PCB电路板简介解析

目 祿

一. PCB演變 二. 製前準備 三. 基板

四. 內層製作與檢驗 五. 壓合 六. 鑽孔 七. 鍍通孔 八. 外層 九. 二次銅 十. 蝕刻 十一. 外層檢查 十二. 防焊

十三. 金手指,噴錫( Gold Finger & HAL ) 十四. 其他焊墊表面處理(OSP,化學鎳金,) 十五. 成型(Outline Contour) 十六. 電測 十七. 終檢

十八. 包裝(Packaging) 十九. 未來趨勢(Trend) 二十. 盲／埋孔

1

PCB電路板簡介

一. PCB演變 1.3 PCB種類及製法

在材料、層次、製程上的多樣化以適 合 不同的電子產品及其特殊需求。 以下就歸納一些通用的區別辦法，來簡單介紹PCB的分類以及它的製造方 法。 1.3.1 PCB種類 A. 以材質分 a. 有機材質

酚醛樹脂、玻璃纖維/環氧樹脂、Polyimide、BT/Epoxy等皆屬之。 b. 無機材質

鋁、Copper-invar-copper、ceramic等皆屬之。主要取其散熱功能 B. 以成品軟硬區分 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. 以結構分 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/電腦/半導體/電測板…,見圖1.8 BGA. 另有一種射出成型的立體PCB，因使用少，在此介紹。 1.3.2製造方法介紹

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 1.11

C. 尚有其它因應IC封裝的變革延伸而出的一些先進製程，本光碟僅提及但不詳加介紹，因有許多尚屬機密也不易取得，或者成熟度尚不夠。 本光碟以傳統負片多層板的製程為主軸，深入淺出的介紹各個製程，再輔以先進技術的觀念來探討未來的PCB走勢。 二.製前準備 2.1.前言

台灣PCB產業屬性，幾乎是以ＯＥＭ，也就是受客戶委托製作空板（Bare Board）而已，不像美國，很多PCB Shop是包括了線路設計，空板製作以及裝配(Assembly)的Turn-Key業務。以前，只要客戶提供的原始資料如Drawing, Artwork, Specification，再以手動翻片、排版、打帶等作業，即可進行製作，但近年由於電子產品日趨輕薄短小，PCB的製造面臨了幾個挑戰:（1）薄板（2）高密度（3）高性能（4）高速 ( 5 ) 產品週期縮短（6）降低成本等。以往以燈桌、筆刀、貼圖及照相機做為製前工具，現在己被電腦、工作軟體及鐳射繪圖機所取代。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，今天只要在CAM(Computer Aided Manufacturing)工作人員取得客戶的設計資料，可能幾小時內，就可以依設計規則或DFM(Design For Manufacturing)自動排版並變化不同的生產條件。同時可以output 如鑽孔、成型、測試治具等資料。 2.2.相關名詞的定義與解說 A Gerber file

這是一個從PCB CAD軟體輸出的資料檔做為光繪圖語言。1960年代一家名叫Gerber Scientific（現在叫Gerber System）專業做繪圖機的美國公司所發展出的格式，爾後二十年，行銷於世界四十多個國家。幾乎所有CAD系統的發展，也都依此格式作其Output Data，直接輸入繪圖機就可繪出Drawing或Film，因此Gerber Format成了電子業界的公認標準。 B. RS-274D

2

PCB電路板簡介

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 2.3.製前設計流程： 2.3.1客戶必須提供的資料：

電子廠或裝配工廠，委託PCB SHOP生產空板（Bare Board）時，必須提供下列資料以供製作。見表料號資料表-供製前設計使用.

上表資料是必備項目，有時客戶會提供一片樣品, 一份零件圖，一份保證書（保證製程中使用之原物料、耗料等不含某些有毒物質）等。這些額外資料，廠商須自行判斷其重要性，以免誤了商機。 2.3.2 .資料審查

面對這麼多的資料，製前設計工程師接下來所要進行的工作程序與重點，如下所述。 A. 審查客戶的產品規格，是否廠內製程能力可及，審查項目見承接料號製程能力檢查表. B.原物料需求（BOM-Bill of Material）

根據上述資料審查分析後，由BOM的展開，來決定原物料的廠牌、種類及規格。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。另外客戶對於Finish的規定,將影響流程的選擇,當然會有不同的物料需求與規格，例如：軟、硬金、噴鍚、OSP等。 表歸納客戶規範中，可能影響原物料選擇的因素。

C. 上述乃屬新資料的審查, 審查完畢進行樣品的製作.若是舊資料,則須Check有無戶ECO (Engineering Change Order) ,然後再進行審查. 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）；而適當排版可提高生產力並降低不良率。

有些工廠認為固定某些工作尺寸可以符合最大生產力，但原物料成本增加很多.下列是一些考慮的方向：

一般製作成本，直、間接原物料約佔總成本30~60%，包含了基板、膠片、銅箔、防焊、乾膜、鑽頭、重金屬（銅、鍚、鉛），化學耗品等。而這些原物料的耗用，直接和排版尺寸恰當與否有關係。大部份電子廠做線路Layout時，會做連片設計，以使裝配時能有最高的生產力。因此，PCB工廠之製前設計人員，應和客戶密切溝通，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。要計算最恰當的排版，須考慮以下幾個因素。 a.基材裁切最少刀數與最大使用率（裁切方式與磨邊處理須考慮進去）。 b.銅箔、膠片與乾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對位系統的最小尺寸。 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。

3

PCB電路板簡介

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 B. CAD/CAM作業

a. 將Gerber Data 輸入所使用的CAM系統，此時須將apertures和shapes定義好。目前，己有很多PCB CAM系統可接受IPC-350的格式。部份CAM系統可產生外型NC Routing 檔，不過一般PCB Layout設計軟體並不會產生此檔。 有部份專業軟體或獨立或配合NC Router,可設定參數直接輸出程式.

