PCB材質(zhì)與制造工藝-1.doc

PCB制造流程及說明PCB制造流程及說明一. 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(gòu)裝的組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塊或成品。所以PCB在整個電子產(chǎn) 品中，扮演了整合連結(jié)總其成所有功能的角色，也因此時常電子產(chǎn)品功能故 障時，最先被質(zhì)疑往往就是PCB。圖1.1是電子構(gòu)裝層級區(qū)分示意。1.2 PCB的演變1.早于1903年Mr. Albert Hanson首創(chuàng)利用線路(Circuit)觀念應(yīng)用于電話交換機(jī)系統(tǒng)。它是用金屬箔予以切割成線路導(dǎo)體，將之黏著于石蠟紙上，上面同樣貼上一層石蠟紙，成了現(xiàn)今PCB的機(jī)構(gòu)雛型。見圖1.2 2. 至1936年，Dr Paul Eisner真正發(fā)明了PCB的制作技術(shù)，也發(fā)表多項(xiàng)專利。而今日之print-etch (photo image transfer)的技術(shù)，就是沿襲其發(fā)明而來的。 1.3 PCB種類及制法在材料、層次、制程上的多樣化以適 合 不同的電子產(chǎn)品及其特殊需求。 以下就歸納一些通用的區(qū)別辦法，來簡單介紹PCB的分類以及它的制造方 法。 1.3.1 PCB種類A. 以材質(zhì)分 a. 有機(jī)材質(zhì) 酚醛樹脂、玻璃纖維/環(huán)氧樹脂、Polyamide、BT/Epoxy等皆屬之。 b. 無機(jī)材質(zhì) 鋁、Copper Inver-copper、ceramic等皆屬之。主要取其散熱功能 B. 以成品軟硬區(qū)分 a. 硬板 Rigid PCB b.軟板 Flexible PCB 見圖1.3 c.軟硬板 Rigid-Flex PCB 見圖1.4 C. 以結(jié)構(gòu)分 a.單面板 見圖1.5 b.雙面板 見圖1.6 c.多層板 見圖1.7 D. 依用途分：通信/耗用性電子/軍用/計算機(jī)/半導(dǎo)體/電測板,見圖1.8 BGA. 另有一種射出成型的立體PCB，因使用少，不在此介紹。1.3.2制造方法介紹A. 減除法，其流程見圖1.9 B. 加成法，又可分半加成與全加成法，見圖1.10 1.11C. 尚有其它因應(yīng)IC封裝的變革延伸而出的一些先進(jìn)制程，本光盤僅提及但不詳加介紹，因有許多尚屬機(jī)密也不易取得，或者成熟度尚不夠。 本光盤以傳統(tǒng)負(fù)片多層板的制程為主軸，深入淺出的介紹各個制程，再輔以先進(jìn)技術(shù)的觀念來探討未來的PCB走勢。二.制前準(zhǔn)備2.1.前言臺灣PCB產(chǎn)業(yè)屬性，幾乎是以，也就是受客戶委托制作空板（Bare Board）而已，不像美國，很多PCB Shop是包括了線路設(shè)計，空板制作以及裝配(Assembly)的Turn-Key業(yè)務(wù)。以前，只要客戶提供的原始數(shù)據(jù)如Drawing, Artwork, Specification，再以手動翻片、排版、打帶等作業(yè)，即可進(jìn)行制作，但近年由于電子產(chǎn)品日趨輕薄短小，PCB的制造面臨了幾個挑戰(zhàn):（1）薄板（2）高密度（3）高性能（4）高速 ( 5 ) 產(chǎn)品周期縮短（6）降低成本等。以往以燈桌、筆刀、貼圖及照相機(jī)做為制前工具，現(xiàn)在己被計算機(jī)、工作軟件及激光繪圖機(jī)所取代。過去，以手工排版，或者還需要Micro-Modifier來修正尺寸等費(fèi)時耗工的作業(yè)，今天只要在CAM(Computer Aided Manufacturing)工作人員取得客戶的設(shè)計資料，可能幾小時內(nèi)，就可以依設(shè)計規(guī)則或DFM(Design For Manufacturing)自動排版并變化不同的生產(chǎn)條件。同時可以output 如鉆孔、成型、測試治具等資料。2.2.相關(guān)名詞的定義與解說 A Gerber file這是一個從PCB CAD軟件輸出的數(shù)據(jù)文件做為光繪圖語言。1960年代一家名叫Gerber Scientific（現(xiàn)在叫Gerber System）專業(yè)做繪圖機(jī)的美國公司所發(fā)展出的格式，爾后二十年，行銷于世界四十多個國家。幾乎所有CAD系統(tǒng)的發(fā)展，也都依此格式作其Output Data，直接輸入繪圖機(jī)就可繪出Drawing或Film，因此Gerber Format成了電子業(yè)界的公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)。B. RS-274D是Gerber Format的正式名稱，正確稱呼是EIA STANDARD RS-274D(Electronic Industries Association)主要兩大組成：1.Function Code：如G codes, D codes, M codes 等。2.Coordinate data：定義圖像（imaging） C. RS-274X 是RS-274D的延伸版本，除RS-274D之Code 以外，包括RS-274X Parameters，或稱整個extended Gerber format它以兩個字母為組合，定義了繪圖過程的一些特性。 