PCB入门_硬件工程师入门

nullnullP.C.B.制 程 综 览LONG WIDTH VIOLATIONNICKSPROTRUSIONDISHDOWNFINE OPENSURFACE SHORTWIDE SHORTFINE SHORTSHAVED PADSPACING WIDTH VIOLATIONPINHOLENICKOVERETCHED PADCOPPER SPLASHMISSING PADMissing JunctionMissing Opennullnull一. PCB演變 1.1 PCB扮演的角色 　　PCB的功能為提供完成第一層級構裝的元件與其它必須的電子電路零件接合的基地，以組成一個具特定功能的模組或成品。所以PCB在整個電子產品中，扮演了整合連結總其成所有功能的角色，也因此時常電子產品功能故障時，最先被質疑往往就是PCB。圖1.1是電子構裝層級區分示意。圖1.1null 1.2 PCB的演變 　　1.早於1903年Mr. Albert Hanson首創利用“線路”(Circuit)觀念應用於電話 交換機系統。它是用金屬箔予以切割成線路導體，將之黏著於石蠟紙上 ，上面同樣貼上一層石蠟紙，成了現今PCB的機構雛型。見圖1.2 　　 2. 至1936年，Dr Paul Eisner真正發明了PCB的製作技術，也發表多項專利 。而今日之print-etch(photoimage transfer)的技術，就是沿襲其發明 而來的。 圖1.2null1.3PCB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 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 。 1.3.1PCB种类 　　A.以材质分 　　　a.有机材质 　　　 酚醛树脂、玻璃纤维/环氧树脂、Polyimide、BT/Epoxy等皆属之。 　　　b.无机材质 　　　 铝、Copper-invar-copper、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 PCB 　　　 b.软板Flexible PCB见图1.3 　　　c.软硬板Rigid-Flex PCB见图1.4 　　C.以结构分 　　　a.单面板见图1.5 　　　b.双面板见图1.6 　　　c.多层板见图1.7 null圖1.3圖1.4圖1.5圖1.6圖1.7圖1.8null　　D.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1.9 　　B.加成法，又可分半加成与全加成法，见图1.10 1.11 　　C.尚有其它因应IC封装的变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。 null半加成法null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 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ，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、测试治具等资料。 null2.2.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，营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 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。 B. RS-274D 　　是Gerber Format的正式名称，正确称呼是EIA STANDARD RS-274D (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。