PCB制造工艺精.docx

1、PCB制造工艺精PCB 制造流程及说明一 . PCB演变1.1 PCB扮演的角色PCB 的功能为提供完成第一层级构装的组件与其它必须的电子电路零件接 合的基地,以组成一个具 特定功能的模块或成品。所以 PCB 在整个电子产 品中,扮演了整合连结总其成所有功能的角色,也因此 时常电子产品功能故 障时,最先被质疑往往就是 PCB 。图 1.1是电子构装层级区分示意。1.2 PCB的演变1. 早于 1903年 Mr. Albert Hanson首创利用 线路 (Circuit 观念应用于电话交换机系统。它是用 金属箔予以切割成线路导体, 将之黏着于石蜡纸上, 上面同样贴上一层石蜡纸, 成了现今 PC

2、B 的机构雏型。 见图 1.22. 至 1936年, Dr Paul Eisner真正发明了 PCB 的制作技术, 也发表多项专利。 而今日之 print-etch (photo image transfer的技术,就是沿袭其发明而来的。1.3 PCB种类及制法在材料、层次、制程上的多样化以适 合 不同的电子产品及其特殊需求。 以下就归纳一些通用的区别 办法,来简单介绍 PCB 的分类以及它的制造方 法。1.3.1 PCB种类A. 以材质分a. 有机材质酚醛树脂、玻璃纤维 /环氧树脂、 Polyamide 、 BT/Epoxy等皆属之。b. 无机材质铝、 Copper Inver-copper

3、、 ceramic 等皆属之。主要取其散热功能B. 以成品软硬区分a. 硬板 Rigid PCBb. 软板 Flexible PCB 见图 1.3c. 软硬板 Rigid-Flex PCB 见图 1.4C. 以结构分a. 单面板 见图 1.5b. 双面板 见图 1.6c. 多层板 见图 1.7D. 依用途分:通信 /耗用性电子 /军用 /计算机 /半导体 /电测板 , 见图 1.8 BGA.另有一种射出成型的立体 PCB ,因使用少,不在此介绍。1.3.2制造方法介绍A. 减除法,其流程见图 1.9B. 加成法,又可分半加成与全加成法,见图 1.10 1.11C. 尚有其它因应 IC 封装的变

4、革延伸而出的一些先进制程,本光盘仅提及但不详加介绍,因有许多尚 属机密也不易取得,或者成熟度尚不够。 本光盘以传统负片多层板的制程为主轴,深入浅出的介绍各个制 程,再辅以先进技术的观念来探讨未来的 PCB 走势。二 . 制前准备2.1. 前言台湾 PCB 产业属性,几乎是以OEM,也就是受客户委托制作空板(Bare Board而已,不像美国, 很多 PCB Shop是包括了线路设计,空板制作以及装配 (Assembly的 Turn-Key 业务。以前,只要客户 提供的原始数据如 Drawing, Artwork, Specification,再以手动翻片、排版、打带等作业,即可进行制 作,但近

5、年由于电子产品日趋轻薄短小, PCB 的制造面临了几个挑战 :(1薄板(2高密度(3高性能 (4高速 ( 5 产品周期缩短(6降低成本等。以往以灯桌、笔刀、贴图及照相机做为制前工具,现在 己被计算机、工作软件及激光绘图机所取代。过去,以手工排版,或者还需要 Micro-Modifier 来修正尺寸 等费时耗工的作业, 今天只要在 CAM(Computer Aided Manufacturing工作人员取得客户的设计资料, 可能几小时内, 就可以依设计规则或 DFM(Design For Manufacturing自动排版并变化不同的生产条件。 同时可以 output 如钻孔、成型、测试治具等资