Shapes 種類有圓、正方、長方,亦有較複雜形狀，如內層之thermal pad等。著手設計時，Aperture code和shapes的關連要先定義清楚，否則無法進行後面一系列的設計。 b. 設計時的Check list

依據check list審查後，當可知道該製作料號可能的良率以及成本的預估。 c. Working Panel排版注意事項：

－PCB Layout工程師在設計時，為協助提醒或注意某些事項，會做一些輔助的記號做參考，所以必須在進入排版前，將之去除。下表列舉數個項目，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）；而適當排版可提高生產力並降低不良率。

有些工廠認為固定某些工作尺寸可以符合最大生產力，但原物料成本增加很多.下列是一些考慮的方向：

一般製作成本，直、間接原物料約佔總成本30~60%，包含了基板、膠片、銅箔、防焊、乾膜、鑽頭、重金屬（銅、鍚、鉛、金），化學耗品等。而這些原物料的耗用，直接和排版尺寸恰當與否有關係。大部份電子廠做線路Layout時，會做連片設計，以使裝配時能有最高的生產力。因此，PCB工廠之製前設計人員，應和客戶密切溝通，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。要計算最恰當的排版，須考慮以下幾個因素。 1.基材裁切最少刀數與最大使用率（裁切方式與磨邊處理須考慮進去）。 2.銅箔、膠片與乾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對位系統的最小尺寸。 4.各製程可能的最大尺寸限制或有效工作區尺寸.

5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。

－進行working Panel的排版過程中，尚須考慮下列事項，以使製程順暢，表排版注意事項 。 d. 底片與程式：

－底片Artwork 在CAM系統編輯排版完成後，配合D-Code檔案，而由雷射繪圖機（Laser Plotter）繪出底片。所須繪製的底片有內外層之線路，外層之防焊，以及文字底片。

由於線路密度愈來愈高，容差要求越來越嚴謹，因此底片尺寸控制，是目前很多PCB廠的一大課題。表是傳統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。而底片製造商亦積極研究替代材料，以使尺寸之安定性更好。例如乾式做法的鉍金屬底片.

一般在保存以及使用傳統底片應注意事項如下： 1.環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時間 3.取用、傳遞以及保存方式 4.置放或操作區域的清潔度 －程式

4

PCB電路板簡介

含一,二次孔鑽孔程式，以及外形Routing程式其中NC Routing程式一般須另行處理

e. DFM－Design for manufacturing .Pcb lay-out 工程師大半不太了解，PCB製作流程以及各製程需要注意的事項，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製前設計工程師因此必須從生產力，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,為的是製程中PAD一孔對位不準時，尚能維持最小的墊環寬度。

但是製前工程師的修正，有時卻會影響客戶產品的特性甚或性能，所以不得不謹慎。PCB廠必須有一套針對廠內製程上的特性而編輯的規範除了改善產品良率以及提昇生產力外，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檔產生AOI系統可接受的資料、且含容差，而電測Net list檔則用來製作電測治具Fixture。 2.4 結語

頗多公司對於製前設計的工作重視的程度不若製程,這個觀念一定要改,因為隨著電子產品的演變,PCB製作的技術層次愈困難,也愈須要和上游客戶做最密切的溝通,現在已不是任何一方把工作做好就表示組裝好的產品沒有問題,產品的使用環境, 材料的物,化性, 線路Lay-out的電性, PCB的信賴性等,都會影響產品的功能發揮.所以不管軟體,硬體,功能設計上都有很好的進展,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 ）做為原料而製造的電器或電子的重要機構元件,故從事電路板之上下游業者必須對基板有所瞭解:有那些種類的基板,它們是如何製造出來的,使用於何種產品, 它們各有那些優劣點,如此才能選擇適當的基板.表3.1簡單列出不同基板的適用場合.

基板工業是一種材料的基礎工業， 是由介電層（樹脂 Resin ，玻璃纖維 Glass fiber ），及高純度的導體 (銅箔 Copper foil )二者所構成的複合材料（ Composite material），其所牽涉的理論及實務不輸於電路板本身的製作。 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

目前已使用於線路板之樹脂類別很多,如酚醛樹脂（ Phenolic ）、環氧樹脂（ Epoxy ）、聚亞醯胺樹脂（ Polyimide ）、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

是人類最早開發成功而又商業化的聚合物。是由液態的酚（phenol）及液態的甲醛（ Formaldehyde 俗稱Formalin ）兩種便宜的化學品， 在酸性或鹼性的催化條件下發生立體架橋（ Crosslinkage ）的連續反應而硬化成為固態的合成材料。其反應化學式見圖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。

美國電子製造業協會(NEMA-Nationl Electrical Manufacturers Association) 將不同的組合冠以不同的編號代字而為業者所廣用, 現將酚醛樹脂之各產品代字列表，如表 NEMA 對於酚醛樹脂板的分類及代碼

表中紙質基板代字的第一個 \"X\" 是表示機械性用途，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 ），\"FR\" 表示樹脂中加有不易著火的物質使基板有難燃 (Flame Retardent) 或抗燃(Flame resistance) 性。

紙質板中最暢銷的是XXXPC及FR-2．前者在溫度25 ℃ 以上,厚度在.062in以下就可以沖製成型很方便，後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基板及其特殊用途:

5

PCB電路板簡介

A 常使用紙質基板

a. XPC Grade：通常應用在低電壓、低電流不會引起火源的消費性電子產品， 如玩具、手提收音機、電話機、計算機、遙控器及鐘錶等等。UL94對XPC Grade 要求只須達到HB難燃等級即可。

b. FR-1 Grade：電氣性、難燃性優於XPC Grade，廣泛使用於電流及電壓比XPC Grade稍高的電器用品，如彩色電視機、監視器、VTR、家庭音響、洗衣機及吸塵器等等。UL94要求FR-1難燃性有V-0、V-1與V-2不同等級，不過由於三種等級板材價位差異不大，而且考慮安全起見，目前電器界幾乎全採用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，其他物性並沒有特別之處，近年來在紙質基板業者努力研究改進FR-1技術，FR-1與FR-2的性質界線已漸模糊,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。 b.-2 導體材質

1) 導體材質 銀及碳墨貫孔印刷電路的導電方式是利用銀及石墨微粒鑲嵌在聚合體內， 藉由微粒的接觸來導電，而銅鍍通孔印刷電路板，則是借由銅本身是連貫的 結晶體而產生非常順暢的導電性。 2) 延展性：

銅鍍通孔上的銅是一種連續性的結晶體，有非常良好的延展性，不會像銀、 碳墨膠在熱脹冷縮時，容易發生界面的分離而降低導電度。 3) 移行性：

銀、銅都是金屬材質，容易發性氧化、還原作用造成銹化及移行現象，因 電位差的不同，銀比銅在電位差趨動力下容易發生銀遷移(Silver Migration)。 c. 碳墨貫孔(Carbon Through Hole)用紙質基板.