D. IPC-350 IPC-350是IPC發(fā)展出來的一套neutral format,可以很容易由PCB CAD/CAM產(chǎn)生,然后依此系統(tǒng),PCB SHOP 再產(chǎn)生NC Drill Program,Netlist,并可直接輸入Laser Plotter繪制底片. E. Laser Plotter 見圖2.1,輸入Gerber format或IPC 350 format以繪制Artwork F. Aperture List and D-Codes 見表 2.1 及圖2.2,舉一簡單實(shí)例來說明兩者關(guān)系, Aperture的定義亦見圖2.1 2.3.制前設(shè)計流程： 2.3.1客戶必須提供的數(shù)據(jù)：電子廠或裝配工廠，委托PCB SHOP生產(chǎn)空板（Bare Board）時，必須提供下列數(shù)據(jù)以供制作。見表料號數(shù)據(jù)表-供制前設(shè)計使用. 上表數(shù)據(jù)是必備項(xiàng)目，有時客戶會提供一片樣品, 一份零件圖，一份保證書（保證制程中使用之原物料、耗料等不含某些有毒物質(zhì)）等。這些額外數(shù)據(jù)，廠商須自行判斷其重要性，以免誤了商機(jī)。2.3.2 .資料審查面對這么多的數(shù)據(jù)，制前設(shè)計工程師接下來所要進(jìn)行的工作程序與重點(diǎn)，如下所述。A. 審查客戶的產(chǎn)品規(guī)格，是否廠內(nèi)制程能力可及，審查項(xiàng)目見承接料號制程能力檢查表.B.原物料需求（BOM-Bill of Material）根據(jù)上述資料審查分析后，由BOM的展開，來決定原物料的廠牌、種類及規(guī)格。主要的原物料包括了：基板（Laminate）、膠片（Prepreg）、銅箔（Copper foil）、防焊油墨（Solder Mask）、文字油墨（Legend）等。另外客戶對于Finish的規(guī)定,將影響流程的選擇,當(dāng)然會有不同的物料需求與規(guī)格，例如：軟、硬金、噴钖、OSP等。 表歸納客戶規(guī)范中，可能影響原物料選擇的因素。 C. 上述乃屬新數(shù)據(jù)的審查, 審查完畢進(jìn)行樣品的制作.若是舊資料,則須Check有無戶ECO (Engineering Change Order) .再進(jìn)行審查. D.排版排版的尺寸選擇將影響該料號的獲利率。因?yàn)榛迨侵饕铣杀荆ㄅ虐孀罴鸦蓽p少板材浪費(fèi)）；而適當(dāng)排版可提高生產(chǎn)力并降低不良率。有些工廠認(rèn)為固定某些工作尺寸可以符合最大生產(chǎn)力，但原物料成本增加很多.下列是一些考慮的方向：一般制作成本，直、間接原物料約占總成本3060%，包含了基板、膠片、銅箔、防焊、干膜、鉆頭、重金屬（銅、钖、鉛），化學(xué)耗品等。而這些原物料的耗用，直接和排版尺寸恰當(dāng)與否有關(guān)系。大部份電子廠做線路Layout時，會做連片設(shè)計，以使裝配時能有最高的生產(chǎn)力。因此，PCB工廠之制前設(shè)計人員，應(yīng)和客戶密切溝通，以使連片Layout的尺寸能在排版成工作PANEL時可有最佳的利用率。要計算最恰當(dāng)?shù)呐虐?，須考慮以下幾個因素。a.基材裁切最少刀數(shù)與最大使用率（裁切方式與磨邊處理須考慮進(jìn)去）。b.銅箔、膠片與干膜的使用尺寸與工作PANEL的尺寸須搭配良好，以免浪費(fèi)。c.連片時，piece間最小尺寸，以及板邊留做工具或?qū)ξ幌到y(tǒng)的最小尺寸。d.各制程可能的最大尺寸限制或有效工作區(qū)尺寸.e.不同產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有不同制作流程，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(guī)定也不一樣。 較大工作尺寸，可以符合較大生產(chǎn)力，但原物料成本增加很多,而且設(shè)備制程能力亦需提升，如何取得一個平衡點(diǎn)，設(shè)計的準(zhǔn)則與工程師的經(jīng)驗(yàn)是相當(dāng)重要的。2.3.3 著手設(shè)計 所有數(shù)據(jù)檢核齊全后，開始分工設(shè)計：A. 流程的決定(Flow Chart) 由數(shù)據(jù)審查的分析確認(rèn)后，設(shè)計工程師就要決定最適切的流程步驟。 傳統(tǒng)多層板的制作流程可分作兩個部分:內(nèi)層制作和外層制作.以下圖標(biāo)幾種代 表性流程供參考.見圖2.3 與 圖2.4 B. CAD/CAM作業(yè) a. 將Gerber Data 輸入所使用的CAM系統(tǒng)，此時須將apertures和shapes定義好。目前，己有很多PCB CAM系統(tǒng)可接受IPC-350的格式。部份CAM系統(tǒng)可產(chǎn)生外型NC Routing 檔，不過一般PCB Layout設(shè)計軟件并不會產(chǎn)生此文件。 有部份專業(yè)軟件或獨(dú)立或配合NC Router,可設(shè)定參數(shù)直接輸出程序. Shapes 種類有圓、正方、長方,亦有較復(fù)雜形狀，如內(nèi)層之thermal pad等。著手設(shè)計時，Aperture code和shapes的關(guān)連要先定義清楚，否則無法進(jìn)行后面一系列的設(shè)計。b. 設(shè)計時的Check list 依據(jù)check list審查后，當(dāng)可知道該制作料號可能的良率以及成本的預(yù)估。c. Working Panel排版注意事項(xiàng)： PCB Layout工程師在設(shè)計時，為協(xié)助提醒或注意某些事項(xiàng)，會做一些輔助的記號做參考，所以必須在進(jìn)入排版前，將之去除。下表列舉數(shù)個項(xiàng)目，及其影響。 排版的尺寸選擇將影響該料號的獲利率。因?yàn)榛迨侵饕铣杀荆ㄅ虐孀罴鸦?，可減少板材浪費(fèi)）；而適當(dāng)排版可提高生產(chǎn)力并降低不良率。