PCB制造流程金手指及工艺说明.docx

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PCB制造流程金手指及工艺说明

）表面处理等金手指喷锡，外观检查，防焊,PCB制造流程及说明（更新日期：

2007-6-1115:

32:

03作者：

来源：

4644

前言11.1

一般pcb制作会在两个步骤完成后做全检的作业:

一是线路完成（内层与外层）后二是成品，本章针对线路完成后的检查来介绍.

11.2检查方式

11.2.1电测

11.2.2目检

以放大镜附圆形灯管来检视线路品质以及对位准确度，若是外层尚须检视孔及镀层品质，通常会在备有10倍目镜做进一步确认，这是很传统的作业模式，所以人力的须求相当大.但目前高密度设计的板子几乎无法在用肉眼检查，所以下面所介绍的AOI会被大量的使用.

11.2.3AOI－AutomatedopticalInspection自动光学检验

因线路密度逐渐的提高，要求规格也愈趋严苛，因此目视加上放大灯镜已不足以过滤所有的缺点，因而有AOI的应用。

11.2.3.1应用范围

A.板子型态

－信号层，电源层，钻孔后（即内外层皆可）．

）线路完成后，干膜显像后，工作片（－底片，干膜，铜层．

B.目前AOI的应用大部分还集中在内层线路完成后的检测，但更大的一个取代人力的制程是绿漆后已作焊垫表面加

工（surfacefinish）的板子.尤其如BGA,板尺寸小，线又细,数量大，单人力的须求就非常惊人.可是应用于这领域者仍有待技术上的突破.

11.2.3.2原理

一般业界所使用的自动光学检验CCD及Laser两种；前者主要是利用卤素灯通光线，针对板面未黑化的铜面，利用其反光效果，进行断、短路或碟陷的判读。

应用于黑化前的内层或线漆前的外层。

后者LaserAOI主要是针对板面的基材部份，利用对基材（成铜面）反射后产荧光（Fluorescences）在强弱上的不同，而加以判读。

早期的LaserAOI对双功能所产生的荧光不很强，常需加入少许荧光剂以增强其效果，减少错误警讯当基板薄于6mil时，雷射光常会穿透板材到达板子对另一面的铜线带来误判。

四功能基材，则本身带有淡黄色已具增强荧光的效果。

Laser自动光学检验技术的发展较成熟，是近年来AOI灯源的主力.

现在更先进的激光技术之AOI，利用激光荧光，光面金属反射光，以及穿入孔中激光光之信号侦测，使得线路侦测的能力提高许多，其原理可由图11.1，图11.2简单阐释。

11.2.3.3侦测项目

各厂牌的capability，由其datasheet可得.一般侦测项目如下List

A.信号层线路缺点，

B.电源与接地层，

C.孔，.SMT，

AOI是一种非常先进的替代人工的检验设备，它应用了激光，光学，智能判断软件等技术，理论来完成其动作.在这里我们应注意的是其未来的发展能否完全取代PCB各阶段所有的目视检查.

十二防焊

12.1制程目的

A.防焊：

留出板上待焊的通孔及其pad，将所有线路及铜面都覆盖住，防止波焊时造成的短路，并节省焊锡之用量

B.护板：

防止湿气及各种电解质的侵害使线路氧化而危害电气性质，并防止外来的机械伤害以维持板面良好的绝缘，

C.绝缘：

由于板子愈来愈薄，线宽距愈来愈细，故导体间的绝缘问题日形突显，也增加防焊漆绝缘性质的重要性.

制作流程12.2．

防焊漆,俗称绿漆,（SoldermaskorSolderResist），为便于肉眼检查，故于主漆中多加入对眼睛有帮助的绿色颜料，其实防焊漆了绿色之外尚有黄色、白色、黑色等颜色.

防焊的种类有传统环氧树脂IR烘烤型,UV硬化型,液态感光型（LPISM-LiquidPhotoImagable

SolderMask）等型油墨，以及干膜防焊型（DryFilm,SolderMask）,其中液态感光型为目前制程大宗.所以本单元只介绍液态感光作业.