6、料。2.2. 相关名词的定义与解说A Gerber file这是一个从 PCB CAD 软件输出的数据文件做为光绘图语言。 1960年代一家名叫 Gerber Scientific (现在叫 Gerber System 专业做绘图机的美国公司所发展出的格式,尔后二十年,行销于世界四十多 个国家。 几乎所有 CAD 系统的发展, 也都依此格式作其 Output Data, 直接输入绘图机就可绘出 Drawing 或 Film ,因此 Gerber Format成了电子业界的公认标准。B. RS-274D是 Gerber Format 的正式名称,正确称呼是 EIA STANDARD RS-274

7、D(Electronic Industries Association 主要两大组成:1.Function Code:如 G codes, D codes, M codes 等。 2.Coordinate data :定义图像(imaging C. RS-274X是 RS-274D 的延伸版本,除 RS-274D 之 Code 以外,包括 RS-274X Parameters ,或称整个 extended Gerber format它以两个字母为组合,定义了绘图过程的一些特性。D. IPC-350IPC-350是 IPC 发展出来的一套 neutral format, 可以很容易由 PCB C

8、AD/CAM产生 , 然后依此系 统 ,PCB SHOP 再产生 NC Drill Program,Netlist,并可直接输入 Laser Plotter绘制底片 .E. Laser Plotter见图 2.1, 输入 Gerber format或 IPC 350 format以绘制 ArtworkF . Aperture List and D-Codes见表 2.1 及图 2.2, 举一简单实例来说明两者关系 , Aperture的定义亦见图 2.12.3. 制前设计流程:2.3.1客户必须提供的数据:电子厂或装配工厂,委托 PCB SHOP生产空板(Bare Board时,必须提供下列数

9、据以供制作。见 表料号数据表 -供制前设计使用 .上表数据是必备项目,有时客户会提供一片样品 , 一份零件图,一份保证书(保证制程中使用之原物料、 耗料等不含某些有毒物质等。这些额外数据,厂商须自行判断其重要性,以免误了商机。2.3.2 .资料审查面对这么多的数据,制前设计工程师接下来所要进行的工作程序与重点,如下所述。A. 审查客户的产品规格,是否厂内制程能力可及,审查项目见承接料号制程能力检查表 .B. 原物料需求(BOM-Bill of Material根据上述资料审查分析后,由 BOM 的展开,来决定原物料的厂牌、种类及规格。主要的原物料包括 了:基板(Laminate 、胶片(Pre

10、preg 、铜箔(Copper foil 、防焊油墨(Solder Mask 、文字油墨 (Legend 等。另外客户对于 Finish 的规定 , 将影响流程的选择 , 当然会有不同的物料需求与规格,例如:软、硬金、喷钖、 OSP 等。表归纳客户规范中,可能影响原物料选择的因素。C. 上述 乃属 新数据 的审 查 , 审查 完毕 进行样 品的 制作 . 若 是旧 资料 , 则 须 Check 有无户 ECO (Engineering Change Order .再进行审查 .D. 排版排版的尺寸选择将影响该料号的获利率。因为基板是主要原料成本(排版最佳化,可减少板材浪费 ; 而适当排版可提高

11、生产力并降低不良率。有些工厂认为固定某些工作尺寸可以符合最大生产力,但原物料成本增加很多 . 下列是一些考虑的方 向:一般制作成本,直、间接原物料约占总成本 3060%,包含了基板、胶片、铜箔、防焊、干膜、钻头、 重金属(铜、钖、铅 ,化学耗品等。而这些原物料的耗用,直接和排版尺寸恰当与否有关系。大部份电子 厂做线路 Layout 时,会做连片设计,以使装配时能有最高的生产力。因此, PCB 工厂之制前设计人员, 应和客户密切沟通, 以使连片 Layout 的尺寸能在排版成工作 PANEL 时可有最佳的利用率。 要计算最恰当 的排版,须考虑以下几个因素。a. 基材裁切最少刀数与最大使用率(裁切

