印制線路板內(nèi)層制作與檢驗
制作流程
依產(chǎn)品的不同現(xiàn)有三種流程 A. Print and Etch 發(fā)料→對位孔→銅面處理→影像轉(zhuǎn)移→蝕刻→剝膜 B. Post-etch Punch 發(fā)料→銅面處理→影像轉(zhuǎn)移→蝕刻→剝膜→工具孔 C. Drill and Panel-plate 發(fā)料→鉆孔→通孔→電鍍→影像轉(zhuǎn)移→蝕刻→剝膜
發(fā)料
發(fā)料就是依制前設(shè)計所規(guī)劃的工作尺寸，依BOM來裁切基材，是一很單純的步驟，但以下幾點須注意： A. 裁切方式-會影響下料尺寸 B. 磨邊與圓角的考量-影響影像轉(zhuǎn)移良率制程 C. 方向要一致-即經(jīng)向?qū)?jīng)向，緯向?qū)曄? D. 下制程前的烘烤-尺寸安定性考量
銅面處理
在印刷電路板制程中，不管那一個step，銅面的清潔與粗化的效果，關(guān)系著下 一制程的成敗，所以看似簡單，其實里面的學(xué)問頗大。
A. 須要銅面處理的制程有以下幾個 a. 干膜壓膜 b. 內(nèi)層氧化處理前 c. 鉆孔后 d. 化學(xué)銅前 e. 鍍銅前 f. 綠漆前 g. 噴錫(或其它焊墊處理流程)前 h. 金手指鍍鎳前 本節(jié)針對a. c. f. g. 等制程來探討最好的處理方式(其余皆屬制程自動化中的一部份，不必獨立出來)
B. 處理方法 現(xiàn)行銅面處理方式可分三種： a. 刷磨法(Brush) b. 噴砂法(Pumice) c. 化學(xué)法(Microetch) 以下即做此三法的介紹
C. 刷磨法 a. 刷輪有效長度都需均勻使用到, 否則易造成刷輪表面高低不均 b. 須做刷痕實驗，以確定刷深及均勻性優(yōu)點 a. 成本低 b. 制程簡單，彈性缺點 a. 薄板細(xì)線路板不易進(jìn)行 b. 基材拉長，不適內(nèi)層薄板 c. 刷痕深時易造成D/F附著不易而滲鍍 d. 有殘膠之潛在可能
D.噴砂法 以不同材質(zhì)的細(xì)石(俗稱pumice)為研磨材料優(yōu)點： a. 表面粗糙均勻程度較刷磨方式好 b. 尺寸安定性較好 c. 可用于薄板及細(xì)線缺點： a. Pumice容易沾留板面 b. 機(jī)器維護(hù)不易
E. 化學(xué)法(微蝕法)
影像轉(zhuǎn)移
印刷法
電路板自其起源到目前之高密度設(shè)計,一直都與絲網(wǎng)印刷(Silk Screen Printing)－或網(wǎng)版印刷有直接密切之關(guān)系，故稱之為"印刷電路板"。目前除了最大量的應(yīng)用在電路板之外，其它電子工業(yè)尚有厚膜(Thick Film)的混成電路(Hybrid CIRcuit)、芯片電阻(Chip Resist )、及表面黏裝(Surface Mounting)之錫膏印刷等也都優(yōu)有應(yīng)用。 由于近年電路板高密度,高精度的要求,印刷方法已無法達(dá)到規(guī)格需求,因此其應(yīng)用范圍漸縮,而干膜法已取代了大部分影像轉(zhuǎn)移制作方式.下列是目前尚可以印刷法cover的制程: a. 單面板之線路,防焊 ( 大量產(chǎn)多使用自動印刷,以下同) b.單面板之碳墨或銀膠 c.雙面板之線路,防焊 d.濕膜印刷 e.內(nèi)層大銅面 f.文字 g.可剝膠(Peelable ink) 除此之外,印刷技術(shù)員培養(yǎng)困難,工資高.而干膜法成本逐漸降低因此也使兩者消長明顯.
