印刷电路板.docx

1、印刷电路板印刷電路板（PCB）之種類 印刷電路板（Printed Circuit Board簡稱PCB）是依電路設計，將連接電路零件的電氣佈線會製成佈線圖形，然後再以設計所指定的機械加工、表面處理等方式，在絕緣體上使電氣導體重現所構成的電路板而言；換言之，印刷電路板是搭配電子零件之前的的基板。該類產品的作用是將各項電子零件以電路板所形成的電子電路，發揮各項電子零組件的功能，以達到信號處理的目的。由於印刷電路板設計品質的良窳，不但直接影響電子產品的可靠度，亦可左右系統產品整體的性能及競爭力。而銅箔基板（Copper Clad Laminate簡稱CCl）則是製造印刷電路板之關鍵性基礎材料，係利用

2、絕緣紙、玻璃纖維布或其他纖維材料經樹脂含浸的黏合片（Prepreg）疊和而成的積層板，在高溫高壓下於單面或雙面覆加銅箔而得名。而電路板的製造過程是應用印刷、照相、蝕刻及電鍍等技術來製造精密的配線，做為支撐電子零件及零件間電路相互接續的組裝基地。因此，高密度化及多層化的配線形成技術成為印刷電路板製造業發展的主流。 板子本身的底座是由絕緣隔熱、並無法彎曲的材質所製作成。在表面可以看到的細小線路材料是銅箔，原本銅箔是覆蓋在整個板子上的，而在製造過程中部份被蝕刻處理掉，留下來的部份就變成網狀的細小線路了。這些線路被稱作導線（conductor pattern）或稱佈線，並用來提供PCB上零件的電路連接

3、。 為了將零件固定在PCB上面，我們將它們的接腳直接焊在佈線上。在最基本的PCB（單面板）上，零件都集中在其中一面，導線則都集中在另一面。這麼一來我們就需要在板子上打洞，這樣接腳才能穿過板子到另一面，所以零件的接腳是焊在另一面上的。因為如此，PCB的正反面分別被稱為零件面（Component Side）與焊接面（Solder Side）。 如果PCB上頭有某些零件，需要在製作完成後也可以拿掉或裝回去，那麼該零件安裝時會用到插座（Socket）。由於插座是直接焊在板子上的，零件可以任意的拆裝。下面看到的是ZIF（Zero Insertion Force，不費力式）插座，它可以讓零件（這裡指的是C

4、PU）可以輕鬆插進插座，也可以拆下來。插座旁的固定桿，可以在您插進零件後將其固定。 如果要將兩塊PCB相互連結，一般我們都會用到俗稱金手指的邊接頭（edge connector）。金手指上包含了許多裸露的銅墊，這些銅墊事實上也是PCB佈線的一部份。通常連接時，我們將其中一片PCB上的金手指插進另一片PCB上合適的插槽上（一般叫做擴充槽Slot）。在電腦中，像是顯示卡，音效卡或是其他類似的界面卡，都是藉著金手指來與主機板連接的。 PCB上的綠色或是棕色，是防焊漆（solder mask）的顏色。這層是絕緣的防護層，可以保護銅線，也可以防止零件被焊到不正確的地方。在防焊層上另外會印刷上一層網版印刷

5、面（silk screen）。通常在這上面會印上文字與符號（大多是白色的），以標示出各零件在板子上的位置。網版印刷面也被稱作圖標面（legend）。 在電子裝配中，印刷電路板是個關鍵零件。它搭載其他的電子零件並連通電路，以提供一個安穩的電路工作環境。如以其上電路配置的情形可概分為三類： a. 【單面板】在最基本的PCB上，零件集中在其中一面，導線則集中在另一面上。因為導線只出現在其中一面，所以我們就稱這種PCB叫作單面板（Single-sided）。因為單面板在設計線路上有許多嚴格的限制（因為只有一面，佈線間不能交叉而必須繞獨自的路徑），所以只有早期的電路才使用這類的板子。 b. 【雙面板】這