碳墨膠油墨中的石墨不具有像銀的移行特性，石墨所擔當的角色僅僅是作簡 單的訊號傳遞者，所以PCB業界對積層板除了碳墨膠與基材的密著性、翹 曲度外，並沒有特別要求.石墨因有良好的耐磨性，所以Carbon Paste最早期 是被應用來取代Key Pad及金手指上的鍍金，而後延伸到扮演跳線功能。 碳墨貫孔印刷電路板的負載電流通常設計的很低，所以業界大都採用XPC 等級，至於厚度方面，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. 室溫沖孔用紙質基板 其特徵是紙質基板表面溫度約40℃以下，即可作Pitch為1.78mm的IC密 集孔的沖模，孔間不會發生裂痕，並且以減低沖模時紙質基板冷卻所造成線 路精準度的偏差，該類紙質基板非常適用於細線路及大面積的印刷電路板。

e. 抗漏電壓(Anti-Track)用紙質基板 人類的生活越趨精緻，對物品的要求且也就越講就短小輕薄，當印刷電路板 的線路設計越密集，線距也就越小，且在高功能性的要求下，電流負載變大 了，那麼線路間就容易因發生電弧破壞基材

6

PCB電路板簡介

的絕緣性而造成漏電，紙質基板 業界為解決該類問題，有供應採用特殊背膠的銅箔所製成的抗漏電壓 用紙質基板 2.1.2 環氧樹脂 Epoxy Resin

是目前印刷線路板業用途最廣的底材。在液態時稱為清漆或稱凡立水（Varnish) 或稱為 A-stage， 玻璃布在浸膠半乾成膠片後再經高溫軟化液化而呈現黏著性而用於雙面基板製作或多層板之壓合用稱 B-stage prepreg ,經此壓合再硬化而無法回復之最終狀態稱為 C-stage。 2.1.2.1傳統環氧樹脂的組成及其性質

用於基板之環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(Flammability test), 將上述仍在液態的樹脂再與Tetrabromo-Bisphenol A 反應而成為最熟知FR-4 傳統環氧樹脂。現將產品之主要成份列於後: 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 monomethyl ether( EGMME ) Dimethyl formamide (DMF) 及稀釋劑 Acetone ,MEK。 填充劑(Additive) --碳酸鈣、矽化物、 及氫氧化鋁 或 化物等增加難燃效果。 填充劑可調整其Tg. A. 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。 B. 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。 D. 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。

7

PCB電路板簡介

3.1.2.2高性能環氧樹脂(Multifunctional Epoxy)

傳統的 FR4 對今日高性能的線路板而言已經力不從心了， 故有各種不同的樹脂與原有的環氧樹脂混合以提升其基板之各種性質， A. Novolac

最早被引進的是酚醛樹脂中的一種叫 Novolac 者 ,由 Novolac 與環氧氯丙烷所形成的酯類稱為 Epoxy

Novolacs，見圖3.4之反應式. 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，缺點是酚醛樹脂本身的硬度及脆性都很高而易鑽頭，加之抗化性能力增強,對於因鑽孔而造成的膠渣 (Smear) 不易除去而造成多層板PTH製程之困擾。 B. Tetrafunctional Epoxy

另一種常被添加於 FR4 中的是所謂 \" 四功能的環氧樹脂 \" (Tetrafunctional Epoxy Resin ).其與傳統 \" 雙功能 \" 環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境，且抗溶劑性、抗化性、抗濕性及尺寸安定性也好很多，而且不會發生像 Novolac那樣的缺點。最早是美國一家叫 Polyclad 的基板廠所引進的。四功能比起 Novolac來還有一種優點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鑽孔後最好在烤箱中以 160 ℃烤 2-4 小時, 使孔壁露出的樹脂產生氧化作用，氧化後的樹脂較容易被蝕除，而且也增加樹脂進一步的架橋聚合,對後來的製程也有幫助。因為脆性的關係, 鑽孔要特別注意. 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。 C. 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. 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 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。 表為四種不同樹脂製造的基板性質的比較.

8

PCB電路板簡介

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。 3.1.2.6 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。 A. 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。 3.1.2.2 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。 A. 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。 －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功擊。 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。

9

PCB電路板簡介

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． 3.2 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. 3.2.1.2 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 600 ASF 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. 3.2.1.3 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.

10

PCB電路板簡介

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. 3.2.2.2 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. 3.2.2.3 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) 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。 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.現將其型級及代號分列於表 3.4 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。 3.4.4常見膠片種類，其膠含量及Cruing後厚度關係，見表

11

PCB電路板簡介

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)。 3.4.1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。 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. 4.2.0發料

發料就是依製前設計所規劃的工作尺寸，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-影響影像轉移良率製程 C. 方向要一致-即經向對經向，緯向對緯向 D. 下製程前的烘烤-尺寸安定性考量 4.2.1 銅面處理

在印刷電路板製程中，不管那一個step，銅面的清潔與粗化的效果，關係著下 一製程的成敗，所以看似簡單，其實裡面的學問頗大。

A. 須要銅面處理的製程有以下幾個 a. 乾膜壓膜 b. 內層氧化處理前 c. 鉆孔後 d. 化學銅前 e. 鍍銅前 f. 綠漆前

12

PCB電路板簡介

g. 噴錫(或其它焊墊處理流程)前 h. 金手指鍍鎳前

本節針對a. c. f. g. 等製程來探討最好的處理方式(其餘皆屬製程自動化中的一部 份，不必獨立出來) B. 處理方法 現行銅面處理方式可分三種： a. 刷磨法(Brush) b. 噴砂法(Pumice) c. 化學法(Microetch) 以下即做此三法的介紹 C. 刷磨法

刷磨動作之機構,見圖4.1所示. 表4.1是銅面刷磨法的比較表 注意事項

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 優點 a. 成本低

b. 製程簡單，彈性 缺點

a. 薄板細線路板不易進行 b. 基材拉長，不適內層薄板

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

以不同材質的細石(俗稱pumice)為研磨材料 優點：

a. 表面粗糙均勻程度較刷磨方式好 b. 尺寸安定性較好 c. 可用於薄板及細線 缺點：

a. Pumice容易沾留板面 b. 機器維護不易 E. 化學法(微蝕法)

化學法有幾種選擇，見表 . F.結綸

使用何種銅面處理方式，各廠應以產品的層次及製程能力來評估之，並無定論，但可預知的是化學處理法會更普遍，因細線薄板的比例愈來愈高。 4.2.2 影像轉移 4.2.2.1印刷法 A. 前言