其步骤如下所叙:

铜面处理-印墨-预烤-曝光-显影-后烤

上述为网印式作业,其它coating方式如Curtaincoating,Spraycoating等有其不错的发展潜力,后面也有介绍.

12.2.0液态感光油墨简介：

A.缘起：

液态感光油墨有三种名称:

－液态感光油墨（LiquidPhotoimagableResistInk）

－液态光阻油墨（LiquidPhotoResistInk）

-湿膜（WetFilm以别于DryFilm）其别于传统油墨的地方，在于电子产品的轻薄短小所带来的尺寸精度需求，传统网版技术无法突破。

网版能力一般水准线宽可达7-8mil间距可达10—I5mil，而现今追求的目标则Five&Five，干膜制程则因密接不良而可能有焊接问题，此为液态绿漆发展之原因。

B.液态油墨分类

a.依电路板制程分类：

—液态感光线路油墨（LiquidPhotoimagableEtching&PlatingResistInk）

—液态感光防焊油墨（LiquidPhotoimagableSolderResistInk）

b.依涂布方式分类：

—浸涂型（DipCoating）

—滚涂型（RollerCoating）

—帘涂型（CurtainCoating）

—静电喷涂型（ElectrostaticSpraying）

（Electrodeposition）—电着型

—印刷型（ScreenPrinting）

C.液态感光油墨基本原理

a.要求

—感光度解像度高-Photosensitivity&Resolution-感旋光性树脂

—密着性平坦性好-Adhesion&Leveling

—耐酸碱蚀刻-Acid&AlkalinResistance

—安定性-Stability

—操作条件宽-WideOperatingCondition

—去墨性-InkRemoving

b.主成分及功能

—感光树脂

—感光

—反应性单体—稀释及反应

—感光剂

—启动感光

—填料

—提供印刷及操作性

－溶剂

－调整流动性

c.液态感光绿漆化学组成及功能

－合成树脂（压克力脂）

－UV及热硬化

）

感光剂（－光启始剂

－启动UV硬化

－填充料（填充粉及摇变粉）

－印刷性及尺寸安定性

－色料（绿粉）

－颜色

－消泡平坦剂（界面活性剂）

－消泡平坦

－溶济（脂类）

－流动性

利用感旋光性树脂加硬化性树脂，产生互穿式聚合物网状结构（lnter-penetratingNet-Work），以达到绿漆的强度。

显影则是利用树脂中含有酸根键，可以Na2CO3溶液显像，在后烘烤后由于此键已被融入树脂中，因此无法再被洗掉.

12.2.1.铜面处理请参读四内层制作

12.2.2.印墨

A印刷型（ScreenPrinting）

a.档墨点印刷网板上仅做孔及孔环的档点阻墨,防止油墨流入孔内此法须注意档点积墨,问题

b.空网印不做档墨点直接空网印但板子或印刷机台面可小幅移动使不因积墨流入孔内

c.有些要求孔塞墨者一般在曝光显像后针对那些孔在印一次的方式居多

d.使用网目在80~120刮刀硬度60~70

B.帘涂型（CurtainCoating）

1978Ciba-Geigy首先介绍此制程商品名为Probimer52,MassofGermany则首度展示CurtainCoating设备,作业图

a.制程特点

较网印油墨低Viscosity1

2.SolidContent较少

3.Coating厚度由Conveyor的速度来决定

4.可混合不同尺寸及不同厚度要求的板子一起生产但一次仅能单面coating

b.效益

1.作业员不必熟练印刷技术

2.高产能

3.较平滑

4.VOC较少

5.Coating厚度控制范围大且均匀

6.维护容易

C.Spraycoating可分三种

a.静电spray

b.无airspray

c.有airspray

其设备有水平与垂直方式,此法的好处是对板面不平整十时其cover性非常好.另外还有rollercoating方式可进行很薄的coating.

12.2.3.预烤

A.主要目的赶走油墨内的溶剂,使油墨部分硬化,不致在进行曝光时黏底片.