有些工廠認(rèn)為固定某些工作尺寸可以符合最大生產(chǎn)力，但原物料成本增加很多.下列是一些考慮的方向：一般制作成本，直、間接原物料約占總成本3060%，包含了基板、膠片、銅箔、防焊、干膜、鉆頭、重金屬（銅、钖、鉛、金），化學(xué)耗品等。而這些原物料的耗用，直接和排版尺寸恰當(dāng)與否有關(guān)系。大部份電子廠做線路Layout時，會做連片設(shè)計，以使裝配時能有最高的生產(chǎn)力。因此，PCB工廠之制前設(shè)計人員，應(yīng)和客戶密切溝通，以使連片Layout的尺寸能在排版成工作PANEL時可有最佳的利用率。要計算最恰當(dāng)?shù)呐虐?，須考慮以下幾個因素。1.基材裁切最少刀數(shù)與最大使用率（裁切方式與磨邊處理須考慮進(jìn)去）。2.銅箔、膠片與干膜的使用尺寸與工作PANEL的尺寸須搭配良好，以免浪費(fèi)。3.連片時，piece間最小尺寸，以及板邊留做工具或?qū)ξ幌到y(tǒng)的最小尺寸。4.各制程可能的最大尺寸限制或有效工作區(qū)尺寸. 5不同產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有不同制作流程，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(guī)定也不一樣。 較大工作尺寸，可以符合較大生產(chǎn)力，但原物料成本增加很多,而且設(shè)備制程能力亦需提升，如何取得一個平衡點(diǎn)，設(shè)計的準(zhǔn)則與工程師的經(jīng)驗(yàn)是相當(dāng)重要的。進(jìn)行working Panel的排版過程中，尚須考慮下列事項(xiàng)，以使制程順暢，表排版注意事項(xiàng) 。d. 底片與程序：底片Artwork 在CAM系統(tǒng)編輯排版完成后，配合D-Code檔案，而由雷射繪圖機(jī)（Laser Plotter）繪出底片。所須繪制的底片有內(nèi)外層之線路，外層之防焊，以及文字底片。由于線路密度愈來愈高，容差要求越來越嚴(yán)謹(jǐn)，因此底片尺寸控制，是目前很多PCB廠的一大課題。表是傳統(tǒng)底片與玻璃底片的比較表。玻璃底片使用比例已有提高趨勢。而底片制造商亦積極研究替代材料，以使尺寸之安定性更好。例如干式做法的鉍金屬底片. 一般在保存以及使用傳統(tǒng)底片應(yīng)注意事項(xiàng)如下：1.環(huán)境的溫度與相對溫度的控制 2.全新底片取出使用的前置適應(yīng)時間3.取用、傳遞以及保存方式 4.置放或操作區(qū)域的清潔度 程序 含一,二次孔鉆孔程序，以及外形Routing程序其中NC Routing程序一般須另行處理 e. DFMDesign for manufacturing .PCB layout 工程師大半不太了解，PCB制作流程以及各制程需要注意的事項(xiàng)，所以在Lay-out線路時，僅考慮電性、邏輯、尺寸等，而甚少顧及其它。PCB制前設(shè)計工程師因此必須從生產(chǎn)力，良率等考量而修正一些線路特性，如圓形接線PAD修正成淚滴狀，見圖2.5,為的是制程中PAD一孔對位不準(zhǔn)時，尚能維持最小的墊環(huán)寬度。但是制前工程師的修正，有時卻會影響客戶產(chǎn)品的特性甚或性能，所以不得不謹(jǐn)慎。PCB廠必須有一套針對廠內(nèi)制程上的特性而編輯的規(guī)范除了改善產(chǎn)品良率以及提升生產(chǎn)力外，也可做為和PCB線路Lay-out人員的溝通語言，見圖2.6 .C. Tooling 指AOI與電測Netlist檔.AOI由CAD reference文件產(chǎn)生AOI系統(tǒng)可接受的數(shù)據(jù)、且含容差，而電測Net list檔則用來制作電測治具Fixture。 2.4 結(jié)語頗多公司對于制前設(shè)計的工作重視的程度不若制程,這個觀念一定要改,因?yàn)殡S著電子產(chǎn)品的演變,PCB制作的技術(shù)層次愈困難,也愈須要和上游客戶做最密切的溝通,現(xiàn)在已不是任何一方把工作做好就表示組裝好的產(chǎn)品沒有問題,產(chǎn)品的使用環(huán)境, 材料的物,化性, 線路Lay-out的電性, PCB的信賴性等,都會影響產(chǎn)品的功能發(fā)揮.所以不管軟件,硬件,功能設(shè)計上都有很好的進(jìn)展,人的觀念也要有所突破才行. 三. 基板印刷電路板是以銅箔基板（ Copper-clad Laminate 簡稱CCL ）做為原料而制造的電器或電子的重要機(jī)構(gòu)組件,故從事電路板之上下游業(yè)者必須對基板有所了解:有那些種類的基板,它們是如何制造出來的,使用于何種產(chǎn)品, 它們各有那些優(yōu)劣點(diǎn),如此才能選擇適當(dāng)?shù)幕?表3.1簡單列出不同基板的適用場合. 基板工業(yè)是一種材料的基礎(chǔ)工業(yè)， 是由介電層（樹脂 Resin ，玻璃纖維 Glass fiber ），及高純度的導(dǎo)體 (銅箔 Copper foil )二者所構(gòu)成的復(fù)合材料（ Composite material），其所牽涉的理論及實(shí)務(wù)不輸于電路板本身的制作。 以下即針對這二個主要組成做深入淺出的探討.3.1介電層 3.1.1樹脂 Resin 3.1.1.1前言 目前已使用于線路板之樹脂類別很多,如酚醛樹脂（ Phonetic ）、環(huán)氧樹脂（ Epoxy ）、聚亞醯胺樹脂（ Polyamide ）、聚四氟乙烯（Polytetrafluorethylene，簡稱PTFE或稱TEFLON），B一三氮 樹脂（Bismaleimide Triazine 簡稱 BT ）等皆為熱固型的樹脂（Thermosetted Plastic Resin）。