A. 絲網(wǎng)印刷法(Screen Printing)簡介
絲網(wǎng)印刷中幾個重要基本原素:網(wǎng)材,網(wǎng)版,乳劑,曝光機(jī),印刷機(jī),刮刀,油墨,烤箱等,以下逐一簡單介紹. a. 網(wǎng)布材料 (1) 依材質(zhì)不同可分絲絹(silk),尼龍(nylon),聚酯(Polyester,或稱特多龍),不銹鋼,等.電路板常用者為后三者. (2) 編織法:最常用也最好用的是單絲平織法 Plain Weave. (3) 網(wǎng)目數(shù)(mesh),網(wǎng)布厚度(thickness),線徑(diameter),開口(opening)的關(guān)系 見表常用的不銹鋼網(wǎng)布諸元素
開口:見圖4.2所示 網(wǎng)目數(shù):每inch或cm中的開口數(shù) 線徑: 網(wǎng)布織絲的直徑 網(wǎng)布 厚度:厚度規(guī)格有六,Slight(S),Medium(M),Thick(T),Half heavy duty(H),Heavy duty(HD),Super heavy duty(SHD) 圖4.2顯示印刷過程網(wǎng)布各元素扮演角色.
b.網(wǎng)版(Stencil)的種類 (1).直接網(wǎng)版(Direct Stencil)
將感光乳膠調(diào)配均勻直接涂布在網(wǎng)布上，烘干后連框共同放置在曝光設(shè)備臺 面上并覆以原稿底片，再抽真空使其密接感光，經(jīng)顯像后即成為可印刷的網(wǎng) 版。通常乳膠涂布多少次,視印刷厚度而定.此法網(wǎng)版耐用,安定性高,用于大 量生產(chǎn).但制作慢,且太厚時可能因厚薄不均而產(chǎn)生解像不良. (2).間接網(wǎng)版(Indirect Stencil)
把感光版膜以曝光及顯像方式自原始底片上把圖形轉(zhuǎn)移過來，然后把已有圖 形的版膜貼在網(wǎng)面上，待冷風(fēng)干燥后撕去透明之載體護(hù)膜，即成間接性網(wǎng)版。 其厚度均勻,分辨率好,制作快,多用于樣品及小量產(chǎn).
c. 油墨 油墨的分類有幾種方式 (1).以組成份可分單液及雙液型. (2).以烘烤方式可分蒸發(fā)干燥型、化學(xué)反應(yīng)型及紫外線硬化型(UV) (3).以用途可分抗蝕,抗鍍,防焊,文字,導(dǎo)電,及塞孔油墨. 不同制程選用何種油墨,須視各廠相關(guān)制程種類來評估,如堿性蝕刻和酸性蝕刻 選擇之抗蝕油墨考慮方向就不一樣.
d. 印刷作業(yè) 網(wǎng)版印刷目前有三種方式:手印、半自動印及全自動印刷. 手印機(jī)須要印刷熟 手操作,是最彈性與快速的選擇,尤以樣品制作.較小工廠及協(xié)力廠仍有不少采 手印. 半自動印則除loading/unloading以人工操作外,印刷動作由機(jī)器代勞,但 對位還是人工操作.也有所謂3/4機(jī)印,意指loading亦采自動,印好后人工放入 Rack中. 全自動印刷則是loading/unloading及對位,印刷作業(yè)都是自動.其對位 方式有靠邊, pinning及ccd三種. 以下針對幾個要素加以解說: (1) 張力: 張力直接影響對位,因為印刷過程中對網(wǎng)布不斷拉扯, 因此新網(wǎng)張力的要求非 常重要一.般張力測試量五點,即四角和中間. (2) 刮刀Squeege 刮刀的選擇考量有三， 第一是材料，常用者有聚氨酯類(Polyure-thane，簡稱PU)。 