B.温度与时间的设定,须参照供货商的datashee.t双面印与单面印的预烤条件是不一样.（所谓双面印,是指双面印好同时预烤）

C.烤箱的选择须注意通风及过滤系统以防异物四沾.

D.温时的设定,必须有警报器,时间一到必须马上拿出,否则overcuring会造成显像不尽.E.Conveyor式的烤箱,其产能及品质都较佳,唯空间及成本须考量.

12.2.4.曝光

A.曝光机的选择:

IR光源,7〜10KW之能量,须有冷却系统维持台面温度25〜30°C.

B.能量管理:

以Steptablet结果设定能量.

C.抽真空至牛顿环不会移动

D.手动曝光机一般以pin对位，自动曝光机则以CCD对位,以现在高密度的板子设计，若没有自动对位势必无法达品质要求.

12.2.5.显像

A.显像条件药液1〜2%Na2CO3温度30±2°C喷压2.5〜3Kg/cm2

B.显像时间因和厚度有关,通常在50〜60sec,Break-point约在50〜70%.

12.2.6.后烤

A.通常在显像后墨硬度不足,会先进行UV硬化,增加其硬度以免做检修时刮伤.

B.后烤的目的主要让油墨之环氧树脂彻底硬化,文字印刷条件一般为150°C,30min.

12.3文字印刷

目前业界有的将文字印刷放在喷锡后,也有放在喷锡前,不管何种程序要注意以下几点:

A.文字不可沾Pad

B.文字油墨的选择要和S/M油墨Compatible.

C.文字要清析可辨识.

12.4.品质要求

根据IPC840C对S/M要求分了三个等级:

：

用在消费性电子产品上如电视、玩具，单面板之直接蚀刻而无需电镀之板类，只要有漆覆盖1Class即可。

Class2：

为一般工业电子线路板用，如计算机、通讯设备、商用机器及仪器类，厚度要0.5mil以上。

Class3:

为高信赖度长时间连续操作之设备，或军用及太空电子设备之用途，其厚度至少要1mil以上。

实务上,表一般绿漆油墨测试性质项目可供参考绿漆制程至此介绍完毕,接下来的制程是表面焊垫的各种处理方式.十三金手指,喷锡（GoldFinger&HAL）

13.1制程目的

A.金手指（GoldFinger,或称EdgeConnector）设计的目的，在于藉由connector连接器的插接作为板对外连络的出口，因此须要金手指制程.之所以选择金是因为它优越的导电度及抗氧化性.但因为金的成本极高所以只应用于金手指,局部镀或化学金，如bondingpad等.图13.1是金手指差入连接器中的示意图.

B.喷锡的目的,在保护铜表面并提供后续装配制程的良好焊接基地.

13.2制造流程

金手指T喷锡

13.2.1金手指

A.步骤:

贴胶-割胶-自动镀镍金-撕胶-水洗吹干

B.作业及注意事项

a.贴胶,割胶的目的,是让板子仅露出欲镀金手指之部份线路,其它则以胶带贴住防镀.此步骤是最耗人力的,不熟练的作业员还可能割伤板材.现有自动贴,割胶机上市,但仍不成熟.须注意残胶的问题.

b.镀镍在此是作为金层与铜层之间的屏障，防止铜migration.为提高生产速率及节省金用量，现在几乎都用输送带式直立进行之自动镀镍金设备，镍液则是镍含量甚高而镀层应力极低的氨基磺酸镍（Nickel

SulfamateNi（NH2SO3）2）

c.镀金无固定的基本配方，除金盐（PotassiumGoldCyanide金氰化钾，简称PGC）以外，其余各种成份都是专密的，目前不管酸性中性甚至碱性镀金所用的纯金都是来自纯度很高的金盐为纯白色的结晶，不含结晶水，依结晶条件不同有大结晶及细小的结晶，前者在高浓度的PGC水溶液中缓慢而稳定自然形成的，后者是快速冷却并搅拌而得到的结晶，市场上多为后者.