3.1.1.2 酚醛樹脂 Phenolic Resin 是人類最早開發(fā)成功而又商業(yè)化的聚合物。是由液態(tài)的酚（phenol）及液態(tài)的甲醛（ Formaldehyde 俗稱Formalin ）兩種便宜的化學(xué)品， 在酸性或堿性的催化條件下發(fā)生立體架橋（ Crosslinkage ）的連續(xù)反應(yīng)而硬化成為固態(tài)的合成材料。其反應(yīng)化學(xué)式見圖3.1 1910 年有一家叫 Bakelite 公司加入帆布纖維而做成一種堅硬強(qiáng)固，絕緣性又好的材料稱為 Bakelite，俗名為電木板或尿素板。 美國電子制造業(yè)協(xié)會(NEMA-Nationl Electrical Manufacturers Association) 將不同的組合冠以不同的編號代字而為業(yè)者所廣用, 現(xiàn)將酚醛樹脂之各產(chǎn)品代字列表，如表 NEMA 對于酚醛樹脂板的分類及代碼表中紙質(zhì)基板代字的第一個 X 是表示機(jī)械性用途，第二個 X 是表示可用電性用途。 第三個 X 是表示可用有無線電波及高濕度的場所。 P 表示需要加熱才能沖板子（ Punchable ），否則材料會破裂， C 表示可以冷沖加工（ cold punchable ），F(xiàn)R 表示樹脂中加有不易著火的物質(zhì)使基板有難燃 (Flame Retardent) 或抗燃(Flame resistance) 性。 紙質(zhì)板中最暢銷的是XXXPC及FR-2前者在溫度25 以上,厚度在.062in以下就可以沖制成型很方便，后者的組合與前完全相同，只是在樹脂中加有三氧化二銻增加其難燃性。以下介紹幾個較常使用紙質(zhì)基板及其特殊用途:A 常使用紙質(zhì)基板 a. XPC Grade：通常應(yīng)用在低電壓、低電流不會引起火源的消費(fèi)性電子產(chǎn)品， 如玩具、手提收音機(jī)、電話機(jī)、計算器、遙控器及鐘表等等。UL94對XPC Grade 要求只須達(dá)到HB難燃等級即可。 b. FR-1 Grade：電氣性、難燃性優(yōu)于XPC Grade，廣泛使用于電流及電壓比XPC Grade稍高的電器用品，如彩色電視機(jī)、監(jiān)視器、VTR、家庭音響、洗衣機(jī)及吸塵器等等。UL94要求FR-1難燃性有V-0、V-1與V-2不同等級，不過由于三種等級板材價位差異不大，而且考慮安全起見，目前電器界幾乎全采用V-0級板材。 c. FR-2 Grade：在與FR-1比較下，除電氣性能要求稍高外，其它物性并沒有特別之處，近年來在紙質(zhì)基板業(yè)者努力研究改進(jìn)FR-1技術(shù)，F(xiàn)R-1與FR-2的性質(zhì)界線已漸模糊,FR-2等級板材在不久將來可能會在偏高價格因素下被FR-1 所取代。B. 其它特殊用途： a. 銅鍍通孔用紙質(zhì)基板 主要目的是計劃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. 銀貫孔用紙質(zhì)基板 時下最流行取代部份物性要求并不很高的FR-4作通孔板材，就是銀貫孔用 紙質(zhì)基板印刷電路板兩面線路的導(dǎo)通，可直接借由印刷方式將銀膠(Silver Paste) 涂布于孔壁上，經(jīng)由高溫硬化，即成為導(dǎo)通體，不像一般FR-4板材的銅鍍通 孔，需經(jīng)由活化、化學(xué)銅、電鍍銅、錫鉛等繁雜手續(xù)。 b-1 基板材質(zhì) 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(dǎo)體的斷裂。 2) 電氣與吸水性： 許多絕緣體在吸濕狀態(tài)下，降低了絕緣性，以致提供金屬在電位差趨動力下 發(fā)生移行的現(xiàn)象，F(xiàn)R-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(chǎn)銀貫孔印刷電路板時，要選用特制FR-1及XPC的紙質(zhì)基板 .板材。 b.-2 導(dǎo)體材質(zhì) 1) 導(dǎo)體材質(zhì) 銀及碳墨貫孔印刷電路的導(dǎo)電方式是利用銀及石墨微粒鑲嵌在聚合體內(nèi)， 藉由微粒的接觸來導(dǎo)電，而銅鍍通孔印刷電路板，則是借由銅本身是連貫的 結(jié)晶體而產(chǎn)生非常順暢的導(dǎo)電性。 2) 延展性： 銅鍍通孔上的銅是一種連續(xù)性的結(jié)晶體，有非常良好的延展性，不會像銀、 碳墨膠在熱脹冷縮時，容易發(fā)生界面的分離而降低導(dǎo)電度。 3) 移行性： 銀、銅都是金屬材質(zhì)，容易發(fā)性氧化、還原作用造成銹化及移行現(xiàn)象，因 電位差的不同，銀比銅在電位差趨動力下容易發(fā)生銀遷移(Silver Migration)。 c. 碳墨貫孔(Carbon Through Hole)用紙質(zhì)基板. 碳墨膠油墨中的石墨不具有像銀的移行特性，石墨所擔(dān)當(dāng)?shù)慕巧珒H僅是作簡 單的訊號傳遞者，所以PCB業(yè)界對積層板除了碳墨膠與基材的密著性、翹 曲度外，并沒有特別要求.石墨因有良好的耐磨性，所以Carbon Paste最早期 是被應(yīng)用來取代Key Pad及金手指上的鍍金，而后延伸到扮演跳線功能。 碳墨貫孔印刷電路板的負(fù)載電流通常設(shè)計的很低，所以業(yè)界大都采用XPC 等級，至于厚度方面，在考慮輕、薄、短、小與印刷貫孔性因素下，常通選 用0.8、1.0或1.2mm厚板材。 d. 室溫沖孔用紙質(zhì)基板 其特征是紙質(zhì)基板表面溫度約40以下，即可作Pitch為1.78mm的IC密 集孔的沖模，孔間不會發(fā)生裂痕，并且以減低沖模時紙質(zhì)基板冷卻所造成線 路精準(zhǔn)度的偏差，該類紙質(zhì)基板非常適用于細(xì)線路及大面積的印刷電路板。 