nullD. IPC-350 　　IPC-350是IPC發展出來的一套neutral format,可以很容易由PCB CAD/CAM產生,然後依此系統,PCB SHOP再產生NC Drill Program,Netlist,並可直接輸入Laser Plotter繪製底片. E. Laser Plotter 　　見圖2.1,輸入Gerber format或IPC-350 format以繪製Artwork F. Aperture List and D-Codes 　　見表 2.1 及圖2.2,舉一簡單實例來說明兩者關係,Aperture的定義亦見 圖2.1 null图2.2图2.1null2.3.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 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 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.nullnull　B.原物料需求（BOM-BillofMaterial） 　　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（Prepreg）、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 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 中，可能影响原物料选择的因素。 　C.上述乃属新资料的审查, 审查完毕进行样品的制作.若是旧资料,则须 Check有无户ECO (EngineeringChangeOrder) ,然后再进行审查. 　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 优化，可减少板材浪费）；而适当排版可提高生产力并降低不良率。 null　　　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30~60%，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。 null 　　d.各製程可能的最大尺寸限制或有效工作區尺寸. 　　e.不同產品結構有不同製作流程，及不同的排版限制，例如，金手指板，其排版間距須較大且有方向的考量，其測試治具或測試次序規定也不一樣。 較大工作尺寸，可以符合較大生產力，但原物料成本增加很多,而且設備製程能力亦需提升，如何取得一個平衡點，設計的準則與工程師的經驗是相當重要的。 2.3.3 著手設計 所有資料檢核齊全後，開始分工設計： 　A. 流程的決定(Flow Chart) 由資料審查的分析確認後，設計工程師就要決定最適切的流程步驟。傳統多層板的製作流程可分作兩個部分:內層製作和外層製作.以下圖示幾種代表性流程供參考.見圖2.3 與 圖2.4 　null图2.3图2.4多层盲/埋孔制程null　B. 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。null 　　－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（ 排版优化，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30~60%，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。要计算最恰当的排版，须考虑以下几个因素。 null 　　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虑，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 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 。nulld.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.null　　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－Designformanufacturing .PCB lay-out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，良率等考虑而修正一些线路特性，如圆形接线PAD修正 泪滴状，见图2.5,为的是制程中PAD一孔对位不准时，尚能维持最小 的垫环宽度。