d.酸性镀金（PH3.5〜5.0）是使用非溶解性阳极，最广用的是钛网上附着有白金，或钽网（Tantalam）上附着白金层，后者较贵寿命也较长。

e.自动前进沟槽式的自动镀金是把阳极放在构槽的两旁，由输送带推动板子行进于槽中央，其电流的接通是由黄铜电刷（在槽上方输送带两侧）接触板子上方突出槽外的线路所导入，只要板子进镀槽就立即接通电流，各镀槽与水洗槽间皆有缓冲室并用橡胶软垫隔绝以降低dragin/out,故减少钝化的发生，降低脱皮的可能。

f.酸金的阴极效率并不好，即使全新镀液也只有30-40%而已，且因逐渐老化及污染而降低到15%左右。

故酸金镀液的搅拌是非常重要，

g.在镀金的过程中阴极上因效率降低而发生较多的氢气使液中的氢离子减少，因而PH值有渐渐上升的情形，此种现象在钴系或镍系或二者并用之酸金制程中都会发生。

当PH值渐升高时镀层中的钴或镍量会降低，会影响镀层的硬度甚至疏孔度，故须每日测其PH值。

通常液中都有大量的缓冲导电盐类，故PH值不会发生较大的变化，除非常异常的情形发生。

h.金属污染铅:

对钻系酸金而言，铅是造成镀层疏孔（pore）最直接的原因.（剥锡铅制程要注意）超出10ppm即有不良影响.铜:

是另一项容易带入金槽的污染，到达100ppm时会造成镀层应力破制，不过液中的铜会渐被镀在金层中，只要消除了带入来源铜的污染不会造成太大的害处。

铁:

铁污染达50ppm时也会造成疏孔，也需要加以处理。

．

C.金手指之品质重点

a.厚度

b.硬度

c.疏孔度（porosity）

d.附着力Adhesion

e.外观:

针点，凹陷,刮伤,烧焦等.

13.2.2喷锡HASL（HotAirSolderLeveling）

A历史

从1970年代中期HASL就己发展出来。

早期制程,即所谓滚锡（Rolltinning），板子输送进表面沾有熔融态锡铅之滚轮，而将一层薄的锡铅转移至板子铜表面。

目前仍有低层次单面硬板，或单面软板使用此种制程。

接下来因有镀通孔的发展及锡铅平坦度问题，因此垂直将板子浸入熔解的热锡炉中，再将多余锡铅以高压空气将之吹除。

此制程逐渐改良成今日的喷锡制程，同时解决表面平整和孔塞的问题。

但是垂直喷锡仍计多的缺点，例如受热不平均Pad下缘有锡垂（Solder

Sag），铜溶出量太多等，因此，于1980年初期，水平喷锡被发展出来，其制程能力，较垂直喷锡好很多，有众多的优点，如细线路可到15mil以下，锡铅厚度均匀也较易控制，减少热冲击，减少铜溶出以及降低IMC层厚度。

B.流程

不管是垂直、喷锡or水平喷锡，正确的制造流程一样如下:

C.贴金手指保护胶此步骤目的在保护金手指以免渗锡,其选择很重要,要能耐热,贴紧,不沾胶.