e. 抗漏電壓(Anti-Track)用紙質(zhì)基板 人類的生活越趨精致，對物品的要求且也就越講就短小輕薄，當(dāng)印刷電路板 的線路設(shè)計越密集，線距也就越小，且在高功能性的要求下，電流負(fù)載變大 了，那么線路間就容易因發(fā)生電弧破壞基材的絕緣性而造成漏電，紙質(zhì)基板 業(yè)界為解決該類問題，有供應(yīng)采用特殊背膠的銅箔所制成的抗漏電壓 用紙質(zhì)基板 2.1.2 環(huán)氧樹脂 Epoxy Resin 是目前印刷線路板業(yè)用途最廣的底材。在液態(tài)時稱為清漆或稱凡立水（Varnish) 或稱為 A-stage， 玻璃布在浸膠半干成膠片后再經(jīng)高溫軟化液化而呈現(xiàn)黏著性而用于雙面基板制作或多層板之壓合用稱 B-stage prepreg ,經(jīng)此壓合再硬化而無法回復(fù)之最終狀態(tài)稱為 C-stage。2.1.2.1傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂的組成及其性質(zhì)用于基板之環(huán)氧樹脂之單體一向都是Bisphenol A 及Epichlorohydrin 用 dicy 做為架橋劑所形成的聚合物。為了通過燃性試驗(yàn)(Flammability test), 將上述仍在液態(tài)的樹脂再與Tetrabromo-Bisphenol A 反應(yīng)而成為最熟知FR-4 傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂?，F(xiàn)將產(chǎn)品之主要成份列于后: 單體 -Bisphenol A, Epichlorohydrin架橋劑(即硬化劑) -雙氰 Dicyandiamide簡稱Dicy速化劑 (Accelerator)-Benzyl-Dimethylamine ( BDMA ) 及 2- Methylimidazole ( 2-MI )溶劑 -Ethylene glycol monomethy ether( EGMME ) Dimethy formamide (DMF) 及稀釋劑 Acetone ,MEK。填充劑(Additive) -碳酸鈣、硅化物、 及氫氧化鋁 或 化物等增加難燃效果。 填充劑可調(diào)整其Tg.A. 單體及低分子量之樹脂 典型的傳統(tǒng)樹脂一般稱為雙功能的環(huán)氣樹脂 ( Difunctional Epoxy Resin),見圖3.2. 為了達(dá)到使用安全的目的，特于樹脂的分子結(jié)構(gòu)中加入溴原子，使產(chǎn)生部份碳溴之結(jié)合而呈現(xiàn)難燃的效果。也就是說當(dāng)出現(xiàn)燃燒的條件或環(huán)境時，它要不容易被點(diǎn)燃，萬一已點(diǎn)燃在燃燒環(huán)境消失后，能自己熄滅而不再繼續(xù)延燒。見圖3.3.此種難燃材炓在 NEMA 規(guī)范中稱為 FR-4。(不含溴的樹脂在 NEMA 規(guī)范中稱為 G-10) 此種含溴環(huán)氧樹脂的優(yōu)點(diǎn)很多如介電常數(shù)很低，與銅箔的附著力很強(qiáng)，與玻璃纖維結(jié)合后之撓性強(qiáng)度很不錯等。B. 架橋劑(硬化劑) 環(huán)氧樹脂的架橋劑一向都是Dicey,它是一種隱性的 (latent) 催化劑 , 在高溫160之下才發(fā)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 Dicey的缺點(diǎn)卻也不少， 第一是吸水性 (Hygroscopicity)，第二個缺點(diǎn)是難溶性。溶不掉自然難以在液態(tài)樹脂中發(fā)揮作用。早期的基板商并不了解下游電路板裝配工業(yè)問題，那時的 dicey 磨的不是很細(xì)，其溶不掉的部份混在底材中，經(jīng)長時間聚集的吸水后會發(fā)生針狀的再結(jié)晶, 造成許多爆板的問題。當(dāng)然現(xiàn)在的基板制造商都很清處它的嚴(yán)重性,因此已改善此點(diǎn).C. 速化劑用以加速 epoxy 與 dicey 之間的架橋反應(yīng)， 最常用的有兩種即BDMA 及 2-MI。D. Tg 玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度 高分子聚合物因溫度之逐漸上升導(dǎo)致其物理性質(zhì)漸起變化，由常溫時之無定形或部份結(jié)晶之堅硬及脆性如玻璃一般的物質(zhì)而轉(zhuǎn)成為一種黏滯度非常高,柔軟如橡皮一般的另一種狀態(tài)。傳統(tǒng) FR4 之 Tg 約在115-120之間，已被使用多年，但近年來由于電子產(chǎn)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(yán)苛，如抗?jié)裥浴⒖够?、抗溶劑性、抗熱?,尺寸安定性等都要求改進(jìn),以適應(yīng)更廣泛的用途, 而這些性質(zhì)都與樹脂的 Tg 有關(guān), Tg 提高之后上述各種性質(zhì)也都自然變好。例如 Tg 提高后, a.其耐熱性增強(qiáng)， 使基板在 X 及 Y 方向的膨脹減少，使得板子在受熱后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 方向的膨脹減小后，使得通孔之孔壁受熱后不易被底材所拉斷。c. Tg 增高后，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，使板子受熱后不易發(fā)生白點(diǎn)或織紋顯露，而有更好的強(qiáng)度及介電性.至于尺寸的安定性,由于自動插裝或表面裝配之嚴(yán)格要求就更為重要了。因而近年來如何提高環(huán)氧樹脂之 Tg 是基板材所追求的要務(wù)。