图2.5null 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档产生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.图2.6null三. 基板 　印刷电路板是以铜箔基板（Copper-cladLaminate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.null　　 基板工业是一种材料的基础工业，是由介电层（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Resin 3.1.1.1前言 　　 　　 目前已使用于线路板之树脂类别很多,如酚醛树脂（Phenolic ）、环氧树脂（Epoxy）、聚亚酰胺树脂（Polyimide）、聚四氟乙烯（Polytetrafluorethylene，简称PTFE或称TEFLON），B一三氮 树脂（Bismaleimide Triazine简称BT）等皆为热固型的树脂（Thermosetted Plastic Resin）。null3.1.1.2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（Cross linkage）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3.1 　　 1910 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 -NationalElectricalManufacturersAssociation)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 Retardant)或抗燃(Flame resistance)性。图3.1null　　 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，其他物 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。nullB. 其他特殊用途： 　 a. 銅鍍通孔用紙質基板 　　 主要目的是計劃取代部份物性要求並不高的FR-4板材，以便降低 PCB的成本. 　 b. 銀貫孔用紙質基板 　　 時下最流行取代部份物性要求並不很高的FR-4作通孔板材，就是銀 貫孔用紙質基板印刷電路板兩面線路的導通，可直接借由印刷方 式將銀膠(Silver Paste) 塗佈於孔壁上，經由高溫硬化，即成為 導通體，不像一般FR-4板材的銅鍍通孔，需經由活化、化學銅、 電鍍銅、錫鉛等繁雜手續。 　 b-1 基板材質 　 　1) 尺寸安定性： 　　　 除要留意X、Y軸(纖維方向與橫方向)外，更要注意Z軸(板材厚度 方向)，因熱脹冷縮及加熱減量因素容易造成銀膠導體的斷裂。 　　 2) 電氣與吸水性：許多絕緣體在吸濕狀態下，降低了絕緣性，以 致提供金屬在電位差趨動力下發生移行的現象，FR-4在尺寸安 性、電氣性與吸水性方面都比FR-1及XPC佳，所以生產銀貫孔印 刷電路板時，要選用特製FR-1及XPC的紙質基板 .板材。null　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，容易发生接口的分离而降低导 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，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。null　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 3.1.2 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。 null3.1.2.1传统环氧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-MI ) 溶剂 --Ethylene glycol monomethyl ether( EGMME ) Dimethyl 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. nullA. 