第二是刮刀的硬度，電路板多使用Shore A之硬度值60度－80度者.平坦基 板銅面上線路阻劑之印刷可用70－80度; 對已有線路起伏之板面上的印 綠漆及文字,則需用較軟之60－70度。 第三點是刮刀的長度，須比圖案的寬度每側(cè)長出3/4－1吋左右。 刮刀在使用一段時間后其銳利的直角會變圓，與網(wǎng)布接觸的面積增大， 就 無法印出邊緣畢直的細(xì)條，需要將刮刀重新磨利才行，需且刮刀刃在線 不 可出現(xiàn)缺口，否則會造成印刷的缺陷。 (3). 對位及試印 -此步驟主要是要將三個定位pin固定在印刷機(jī)臺面上,調(diào)整網(wǎng)版及離板間隙(Off Contact Distance)( 指版膜到基板銅面的距離，應(yīng)保持在2m/m－5m/m做為網(wǎng)布彈回的應(yīng)有距離 ),然后覆墨試印.若有不準(zhǔn)再做微調(diào). －若是自動印刷作業(yè)則是靠邊, pinning及ccd等方式對位.因其產(chǎn)量大,適合 極大量的單一機(jī)種生產(chǎn). (4). 烘烤 不同制程會選擇不同油墨, 烘烤條件也完全不一樣,須follow廠商提供的 data sheet,再依廠內(nèi)制程條件的差異而加以modify.一般因油墨組成不一， 烘烤方式有風(fēng)干,UV,IR等．烤箱須注意換氣循環(huán)，溫控，時控等. (5). 注意事項 不管是機(jī)印或手印皆要注意下列幾個重點 ?。ǖ缎羞M(jìn)的角度，包括與版面及ｘｙ平面的角度， －須不須要回墨. ?。潭ㄆ瑪?shù)要洗紙,避免陰影. ?。“迕嬉３智鍧? ?。坑∷⒐潭ㄆ瑪?shù)要抽檢一片依 check list 檢驗品質(zhì).
4.2.2.2干膜法
更詳細(xì)制程解說請參讀外層制作.本節(jié)就幾個內(nèi)層制作上應(yīng)注意事項加以分析. A. 一般壓膜機(jī)(Laminator)對于0.1mm厚以上的薄板還不成問題,只是膜皺要多 注意 B. 曝光時注意真空度 C. 曝光機(jī)臺的平坦度 D. 顯影時Break point 維持50~70% ,溫度30+_2,須 auto dosing.
4.2.3 蝕刻
現(xiàn)業(yè)界用于蝕刻的化學(xué)藥液種類，常見者有兩種，一是酸性氯化銅(CaCl2)、 蝕刻液，一種是堿性氨水蝕刻液。 ?。粒畠煞N化學(xué)藥液的比較，見表氨水蝕刻液& 氯化銅蝕刻液比較 兩種藥液的選擇，視影像轉(zhuǎn)移制程中，Resist是抗電鍍之用或抗蝕刻之用。在內(nèi)層制程中D/F或油墨是作為抗蝕刻之用，因此大部份選擇酸性蝕刻。外層制程中，若為傳統(tǒng)負(fù)片流程，D/F僅是抗電鍍，在蝕刻前會被剝除。其抗蝕刻層是钖鉛合金或純钖，故一定要用堿性蝕刻液，以免傷及抗蝕刻金屬層。
B．操作條件 見表為兩種蝕刻液的操作條件
C. 設(shè)備及藥液控制 兩種 Etchant 對大部份的金屬都是具腐蝕性，所以蝕刻槽通常都用塑料，如 PVC (Poly Vinyl chloride)或PP (Poly Propylene)。唯一可使用之金屬是 鈦 (Ti)。為了得到很好的蝕刻品質(zhì)－最筆直的線路側(cè)壁,(衡量標(biāo)準(zhǔn)為蝕刻因子 etching factor其定義見圖4.3)，不同的理論有不同的觀點，且可能相沖突。 但有一點卻是不變的基本觀念，那就是以最快速度的讓欲蝕刻銅表面接觸愈多 新鮮的蝕刻液。因為作用之蝕刻液Cu+濃度增高降低了蝕刻速度，須迅速補充 新液以維持速度。