6、種電路板的兩面都有佈線。不過要用上兩面的導線，必須要在兩面間有適當的電路連接才行。這種電路間的橋樑叫做導孔（via）。導孔是在PCB上，充滿或塗上金屬的小洞，它可以與兩面的導線相連接。因為雙面板的面積比單面板大了一倍，而且因為佈線可以互相交錯（可以繞到另一面），它更適合用在比單面板更複雜的電路上。 c. 【多層板】為了增加可以佈線的面積，多層板用上了更多單或雙面的佈線板。多層板使用數片雙面板，並在每層板間放進一層絕緣層後黏牢（壓合）。板子的層數就代表了有幾層獨立的佈線層，通常層數都是偶數，並且包含最外側的兩層。大部分的主機板都是4到8層的結構，不過技術上可以做到近100層的PCB板。大型的超級

7、電腦大多使用相當多層的主機板，不過因為這類電腦已經可以用許多普通電腦的群組代替，超多層板已經漸漸不被使用了。因為PCB中的各層都緊密的結合，一般不太容易看出實際數目，不過如果您仔細觀察主機板，也許可以看出來。 我們剛剛提到的導孔（via），如果應用在雙面板上，那麼一定都是打穿整個板子。不過在多層板當中，如果您只想連接其中一些線路，那麼導孔可能會浪費一些其他層的線路空間。埋孔（Buried vias）和盲孔（Blind vias）技術可以避免這個問題，因為它們只穿透其中幾層。盲孔是將幾層內部PCB與表面PCB連接，不須穿透整個板子。埋孔則只連接內部的PCB，所以光是從表面是看不出來的。 在多層板

8、PCB中，整層都直接連接上地線與電源。所以我們將各層分類為訊號層（Signal），電源層（Power）或是地線層（Ground）。如果PCB上的零件需要不同的電源供應，通常這類PCB會有兩層以上的電源與電線層。 依用途區分有以下幾種： 1. 單面PCB 基板材質以紙酚銅張積層板（紙酚當底，上鋪銅箔）、紙環氧樹酯（Epoxy）銅張積層板為主。大部分使用於收音機、AV電器、暖氣機、冷藏庫、洗衣機等家電產品，以及印表機、自動販賣機、電路機、電子元件等商業用機器，優點是價格低廉。 2. 雙面PCB 基板材質以Glass-Epoxy銅張積層板、Glass Composite（玻璃合成）銅張積層板，紙Ep

9、oxy銅張積層板為主。大部分使用於個人電腦、電子樂器、多功能電話機、汽車用電子機器、電子週邊、電子玩具等。至於Glass苯樹脂銅張積層板，Glass高分子銅張積層板由於高頻特性優良，大多使用在通信機器、衛星廣播機器、集移動性通信機器，當然成本也高。 3. 34層PCB 基板材質主要是Glass-Epoxy或苯樹脂。用途主要是個人電腦、Me(Medical Electronics，醫學電子)機器、測量機器、半導體測試機器、NC(Numeric Control，數值控制)機、電子交換機、通信機、記憶體電路板、IC卡等。最近也有玻璃合成銅張積層板當多層PCB材料，主要著眼於其加工特性優良。 4. 6

10、8層PCB 基板材質仍是以Glass-Epoxy或Glass苯樹脂為主。用於電子交換機、半導體測試機、中型個人電腦、EWS(Engineering Work Station，工程型工作站)、NC等機器。 5. 10層以上的PCB 基板以Glass苯樹脂材料為主，或是以Glass-Epoxy當多層PCB基板材料。這類PCB的應用較為特殊，大部分是大型電腦、高速電腦、防衛機器、通信機器等。主要是因其高頻特性、高溫特性優良之故。 6. 其他PCB基板材質 其他PCB基板材料尚有鋁基板、鐵基板等。將電路在基板上形成，大部分用於回轉機（小型馬達）汽車上。另外還有軟性PCB（Flexible Print