電路板自其起源到目前之高密度設計,一直都與絲網印刷(Silk Screen Printing)－或網版印刷有直接密切之關係，故稱之為\"印刷電路板\"。目前除了最大量的應用在電路板之外，其他電子工業尚有厚膜(Thick Film)的混成電路(Hybrid Circuit)、晶片電阻(Chip Resist )、及表面黏裝(Surface Mounting)之錫膏印刷等也都優有應用。

由於近年電路板高密度,高精度的要求,印刷方法已無法達到規格需求,因此其應用範圍漸縮,而乾膜法已取代了大

13

PCB電路板簡介

部分影像轉移製作方式.下列是目前尚可以印刷法cover的製程: a. 單面板之線路,防焊 ( 大量產多使用自動印刷,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.內層大銅面 f.文字

g.可剝膠(Peelable ink)

除此之外,印刷技術員培養困難,工資高.而乾膜法成本逐漸降低因此也使兩者消長明顯. B. 絲網印刷法(Screen Printing)簡介

絲網印刷中幾個重要基本原素:網材,網版,乳劑,曝光機,印刷機,刮刀,油墨,烤箱等,以下逐一簡單介紹. a. 網布材料

(1) 依材質不同可分絲絹(silk),尼龍(nylon),聚酯(Polyester,或稱特多龍),不銹鋼,等.電路板常用者為後三者. (2) 編織法:最常用也最好用的是單絲平織法 Plain Weave.

(3) 網目數(mesh),網布厚度(thickness),線徑(diameter),開口(opening)的關係 見表常用的不銹鋼網布諸元素 開口:見圖4.2所示

網目數:每inch或cm中的開口數 線徑: 網布織絲的直徑 網布

厚度:厚度規格有六,Slight(S),Medium(M),Thick(T),Half heavy duty(H),Heavy duty(HD),Super heavy duty(SHD) 圖4.2顯示印刷過程網布各元素扮演角色. b.網版(Stencil)的種類

(1).直接網版(Direct Stencil)

將感光乳膠調配均勻直接塗佈在網布上，烘乾後連框共同放置在曝光設備臺 面上並覆以原稿底片，再抽真空使其密接感光，經顯像後即成為可印刷的網 版。通常乳膠塗佈多少次,視印刷厚度而定.此法網版耐用,安定性高,用於大 量生產.但製作慢,且太厚時可能因厚薄不均而產生解像不良. (2).間接網版(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移過來，然後把已有圖 形的版膜貼在網面上，待冷風乾燥後撕去透明之載體護膜，即成間接性網版。 其厚度均勻,解析度好,製作快,多用於樣品及小量產. 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乾燥型、化學反應型及紫外線硬化型(UV)

(3).以用途可分抗蝕,抗鍍,防焊,文字,導電,及塞孔油墨. 不同製程選用何種油墨,須視各廠相關製程種類來評估,如鹼性蝕刻和酸性蝕刻 選擇之抗蝕油墨考慮方向就不一樣. d. 印刷作業

網版印刷目前有三種方式:手印、半自動印及全自動印刷. 手印機須要印刷熟 手操作,是最彈性與快速的選擇,尤以樣品製作.較小工廠及協力廠仍有不少採 手印. 半自動印則除loading/unloading以人工作業外,印刷動作由機器代勞,但 對位還是人工作業.也有所謂3/4機印,意指loading亦採自動,印好後人工放入 Rack中. 全自動印刷則是loading/unloading及對位,印刷作業都是自動.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布不斷拉扯, 因此新網張力的要求非 常重要一.般張力測試量五點,即四角和中間. (2) 刮刀Squeege

14

PCB電路板簡介

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長出3/4－1吋左右。 刮刀在使用一段時間後其銳利的直角會變圓，與網布接觸的面積增大， 就 無法印出邊緣畢直的細條，需要將刮刀重新磨利才行，需且刮刀刃線上 不 可出現缺口，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固定在印刷機台面上,調整網版及離板間隙(Off Contact Distance)( 指版膜到基板銅面的距離，應保持在2m/m－5m/m做為網布彈回的應有距離 ),然後覆墨試印.若有不準再做微調. －若是自動印刷作業則是靠邊, pinning及ccd等方式對位.因其產量大,適合 極大量的單一機種生產. (4). 烘烤

不同製程會選擇不同油墨, 烘烤條件也完全不一樣,須follow廠商提供的 data sheet,再依廠內製程條件的差異而加以modify.一般因油墨組成不一， 烘烤方式有風乾,UV,IR等．烤箱須注意換氣循環，溫控，時控等. (5). 注意事項

不管是機印或手印皆要注意下列幾個重點

－括刀行進的角度，包括與版面及ｘｙ平面的角度， －須不須要回墨.

－固定片數要洗紙,避免陰影. －待印板面要保持清潔

－每印刷固定片數要抽檢一片依 check list 檢驗品質. 4.2.2.2乾膜法

更詳細製程解說請參讀外層製作.本節就幾個內層製作上應注意事項加以分析. A. 一般壓膜機(Laminator)對於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

現業界用於蝕刻的化學藥液種類，常見者有兩種，一是酸性氯化銅(CaCl2)、 蝕刻液，一種是鹼性氨水蝕刻液。 Ａ．兩種化學藥液的比較，見表氨水蝕刻液& 氯化銅蝕刻液比較

兩種藥液的選擇，視影像轉移製程中，Resist是抗電鍍之用或抗蝕刻之用。在內層製程中D/F或油墨是作為抗蝕刻之用，因此大部份選擇酸性蝕刻。外層製程中，若為傳統負片流程，D/F僅是抗電鍍，在蝕刻前會被剝除。其抗蝕刻層是鍚鉛合金或純鍚，故一定要用鹼性蝕刻液，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膠，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－最筆直的線路側壁,(衡量標準為蝕刻因子 etching factor其定義見圖4.3)，不同的理論有不同的觀點，且可能相衝突。 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。在做良好的設備設計規劃之前，就必須先了解及分析蝕銅過 程的化學反應。本章為內層製作所以探討酸性蝕刻,鹼性蝕刻則於第十章再介 紹. a. CuCl2酸性蝕刻反應過程之分析

銅可以三種氧化狀態存在，原子形成Cu°, 藍色離子的Cu++以及較不常見 的亞銅離子Cu+。金屬銅可在銅溶

15

PCB電路板簡介

液中被氧化而溶解，見下面反應式（1） Cu°+Cu++→2 Cu+ ------------- (1)