單體及低分子量之樹脂 　　 典型的傳統樹脂一般稱為雙功能的環氣樹脂 ( Difunctional Epoxy Resin),見圖3.2.為了達到使用安全的目的，特於樹脂的分子結構中加入溴原子，使產生部份碳溴之結合而呈現難燃的效果。也就是說當出現燃燒的條件或環境時，它要不容易被點燃，萬一已點燃在燃燒環境消失後，能自己熄滅而不再繼續延燒。見圖3.3.此種難燃材炓在 NEMA 規範中稱為 FR-4。(不含溴的樹脂在 NEMA 規範中稱為 G-10) 此種含溴環氧樹脂的優點很多如介電常數很低，與銅箔的附著力很強，與玻璃纖維結合後之撓性強度很不錯等。 圖3.2圖3.3nullB. 架橋劑(硬化劑) 　　 環氧樹脂的架橋劑一向都是Dicy,它是一種隱性的 (latent) 催化劑 ,在高溫160℃之下才發揮其架橋作用，常溫中很安定，故多層板 B-stage 的膠片才不致無法儲存。但Dicy的缺點卻也不少，第一是吸水性 (Hygroscopicity)，第二個缺點是難溶性。溶不掉自然難以在液態樹脂中發揮作用。早期的基板商並不瞭解下游電路板裝配工業問題，那時的 dicy 磨的不是很細，其溶不掉的部份混在底材中，經長時間聚集的吸水後會發生針狀的再結晶,造成許多爆板的問題。當然現在的基板製造商都很清處它的嚴重性,因此已改善此點. C. 速化劑 　　用以加速 epoxy 與 dicy 之間的架橋反應，最常用的有兩種即BDMA 及 2-MI。nullD. Tg 玻璃態轉化溫度 　　 高分子聚合物因溫度之逐漸上升導致其物理性質漸起變化，由常溫時之無定形或部份結晶之堅硬及脆性如玻璃一般的物質而轉成為一種黏滯度非常高,柔軟如橡皮一般的另一種狀態。傳統 FR4 之 Tg 約在115-120℃之間，已被使用多年，但近年來由於電子產品各種性能要求愈來愈高,所以對材料的特性也要求日益嚴苛，如抗濕性、抗化性、抗溶劑性、抗熱性 ,尺寸安定性等都要求改進,以適應更廣泛的用途,而這些性質都與樹脂的Tg有關,Tg 提高之後上述各種性質也都自然變好。例如 Tg 提高後, a.其耐熱性增強，使基板在 X 及 Y 方向的膨脹減少，使得板子在受熱後銅線 路與基材之間附著力不致減弱太多，使線路有較好的附著力。 b.在Z方向的膨脹減小後，使得通孔之孔壁受熱後不易被底材所拉斷。 c.Tg 增高後，其樹脂中架橋之密度必定提高很多使其有更好的抗水性及防溶 劑性，使板子受熱後不易發生白點或織紋顯露，而有更好的強度及介電性. 至於尺寸的安定性,由於自動插裝或表面裝配之嚴格要求就更為重要了。因 而近年來如何提高環氧樹脂之 Tg 是基板材所追求的要務。 E. FR4 難燃性環氧樹脂 　　 傳統的環氧樹脂遇到高溫著火後若無外在因素予以撲滅時，會不停的一直燃燒下去直到分子中的碳氫氧或氮燃燒完畢為止。若在其分子中以溴取代了氫的位置，使可燃的碳氫鍵化合物一部份改換成不可燃的碳溴鍵化合物則可大大的降低其可燃性。此種加溴之樹脂難燃性自然增強很多，但卻降低了樹脂與銅皮以及玻璃間的黏著力，而且萬一著火後更會放出劇毒的溴氣，會帶來的不良後果。null3.1.2.2高性能环氧树脂(Multifunctional Epoxy) 　　传统的FR4对今日高性能的线路板而言已经力不从心了，故有各种不同的树脂与原有的环氧树脂混合以提升其基板之各种性质， 　A. Novolac 　　最早被引进的是酚醛树脂中的一种叫Novolac者,由Novolac与环氧氯丙烷所形成的酯类称为Epoxy Novolacs，见图3.4之反应式.将此种聚合物混入FR4之树脂，可大大改善其抗水性、抗化性及尺寸安定性,Tg也随之提高，缺点是酚醛树脂本身的硬度及脆性都很高而易钻头，加之抗化性能力增强,对于因钻孔而造成的胶渣(Smear)不易除去而造成多层板PTH制程之困扰。 　图3.4nullB. Tetrafunctional Epoxy 　　另一种常被添加于FR4中的是所谓 " 四功能的环氧树脂 " (Tetrafunctional Epoxy Resin).其与传统 " 双功能 " 环氧树脂不同之处是具立体空间架桥 ,见图3.5，Tg较高能抗较差的热环境，且抗溶剂性、抗化性、抗湿性及尺寸安定性也好很多，而且不会发生像Novolac那样的缺点。