少采手印. 半自动印则除 loa

10、ding/unloading 以人工操作外 , 印刷动作由机器代劳 ,但对位还是人工操作 .也有所 谓 3/4 机印 ,意指 loading 亦采自动 ,印好后人工放入 Rack 中 . 全自动印刷则是 loading/unloading及对位 , 印刷作业都是自动 .其对位方式有靠边 , pinning 及 ccd 三种 .以下针对几个要素加以解说 :(1) 力 :力直接影响对位 , 因为印刷过程中对网布不断拉扯 , 因此新网力的要求非 常 重要，一般力测试量五点 ,即四角和中间 .(2) 刮刀 Squeege刮刀的选择考量有三，第一是材料，常用者有聚氨酯类 (Polyure-thane ，

11、简称 PU) 。第二是刮刀的硬度， 电路板多使用 Shore A 之硬度值 60 度80 度者.平坦基 板铜面上线路阻剂之印刷可用70 80 度 ; 对已有线路起伏之板面上的印绿漆及文字,则需用较软之 60 70 度。第三点是刮刀的长度，须比图案的宽度每侧长出 3/4 1 吋左右。 刮刀在使 用一段时间后其锐利的直角会变圆， 与网布接触的面积增大， 就无法印出边缘毕直的细条， 需要将刮刀重新磨利才行，需且刮刀刃线上不可出现缺口，否则会造成印刷的缺陷。(3) . 对位及试印此步骤主要是要将三个定位 pin 固定在印刷机台面上 ,调整网版及离板间隙 (Off Contact Distance)(

12、指版膜到基板铜面的距离，应保持在 2m/m 5m/m 做为网布 弹回的应有距离 ), 然后覆墨试印 . 若有不准再做微调 .若是自动印刷作业则是靠边 , pinning 及 ccd 等方式对位 .因其产量大 ,适合 极大量的单一机种生产 .(4) . 烘烤不同制程会选择不同油墨 , 烘烤条件也完全不一样 , 须 follow 厂商提供的 data sheet, 再依厂制程条件的差异而加以 modify. 一般因油墨组成不一， 烘烤方式有风 干,UV,IR等.烤箱须注意换气循环，温控，时控等(5) . 注意事项不管是机印或手印皆要注意下列几个重点-括刀行进的角度，包括与版面及xy平面的角度，须不

13、须要回墨 .固定片数要洗纸 ,避免阴影 .待印板面要保持清洁每印刷固定片数要抽检一片依 check list 检验品质 .3.2 干膜法A. 一般压膜机 (Laminator) 对板厚的制程能力在 0.1mm 厚以上 , 主要表现的问题为 膜皱B. 曝光时注意真空度C. 曝光机台的平坦度D. 显影时 Break point 维持 5070% , 温度 30+_2, 须 auto dosing( 自动添加 ).4 蚀刻现业界用于蚀刻的化学药液种类，常见者有两种，一是酸性氯化铜 (CuCl2) 蚀刻液， 种是碱性氨水蚀刻液。A.两种药液的选择，视影像转移制程中， Resist是抗电镀之用或抗蚀刻之

14、用。在层 制程中 D/F 或油墨是作为抗蚀刻之用，因此大部份选择酸性蚀刻。外层制程中，若为传统 负片流程， D/F 仅是抗电镀，在蚀刻前会被剥除。其抗蚀刻层是锡铅合金或纯锡，故一定 要用碱性蚀刻液，以免伤及抗蚀刻金属层；若为正片流程，D/F 是用于盖孔及保护客户设计之图形电路用，在蚀刻后被剥除，故一定要用酸性蚀刻液。B. 设备及药液控制两种 Etchant 对大部份的金属都是具腐蚀性，所以蚀刻槽通常都用塑料，如PVC(Poly Vinyl chloride) 或 PP (Poly Propylene) 。唯一可使用之金属是钛 (Ti) 。为了得到很 好的蚀刻品质最笔直的线路侧壁 ,(衡量标准为

15、蚀刻因子 etching factor ，不同的理论有不 同的观点，且可能相冲突。 但有一点却是不变的基本观念，那就是以最快速度的让欲蚀刻 铜表面接触愈多新鲜的蚀刻液。 因为作用之蚀刻液 Cu +浓度增高降低了蚀刻速度，须迅速补充 新液以维持速度。在做良好的设备设计规划之前，就必须先了解及分析蚀铜过程的化学 反应。以下为层制作，介绍相关酸性蚀刻之容。a. CuCl2 酸性蚀刻反应过程之分析 铜可以三种氧化状态存在， 原子形成 Cu , 蓝色离子的 Cu +以及较不常见的亚铜 离子 Cu +。金属铜可在铜溶液中被氧化而溶解，见下面反应式( 1)Cu +Cu+ t 2 Cu+(1)在酸性蚀刻的再生