E. FR4 難燃性環(huán)氧樹脂 傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂遇到高溫著火后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?xì)溲趸虻紵戤厼橹?。若在其分子中以溴取代了氫的位置?使可燃的碳?xì)滏I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(qiáng)很多，但卻降低了樹脂與銅皮以及玻璃間的黏著力，而且萬一著火后更會放出劇毒的溴氣，會帶來的不良后果。3.1.2.2高性能環(huán)氧樹脂(Multifunctional Epoxy) 傳統(tǒng)的 FR4 對今日高性能的線路板而言已經(jīng)力不從心了， 故有各種不同的樹脂與原有的環(huán)氧樹脂混合以提升其基板之各種性質(zhì)，A. Novolac 最早被引進(jìn)的是酚醛樹脂中的一種叫 Novolac 者 ,由 Novolac 與環(huán)氧氯丙烷所形成的酯類稱為 Epoxy Novolacs，見圖3.4之反應(yīng)式. 將此種聚合物混入 FR4 之樹脂， 可大大改善其抗水性、抗化性及尺寸安定性, Tg 也隨之提高，缺點(diǎn)是酚醛樹脂本身的硬度及脆性都很高而易鉆頭，加之抗化性能力增強(qiáng),對于因鉆孔而造成的膠渣 (Smear) 不易除去而造成多層板PTH制程之困擾。B. Tetrafunctional Epoxy 另一種常被添加于 FR4 中的是所謂 四功能的環(huán)氧樹脂 (Tetrafunctional Epoxy Resin ).其與傳統(tǒng) 雙功能 環(huán)氧樹脂不同之處是具立體空間架橋 ,見圖3.5，Tg 較高能抗較差的熱環(huán)境，且抗溶劑性、抗化性、抗?jié)裥约俺叽绨捕ㄐ砸埠煤芏?，而且不會發(fā)生像 Novolac那樣的缺點(diǎn)。最早是美國一家叫 Polyclad 的基板廠所引進(jìn)的。四功能比起 Novolac來還有一種優(yōu)點(diǎn)就是有更好的均勻混合。為保持多層板除膠渣的方便起見，此種四功能的基板在鉆孔后最好在烤箱中以 160 烤 2-4 小時, 使孔壁露出的樹脂產(chǎn)生氧化作用，氧化后的樹脂較容易被蝕除，而且也增加樹脂進(jìn)一步的架橋聚合,對后來的制程也有幫助。因?yàn)榇嘈缘年P(guān)系, 鉆孔要特別注意.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(yīng)而成的聚合物,見圖3.6. B. 優(yōu)點(diǎn) 電路板對溫度的適應(yīng)會愈來愈重要，某些特殊高溫用途的板子，已非環(huán)氧樹脂所能勝任，傳統(tǒng)式 FR4 的 Tg 約 120 左右，即使高功能的 FR4 也只到達(dá) 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(xiàn)的良好性質(zhì),如良好的撓性、銅箔抗撕強(qiáng)度、抗化性、介電性、尺寸安定性皆遠(yuǎn)優(yōu)于 FR4。鉆孔時不容易產(chǎn)生膠渣，對內(nèi)層與孔壁之接通性自然比 FR4 好。 而且由于耐熱性良好，其尺寸之變化甚少，以X 及 Y方向之變化而言，對細(xì)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(jī)會。C. 缺點(diǎn): a.不易進(jìn)行溴化反應(yīng)，不易達(dá)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(huán)氧樹脂那么強(qiáng)，而且撓性也較差。 c.常溫時卻表現(xiàn)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(tài)樹脂稱之)中所使用的溶劑之沸點(diǎn)較高，不易趕完，容易產(chǎn)生高溫下分層的現(xiàn)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(guī)范MIL-P-13949H中, 聚亞醯胺樹脂基板代號為GI. 3.1.2.4 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(diǎn)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(guī)范賦與 GT、GX、及 GY 三種材料代字,皆為玻纖補(bǔ)強(qiáng)type，其商用基板是由3M 公司所制，目前這種材料尚無法大量投入生產(chǎn)，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(qiáng)，許多濕式制程中都無法使其反應(yīng)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(qiáng)度試驗(yàn)。 由于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(xiàn)，影響板子的可信賴度。 B. 此四氟乙烯材料分子結(jié)構(gòu)，非常強(qiáng)勁無法用一般機(jī)械或化學(xué)法加以攻擊， 做蝕回時只有用電漿法. C. Tg 很低只有 19 度 c, 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。 表為四種不同樹脂制造的基板性質(zhì)的比較. 3.1.2.5 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年研制成功。