最早是美国一家叫Polyclad的基板厂所引进的。四功能比起Novolac来还有一种优点就是有更好的均匀混合。为保持多层板除胶渣的方便起见，此种四功能的基板在钻孔后最好在烤箱中以160 ℃烤 2-4小时,使孔壁露出的树脂产生氧化作用，氧化后的树脂较容易被蚀除，而且也增加树脂进一步的架桥聚合,对后来的制程也有帮助。因为脆性的关系,钻孔要特别注意.图3.5null　　上述兩種添加樹脂都無法溴化,故加入一般FR4中會降低其難燃性. 3.1.2.3 聚亞醯胺樹脂 Polyimide (PI) A. 成份 　　 主要由Bismaleimide 及Methylene Dianiline 反應而成的聚合物,見圖3.6. B. 優點 　　 電路板對溫度的適應會愈來愈重要，某些特殊高溫用途的板子，已非環氧樹脂所能勝任，傳統式 FR4 的 Tg 約120℃ 左右，即使高功能的FR4 也只到達 180-190 ℃，比起聚亞醯胺的 260 ℃ 還有一大段距離.PI在高溫下所表現的良好性質,如良好的撓性、銅箔抗撕強度、抗化性、介電性、尺寸安定性皆遠優於 FR4。鑽孔時不容易產生膠渣，對內層與孔壁之接通性自然比 FR4好。而且由於耐熱性良好，其尺寸之變化甚少，以X 及 Y方向之變化而言，對細線路更為有利，不致因膨脹太大而降低了與銅皮之間的附著力。就 Z 方向而言可大大的減少孔壁銅層斷裂的機會。圖3.6nullC. 缺點: 　　 a.不易進行溴化反應，不易達到 UL94 V-0 的難燃要求。 　　 b.此種樹脂本身層與層之間，或與銅箔之間的黏著力較差，不如環 氧樹脂那麼強，而且撓性也較差。 　　 c.常溫時卻表現不佳，有吸濕性 (Hygroscopic), 而黏著性、延性又 都很差。 　　 d.其凡立水(Varnish,又稱生膠水,液態樹脂稱之)中所使用的溶劑之 沸點較高，不易趕完，容易產生高溫下分層的現象。而且流動性 不好,壓合不易填滿死角 。 　　 e.目前價格仍然非常昂貴約為 FR4 的 2-3倍，故只有軍用板或 Rigid- Flex 板才用的起。 　　在美軍規範MIL-P-13949H中,聚亞醯胺樹脂基板代號為GI. null3.1.2.4 聚四氟乙烯 (PTFE) 　　全名為 Polyterafluoroethylene ,分子式見圖3.7. 以之抽絲作PTFE纖維的商品名為 Teflon 鐵弗龍 ,其最大的特點是阻抗很高(Impedance) 對高頻微波 (microwave)通信用途上是無法取代的，美軍規範賦與 "GT"、"GX"、及 "GY" 三種材料代字,皆為玻纖補強type，其商用基板是由3M公司所製，目前這種材料尚無法大量投入生產，其原因有: A. PTFE 樹脂與玻璃纖維間的附著力問題；此樹脂很難滲入玻璃束中， 因其抗化性特強，許多濕式製程中都無法使其反應及活化，在做鍍通 孔時所得之銅孔壁無法固著在底材上，很難通過 MILP-55110E 中 4.8.4.4之固著強度試驗。由於玻璃束未能被樹脂填滿，很容易在 做鍍通孔時造成玻璃中滲銅(Wicking)的出現，影響板子的可信賴度。 B. 此四氟乙烯材料分子結構，非常強勁無法用一般機械或化學法加以攻 擊，做蝕回時只有用電漿法. C. Tg 很低只有19 oc, 故在常溫時呈可撓性，也使線路的附著力及 尺寸安定性不好。 圖3.7null下表為四種不同樹脂製造的基板性質的比較. null3.1.2.5 BT/EPOXY樹脂 　　BT樹脂也是一種熱固型樹脂，是日本三菱瓦斯化成公司(Mitsubishi Gas Chemical Co.)在1980年研製成功。是由Bismaleimide及Trigzine Resin monomer二者反應聚合而成。其反應式見圖3.8。BT樹脂通常和環氧樹脂混合而製成基板。 A. 優點 　　 a. Tg點高達180℃，耐熱性非常好，BT作成之板材，銅箔的抗撕強度 (peel Strength)，撓性強度亦非常理想鉆孔後的膠渣(Smear)甚少 　　 b. 可進行難燃處理，以達到UL94V-0的要求 　　 c. 介質常數及散逸因數小，因此對於高頻及高速傳輸的電路板非常有利。 　　 d. 耐化性，抗溶劑性良好 　　 e. 絕緣性佳 B. 應用 　　 a. COB設計的電路板 由於wire bonding過程的高溫，會使板子表面變軟 而致打線失敗。 