11、Circuit Board），電路在高分子、多元酯等為主的材料上形成，可作為單層、雙層，到多層板都可以。這種軟性電路板主要應用於照相機、OA機器等的可動部分，及上述硬性PCB間的連接或硬性PCB和軟性PCB間的有效連接組合，至於連接組合方式由於彈性高，其形狀呈多樣化。 零件封裝技術 插入式封裝技術（Through Hole Technology） 將零件安置在板子的一面，並將接腳焊在另一面上，這種技術稱為插入式（Through Hole Technology，THT）封裝。這種零件會需要佔用大量的空間，並且要為每隻接腳鑽一個洞。所以它們的接腳其實佔掉兩面的空間，而且焊點也比較大。但另一方面，T

12、HT零件和SMT（Surface Mounted Technology，表面黏著式）零件比起來，與PCB連接的構造比較好，關於這點我們稍後再談。像是排線的插座，和類似的界面都需要能耐壓力，所以通常它們都是THT封裝。 表面黏著式封裝技術（Surface Mounted Technology） 使用表面黏著式封裝（Surface Mounted Technology，SMT）的零件，接腳是焊在與零件同一面。這種技術不用為每個接腳的焊接，而都在PCB上鑽洞。 表面黏著式的零件，甚至還能在兩面都焊上。表面黏著式的零件焊在PCB上的同一面。如下圖 SMT也比THT的零件要小，和使用THT零件的PCB比

13、起來，使用SMT技術的PCB板上零件要密集很多。SMT封裝零件也比THT的要便宜。所以現今的PCB上大部分都是SMT。 設計流程 在PCB的設計中，其實在正式佈線前，還要經過很漫長的步驟，以下就是主要設計的流程： 系統規格 首先要先規劃出該電子設備的各項系統規格。包含了系統功能、成本限制、大小、運作情形等等。 系統功能區塊圖 接下來必須要製作出系統的功能區塊圖。區塊間的關係也必須要標示出來。 將系統分割幾個PCB 將系統分割數個PCB的話，不僅在尺寸上可以縮小，也可以讓系統具有升級與交換零件的能力。系統功能區塊圖就提供了我們分割的依據，像是電腦就可以分成主機板、顯示卡、音效卡、軟碟和電源供應器

14、等。 決定使用封裝方法，和各PCB的大小 當各PCB使用的技術和電路數量都決定好了，接下來就是決定板子的大小了。如果設計過大，那麼封裝技術就要改變，或是重新作分割的動作。在選擇技術時，也要將線路圖的品質與速度都考量進去。 繪出所有PCB的電路概圖 概圖中要表示出各零件間的相互連接細節。所有系統中的PCB都必須要描出來，現今大多採用CAD（電腦輔助設計，Computer Aided Design）的方式。 PCB的電路概圖 初步設計的模擬運作 為了確保設計出來的電路圖可以正常運作，必須先用電腦軟體來模擬一次。這類軟體可以讀取概圖，並且用許多方式顯示電路運作的情況。這比起實際做出一塊樣本PCB，然

15、後用手動測量要來的有效率多了。 將零件放上PCB 零件放置的方式，是根據它們之間如何相連來決定的。它們必須以最有效率的方式與路徑相連接。所謂有效率的佈線，就是牽線越短並且通過層數越少（這也同時減少導孔的數目）越好，不過在真正佈線時，我們會再提到這個問題。下面是匯流排在PCB上佈線的樣子。為了讓各零件都能夠擁有完美的配線，放置的位置是很重要的。 測試佈線可能性，與高速下的正確運作 現今的部份電腦軟體，可以檢查各零件擺設的位置是否可以正確連接，或是檢查在高速運作下，這樣是否可以正確運作。這項步驟稱為安排零件，不過我們不會太深入研究這些。如果電路設計有問題，在實地導出線路前，還可以重新安排零件的位置

16、。 導出PCB上線路 在概圖中的連接，現在將會實地作成佈線的樣子。這項步驟通常都是全自動的，不過一般來說還是需要手動更改某些部份。下面是2層板的導線範本。紅色和藍色的線條，分別代表PCB的零件層與焊接層。白色的文字與四方形代表的是網版印刷面的各項標示。紅色的點和圓圈代表鑽洞與導孔。最右方我們可以看到PCB上的焊接面有金手指。這個PCB的最終構圖通常稱為工作底片（Artwork）。 使用CAD軟體作PCB導線設計 每一次的設計，都必須要符合一套規定，像是線路間的最小保留空隙，最小線路寬度，和其他類似的實際限制等。這些規定依照電路的速度，傳送訊號的強弱，電路對耗電與雜訊的敏感度，以及材質品質與製造