12、方式与磨边处理须考虑进去 。b. 铜箔、胶片与干膜的使用尺寸与工作 PANEL 的尺寸须搭配良好,以免浪费。c. 连片时, piece 间最小尺寸,以及板边留做工具或对位系统的最小尺寸。d. 各制程可能的最大尺寸限制或有效工作区尺寸 .e. 不同产品结构有不同制作流程,及不同的排版限制,例如,金手指板,其排版间距须较大且有方向 的考量,其测试治具或测试次序规定也不一样。 较大工作尺寸,可以符合较大生产力,但原物料成本增加 很多 , 而且设备制程能力亦需提升,如何取得一个平衡点,设计的准则与工程师的经验是相当重要的。 2.3.3 着手设计所有数据检核齐全后,开始分工设计:A. 流程的决定 (Fl

13、ow Chart 由数据审查的分析确认后,设计工程师就要决定最适切的流程步骤。 传 统多层板的制作流程可分作两个部分 :内层制作和外层制作 . 以下图标几种代 表性流程供参考 . 见图 2.3 与 图 2.4B. CAD/CAM作业a. 将 Gerber Data 输入所使用的 CAM 系统,此时须将 apertures 和 shapes 定义好。目前,己有 很多 PCB CAM 系统可接受 IPC-350的格式。 部份 CAM 系统可产生外型 NC Routing 档, 不过一般 PCB Layout 设计软件并不会产生此文件。 有部份专业软件或独立或配合 NC Router , 可设定参数

14、直接输出程 序 .Shapes 种类有圆、 正方、 长方 , 亦有较复杂形状, 如内层之 thermal pad等。 着手设计时, Aperture code 和 shapes 的关连要先定义清楚,否则无法进行后面一系列的设计。b. 设计时的 Check list依据 check list审查后,当可知道该制作料号可能的良率以及成本的预估。c. Working Panel排版注意事项:-PCB Layout 工程师在设计时,为协助提醒或注意某些事项,会做一些辅助的记号做参考,所以必 须在进入排版前,将之去除。下表列举数个项目,及其影响。-排版的尺寸选择将影响该料号的获利率。 因为基板是主要原料

15、成本 (排版最佳化, 可减少板材浪费 ; 而适当排版可提高生产力并降低不良率。有些工厂认为固定某些工作尺寸可以符合最大生产力,但原物料成本增加很多 . 下列是一些考虑的方 向:一般制作成本,直、间接原物料约占总成本 3060%,包含了基板、胶片、铜箔、防焊、干膜、钻头、 重金属(铜、钖、铅、金 ,化学耗品等。而这些原物料的耗用,直接和排版尺寸恰当与否有关系。大部份 电子厂做线路 Layout 时,会做连片设计,以使装配时能有最高的生产力。因此, PCB 工厂之制前设计人 员, 应和客户密切沟通, 以使连片 Layout 的尺寸能在排版成工作 PANEL 时可有最佳的利用率。 要计算最 恰当的排

16、版,须考虑以下几个因素。1. 基材裁切最少刀数与最大使用率(裁切方式与磨边处理须考虑进去 。2. 铜箔、胶片与干膜的使用尺寸与工作 PANEL 的尺寸须搭配良好,以免浪费。3. 连片时, piece 间最小尺寸,以及板边留做工具或对位系统的最小尺寸。4. 各制程可能的最大尺寸限制或有效工作区尺寸 .5不同产品结构有不同制作流程,及不同的排版限制,例如,金手指板,其排版间距须较大且有方向 的考量,其测试治具或测试次序规定也不一样。较大工作尺寸,可以符合较大生产力,但原物料成本增加很多 , 而且设备制程能力亦需提升,如何取得 一个平衡点,设计的准则与工程师的经验是相当重要的。-进行 working

17、 Panel的排版过程中,尚须考虑下列事项,以使制程顺畅,表排版注意事项 。 d. 底片与程序:-底片 Artwork 在 CAM 系统编辑排版完成后, 配合 D-Code 档案, 而由雷射绘图机 (Laser Plotter 绘出底片。所须绘制的底片有内外层之线路,外层之防焊,以及文字底片。由于线路密度愈来愈高,容差要求越来越严谨,因此底片尺寸控制,是目前很多 PCB 厂的一大课题。 表是传统底片与玻璃底片的比较表。 玻璃底片使用比例已有提高趋势。 而底片制造商亦积极研究替代材料, 以使尺寸之安定性更好。例如干式做法的铋金属底片 .一般在保存以及使用传统底片应注意事项如下:1. 环境的温度与