是由Bismaleimide及Trigzine Resin monomer二者反應(yīng)聚合而成。其反應(yīng)式見圖3.8。BT樹脂通常和環(huán)氧樹脂混合而制成基板。 A. 優(yōu)點(diǎn) a. Tg點(diǎn)高達(dá)180，耐熱性非常好，BT作成之板材，銅箔的抗撕強(qiáng)度(peel Strength)，撓性強(qiáng)度亦非常理想鉆孔后的膠渣(Smear)甚少 b. 可進(jìn)行難燃處理，以達(dá)到UL94V-0的要求 c. 介質(zhì)常數(shù)及散逸因子小，因此對于高頻及高速傳輸?shù)碾娐钒宸浅Ｓ欣?d. 耐化性，抗溶劑性良好 e. 絕緣性佳 B. 應(yīng)用 a. COB設(shè)計的電路板 由于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(diǎn)。 b. BGA ,PGA, MCM-Ls等半導(dǎo)體封裝載板 半導(dǎo)體封裝測試中，有兩個很重要的常見問題，一是漏電現(xiàn)象，或稱 CAF(Conductive Anodic Filament),一是爆米花現(xiàn)象(受濕氣及高溫沖 擊)。這兩點(diǎn)也是BT/EPOXY板材可以避免的。 3.1.2.6 Cyanate Ester Resin 1970年開始應(yīng)用于PCB基材，目前Chiba Geigy有制作此類樹脂。其反應(yīng)式如圖3.9。 A. 優(yōu)點(diǎn) a. Tg可達(dá)250，使用于非常厚之多層板 b. 極低的介電常數(shù)(2.53.1)可應(yīng)用于高速產(chǎn)品。B. 問題 a. 硬化后脆度高. b. 對濕度敏感，甚至可能和水起反應(yīng). 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(bǔ)強(qiáng)材料?；宓难a(bǔ)強(qiáng)材料尚有其它種，如紙質(zhì)基板的紙材， Kelvar(Polyamide聚醯胺)纖維，以及石英(Quartz)纖維。本節(jié)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(jī)物經(jīng)高溫融熔合而成，再經(jīng)抽絲冷卻而成一種非結(jié)晶結(jié)構(gòu)的堅硬物體。此物質(zhì)的使用，已有數(shù)千年的歷史。做成纖維狀使用則可追溯至17世紀(jì)。真正大量做商用產(chǎn)品，則是由Owen-Illinois及Corning Glass Works兩家公司其共同的研究努力后，組合成Owens-Corning Fiberglas Corporation于1939年正式生產(chǎn)制造。 3.1.2.2 玻璃纖維布 玻璃纖維的制成可分兩種，一種是連續(xù)式(Continuous)的纖維另一種則是不連續(xù)式(discontinuous)的纖維前者即用于織成玻璃布(Fabric)，后者則做成片狀之玻璃席(Mat)。FR4等基材，即是使用前者，CEM3基材，則采用后者玻璃席。 A. 玻璃纖維的特性 原始融熔態(tài)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(xiàn)的差異，表中有詳細(xì)的區(qū)別，而且各有獨(dú)特及不同應(yīng)用之處。按組成的不同(見表)，玻璃的等級可分四種商品：A級為高堿性，C級為抗化性，E級為電子用途，S級為高強(qiáng)度。電路板中所用的就是E級玻璃，主要是其介電性質(zhì)優(yōu)于其它三種。玻璃纖維一些共同的特性如下所述： a.高強(qiáng)度：和其它紡織用纖維比較，玻璃有極高強(qiáng)度。在某些應(yīng)用上，其強(qiáng)度/重量比甚至超過鐵絲。 b.抗熱與火：玻璃纖維為無機(jī)物，因此不會燃燒 c.抗化性：可耐大部份的化學(xué)品，也不為霉菌，細(xì)菌的滲入及昆蟲的功擊。 d.防潮：玻璃并不吸水，即使在很潮濕的環(huán)境，依然保持它的機(jī)械強(qiáng)度。 e.熱性質(zhì)：玻纖有很低的熬線性膨脹系數(shù)，及高的熱導(dǎo)系數(shù)，因此在高溫環(huán)境下有極佳的表現(xiàn)。 f.電性：由于玻璃纖維的不導(dǎo)電性，是一個很好的絕緣物質(zhì)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(yōu)秀的抗水性。因此在非常潮濕，惡劣的環(huán)境下，仍然保有非常好的電性及物性一如尺寸穩(wěn)定度。 玻纖布的制作： 玻璃纖維布的制作，是一系列專業(yè)且投資全額龐大的制程本章略而不談 3.2 銅箔(copper foil) 早期線路的設(shè)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(xì)(現(xiàn)國內(nèi)已有工廠開發(fā)1 mil線寬),電阻要求嚴(yán)苛.抗撕強(qiáng)度,表面Profile等也都詳加規(guī)定.所以對銅箔發(fā)展的現(xiàn)況及驅(qū)勢就必須進(jìn)一步了解. 3.2.1傳統(tǒng)銅箔 3.2.1.1輾軋法 (Rolled-or Wrought Method) 是將銅塊經(jīng)多次輾軋制作而成，其所輾出之寬度受到技術(shù)限制很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)尺寸基板的要求 (3 呎*4呎) ,而且很容易在輾制過程中造成報廢，因表面粗糙度不夠,所以與樹脂之結(jié)合能力比較不好，而且制造過程中所受應(yīng)力需要做熱處理之回火軔化(Heat treatment or Annealing),故其成本較高。 A. 優(yōu)點(diǎn). a. 