在酸性蝕刻的再生系統，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。 以下是更詳細的反應機構的說明。 b. 反應機構

直覺的聯想，在氯化銅酸性蝕刻液中，Cu++ 及Cu+應是以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

在反應式(2)中可知HCl是消耗品。即使(2)式已有些複雜，但它仍是以下兩 個反應式的簡式而已。 Cu°+ H2CuCl4 → 2H2CuCl3 + CuCl (不溶) ---------- (3) CuCl + 2HCl → 2H2CuCl3 (可溶) ---------- (4)

式中因產生CuCl沈澱，會阻止蝕刻反應繼續發生，但因HCl的存在溶解 CuCl，維持了蝕刻的進行。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品。 雖然增加HCl的濃度往往可加快蝕刻速度，但亦可能發生下述的缺點。 1. 側蝕 (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.自動監控添加系統. 目前使用CuCl2酸性蝕銅水平設備者,大半都裝置Auto dosing設備,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 4.2.4 剝膜

剝膜在pcb製程中，有兩個step會使用，一是內層線路蝕刻後之D/F剝除，二 是外層線路蝕刻前D/F剝除(若外層製作為負片製程)D/F的剝除是一單純簡易 的製程，一般皆使用連線水平設備，其使用之化學藥液多為NaOH或KOH濃 度在1~3%重量比。注意事項如下：

A. 硬化後之乾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後水洗能徹底，過濾系統的效能非常重要.

B. 有些設備設計了輕刷或超音波攪拌來確保剝膜的徹底，尤其是在外層蝕刻後 的剝膜, 線路邊被二次銅微微卡住的乾膜必須被徹底剝下，以免影響線路 品質。所以也有在溶液中加入BCS幫助溶解，但有違環保，且對人體有 害。 C. 有文獻指K(鉀)會攻擊錫，因此外層線路蝕刻前之剝膜液之選擇須謹慎評 估。剝膜液為鹼性，因此水洗的徹底與否，非常重要，內層之剝膜後有加 酸洗中和，也有防銅面氧化而做氧化處理者。 4.2.5對位系統 4.2.5.1傳統方式

A. 四層板內層以三明治方式，將2.3層底片事先對準,黏貼於一壓條上(和內層同厚), 緊貼於曝光檯面上，己壓膜內層則放進二底片間, 靠邊即可進行曝光。見圖4.4

B. 內層先鑽(6層以上)粗對位工具孔(含對位孔及方向孔，板內監測孔等), 再以雙面曝光方式進行內層線路之製作。兩者的對位度好壞，影響成品良率極大，也是M/L對關鍵。

16

PCB電路板簡介

4.2.5.2蝕後沖孔(post Etch Punch)方式 A. Pin Lam理論

此方法的原理極為簡單，內層預先沖出4個Slot孔，見圖4.5 ，包括底片， prepreq都沿用此沖孔系統，此4個SLOT孔，相對兩組，有一組不對稱， 可防止套反。每個SLOT孔當置放圓PIN後，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，故不會有應力產生。待冷卻，壓力釋 放後，又回復原尺寸，是一頗佳的對位系統。 B. Mass Lam System

沿用上一觀念Multiline發展出\"蝕後沖孔\"式的PPS系統，其作業重點如下：

1.透過CAM在工作底片長方向邊緣處做兩\"光學靶點\"(Optical Target)以及四 角落之pads見圖4.6 2.將上、下底片仔細對準固定後，如三明治做法，做曝光、顯影蝕刻， 剝膜等步驟。

3.蝕刻後已有兩光學靶點的內層板，放進Optiline PE機器上，讓CCD瞄準 該光學靶點，依各廠自行設定，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、即當做鉚釘孔，內層黑化後，即可以鉚釘將內層及膠片 鉚合成冊，再去進行無梢壓板。 4.2.5.2各層間的對準度 A. 同心圓的觀念

a. 利用輔助同心圓，可check內層上、下的對位度 b. 不同內層同心圓的偏位表示壓合時候的Shift滑動 B. 設計原則 a.見圖4.8 所示

b.同心圓之設計，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必須有預先放大的設計才能符合最終產品尺寸需求。 4.3 內層檢測

AOI(簡單線路採目視) →電測→(修補)→確認 內層板線路成完後,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檢查。因一旦完成壓合後,不幸仍有缺陷時,則已為時太晚,對於高層次板子而言更是必須先逐一保證其各層品質之良好,始能進行壓合, 由於高層板漸多,內層板的負擔加重,且線路愈來愈細,萬一有漏失將會造成壓合後的昂貴損失.傳統目視外,自動光學檢查(AOI)之使用在大廠中已非常普遍, 利用電腦將原圖案牢記,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,例如細斷路及漏電(Leakage)很難找出,故各廠漸增加短、斷路電性測試。AOI及測試後面有專題,在此不詳述. 內層製作至此完成, 下一流程為壓合. 五.壓合 5.1. 製程目的:

將銅箔(Copper Foil),膠片(Prepreg)與氧化處理(Oxidation)後的內層線路板,壓合成多層基板.本章仍介紹氧化處理,但未來因成本及縮短流程考量,取代製程會逐漸普遍. 5.2. 壓合流程,如下圖5.1: 5.3. 各製程說明

5.3.1 內層氧化處理(Black/Brown Oxide Treatment) 5.3.1.1 氧化反應

A. 增加與樹脂接觸的表面積,加強二者之間的附著力(Adhesion).

B. 增加銅面對流動樹脂之潤濕性,使樹脂能流入各死角而在硬化後有更強的抓地力。

C. 在裸銅表面產生一層緻密的鈍化層(Passivation)以阻絕高溫下液態樹脂中胺類(Amine)對銅面的影響。 5.3.1.2. 還原反應

目的在增加氣化層之抗酸性，並剪短絨毛高度至恰當水準以使樹脂易於填充並能減少粉紅圈( pink ring ) 的發生。 5.3.1.3. 黑化及棕化標準配方: 表一般配方及其操作條件

17

PCB電路板簡介

上表中之亞氯酸鈉為主要氧化劑,其餘二者為安定劑,其氧化反應式。

此三式是金屬銅與亞氯酸鈉所釋放出的初生態氧先生成中間體氧化亞銅,2Cu+[O] →Cu2O,再繼續反應成為氧化銅CuO,若反應能徹底到達二價銅的境界,則呈現黑巧克力色之\"棕氧化\"層,若層膜中尚含有部份一價亞銅時則呈現無光澤的墨黑色的\"黑氧化\"層。