18、相对温度的控制2. 全新底片取出使用的前置适应时间3. 取用、传递以及保存方式4. 置放或操作区域的清洁度-程序含一 , 二次孔钻孔程序,以及外形 Routing 程序其中 NC Routing程序一般须另行处理e. DFM-Design for manufacturing .PCB layout 工程师大半不太了解, PCB 制作流程以及各制 程需要注意的事项,所以在 Lay-out 线路时,仅考虑电性、逻辑、尺寸等,而甚少顾及其它。 PCB 制前设 计工程师因此必须从生产力, 良率等考量而修正一些线路特性, 如圆形接线 PAD 修正成泪滴状, 见图 2.5, 为的是制程中 PAD 一孔对位

19、不准时,尚能维持最小的垫环宽度。但是制前工程师的修正,有时却会影响客户产品的特性甚或性能,所以不得不谨慎。 PCB 厂必须有一 套针对厂内制程上的特性而编辑的规范除了改善产品良率以及提升生产力外,也可做为和 PCB 线路 Lay-out 人员的沟通语言,见图 2.6 .C. Tooling指AOI与电测Netlist檔.AOI由CAD reference文件产生AOI系统可接受的数据、且含容差,而电测Net list档则用来制作电测治具Fixture。2.4 结语颇多公司对于制前设计的工作重视的程度不若制程,这个观念一定要改,因为随着电子产品的演变,PCB 制作的技术层次愈困难,也愈须要和上游

20、客户做最密切的沟通,现在已不是任何一方把工作做好就表示组装好的产品没有问题,产品的使用环境, 材料的物,化性, 线路Lay-out的电性, PCB的信赖性等,都会影响产品的功能发挥.所以不管软件,硬件,功能设计上都有很好的进展,人的观念也要有所突破才行.三. 基板印刷电路板是以铜箔基板(Copper-clad Laminate 简称CCL 做为原料而制造的电器或电子的重要机构组件,故从事电路板之上下游业者必须对基板有所了解:有那些种类的基板,它们是如何制造出来的,使用于何种产品, 它们各有那些优劣点,如此才能选择适当的基板.表3.1简单列出不同基板的适用场合.基板工业是一种材料的基础工业,是由

21、介电层(树脂Resin ,玻璃纤维Glass fiber ,及高纯度的导体(铜箔Copper foil 二者所构成的复合材料(Composite material,其所牵涉的理论及实务不输于电路板本身的制作。以下即针对这二个主要组成做深入浅出的探讨.3.1介电层3.1.1树脂Resin3.1.1.1前言目前已使用于线路板之树脂类别很多,如酚醛树脂(Phonetic 、环氧树脂(Epoxy 、聚亚醯胺树脂(Polyamide 、聚四氟乙烯(Polytetrafluorethylene,简称PTFE或称TEFLON,B一三氮树脂(Bismaleimide Triazine 简称BT 等皆为热固型的

22、树脂(Thermosetted Plastic Resin。3.1.1.2 酚醛树脂Phenolic Resin是人类最早开发成功而又商业化的聚合物。是由液态的酚(phenol及液态的甲醛(Formaldehyde 俗称Formalin 两种便宜的化学品,在酸性或碱性的催化条件下发生立体架桥(Crosslinkage 的连续反应而硬化成为固态的合成材料。其反应化学式见图3.11910 年有一家叫Bakelite 公司加入帆布纤维而做成一种坚硬强固,绝缘性又好的材料称为Bakelite,俗名为电木板或尿素板。美国电子制造业协会(NEMA-Nationl Electrical Manufactur