D.前清洁处理前清洁处理主要的用意，在将铜表面的有机污染氧化物等去除，一般的处理方式如下

脱脂-清洗-微蚀-水洗-酸洗（中和）-水洗-热风干。

使用脱脂剂者，一般用酸性，且为浸泡方式而非喷洒方式，此程序依各厂前制程控制状况为选择性。

微蚀则是关键步骤，若能控制微蚀深度在0.75〜1.0nm（30〜40口in），则可确保铜面之有机污染去除干净。

至于是否须有后酸洗仲和），则视使用微蚀剂种类，见表。

此微蚀最佳方式，是以水平喷洒的设备为之维持一定的微蚀速率，以及控制后面水洗，热风吹干间隔的时间，防止再氧化的情形出现；并和喷锡速度密切搭配，使生产速率一致。

属于前制程严重的问题，例如S/M残留，或者显影不净问题，则再强的微蚀都无法解决这个问题。

前清洁处理的好坏，有以下几个因素的影响：

－化学剂的种类－活性剂的浓度（如氧化剂，酸）

－微蚀剂的铜浓度

－温度－作用时间槽液寿命，视铜浓度而定，所以为维持etchrate的稳定，可以分析铜浓度来控制添加新鲜的药液。

E.预热预热段一般使用于水平喷锡，其功能有三，一为减少进入锡炉时热冲击，二是避免孔塞或孔小。

三、接触锡炉时较快形成IMC以利上锡。

若能加进此程序，当然最好，否则浸锡时间须增加，尤其是厚度大于1.6.mm的厚板，预热方式有使用烤箱者，水平方式则大半用IR做预热，in-line输送以控制速度及温度。

以1.6mm厚度而言，其预热条件应维持表面温度在144~174C间。

若板子是高层次，高纵横比（Aspect

Ratio）,以及内层为散热层，则热传效果是非常重要的。

有些公司的预热放在Coatingflux之后，但根据实验显示如此会

将flux中的活性成份破坏，而不利于吃锡。

前述提到很多垂直喷洒式。

不管用何种方式，均匀与完全的涂覆是最为主要的。

助焊剂的选择，要考虑的因素非常的多。

助焊剂要考量的是它的黏度与酸度（活性），其适用范围和助焊剂黏度的选择，就必须较垂直喷锡低很产品的种类，制程以及设备有很大的关连。

譬如，水平喷锡的．多。

因水平喷锡之浸锡时间短，所以助焊剂须以较快速度接触板面与孔内。

除了这些以外，尚有以下的考虑：

－与锡炉的抗氧化油是否兼容－是何不易清洁，而有残留物

所以，为了易于清洁，大部份flux主成份为glycol，可溶于水.活化剂则使用如HCl或HBr等酸。

最后，因设备的差异，flux的一些特质可能因使用的过程而有变化，如黏度以及挥发性成份。

因此须考虑自动添加系统，除补充液之外，亦补充挥发性成份。

F上锡铅

此段程序，是将板子完全浸入熔融态的锡炉中，液态Sn/Pb表面则覆盖乙二醇类（glycol）的抗氧化油，此油须与助

焊剂兼容，此步骤最重要的是停留时间，以及因在高温锡炉中，如何克服板弯问题的产生。

板子和锡接触的瞬间，铜表面即产生一薄层IMCCu6Sn5，有助后续零件焊接。

此IMC层在一般储存环境下，厚度的成长有限，但若高温下，则厚度增长快速，反而会造成吃锡不良。

垂直喷锡和水平喷锡极大的不同点，在于垂直喷锡从进入锡炉瞬间至离开锡炉瞬间的时间约是水平喷锡的二倍左右。

整个PANEL受热的时间亦不均匀，而且水平喷锡板

子有细小的滚轮压住，让板子维持同一平面。

所以垂直喷锡一直有热冲击板子弯翘的问题存在。

虽有些公司特别设计夹具，减少其弯翘的情形，但产能却也因此减少。

G.整平

当板子完全覆盖锡铅后，接着经高压热风段将表面孔内多余的锡铅吹除，并且整平附着于PAD及孔壁的锡铅。

此热气的产生由空压机产生的高压空气，经加温后，再通过风刀吹出.其温度一般维持在210〜260C。

温度太低，会让仍是液状的锡铅表面白雾化及粗糙，温度太高则浪费电力。

空气压力的范围，一般在12〜30psi之间，视下列几个条件来找出最佳压力：

1.设备种类2.板厚3.孔纵横比4风刀角度及距离（以板子做基准）下列几个变量，会影响整个锡铅层厚度，平整度，甚至后续焊锡性的良窳。

1.风刀的结构

2.风刀口至板子的距离

3.风刀角度

4.空气压力大小

5.板子通过风刀的速度

6.外层线路密度及结构

其中，前五项都是可调整到最佳状况，但是第六项则和制程设备的选择或者后处理设备有极大的关系，例如垂直喷锡，在PAD下缘，或孔下半部会有锡垂造成厚度不均及孔径问题。

H.后清洁处理后清洁水洗目的，在将残留的助焊剂或其由锡炉带出之残油类物质洗除，本步骤是喷锡最后一个程序，看似没什么，但若不用心建置，反而会功败垂成，以下是几个要考虑的因素：