5.3.1.4. 製程操作條件( 一般代表 ),典型氧化流程及條件。 5.3.1.5 棕化與黑化的比較

A. 黑化層因液中存有高鹼度而雜有Cu2O,此物容易形成長針狀或羽毛狀結晶。此種亞銅之長針在高溫下容易折斷而大大影響銅與樹脂間的附著力,並隨流膠而使黑點流散在板中形成電性問題,而且也容易出現水份而形成高熱後局部的分層爆板。棕化層則呈碎石狀瘤狀結晶貼銅面,其結構緊密無疏孔,與膠片間附著力遠超過黑化層,不受高溫高壓的影響,成為聚亞醯胺多層板必須的製程。

B. 黑化層較厚,經PTH後常會發生粉紅圈(Pink ring),這是因 PTH中的微蝕或活化或速化液攻入黑化層而將之還原露出原銅色之故。棕化層則因厚度很薄.較不會生成粉紅圈。內層基板銅箔毛面經鋅化處理與底材抓的很牢,但光面的黑化層卻容易受酸液之側攻而現出銅之原色,見圖5.2.

C. 黑化因結晶較長厚度較厚故其覆蓋性比棕化要好,一般銅面的瑕疪較容易蓋過去而能得到色澤 均勻的外表 。棕化則常因銅面前處理不夠完美而出現斑駁不齊的外觀,常不為品管人員所認同。不過處理時間長或溫度高一些會比較均勻。事實上此種外觀之不均勻並不會影響其優良之剝離強度(Peel Strength). 一般商品常加有厚度仰制劑(Self-Limiting)及防止紅圈之封護劑 (Sealer)使能耐酸等,則棕化之性能會更形突出。

表5.4顯示同樣時間及溫度下,不同濃度氧化槽液,其氧化層顏色,顆粒大小及厚度變化 5.3.1.6製程說明

內層板完成蝕刻後需用鹼液除去乾膜或油墨阻劑,經烘乾後要做檢修,測試,之後才進入氧化製程。此製程主要有鹼洗、酸浸,微蝕、預浸、氧化,還原,抗氧化及後清洗吹乾等步驟,現分述於後:

A. 鹼性清洗- 也有使用酸洗.市售有多種專業的化藥,能清除手指紋、油脂,scum或有機物。 B. 酸浸-調整板面PH,若之前為酸洗,則可跳過此步驟.

C. 微蝕- 微蝕主要目的是蝕出銅箔之柱狀結晶組織(grain structure)來增加表面積,增加氧化 後對膠片的抓地力。通常此一微蝕深度以50-70微英吋為宜。微蝕對棕化層的顏色均勻上非 常重要,

D. 預浸中和- 板子經徹底水洗後,在進入高溫強鹼之氧化處理前宜先做板面調整 ,使新鮮的銅 面生成- 暗紅色的預處理,並能檢查到是否仍有殘膜未除盡的亮點存在。

E. 氧化處理-市售的商品多分為兩液,其一為氧化劑常含以亞氯酸鈉為主,另一為氫氧化鈉及添 加物,使用時按比例調配加水加溫即可。通常氫氧化鈉在高溫及攪動下容易與空氣中的二氧化 碳形成碳酸鈉而顯現出消耗很多的情況,因鹼度的降低常使棕化的顏色變淺或不均勻,宜分析 及補充其不足。溫度的均勻性也是影響顏色原因之一,加熱器不能用石英,因高溫強鹼會使矽 化物溶解。操作時最好讓槽液能合理的流動及交換。 F. 還原－此步驟的應用影響後面壓合成敗甚鉅.

G. 抗氧化－此步驟能讓板子的信賴度更好,但視產品層次,不一定都有此步驟.

H. 後清洗及乾燥-要將完成處理的板子立即浸入熱水清洗,以防止殘留藥液在空氣中乾涸在板面 上而不易洗掉,經熱水徹底洗淨後,才真正完工。 5.3.1.7 設備

氧化處理並非製程中最大的瓶頸,大部分仍用傳統的浸槽式獨臂或龍門吊車的輸送。所建立的槽液無需太大量,以便於更換或補充,建槽材料以CPVC或PP都可以。

水平連續自動輸送的處理方式,對於薄板很適合,可解決RACK及板彎翹的情形.水平方式可分為噴液法(Spray)及溢流法(Flood),前者的設備昂貴,溫度控制不易,又因大量與空氣混合造成更容易沉澱的現象,為縮短板子在噴室停留的時間,氧化液中多加有加速劑(Accelerator)使得槽液不夠穩定.溢流法使用者較多 . 5.3.1.8氧化線生產品質控制重點 A.檢測方法及管制範圍

18

PCB電路板簡介

a.氧化量(o/w)之測定〔管制範圍：0.3±0.07（mg/cm2）〕

(1) 取一試片9cm×10cm 1oz規格厚度之銅片，隨流程做氧化處理。

(2) 將氧化處理後之試片置於130℃之烤箱中烘烤10min.去除水分，置於密閉容器冷卻至室溫，稱重得重量－w1(g)。

(3) 試片置於20%H2SO4中約10min去除氧化表層，重覆上一步驟，稱重得重量－w2(g) (4) 計算公式： O/W = （W1-W2／9×10×2）×1000 又稱weight gain,一般在In-processQC會用此法 b.剝離強度( Peel Strength )之測定 （管制範圍：4~8 lb/in）

(1) 取一試片1oz規格厚度之銅箔基板，做氧化處理後圖-做疊板( lay up )後做壓合處理。 (2) 取一1cm寬之試片，做剝離拉力測試，得出剝離強度( 依使用設備計算 ). c.蝕刻銅量(Etch Amount) 之測定（管制範圍：70±30u in）

(1) 取一試片9cm×10cm 1oz規格厚度之銅片，置於130℃之烤箱中烘烤10min去除水份，置於密閉容器中冷卻至室溫，稱重量得－w1(g)

(2) 將試片置於微蝕槽中約2'18\"(依各廠實際作業時間)，做水洗處理後，重覆上一個步驟，稱得重量－w2(g)。 (3) 計算公式：

d.氧化後抽檢板子以無亮點為判斷標準 5.3.2 疊板

進壓合機之前,需將各多層板使用原料準備好,以便疊板(Lay-up)作業.除已氧化處理之內層外,尚需膠片(Prepreg),銅箔(Copper foil),以下就敘述其規格種類及作業: 5.3.2.1 P/P(Prepreg)之規格 P/P的選用要考慮下列事項: －絕緣層厚度 －內層銅厚 －樹脂含量