23、ers Association 将不同的组合冠以不同的编号代字而为业者所广用, 现将酚醛树脂之各产品代字列表,如表NEMA 对于酚醛树脂板的分类及代码表中纸质基板代字的第一个X 是表示机械性用途,第二个X 是表示可用电性用途。第三个 X 是表示可用有无线电波及高湿度的场所。P 表示需要加热才能冲板子(Punchable ,否则材料会破裂,C 表示可以冷冲加工(cold punchable ,FR 表示树脂中加有不易着火的物质使基板有难燃(Flame Retardent 或抗燃(Flame resistance 性。纸质板中最畅销的是XXXPC及FR-2.前者在温度25 以上,厚度在.062in

24、以下就可以冲制成型很方便,后者的组合与前完全相同,只是在树脂中加有三氧化二锑增加其难燃性。以下介绍几个较常使用纸质基板及其特殊用途:A 常使用纸质基板a. XPC Grade:通常应用在低电压、低电流不会引起火源的消费性电子产品,如玩具、手提收音机、电话机、计算器、遥控器及钟表等等。UL94对XPC Grade 要求只须达到HB难燃等级即可。b. FR-1 Grade:电气性、难燃性优于XPC Grade,广泛使用于电流及电压比XPC Grade稍高的电器用品,如彩色电视机、监视器、VTR、家庭音响、洗衣机及吸尘器等等。UL94要求FR-1难燃性有V-0、V-1与V-2不同等级,不过由于三种等

25、级板材价位差异不大,而且考虑安全起见,目前电器界几乎全采用V-0级板材。c. FR-2 Grade:在与FR-1比较下,除电气性能要求稍高外,其它物性并没有特别之处,近年来在纸质基板业者努力研究改进FR-1技术,FR-1与FR-2的性质界线已渐模糊,FR-2等级板材在不久将来可能会在偏高价格因素下被FR-1 所取代。B. 其它特殊用途:a. 铜镀通孔用纸质基板主要目的是计划取代部份物性要求并不高的FR-4板材,以便降低PCB的成本.b. 银贯孔用纸质基板时下最流行取代部份物性要求并不很高的FR-4作通孔板材,就是银贯孔用纸质基板印刷电路板两面线路的导通,可直接借由印刷方式将银胶(Silver

26、Paste 涂布于孔壁上,经由高温硬化,即成为导通体,不像一般FR-4板材的铜镀通孔,需经由活化、化学铜、电镀铜、锡铅等繁杂手续。b-1 基板材质1 尺寸安定性:除要留意X、Y轴(纤维方向与横方向外,更要注意Z轴(板材厚度方向,因热胀冷缩及加热减量因素容易造成银胶导体的断裂。2 电气与吸水性:许多绝缘体在吸湿状态下,降低了绝缘性,以致提供金属在电位差趋动力下发生移行的现象,FR-4在尺寸安性、电气性与吸水性方面都比FR-1及XPC 佳,所以生产银贯孔印刷电路板时,要选用特制FR-1及XPC的纸质基板 .板材。b.-2 导体材质1 导体材质银及碳墨贯孔印刷电路的导电方式是利用银及石墨微粒镶嵌在聚

27、合体内,藉由微粒的接触来导电,而铜镀通孔印刷电路板,则是借由铜本身是连贯的结晶体而产生非常顺畅的导电性。2 延展性:铜镀通孔上的铜是一种连续性的结晶体,有非常良好的延展性,不会像银、碳墨胶在热胀冷缩时,容易发生界面的分离而降低导电度。3 移行性:银、铜都是金属材质,容易发性氧化、还原作用造成锈化及移行现象,因电位差的不同,银比铜在电位差趋动力下容易发生银迁移(Silver Migration。c. 碳墨贯孔(Carbon Through Hole用纸质基板.碳墨胶油墨中的石墨不具有像银的移行特性,石墨所担当的角色仅仅是作简单的讯号传递者,所以PCB业界对积层板除了碳墨胶与基材的密着性、翘曲度外