BT/EPOXY高性能板材可克服此點。 　　 b. BGA ,PGA, MCM-Ls等半導體封裝載板半導體封裝測試中，有兩個很重 要的常見問題，一是漏電現象，或稱 CAF(Conductive Anodic Filament),一是爆米花現象(受濕氣及高溫衝擊)。這兩點也是BT/EPOXY 板材可以避免的。 圖3.8null3.1.2.6 Cyanate Ester Resin 1970年開始應用於PCB基材，目前Ciba Geigy有製作此類樹脂。其反應式如圖3.9。 nullA. 優點 　　 a. Tg可達250℃，使用於非常厚之多層板 　　 b. 極低的介電常數(2.5~3.1)可應用於高速產品。 B. 問題 　　 a. 硬化後脆度高. 　　 b. 對濕度敏感，甚至可能和水起反應. 3.1.2玻璃纖維 3.1.2.1前言 　　玻璃纖維(Fiberglass)在PCB基板中的功用，是作為補強材料。基板的補強材料尚有其它種，如紙質基板的紙材，Kelvar(Polyamide聚醯胺)纖維，以及石英(Quartz)纖維。本節僅討論最大宗的玻璃纖維。 　　 玻璃(Glass)本身是一種混合物，其組成見表它是一些無機物經高溫融熔合而成，再經抽絲冷卻而成一種非結晶結構的堅硬物體。此物質的使用，已有數千年的歷史。做成纖維狀使用則可追溯至17世紀。真正大量做商用產品，則是由Owen-Illinois及Corning Glass Works兩家公司其共同的研究努力後，組合成Owens-Corning Fiberglas Corporation於1939年正式生產製造。 null3.1.2.2 玻璃纖維布 　　玻璃纖維的製成可分兩種，一種是連續式(Continuous)的纖維另一種則是不連續式(discontinuous)的纖維前者即用於織成玻璃布(Fabric)，後者則做成片狀之玻璃蓆(Mat)。FR4等基材，即是使用前者，CEM3基材，則採用後者玻璃蓆。 nullA. 玻璃纖維的特性 　原始融熔態玻璃的組成成份不同,會影響玻璃纖維的特性,不同組成所呈現的差異,表中有詳細的區別,而且各有獨特及不同應用之處。按組成的不同(見表),玻璃的等級可分四種商品:A級為高鹼性,C級為抗化性,E級為電子用途 ,S級為高強度。電路板中所用的就是E級玻璃,主要是其介電性質優於其它三種。nullnull　　－玻璃纖維一些共同的特性如下所述： 　　　 a.高強度：和其它紡織用纖維比較，玻璃有極高強度。在某些應用上， 其強度/重量比甚至超過鐵絲。 　　　 b.抗熱與火：玻璃纖維為無機物，因此不會燃燒 　　　 c.抗化性：可耐大部份的化學品，也不為黴菌，細菌的滲入及昆蟲的攻擊。 　　　 d.防潮：玻璃並不吸水，即使在很潮濕的環境，依然保持它的機械強度。 　　　 e.熱性質：玻纖有很低的熬線性膨脹係數，及高的熱導係數，因此在高溫 環境下有極佳的表現。 　　　 f.電性：由於玻璃纖維的不導電性，是一個很好的絕緣物質的選擇。 　　PCB基材所選擇使用的E級玻璃，最主要的是其非常優秀的抗水性。因此在非 常潮濕，惡劣的環境下，仍然保有非常好的電性及物性一如尺寸穩定度。 　　－玻纖布的製作： 　　　 玻璃纖維布的製作，是一係列專業且投資全額龐大的製程本章略而不談． null3.2 銅箔(copper foil) 　　早期線路的設計粗粗寬寬的,厚度要求亦不挑剔,但演變至今日線寬3,4mil,甚至更細(現國內已有工廠開發1 mil線寬),電阻要求嚴苛.抗撕強度,表面Profile等也都詳加規定.所以對銅箔發展的現況及驅勢就必須進一步了解. 3.2.1傳統銅箔 3.2.1.1輾軋法 (Rolled-or Wrought Method) 　　是將銅塊經多次輾軋製作而成，其所輾出之寬度受到技術限制很難達到標準尺寸基板的要求(3呎*4呎) ,而且很容易在輾製過程中造成報廢，因表面粗糙度不夠,所以與樹脂之結合能力比較不好，而且製造過程中所受應力需要做熱處理之回火軔化(Heat treatment or Annealing),故其成本較高。 A. 優點. 　　 a. 延展性Ductility高,對FPC使用於動態環境下,信賴度極佳. 　　 b. 低的表面稜線Low-profile Surface,對於一些Microwave電子應用是一利 基. B. 