17、設備等因素而有不同。如果電流強度上升，那導線的粗細也必須要增加。為了減少PCB的成本，在減少層數的同時，也必須要注意這些規定是否仍舊符合。如果需要超過2層的構造的話，那麼通常會使用到電源層以及地線層，來避免訊號層上的傳送訊號受到影響，並且可以當作訊號層的防護罩。 導線後電路測試 為了確定線路在導線後能夠正常運作，它必須要通過最後檢測。這項檢測也可以檢查是否有不正確的連接，並且所有連線都照著概圖走。 建立製作檔案 因為目前有許多設計PCB的CAD工具，製造廠商必須有符合標準的檔案，才能製造板子。標準規格有好幾種，不過最常用的是Gerber files規格。一組Gerber files包括各訊號、

18、電源以及地線層的平面圖，防焊層與網板印刷面的平面圖，以及鑽孔與取放等指定檔案。 電磁相容問題 沒有照EMC（電磁相容）規格設計的電子設備，很可能會散發出電磁能量，並且干擾附近的電器。EMC對電磁干擾（EMI），電磁場（EMF）和射頻干擾（RFI）等都規定了最大的限制。這項規定可以確保該電器與附近其他電器的正常運作。EMC對一項設備，散射或傳導到另一設備的能量有嚴格的限制，並且設計時要減少對外來EMF、EMI、RFI等的磁化率。換言之，這項規定的目的就是要防止電磁能量進入或由裝置散發出。這其實是一項很難解決的問題，一般大多會使用電源和地線層，或是將PCB放進金屬盒子當中以解決這些問題。電源和地線

19、層可以防止訊號層受干擾，金屬盒的效用也差不多。對這些問題我們就不過於深入了。 電路的最大速度得看如何照EMC規定做了。內部的EMI，像是導體間的電流耗損，會隨著頻率上升而增強。如果兩者之間的的電流差距過大，那麼一定要拉長兩者間的距離。這也告訴我們如何避免高壓，以及讓電路的電流消耗降到最低。佈線的延遲率也很重要，所以長度自然越短越好。所以佈線良好的小PCB，會比大PCB更適合在高速下運作。 印刷電路板之製程 乾式製程： 裁板、乾膜壓合、疊板壓層、鑽孔、成型裁邊 濕式製程： 內層刷磨、內層顯像、內層蝕刻、內層去墨或剝膜、黑/棕氧化、去毛鞭、除膠渣、鍍通孔、全板鍍銅、外層刷磨、外層顯像、線路鍍銅、鍍

20、錫鉛、外層剝膜、外層蝕刻、剝錫鉛、防焊綠漆、前處理刷磨、防焊綠漆顯像、鍍鎳鍍金、噴錫前/後處理、成型清洗、綠漆褪洗。 a. 【蝕刻阻劑轉移】將感光乾膜滾壓於銅箔基板上，再將線路圖案底片置於其上，於UV光照射下曝光，使線路圖案上的乾膜起感光硬化(curing)反應，即正片影像轉移，最後以含Na2CO3的顯像液將線路以外未感光硬化的乾膜溶解去除。另一種方法為絲印法，即油墨印刷。此法乃先將線路圖案製版，然後以人工方式進行印刷，最後再將印在板面線路上的油墨烘乾硬化。 b. 【蝕刻阻劑轉移後蝕刻】以酸性蝕刻液(FeCl3或CuCl2系)將銅箔基板上未覆蓋蝕刻阻劑之銅面全溶蝕掉，僅剩被硬化的油墨或乾膜保護