28、,并没有特别要求.石墨因有良好的耐磨性,所以Carbon Paste最早期是被应用来取代Key Pad及金手指上的镀金,而后延伸到扮演跳线功能。碳墨贯孔印刷电路板的负载电流通常设计的很低,所以业界大都采用XPC 等级,至于厚度方面,在考虑轻、薄、短、小与印刷贯孔性因素下,常通选用0.8、1.0或1.2mm厚板材。d. 室温冲孔用纸质基板其特征是纸质基板表面温度约40以下,即可作Pitch为1.78mm的IC密集孔的冲模,孔间不会发生裂痕,并且以减低冲模时纸质基板冷却所造成线路精准度的偏差,该类纸质基板非常适用于细线路及大面积的印刷电路板。e. 抗漏电压(Anti-Track用纸质基板人类的生活

29、越趋精致,对物品的要求且也就越讲就短小轻薄,当印刷电路板的线路设计越密集,线距也就越小,且在高功能性的要求下,电流负载变大了,那么线路间就容易因发生电弧破坏基材的绝缘性而造成漏电,纸质基板业界为解决该类问题,有供应采用特殊背胶的铜箔所制成的抗漏电压用纸质基板.2.1.2 环氧树脂Epoxy Resin是目前印刷线路板业用途最广的底材。在液态时称为清漆或称凡立水(Varnish 或称为A-stage,玻璃布在浸胶半干成胶片后再经高温软化液化而呈现黏着性而用于双面基板制作或多层板之压合用称B-stage prepreg ,经此压合再硬化而无法回复之最终状态称为C-stage。2.1.2.1传统环氧

30、树脂的组成及其性质用于基板之环氧树脂之单体一向都是Bisphenol A 及Epichlorohydrin 用 dicy 做为架桥剂所形成的聚合物。为了通过燃性试验(Flammability test, 将上述仍在液态的树脂再与Tetrabromo-Bisphenol A 反应而成为最熟知FR-4 传统环氧树脂。现将产品之主要成份列于后:单体-Bisphenol A, Epichlorohydrin架桥剂(即硬化剂 -双氰Dicyandiamide简称Dicy速化剂(Accelerator-Benzyl-Dimethylamine ( BDMA 及2- Methylimidazole ( 2-

31、MI 溶剂-Ethylene glycol monomethy ether( EGMME Dimethy formamide (DMF 及稀释剂Acetone ,MEK。填充剂(Additive -碳酸钙、硅化物、及氢氧化铝或化物等增加难燃效果。填充剂可调整其Tg.A. 单体及低分子量之树脂典型的传统树脂一般称为双功能的环气树脂( Difunctional Epoxy Resin,见图3.2. 为了达到使用安全的目的,特于树脂的分子结构中加入溴原子,使产生部份碳溴之结合而呈现难燃的效果。也就是说当出现燃烧的条件或环境时,它要不容易被点燃,万一已点燃在燃烧环境消失后,能自己熄灭而不再继续延烧。见

32、图3.3.此种难燃材炓在NEMA 规范中称为FR-4。(不含溴的树脂在NEMA 规范中称为G-10 此种含溴环氧树脂的优点很多如介电常数很低,与铜箔的附着力很强,与玻璃纤维结合后之挠性强度很不错等。B. 架桥剂(硬化剂环氧树脂的架桥剂一向都是Dicey,它是一种隐性的(latent 催化剂, 在高温160之下才发挥其架桥作用,常温中很安定,故多层板B-stage 的胶片才不致无法储存。但Dicey的缺点却也不少,第一是吸水性(Hygroscopicity,第二个缺点是难溶性。溶不掉自然难以在液态树脂中发挥作用。早期的基板商并不了解下游电路板装配工业问题,那时的dicey 磨的不是很细,其溶不掉的部份混在底材中,经长时间聚集的吸水后会发生针状的再结晶, 造成许多爆板的问题。当然现在的基板制造商都很清处它的严重性,因此已改善此点.C. 速