在做良好的設(shè)備設(shè)計規(guī)劃之前，就必須先了解及分析蝕銅過 程的化學(xué)反應(yīng)。本章為內(nèi)層制作所以探討酸性蝕刻,堿性蝕刻則于第十章再介 紹. a. CuCl2酸性蝕刻反應(yīng)過程之分析 銅可以三種氧化狀態(tài)存在，原子形成Cu°, 藍(lán)色離子的Cu++以及較不常見 的亞銅離子Cu+。金屬銅可在銅溶液中被氧化而溶解，見下面反應(yīng)式（1） Cu°+Cu++→2 Cu+ ------------- (1) 在酸性蝕刻的再生系統(tǒng)，就是將Cu+氧化成Cu++,因此使蝕刻液能將更多的 金屬銅咬蝕掉。 以下是更詳細(xì)的反應(yīng)機(jī)構(gòu)的說明。 b. 反應(yīng)機(jī)構(gòu) 直覺的聯(lián)想，在氯化銅酸性蝕刻液中，Cu++ 及Cu+應(yīng)是以CuCl2 及CuCl存 在才對，但事實非完全正確，兩者事實上是以和HCl形成的一龐大錯化物存 在的： Cu° + H2CuCl4 + 2HCl → 2H2CuCl3 ------------- (2) 金屬銅 銅離子 亞銅離子 其中H2CuCl4 實際是 CuCl2 + 2HCl 2H2CuCl3 實際是 CuCl + 2HCl 在反應(yīng)式(2)中可知HCl是消耗品。即使(2)式已有些復(fù)雜，但它仍是以下兩 個反應(yīng)式的簡式而已。 Cu°+ H2CuCl4 → 2H2CuCl3 + CuCl (不溶) ---------- (3) CuCl + 2HCl → 2H2CuCl3 (可溶) ---------- (4) 式中因產(chǎn)生CuCl沈淀，會阻止蝕刻反應(yīng)繼續(xù)發(fā)生，但因HCl的存在溶解 CuCl，維持了蝕刻的進(jìn)行。由此可看出HCl是氯化銅蝕刻中的消耗品，而且 是蝕刻速度控制的重要化學(xué)品。 雖然增加HCl的濃度往往可加快蝕刻速度，但亦可能發(fā)生下述的缺點。 1. 側(cè)蝕 (undercut ) 增大，或者etching factor降低。 2. 若補充藥液是使用氯化鈉，則有可能產(chǎn)生氯氣，對人體有害。 3. 有可能因此補充過多的氧化劑 (H2O2)，而攻擊鈦金屬H2O2 。 c.自動監(jiān)控添加系統(tǒng). 目前使用CuCl2酸性蝕銅水平設(shè)備者,大半都裝置Auto dosing設(shè)備,以維持 蝕銅速率,控制因子有五: 1. 比重 2. HCl 3. H2O2 4. 溫度 5. 蝕刻速度
剝膜
剝膜在pcb制程中，有兩個step會使用，一是內(nèi)層線路蝕刻后之D/F剝除，二 是外層線路蝕刻前D/F剝除(若外層制作為負(fù)片制程)D/F的剝除是一單純簡易 的制程，一般皆使用聯(lián)機(jī)水平設(shè)備，其使用之化學(xué)藥液多為NaOH或KOH濃 度在1~3%重量比。注意事項如下： A. 硬化后之干膜在此溶液下部份溶解，部份剝成片狀，為維持藥液的效果及后水洗能徹底，過濾系統(tǒng)的效能非常重要. B. 有些設(shè)備設(shè)計了輕刷或超音波攪拌來確保剝膜的徹底，尤其是在外層蝕刻后 的剝膜, 線路邊被二次銅微微卡住的干膜必須被徹底剝下，以免影響線路 品質(zhì)。所以也有在溶液中加入BCS幫助溶解，但有違環(huán)保，且對人體有 害。 C. 有文獻(xiàn)指K(鉀)會攻擊錫，因此外層線路蝕刻前之剝膜液之選擇須謹(jǐn)慎評 估。剝膜液為堿性，因此水洗的徹底與否，非常重要，內(nèi)層之剝膜后有加 酸洗中和，也有防銅面氧化而做氧化處理者。