缺點. 　　 a. 和基材的附著力不好. 　　 b. 成本較高. 　　 c. 因技術問題,寬度受限. null3.2.1.2 電鍍法 (Electrodeposited Method) 　　最常使用於基板上的銅箔就是ED銅.利用各種廢棄之電線電纜熔解成硫酸銅鍍液，在殊特深入地下的大型鍍槽中，陰陽極距非常短,以非常高的速度沖動鍍液，以600ASF之高電流密度，將柱狀 (Columnar) 結晶的銅層鍍在表面非常光滑又經鈍化的 (passivated) 不銹鋼大桶狀之轉胴輪上(Drum)，因鈍化處理過的不銹鋼胴輪上對銅層之附著力並不好，故鍍面可自轉輪上撕下，如此所鍍得的連續銅層,可由轉輪速度，電流密度而得不同厚度之銅箔，貼在轉胴之光滑銅箔表面稱為光面(Drum side), 另一面對鍍液之粗糙結晶表面稱為毛面 (Matte side) .此種銅箔: A. 優點 　　 a. 價格便宜. 　　 b. 可有各種尺寸與厚度. B. 缺點. 　　 a. 延展性差, 　　 b. 應力極高無法撓曲又很容易折斷. null3.2.1.3 厚度單位 　　一般生產銅箔業者為計算成本, 方便訂價，多以每平方呎之重量做為厚度之計算單位，如1.0 Ounce (oz)的定義是一平方呎面積單面覆蓋銅箔重量1 oz (28.35g)的銅層厚度.經單位換算 35 微米 (micron)或1.35 mil. 一般厚度1 oz 及1/2 oz而超薄銅箔可達 1/4 oz,或更低. 3.2.2 新式銅箔介紹及研發方向 3.2.2.1 超薄銅箔 　　 　　一般所說的薄銅箔是指 0.5 oz (17.5 micron ) 以下，表三種厚度則 稱超薄銅箔 ,3/8 oz 以下因本身太薄很不容易操作故需要另加載體 (Carrier)才能做各種操作(稱複合式copper foil),否則很容易造成損傷。所用之載體有兩類，一類是以傳統 ED 銅箔為載體,厚約2.1 mil.另一類載體是鋁箔,厚度約3 mil.兩者使用之前須將載體撕離. 　　 超薄銅箔最不易克服的問題就是 "針孔"或 "疏孔"(Porosity)，因厚度太薄,電鍍時無法將疏孔完全填滿.補救之道是降低電流密度,讓結晶變細.細線路,尤其是5 mil以下更需要超薄銅箔,以減少蝕刻時的過蝕與側蝕. null3.2.2.2 輾軋銅箔 　　對薄銅箔超細線路而言，導體與絕緣基材之間的接觸面非常狹小，如何能耐得住二者之間熱膨脹係數的巨大差異而仍維持足夠的附著力，完全依賴銅箔毛面上的粗化處理是不夠的，而且高速鍍銅箔的結晶結構粗糙在高溫焊接時容易造成 XY 的斷裂也是一項難以解決的問題。輾軋銅箔除了細晶之外還有另一項長處那就是應力很低 (Stress)。ED 銅箔應力高，但後來線路板業者所鍍上的一次銅或二次銅的應力就沒有那麼高。於是造成二者在溫度變化時使細線容易斷製.因此輾軋銅箔是一解決之途。若是成本的考量,Grade 2,E-Type的 high-ductility或是Grade 2 ,E-Type HTE銅箔也是一種選擇.國際製造銅箔大廠多致力於開發ED細晶產品以解決此問題.　 null3.2.2.3 銅箔的表面處理 A. 傳統處理法 　　 ED銅箔從Drum撕下後，會繼續下面的處理步驟： 　a. Bonding Stage－在粗面(Matte Side)上再以高電流極短時間內快 速鍍上銅，其長相如瘤，稱“瘤化處理”“Nodulization”目的在增 加表面積，其厚度約 2000~4000A 　b. Thermal barrier treatments-瘤化完成後再於其上鍍一層黃銅 (Brass，是Gould 公司專利，稱為JTC處理)，或鋅(Zinc是Yates公 司專利，稱為TW處理)。也是鍍鎳處理其作用是做為耐熱層。樹脂 中的Dicy於高溫時會攻擊銅面而 生成胺類與水份，一旦生水份時 ，會導致附著力降底。此層的作用即是防止上述反應發生，其厚 度約500~1000A 　c. Stabilization－耐熱處理後，再進行最後的“鉻化處理 “(Chromation)，光面與 粗面同時進行做為防污防銹的作用，也稱 “鈍化處理"(passivation)或"抗氧化 處理"(antioxidant) nullB.新式處理法 　　 a. 