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1、pcb教材04 内层制作与检验四.内层制作与检验 4.1 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，或有参与网路连线者，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pcb lay-out就将接地与电压二功能之大铜面移入内层，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内层制作及注意事

2、宜. 4.2 制作流程 依产品的不同现有三种流程 A. Print and Etch 发料对位孔铜面处理影像转移蚀刻剥膜 B. Post-etch Punch 发料铜面处理影像转移蚀刻剥膜工具孔 C. Drill and Panel-plate 发料钻孔通孔电镀影像转移蚀刻剥膜 上述三种制程中,第三种是有埋孔(buried hole)设计时的流程,将在20章介绍.本章则探讨第二种( Post-etch Punch)制程高层次板子较普遍使用的流程. 4.2.0发料 发料就是依制前设计所规划的工作尺寸，依BOM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-会影响下料尺寸 B.

3、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 4.2.1 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，所以看似简单，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. 内层氧化处理前 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. 金手指镀镍前 本节针对a. c. f. g. 等制程来探讨最好的处理方式(其余皆属制程自动化中的一部 份，不必独立出来) B. 处理方法 现行铜面处理方式可分

4、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4.1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, 否则易造成刷轮表面高低不均 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，不适内层薄板 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

5、寸安定性较好 c. 可用于薄板及细线 缺点： a. 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。 4.2.2 影像转移4.2.2.1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，其他电子工业尚有厚膜(Thick Film)的混成电路(Hybrid Circu

6、it)、晶片电阻(Chip Resist )、及表面粘装(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,因此其应用范围渐缩,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cover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.内层大铜面 f.文字 g.可剥胶(Peelable ink) 除此之外,印刷技术员培养困难,工资高.而干膜法成本逐渐降低因此也使两者消长明显. B. 丝网印刷法(Screen Print

7、ing)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. 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 见表常用的不锈钢网布诸元素 开口:见图4.2所示 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

8、(S),Medium(M),Thick(T),Half heavy duty(H),Heavy duty(HD),Super heavy duty(SHD) 图4.2显示印刷过程网布各元素扮演角色. 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

9、) 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之载体护膜，即成间接性网版。 其厚度均匀,解析度好,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

10、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loading/unloading以人工作业外,印刷动作由机器代劳,但 对位还是人工作业.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) 张力: 张力直接影响对位,因为印刷过程中对网布不断拉扯, 因此新网张力的要求非 常重要一.般张力测试量五点,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

11、者有聚氨酯类(Polyure-thane，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7080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6070度。 第三点是刮刀的长度，须比图案的宽度每侧长出3/41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 Distanc

12、e)( 指版膜到基板铜面的距离，应保持在2m/m5m/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,再依厂内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，包括与版面及平面的角度， 须不须要回墨. 固定片数要洗纸,避免阴

13、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. 4.2.2.2干膜法 更详细制程解说请参读外层制作.本节就几个内层制作上应注意事项加以分析. A. 一般压膜机(Laminator)对于0.1mm厚以上的薄板还不成问题,只是膜皱要多 注意 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. 4.2.3 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(CaCl2)、 蚀刻液，一种是碱性氨水蚀刻液。 两种化学药液的比较，见表氨水蚀刻液& 氯化铜蚀刻

14、液比较两种药液的选择，视影像转移制程中，Resist是抗电镀之用或抗蚀刻之用。在内层制程中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。其抗蚀刻层是钖铅合金或纯钖，故一定要用碱性蚀刻液，以免伤及抗蚀刻金属层。 B操作条件 见表为两种蚀刻液的操作条件 C. 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胶，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

15、为蚀刻因子 etching factor其定义见图4.3)，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。本章为内层制作所以探讨酸性蚀刻,碱性蚀刻则于第十章再介 绍. 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+2 Cu+ - (1