對位系統(tǒng) 傳統(tǒng)方式
A. 四層板內(nèi)層以三明治方式，將2.3層底片事先對準(zhǔn),黏貼于一壓條上(和內(nèi)層同厚), 緊貼于曝光臺面上，己壓膜內(nèi)層則放進(jìn)二底片間, 靠邊即可進(jìn)行曝光。見圖4.4 B. 內(nèi)層先鉆(6層以上)粗對位工具孔(含對位孔及方向孔，板內(nèi)監(jiān)測孔等), 再以雙面曝光方式進(jìn)行內(nèi)層線路之制作。兩者的對位度好壞，影響成品良率極大，也是M/L對關(guān)鍵。
蝕后沖孔(post Etch Punch)方式
A. Pin Lam理論 此方法的原理極為簡單，內(nèi)層預(yù)先沖出4個Slot孔，見圖4.5 ，包括底片， prepreq都沿用此沖孔系統(tǒng)，此4個SLOT孔，相對兩組，有一組不對稱， 可防止套反。每個SLOT孔當(dāng)置放圓PIN后，因受溫壓會有變形時，仍能 自由的左右、上下伸展，但中心不變，故不會有應(yīng)力產(chǎn)生。待冷卻，壓力釋 放后，又回復(fù)原尺寸，是一頗佳的對位系統(tǒng)。 B. Mass Lam System 沿用上一觀念Multiline發(fā)展出"蝕后沖孔"式的PPS系統(tǒng)，其作業(yè)重點如下： 1.透過CAM在工作底片長方向邊緣處做兩"光學(xué)靶點"(Optical Target)以及四 角落之pads見圖4.6 2.將上、下底片仔細(xì)對準(zhǔn)固定后，如三明治做法，做曝光、顯影蝕刻， 剝膜等步驟。 3.蝕刻后已有兩光學(xué)靶點的內(nèi)層板，放進(jìn)Optiline PE機(jī)器上，讓CCD瞄準(zhǔn) 該光學(xué)靶點，依各廠自行設(shè)定，沖出板邊4個Slot孔或其它圖形工具孔。 如圖4.7 4.若是圓形工具孔、即當(dāng)做鉚釘孔，內(nèi)層黑化后，即可以鉚釘將內(nèi)層及膠片 鉚合成冊，再去進(jìn)行無梢壓板。
各層間的對準(zhǔn)度
A. 同心圓的觀念 a. 利用輔助同心圓，可check內(nèi)層上、下的對位度 b. 不同內(nèi)層同心圓的偏位表示壓合時候的Shift滑動 B. 設(shè)計原則 a.見圖4.8 所示 b.同心圓之設(shè)計，其間距為4mil，亦是各層間可容許的對位偏差,若超出同心圓以外，則此片可能不良。 c.因壓合有Resin Cure過程故pattern必須有預(yù)先放大的設(shè)計才能符合最終產(chǎn)品尺寸需求。
內(nèi)層檢測
AOI(簡單線路采目視) →電測→(修補)→確認(rèn) 內(nèi)層板線路成完后,必須保證通路及絕緣的完整性(integrity),即如同單面板一樣先要仔細(xì)檢查。因一旦完成壓合后,不幸仍有缺陷時,則已為時太晚,對于高層次板子而言更是必須先逐一保證其各層品質(zhì)之良好,始能進(jìn)行壓合, 由于高層板漸多,內(nèi)層板的負(fù)擔(dān)加重,且線路愈來愈細(xì),萬一有漏失將會造成壓合后的昂貴損失.傳統(tǒng)目視外,自動光學(xué)檢查(AOI)之使用在大廠中已非常普遍, 利用計算機(jī)將原圖案牢記,再配合特殊波長光線的掃瞄,而快速完美對各層板詳作檢查。但AOI有其極限,例如細(xì)斷路及漏電(Leakage)很難找出,故各廠漸增加短、斷路電性測試。