1.冷却段及Holder的设计

2.化学洗

3.水洗水的水质、水温及循环设计

4.各段的长度（接触时间）

5.轻刷段

成功的后清洁制程的设计必须是板子清洗后：

1.板弯翘维持最小比率

2.离子污染必须小于最高标准（一般为6.511g/cm2）

3.表面绝缘阻抗（SIR）必须达最低要求。

（一般标准：

3X109喷锡水洗后35C,85%RH,24小时后）锡炉中各种金属杂质的影响13.3

喷锡品质的好坏,因素复杂,除上述之锡炉温度高压喷气温度以及浸锡时间外,另一个颇为重要的因素是污染的程度。

温度与时间的控制以各种方式做监控。

但是杂质的in-line监控却是不可能的是,它是须要特殊的分析设备来做精确分析,如AA等,规模够大,有自已的化验室者,通常由化验人员做定期分析；或者由提供锡铅的供货商定期取回分析。

决定锡炉寿命的主要两个因素,一是铜污染,二是锡的浓度,当然其它的金属污染若有异常现象,亦不可等闲视之。

A.铜

铜污染是最主要的,且产生来源亦是清楚不过。

铜表面在Soldering时,会产生一层IMC,那是因铜migrates至Solder中,形成种化学1（Cu3Sn和Cu5Sn6）,随着处理的面积增加,铜溶入Solder的浓度会增加,但它的饱和点,是0.36%（在243C）,当超过饱和点时，锡面就会呈现颗粒状粗糙表面，这是因为IMC的密度低于熔溶态锡铅，它会nigrate

到锡铅表面，呈树状结晶，因此看起来粗糙，这种现像会有两个问题，一是外观，二是焊锡性。

因PAD表面锡铅内含

铜浓度高，因此在组配零件，会额外增加如WaveSolder或IRReflow时的设定温度，甚至根本无法吃锡。

B.锡

锡和铅合金的最低熔点183C,其比例是63:

37，因此其比例若因制作过程而有变化，极可能因差异太大，而造成装配时的条件设定不良。

一般，锡含量比例变化在61.5~63.5%之间，尚不致有影响。

若高于或低于此范围，除了改变其熔点外，并因此改变其表面张力，伴随的后果是助焊剂的功能被打折扣。

助焊剂最大的作用在清洁铜面并使达到较低

的自由状态。

而且后续装配时使用高速，低温的焊锡应用亦会大受影响而使表现不如预期。

C.金

金也是一个常见的金属污染，若金手指板产量多时，更须注意控管。

若Solder接触金面，会形成另一IMC层—AuSn4。

金溶入Solder的溶解度是铜的六倍对焊接点有绝对的伤害。

有金污染的solder画面看似结霜，且易脆。

要彻底避免金的污染，可将金手指制程放在喷之后。

一旦金污染超过限度只有换新一途。

D.锑Antimony

锑对于焊锡和铜间的wetting亦有影响，其含量若超出0.5%，即对焊性产生不良影响。

E.硫（Sulfur）硫的污染会造成很严重的焊锡性问题，即使是百万之几的含量，而且它会和锡及铅起化学反应。

因此要尽所有可能防止它污染的可能性，包括进料的检验，制程中带入的可能。

F.表13.1是一般可容许的杂质百分比，所订的数字会比较严苛，这是因为个别的污染虽有较高的容忍度，但若同时有几个不同污染体，则有可能即使仅有容忍上限的.1/2，但仍会造成制程的不良焊锡性变差。

因此，制程管理者须谨慎从事。

SMO