－內層各層殘留銅面積 －對稱

最重要還是要替客戶節省成本

P/P主要的三種性質為膠流量(Resin Flow)、膠化時間(Gel time)及膠含量(Resin Content)其進料測試方式及其他特性介紹如下所述: A. 膠流量(Resin Flow)

1,流量試驗法Flow test-與經緯斜切截取4吋見方的膠片四張精稱後再按原經向對經向或 緯 對緯的上下疊在一起,在已預熱到170°±2.8°之壓床用200±25PSI去壓10分鐘,待其熔 合 及冷卻後,在其中央部份沖出直徑3.192吋的圓片來,精稱此圓片重量,然後計算膠流之百分 流量為:

式中分子相減之差即表示流出去的膠量,因原面積為16m2,而壓後所沖之圓片面積為(3.196÷ 2)2× 3.14×2=16.045m2, 故可以解釋為壓後圓片以外的東西是\"流\"出去的 。

2,比例流量Scaled flow test-是指面積大時用大的壓力強度,面積小時用小的壓力強度其作法 是正切膠片成 7in×5.5in之樣片並使7in長向與原捲之經向平行,薄膠片(104,106,108)者要 18-20張,中度者(12.113.116)切10張,比116更厚者就不太準了。熱板先預熱到150°±20 ℃並加上脫膜紙,將膠放上以31PSI或840磅±5%在8吋見方的壓床上壓10±1分鐘,冷卻後 對角切開,並以測微卡尺量對角線的厚度,其計算如下: ho=[Wo/n(5.54×10-2)-Wg]×21.2×10-2

ho-每張膠片原應有的厚度,Wo-原樣片的總重,Wg-單位面積上之玻璃布重(g/in2),n-張數。 B. 膠化時間 (Gel time or Tack Time)

膠片中的樹脂為半硬化的 B-Stage 材料,在受到高溫後即會軟化及流動,經過一段軟化而流動 的時間後,又逐漸吸

19

PCB電路板簡介

收能量而發生聚合反應使得黏度增大再真正的硬化成為 C-Stage 材料。 上述在壓力下可以流動的時間,或稱為可以做趕氣及填隙之工作時間,稱為膠化時間或可流膠 時間。當此時段太長時會造成板中應有的膠流出太多, 不但厚度變薄浪費成本而且造成銅箔 直接壓到玻璃上使結構強度及抗化性不良。但此時間太短時則又無法在趕完板藏氣之前因黏 度太大無法流動而形成氣泡 (air bubble) 現象。 C. 膠含量 (Resin Content)

是指膠片中除了玻璃布以外之膠所占之重量比。可以用以下兩種方法測量之 c-1 燒完法 (Burn Out)

c-2 處理重量法 (Treated Weight) 其他尚有注意事項如下

D. 用偏光鏡 (Polarizing Filter) 檢查膠片中的硬化劑 dicy 是否大量的集中, 以防其發生 再結晶現象, 因再結晶後會吸水則會有爆板的危險。將膠片在光源經兩片互相垂直的偏光鏡 而可以看到膠片中的dicy 的集中再結晶現象。 E. 檢查膠片中的玻璃紗束數目是否正確, 可將膠片放在焚爐中在540℃下燒15分鐘除去樹脂露 出玻璃布,在 20X 顯微鏡下計數每吋中的經緯紗束是否合乎規範。

F. 揮發成份 (Volatile), 在膠片捲上斜切下4 吋×4 吋的樣片 4 片, 在天平上精稱到 1mg, 然 後置入163 °±2.8℃通風良好的烤箱中烤15 ±1分鐘, 再取出放入密閉的乾燥皿中冷到 室 溫,再迅速重稱烤後重量。其失重與原重之比值以百分法表示之即為揮發成份含量。 5.3.2.2. P/P的切割 ,見圖5.3

機械方向就是經向,可要求廠商於不同Prepreg膠卷側邊上不同顏色做為辨識 5.3.2.3 銅箔規格

詳細銅箔資料請見'基板'章節 ，常見銅箔厚度及其重要規格表。 5.3.2.4 疊板作業

壓板方式一般區分兩種:一是Cap-lamination,一是Foil-lamination，本節僅討論Foil-lamination. A. 組合的原則

組合的方法依客戶之規格要求有多種選擇,考量對稱,銅厚,樹脂含量,流量等以最低成本達品質 要求:

(a) 其基本原則是兩銅箔或導體層間的絕緣介質層至少要兩張膠片所組成,而且其壓合後之厚度不 得低於3.5 mil(已有更尖端板的要求更薄於此),以防銅箔直接壓在玻璃布上形成介電常數太 大之絕緣不良情形,而且附著力也不好。 (b) 為使流膠能夠填滿板內的空隙 ,又不要因膠量太多造成偏滑或以後Z方向的過度膨脹,與銅面 接觸的膠片,其原始厚度至少要銅厚的兩倍以上才行。最外層與次外層至少要有5 mil以保證 絕緣的良好。

(c) 薄基板及膠片的經緯方向不可混錯,必須經對經,緯對緯,以免造成後來的板翹板扭無法補救的 結果。膠片的張數一定要上下對稱,以平衡所產生的應力。少用已經硬化C-Stage的材料來墊 補厚度,此點尤其對厚多層板最為要緊,以防界面處受熱後分離。在不得及使用時要注意其水 份的烘烤及表面的粗化以增附著力。

(d) 要求阻抗 (Impedance)控制的特殊板,應改用低稜線(Low Profile)的銅箔,使其毛面(Matte side)之峰谷間垂直相差在6微米以下,傳統銅皮之差距則達12微米。使用薄銅箔時與其接壤 的膠片流量不可太大,以防無梢大面積壓板後可能發常生的皺折(Wrinkle)。銅箔疊上後要用 除塵布在光面上輕輕均勻的擦動,一則趕走空間氣減少皺折,二則消除銅面的雜質外物減少後 來板面上的凹陷。但務必注意不可觸及毛面以免附著力不良。

(e) 選擇好組合方式,6層板以上內層及膠片先以鉚釘固定以防壓合時shift.此處要考慮的是卯釘 的選擇(長度,深度材質),以及鉚釘機的操作(固定的緊密程度)等. C. 疊板環境及人員