21、的線路銅。 c. 【去蝕刻阻劑】以含NaOH(aq)或有機溶劑溶解線路銅上硬化之油墨或乾膜，使線路銅裸露出來。 d. 【黑/棕氧化】其目的在於使內層板線路表面上形成一層高抗撕裂強度的黑/棕色氧化銅絨晶，以增加內層板與膠片在進行層壓時的結合能力，黑/棕氧化槽液含磷酸三鈉、亞氯酸鈉、氫氧化鈉等組成黑藍色水溶液。 銅線是如何佈線 a. 【內層線路】銅箔基板先裁切成適合加工生產的尺寸大小。基板壓膜前通常需先用刷磨、微蝕將板面銅箔做適當的粗化處理，再以適當的溫度及壓力將乾膜光阻密合貼附其上。將貼好乾膜光阻的基板送入紫外線曝光機中曝光，光阻在底片透光區域受紫外線照射後會產生聚合反應（該區域的乾膜在稍後的顯

22、影、蝕銅步驟終將被保留下來當作蝕刻阻劑），而將底片上的線路影像移轉到板面乾膜光阻上。撕去膜面上的保護膠膜後，先以Na2CO3水溶液將膜面尚未受光照的區域顯影去除，再用HCl/H2O2混合溶液將裸露出來的銅箔腐蝕去除，形成線路。最後再以NaOH水溶液將乾膜光阻洗除。對於六層（含）以上的內層線路板以自動定位沖孔機沖出層間線路對位的鉚和基準孔。 b.【壓合】完成後的內層線路板須以玻璃纖維樹脂膠片與外層線路銅箔黏合。在壓合前，內層板需先經過黑（氧）化處裡，使銅面鈍化增加絕緣性；並使內層線路的銅面粗化以便能和膠片產生良好的黏合性能 。疊合時先將六層線路（含）以上的內層線路板用鉚釘機成對的鉚合。再用盛盤將

23、其整齊疊放於鏡面鋼板之間，送入真空壓合機中以適當之溫度及壓力使膠片硬化黏合。壓合後的電路板以X光自動定位鑽靶機鑽出靶孔做為內外層線路對位的基準孔。並將板邊做適當的細裁切割，以方便後續加工。 c. 【鑽孔】將電路板以CNC鑽孔機鑽出層間電路的導通孔到及焊接零件的固定孔。鑽孔時用插梢透過先前鑽出的靶孔將電路板固定於鑽孔機床檯上，同時加上平整的下墊板（酚醛樹酯板或木漿板）與上蓋板（鋁板）以減少鑽孔毛頭的發生。 d. 【線路鍍銅】 1.脫脂以鹼性清潔液去除來自顯像步驟殘留的墨渣。 2.微蝕以微蝕液（如過硫酸鈉）輕微溶蝕板面上的線路銅，以完全去除顯像後現路上殘留的任何乾膜（或油墨）殘渣。 3.酸浸以稀硫

24、酸液去除線路銅表面上之氧化物。 4.鍍銅將印刷電路板置放於含硫酸銅、硫酸及微量氯離子和添加劑（光澤劑）的電鍍槽液的陰極，陽極為磷銅塊，供給直流電源，使電路板之線路銅上沈積金屬銅。 e. 【鍍通孔一次銅】在層間導通孔道成行後需於其上佈建金屬銅層，以完成層間電路的導通。先以重度刷磨及高壓沖洗的方式清理孔上的毛頭及孔中的粉屑，再以高錳酸鉀溶液去除孔壁銅面上的膠渣。在清理乾淨的孔壁上浸泡附著上錫鈀膠質層，再將其還原成金屬鈀。將電路板浸於化學銅溶液中，藉著鈀金屬的催化作用將溶液中的銅離子還原沈積附著於孔壁上，形成通孔電路。再以硫酸銅浴電鍍的方式將導通孔內的銅層加厚到足夠抵抗後續加工及使用環境衝擊的厚度。

