CB制造流程及說明

PCB制造流程及說明一.PCB演變1.1PCB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。1.2PCB的演變1.早于1903年Mr.AlbertHanson首創(chuàng)利用"線路"(Circuit)觀念應(yīng)用于交換機(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1.22.至1936年，DrPaulEisner真正發(fā)明了PCB的制作技術(shù)，也發(fā)表多項專利。而今日之print-etch(photoimagetransfer)的技術(shù)，就是沿襲其發(fā)明而來的。1.3PCB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。1.3.1PCB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、CopperInver-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RigidPCBb.軟板FlexiblePCB見圖1.3c.軟硬板Rigid-FlexPCB見圖1.4C.以結(jié)構(gòu)分a.單面板見圖1.5b.雙面板見圖1.6c.多層板見圖1.7D.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1.8BGA.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1.9B.加成法，又可分半加成與全加成法，見圖1.101.11C.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ＯＥＭ，也就是受客戶委托制作空板（BareBoard）而已，不像美國，很多PCBShop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來修正尺寸等費時耗工的作業(yè)，今天只要在CAM(ComputerAidedManufacturing)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(DesignForManufacturing)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AGerberfile這是一個從PCBCAD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GerberScientific（現(xiàn)在叫GerberSystem）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OutputData，直接輸入繪圖機(jī)就可繪出Drawing或Film，因此GerberFormat成了電子業(yè)界的公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)。B.RS-274D是GerberFormat的正式名稱，正確稱呼是EIASTANDARDRS-274D(ElectronicIndustriesAssociation)主要兩大組成：1.FunctionCode：如Gcodes,Dcodes,Mcodes等。2.Coordinatedata：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-274XParameters，或稱整個extendedGerberformat它以兩個字母為組合，定義了繪圖過程的一些特性。D.IPC-350IPC-350是IPC發(fā)展出來的一套neutralformat,可以很容易由PCBCAD/CAM產(chǎn)生,然后依此系統(tǒng),PCBSHOP再產(chǎn)生NCDrillProgram,Netlist,并可直接輸入LaserPlotter繪制底片.E.LaserPlotter見圖2.1,輸入Gerberformat或IPC350format以繪制ArtworkF.ApertureListandD-Codes見表2.1及圖2.2,舉一簡單實例來說明兩者關(guān)系,Aperture的定義亦見圖2.12.3.制前設(shè)計流程：客戶必須提供的數(shù)據(jù)：電子廠或裝配工廠，委托PCBSHOP生產(chǎn)空板（BareBoard）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，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，審查項目見承接料號制程能力檢查表.B.原物料需求（BOM-BillofMaterial）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（Copperfoil）、防焊油墨（SolderMask）、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(EngineeringChangeOrder).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。因為基板是主要原料成本（排版最佳化，可減少板材浪費）；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30~60%，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。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，設(shè)計的準(zhǔn)則與工程師的經(jīng)驗是相當(dāng)重要的。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(FlowChart)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2.4B.CAD/CAM作業(yè)a.將GerberData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PCBCAM系統(tǒng)可接受IPC-350的格式。部份CAM系統(tǒng)可產(chǎn)生外型NCRouting檔，不過一般PCBLayout設(shè)計軟件并不會產(chǎn)生此文件。有部份專業(yè)軟件或獨立或配合NCRouter,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thermalpad等。著手設(shè)計時，Aperturecode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Checklist依據(jù)checklist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.WorkingPanel排版注意事項：－PCBLayout工程師在設(shè)計時，為協(xié)助提醒或注意某些事項，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)個項目，及其影響。－排版的尺寸選擇將影響該料號的獲利率。因為基板是主要原料成本（排版最佳化，可減少板材浪費）；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30~60%，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。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，設(shè)計的準(zhǔn)則與工程師的經(jīng)驗是相當(dāng)重要的。－進(jìn)行workingPanel的排版過程中，尚須考慮下列事項，以使制程順暢，表排版注意事項。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)（LaserPlotter）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NCRouting程序一般須另行處理e.DFM－Designformanufacturing.PCBlayout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，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CADreference文件產(chǎn)生AOI系統(tǒng)可接受的數(shù)據(jù)、且含容差，而電測Netlist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,因為隨著電子產(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-cladLaminate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,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Glassfiber），及高純度的導(dǎo)體(銅箔Copperfoil)二者所構(gòu)成的復(fù)合材料（Compositematerial），其所牽涉的理論及實務(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介電層樹脂Resin3.1.1.1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（BismaleimideTriazine簡稱BT）等皆為熱固型的樹脂（ThermosettedPlasticResin）。.2酚醛樹脂PhenolicResin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3.11910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-NationlElectricalManufacturersAssociation)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（coldpunchable），"FR"表示樹脂中加有不易著火的物質(zhì)使基板有難燃(FlameRetardent)或抗燃(Flameresistance)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.XPCGrade：通常應(yīng)用在低電壓、低電流不會引起火源的消費性電子產(chǎn)品，如玩具、手提收音機(jī)、機(jī)、計算器、遙控器及鐘表等等。UL94對XPCGrade要求只須達(dá)到HB難燃等級即可。b.FR-1Grade：電氣性、難燃性優(yōu)于XPCGrade，廣泛使用于電流及電壓比XPCGrade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-2Grade：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(SilverPaste)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(SilverMigration)。c.碳墨貫孔(C