延展性Ductility高,對FPC使用于動態(tài)環(huán)境下,信賴度極佳. b. 低的表面棱線Low-profile Surface,對于一些Microwave電子應(yīng)用是一利基. B. 缺點(diǎn). a. 和基材的附著力不好. b. 成本較高. c. 因技術(shù)問題,寬度受限. 3.2.1.2 電鍍法 (Electrodeposited Method) 最常使用于基板上的銅箔就是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 600 ASF 之高電流密度，將柱狀 (Columnar) 結(jié)晶的銅層鍍在表面非常光滑又經(jīng)鈍化的 (passivated) 不銹鋼大桶狀之轉(zhuǎn)胴輪上(Drum)，因鈍化處理過的不銹鋼胴輪上對銅層之附著力并不好，故鍍面可自轉(zhuǎn)輪上撕下，如此所鍍得的連續(xù)銅層,可由轉(zhuǎn)輪速度，電流密度而得不同厚度之銅箔，貼在轉(zhuǎn)胴之光滑銅箔表面稱為光面(Drum side ), 另一面對鍍液之粗糙結(jié)晶表面稱為毛面 (Matte side) .此種銅箔: A. 優(yōu)點(diǎn) a. 價格便宜. b. 可有各種尺寸與厚度. B. 缺點(diǎn). a. 延展性差, b. 應(yīng)力極高無法撓曲又很容易折斷. 3.2.1.3 厚度單位一般生產(chǎn)銅箔業(yè)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(jīng)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(dá) 1/4 oz,或更低. 3.2.2 新式銅箔介紹及研發(fā)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(稱復(fù)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(tǒng) 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(bǔ)救之道是降低電流密度,讓結(jié)晶變細(xì). 細(xì)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(cè)蝕. 3.2.2.2 輾軋銅箔 對薄銅箔超細(xì)線路而言，導(dǎo)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系數(shù)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(jié)晶結(jié)構(gòu)粗糙在高溫焊接時容易造成 XY 的斷裂也是一項(xiàng)難以解決的問題。輾軋銅箔除了細(xì)晶之外還有另一項(xiàng)長處那就是應(yīng)力很低 (Stress)。ED 銅箔應(yīng)力高，但后來線路板業(yè)者所鍍上的一次銅或二次銅的應(yīng)力就沒有那么高。于是造成二者在溫度變化時使細(xì)線容易斷制.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. 國際制造銅箔大廠多致力于開發(fā)ED細(xì)晶產(chǎn)品以解決此問題. 3.2.2.3 銅箔的表面處理 A 傳統(tǒng)處理法 ED銅箔從Drum撕下后，會繼續(xù)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(nèi)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 20004000A b. Thermal barrier treatments-瘤化完成后再于其上鍍一層黃銅(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于高溫時會攻擊銅面而 生成胺類與水份，一旦生水份時，會導(dǎo)致附著力降底。此層的作用即是防止 上述反應(yīng)發(fā)生，其厚度約5001000A c. Stabilization耐熱處理后，再進(jìn)行最后的鉻化處理(Chromation)，光面與 粗面同時進(jìn)行做為防污防銹的作用，也稱鈍化處理(passivation)或抗氧化 處理(antioxidant) B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(yán)格來說，此法 的應(yīng)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(jìn)行上述的傳統(tǒng)處理方式，如此應(yīng)用于內(nèi)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(fā)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，因此對后制亦有幫助。 b. 硅化處理(Low profile) 傳統(tǒng)銅箔粗面處理其Tooth Profile (棱線) 粗糙度 (波峰波谷)，不利于細(xì) 線路的制造( 影響just etch時間,造成over-etch)，因此必須設(shè)法降低棱線 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(jī)硅處理（Organic Silane Treatment），加入傳統(tǒng)處理 方式之后，亦可有此效果。它同時產(chǎn)生一種化學(xué)鍵，對于附著力有幫助。 3.3.3 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(xiàn)將其型級及代號分