16、系统， 就是将 Cu +氧化成 Cu +,因此使蚀刻液能将更多的金属铜 咬蚀掉。以下是更详细的反应机构的说明。b. 反应机构直觉的联想，在氯化铜酸性蚀刻液中， 才对，但事实非完全正确，两者事实上是以和Cu + 及 Cu +应是以 CuCl 2 及 CuCl 存在HCl 形成的一庞大错化物存 在的：金属铜其中 H2CuCl42H2CuCl3Cu+ H2CuCl4 + 2HCl t 2H2CuCl3 (2)铜离子 亚铜离子实际是 CuCl2 + 2HCl实际是 CuCl + 2HCl式的简式而已。Cu + H2CuCI4 t 2H2CuCI3 + CuCI ( 不溶)(3)CuCI + 2HCI

17、t 2H2CuCI3 ( 可溶)(4)式中因产生 CuCI 沉淀，会阻止蚀刻反应继续发生，但因 HCI 的存在溶解 CuCI ， 维持了蚀刻的进行。 由此可看出 HCI 是氯化铜蚀刻中的消耗品， 而且 是蚀刻速度控制的重 要化学品。虽然增加 HCI 的浓度往往可加快蚀刻速度，但亦可能发生下述的缺点。1. 侧蚀 (undercut ) 增大，或者 etching factor 降低。2. 若补充药液是使用氯化钠，则有可能产生氯气，对人体有害。3. 有可能因此补充过多的氧化剂 (H2O2) ，而攻击钛金属 H2O2 。c. 自动监控添加系统 . 目前使用 CuCI2 酸性蚀铜水平设备者 ,大半都装

18、置 Auto dosing 设备 ,以维持蚀铜速率 , 控制因子有五 :1. 比重2. HCI3. H2O24. 温度5. 蚀刻速度5. 剥膜剥膜在 pcb 制程中，有两个 step 会使用，一是正片制程蚀刻后之 D/F 剥除，二是负 片制程蚀刻前 D/F 剥除 (若外层制作为负片制程 )D/F 的剥除是一单纯简易的制程，一般皆 使用联机水平设备，其使用之化学药液多为 NaOH 或 KOH 浓 度在 13% 重量比。注意事 项如下：A. 硬化后之干膜在此溶液下部份溶解， 部份剥成片状， 为维持药液的效果及后水洗能 彻底，过滤系统的效能非常重要 .B. 有些设备设计了轻刷或超音波搅拌来确保剥膜的

19、彻底，尤其是在外层蚀刻后 的剥膜, 线路边被二次铜微微卡住的干膜必须被彻底剥下，以免影响线路品质。所以也有在溶液中加入 BCS 帮助溶解，但有违环保，且对人体有害。C. 因K(钾)会攻击锡，因此外层线路蚀刻前之剥膜液之选择须谨慎评估。剥膜液为碱 性，因此水洗的彻底与否，非常重要，正片制程之剥膜后有加酸洗及抗氧化，目的是防止板 面过度氧化而影响下制程的品质。6. 对位系统6.1 传统方式四层板层以治方式， 将 2.3 层底片事先对准 ,黏贴于一压条上 (和层同厚 ), 紧贴于曝光台 面上，己压膜层则放进二底片间 , 靠边即可进行曝光。1.2.5.2 蚀后冲孔 (post Etch Punch)

20、方式A. Pin Lam 理论 此方法的原理较简单， 层预先冲出 4 个 SIot 孔，包括底片， prepreq 都沿用此冲孔 系统，此 4 个 SLOT 孔，相对两组，有一组不对称， 可防止套反。每个 SLOT 孔当置放圆 PIN 后，因受温压会有变形时，仍能自由的左右、上下伸展，但中心不变，故不会有应力产 生。待冷却，压力释放后，又回复原尺寸，是一颇佳的对位系统。B. Mass Lam System 沿用上一观念 Multiline 发展出 蚀后冲孔 式的 PPS 系统，其作业重点如下：1. 透过 CAM 在工作底片长方向边缘处做两光学靶点 (Optical Target) 以及四角落之 pads2. 将上、下底片仔细对准固定后，如治做法，做曝光、