25、 f. 【外層線路二次銅】在線路影像轉移的製作上如同內層線路，但在線路蝕刻上則分成正片和負片兩種生產方式。負片的生產方式如同內層線路製作，在顯影後直接蝕銅、去膜即算完成。正片的生產方式則是在顯影後再加鍍二次銅與錫鉛（該區域的錫鉛在稍後的蝕銅步驟終將被保留下來當作蝕刻阻劑），去膜後以鹼性的氨水、氯化銅混合溶液將裸露出來的銅箔腐蝕去除，形成線路。最後再以錫鉛剝除液將錫鉛層剝除。 g. 【防焊綠漆】外層線路完成後需再披覆絕緣的樹酯層來保護線路避免氧化和焊接短路。塗裝前通常需先用刷磨、微蝕等方法將線路板銅面做適當的粗化清潔處理。而後以網版印刷、簾塗、靜電噴塗等方式將液態感光綠漆塗覆於板面上，再預烘乾燥

26、（乾膜感光綠漆則是以真空壓膜機將其壓合披覆於板面上）。待其冷卻後送入紫外線曝光機中曝光，綠漆在底片透光區域受紫外線照射後會產生聚合反應（該區域的綠漆在稍後的顯影步驟終將被保留下來），以Na2CO3水溶液將塗膜尚未受光照的區域顯影去除。最後再加以高溫烘烤使綠漆中的樹酯完全硬化。 h. 【文字印刷】將客戶所需的文字、商標或零件標號以網版印刷的方式印在板面上，再用熱烘（或紫外線照射）的方式讓文字漆墨硬化。 i. 【接點加工】防焊綠漆覆蓋了大部分的線路銅面，僅露出供零件焊接、電性測試及電路板插接用的終端接點。該端點需另加適當保護層，以避免在長期使用中連通陽極（）的端點產生氧化物，影響電路穩定性及造成安

27、全顧慮。 1.鍍金在電路板的插接端點上（俗稱金手指）鍍上一層高硬度耐磨損的鎳層及高化學鈍性的金屬來保護端點及提供良好接通性能。 2.噴錫在電路板的焊接端點上以熱風整平的方式覆蓋上一層錫鉛合金屬，來保護電路板端點及提供良好的焊接性能。 3.預焊在電路板的焊接端點上以浸染的方式覆蓋一層抗氧化預焊皮膜，在焊接前暫時保護焊接端點及提供較平整的焊接面，使具有良好的焊接性能。 4.碳墨在電路板的接觸端點上以網版印刷的方式印上一層碳墨，以保護端點及提供良好的接通性能。 j.【去抗鍍阻劑及蝕刻】在進行蝕刻前，先行將線路以外的硬化乾膜或油墨部分，以氫氧化鈉或有機溶劑將其溶解剝離，再進行蝕刻，將線路以外未鍍上耐蝕

28、刻錫鉛合金的銅面全部溶蝕掉，其反應如下： Cu+Cu(NH3)42+ 2Cu(NH3)2+ 4Cu(NH3)2+8NH3+O2+2H2O 4Cu(NH3)42+4OH- 2Cu+8NH3+ClO2-+2H2O 2Cu(NH3)42+Cl-+4OH-蝕刻液中主要成分及功能如表一 表一 蝕刻液主要成分及其功能 名稱 成分 功能 複合物 氨水 使銅維持離子狀態溶解於溶液中 加速劑 氯化銨 增加蝕刻速率及溶解穩定性 氧化劑 銅離子、亞氯酸鈉 溶解金屬銅 添加劑 - 緩衝清潔 k. 【成型切割】將電路板以CNC成型機（或模具沖床）切割成客戶需求的外型尺寸。切割時用插梢透過先前鑽出的定位孔將電路板固定於床檯（或模具）上成型。切割後金手指部位再進行磨斜角加工以方便電路板插接使用。對於多聯片成型的電路板多需加開X形折斷線，以方便客戶於插件後分割拆解。最後在將電路板上的粉屑及表面的離子污染物洗淨。 l. 【終檢包裝】在包裝前對電路板進行最後的電性導通、阻抗測試及焊錫性、熱衝擊耐受性試驗。並以適度的烘烤消除電路板在製程中所吸附的濕氣及積存的熱應力，最後再用真空袋封裝出貨。