16、) 在酸性蚀刻的再生系统，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，Cu+ 及Cu+应是以CuCl2 及CuCl存 在才对，但事实非完全正确，两者事实上是以和HCl形成的一庞大错化物存 在的： Cu + H2CuCl4 +2HCl 2H2CuCl3 - (2) 金属铜 铜离子 亚铜离子 其中H2CuCl4实际是CuCl2+ 2HCl 2H2CuCl3实际是CuCl+ 2HCl 在反应式(2)中可知HCl是消耗品。即使(2)式已有些复杂，但它仍是以下两 个反应式的简式而已。 Cu+ H2Cu

17、Cl4 2H2CuCl3 + CuCl (不溶) - (3) CuCl+ 2HCl 2H2CuCl3 (可溶) - (4) 式中因产生CuCl沈淀，会阻止蚀刻反应继续发生，但因HCl的存在溶解 CuCl，维持了蚀刻的进行。由此可看出HCl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HCl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

18、统. 目前使用CuCl2酸性蚀铜水平设备者,大半都装置Auto dosing设备,以维持 蚀铜速率,控制因子有五: 1. 比重 2. HCl 3. H2O2 4. 温度 5. 蚀刻速度 4.2.4 剥膜 剥膜在pcb制程中，有两个step会使用，一是内层线路蚀刻后之D/F剥除，二 是外层线路蚀刻前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，一般皆使用连线水平设备，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

19、超音波搅拌来确保剥膜的彻底，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. 有文献指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，内层之剥膜后有加 酸洗中和，也有防铜面氧化而做氧化处理者。 4.2.5对位系统 4.2.5.1传统方式 A. 四层板内层以三明治方式，将2.3层底片事先对准,粘贴于一压条上(和内层同厚), 紧贴于曝光台面上，己压膜内层则放进二底片间, 靠边即可进行曝光。见图4.4 B. 内层先钻(6层以上

20、)粗对位工具孔(含对位孔及方向孔，板内监测孔等), 再以双面曝光方式进行内层线路之制作。两者的对位度好坏，影响成品良率极大，也是M/L对关键。 4.2.5.2蚀后冲孔(post Etch Punch)方式 A. Pin Lam理论 此方法的原理极为简单，内层预先冲出4个Slot孔，见图4.5 ，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

21、 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pads见图4.6 2.将上、下底片仔细对准固定后，如三明治做法，做曝光、显影蚀刻， 剥膜等步骤。 3.蚀刻后已有两光学靶点的内层板，放进Optiline PE机器上，让CCD瞄准 该光学靶点，依各厂自行设定，冲出板边4个Slot孔或其它图形工具孔。 如图4.7 4.若是圆形工具孔、即当做铆钉孔，内层黑化后，即可以铆钉将内层及胶片 铆合成册，再去进行无梢压板。 4.2.5.2各层间的对准度 A. 同心圆的观念 a. 利用辅

22、助同心圆，可check内层上、下的对位度 b. 不同内层同心圆的偏位表示压合时候的Shift滑动 B. 设计原则 a.见图4.8 所示 b.同心圆之设计，其间距为4mil，亦是各层间可容许的对位偏差,若超出同心圆以外，则此片可能不良。 c.因压合有Resin Cure过程故pattern必须有预先放大的设计才能符合最终产品尺寸需求。 4.3 内层检测 AOI(简单线路采目视) 电测(修补)确认 内层板线路成完后,必须保证通路及绝缘的完整性(integrity),即如同单面板一样先要仔细检查。因一旦完成压合后,不幸仍有缺陷时,则已为时太晚,对于高层次板子而言更是必须先逐一保证其各层品质之良好,始能进行压合, 由于高层板渐多,内层板的负担加重,且线路愈来愈细,万一有漏失将会造成压合后的昂贵损失.传统目视外,自动光学检查(AOI)之使用在大厂中已非常普遍, 利用电脑将原图案牢记,再配合特殊波长光线的扫瞄,而快速完美对各层板详作检查。但AOI有其极限,例如细断路及漏电(Leakage)很难找出,故各厂渐增加短、断路电性测试。AOI及测试后面有专题,在此不详述. 内层制作至此完成, 下一流程为压合.