兩面處理(Double treatment)指光面及粗面皆做粗化處理，嚴格來說， 此法的應用己有20年的歷史，但今日為降低多層板的COST而使用 者漸多．在光面也進行上述的傳統處理方式，如此應用於內層基 板上，可以省掉壓膜前的銅面理處理以及黑/棕化步驟。美國一 家Polyclad銅箔基板公司，發展出來的一種處理方式，稱為DST 銅箔，其處理方式有異曲同工之妙。該法是在光面做粗化處理， 該面就壓在膠片上，所做成基板的銅面為粗面，因此對後製亦有 幫助。 　　 b. 矽化處理(Low profile) 傳統銅箔粗面處理其Tooth Profile (稜線)粗 糙度(波峰波谷)，不利於細線路的製造(影響just etch時間,造 成over-etch)，因此必須設法降低稜線的高度。上述Polyclad的 DST銅箔，以光面做做處理，改善了這個問題， 另外，一種叫“ 有機矽處理”（Organic Silane Treatment），加入傳統處理方 式之後，亦可有此效果。它同時產生一種化學鍵，對於附著力 有幫助。 null3.3.3 銅箔的分類 　　按 IPC-CF-150 將銅箔分為兩個類型，TYPE E 表電鍍銅箔，TYPE W 表輾軋銅箔,再將之分成八個等級，class 1 到 class 4 是電鍍銅箔，class 5 到 class 8 是輾軋銅箔.現將其型級及代號分列於表 null3.4 PP(膠片 Prepreg)的製作 　　"Prepreg"是"preimpregnated"的縮寫，意指玻璃纖維或其它纖維浸含樹脂，並經部份聚合而稱之。其樹脂此時是B-stage。Prepreg又有人稱之為"Bonding sheet" 3.4.1膠片製作流程 3.4.2製程品管 　　製造過程中，須定距離做Gel time, Resin flow, Resin Content的測試，也須做Volatile成份及Dicy成份之分析，以確保品質之穩定。 3.4.3 儲放條件與壽命 　　大部份EPOXY系統之儲放溫度要求在5℃以下，其壽命約在3~6個月，儲放超出此時間後須取出再做3.3.2的各種分析以判定是否可再使用。而各廠牌prepreg可參照其提供之Data sheet做為作業時的依據。 null3.4.4常見膠片種類，其膠含量及Cruing後厚度關係，見表 3.4基板的現在與未來 　　趨使基板不斷演進的兩大趨動力(Driving Force)，一是極小化(Miniaturization)，一是高速化(或高頻化)。 。 null3.4.1極小化 　　如分行動電話，PDA，PC卡，汽車定位及衛星通信等系統。美國是尖端科技領先國家，從其半導體工業協會所預估在Chip及Package方面的未來演變-見表(a)與(b)，可知基板面臨的挑戰頗為艱辛。 3.4.2高頻化 　　從個人電腦的演進，可看出CPU世代交替的速度愈來愈快，消費者應接不應暇，當然對大眾而言是好事。但對PCB的製作卻又是進一步的挑戢。因為高頻化,須要基材有更低的Dk與Df值。最後，表歸納出PCB一些特性的現在與未來演變的指標。 表(a)表(b)null四.內層製作與檢驗 4.1 製程目的 　　三層板以上產品即稱多層板,傳統之雙面板為配合零件之密集裝配，在有限的板面上無法安置這麼多的零組件以及其所衍生出來的大量線路，因而有多層板之發展。加上美國聯邦通訊委員會(FCC)宣佈自1984年10月以後，所有上市的電器產品若有涉及電傳通訊者，或有參與網路連線者，皆必須要做"接地"以消除干擾的影響。但因板面面積不夠,因此pcb lay-out就將"接地"與"電壓"二功能之大銅面移入內層，造成四層板的瞬間大量興起,也延伸了阻抗控制的要求。而原有四層板則多升級為六層板，當然高層次多層板也因高密度裝配而日見增多.本章將探討多層板之內層製作及注意事宜. 4.2 製作流程 　　依產品的不同現有三種流程 A. Print and Etch 　　發料→對位孔→銅面處理→影像轉移→蝕刻→剝膜 B. Post-etch Punch 　　 發料→銅面處理→影像轉移→蝕刻→剝膜→工具孔 C. Drill and Panel-plate 　　 發料→鑽孔→通孔→電鍍→影像轉移→蝕刻→剝膜 　　上述三種製程中,第三種是有埋孔(buried hole)設計時的流程,將在20章介紹.本章則探討第二種( Post-etch Punch)製程－高層次板子較普遍使用的流程. null4.2.0發料