疊板現場溫度要控制在20°±2℃,相對濕度應在50% ±5%, ,人員要穿著連身裝之抗靜電服裝、戴罩帽、手套、口罩(目的在防止皮膚接觸及濕氣),布鞋, 進入室內前要先經空氣吹浴30秒,私人物品不宜帶入,入口處更要在地面上設一膠墊以黏鞋 底污物。膠片自冷藏庫取出及剪裁完成後要在室內穩定至少24小時才能用做疊置。完成疊 置的組合要在1小時以內完成上機壓合。若有抽真空裝置 ,應在壓合前先抽一段時間,以趕走水氣。膠片中濕氣太大時會造成Tg降低及不易硬化現象。

20

PCB電路板簡介

D.疊板法

(a) 無梢壓板法-此法每一個開口中每個隔板間的多層板散冊要上下左右對準,而且各隔板間也絕對要上下對準,自然整個壓床之各開口間也要對準在中心位置。 對準的方式有兩種方式:

－一種是投影燈式,在疊板台正上方裝一投影機,先將鋁載板放在定位並加上牛皮紙,將光影按板冊之尺寸投影在鋁板上,再將各板冊之內容及隔板逐一疊齊,最後再壓上牛皮紙及鋁蓋板即完成一個開口間的組合。 －另一種是無投影燈時,將板冊之各材料每邊找出中點來,鋁皮鋼板也找出中點,也可進行上下對準。

六層板則先將2個內層雙面板分別鑽出鉚釘孔,每片雙面板的四個鉚釘孔要與板內各孔及線 路有絕對準確的關係再取已有鉚釘梢的樣板套在所用夾心的膠片,此等膠片已有稍大一點的 鉚孔,於是小心將四邊中心的鉚釘孔對準並套上鉚釘,再小心用沖釘器把四個鉚釘逐一沖開壓 扁而將兩內層及其間的膠片夾死,其上下兩面再疊上膠片及銅箔如四層板一樣去壓合。此時可 用X光檢查兩薄內層板間的對準情形再進行壓合或折掉重鉚。一般六層板只在第二層上做出箭靶即可。層間對位方式另參考內層製作檢驗.

(b) 有梢套孔疊置-將已精準鑽出的工具孔的內層一一套在下載鋁板定位梢上,並套上沖孔較大的膠片、牛皮紙、脫模紙、隔皮等。

(c)壓力艙式疊置法-將板冊內容按上無梢法疊鋁載板上,此載板與液壓法不同,其反面有導氣的井字形溝槽,正 面平坦用以承載板冊,連同隔板以多孔性的毯子包住放在導氣板上,外面再包以兩層防漏絕氣特殊隔膜,最後以有彈性可耐壓的特殊膠帶將隔膜四周貼合氣板上,推入壓力艙內,關上門後先把包裹內抽至極低之氣壓使板冊死處的藏氣都被抽出,再於艙內壓入高溫的二氧化碳或氮氣至150-200PSI,進行真空壓合。 5.3.3 壓合製程操作 5.3.3.1壓合機種類

壓合機依其作動原理不同可分為三大類: A.艙壓式壓合機(Autoclave):

壓合機構造為密閉艙體，外艙加壓、內袋抽真空受熱壓合成型，各層板材所承受之熱力與壓力， 來自四面八方加壓加溫之惰性氣體，其基本構造如下圖5.4

優點: －因壓力熱力來自於四面八方，故其成品板厚均勻、流膠小。 －可使用於高樓層 缺點: 設備構造複雜，成本高，且產量小。 B.液壓式壓合機（Hydraulic）

液壓式壓合機構造有真空式與常壓式，其各層開口之板材夾於上下兩熱壓盤問，壓力由下往上 壓，熱力藉由上下熱壓盤加熱傳至板材。其基本構造如下圖5.5 優點:a.設備構造簡單，成本低，且產量大。 b.可加裝真空設備，有利排氣及流膠 缺點: 板邊流膠量較大，板厚較不均勻。 C. ADARA SYSTEM Cedal

壓合機 Cedal為一革命性壓合機，其作動原理為在一密閉真空艙體中，利用連續卷狀銅箔疊板，在兩 端通電流,因其電阻使銅箔產生高溫,加熱Prepreg，用熱傳係數低之材質做壓盤，藉由上方加 壓，達到壓合效果，因其利用夾層中之銅箔加熱，所以受熱均勻、內外層溫差小，受壓均勻， 比傳統式壓合機省能源，故其操作成本低廉，其構造如下圖5.6 優點:

a. 利用上下夾層之銅板箔通電加熱，省能源，操作成本低。 b. 內外層溫差小、受熱均勻，產品品質佳。 c. 可加裝真空設備，有利排氣及流膠。 d. Cycle time短約4Omin. e. 作業空間減小很多. f. 可使用於高樓層

缺點: 設備構造複雜，成本高，且單機產量小疊板耗時。

C-1. Cedal Adara壓合機其加熱方式，為利用上下夾層之銅箔通電加熱，其Stack結構簡圖見圖5.7

21

PCB電路板簡介

5.3.3.2. 壓合機熱源方式: A.電熱式:

於壓合機各開口中之壓盤內，安置電加熱器，直接加熱。 優點: 設備構造簡單，成本低，保養簡易。 缺點: a.電力消耗大。

b.加熱器易產生局部高溫，使溫度分佈不均。 B.加熱軟水使其產生高溫高壓之蒸汽，直接通入熱壓盤。 優點: 因水蒸汽之熱傳係數大，熱媒為水較便宜。

缺點: a.蒸氣鍋爐必需專人操作，設備構造複雜且易銹蝕,保養麻煩。 b.高溫高壓操作，危險性高。

C.藉由耐熱性油類當熱媒，以強制對流方式輸送，將熱量以間接方式傳至熱壓盤。 優點: 昇溫速率及溫度分佈皆不錯，操作危險性較蒸汽式操作低。 缺點: 設備構造複雜，價格不便宜，保養也不易。 D.通電流式:

利用連續卷狀銅箔疊板，在兩端通電流因其電阻使銅箔產生高溫加熱Prepreg，用熱傳係數低之材質做壓盤，減少熱流失。

優點: a.昇溫速率快(35℃/min.)、內外層溫差小，及溫度分佈均勻。 b.省能源，操作成本低廉。 缺點: a.構造複雜，設備成本高。 b.產量少。

5.3.3.3. 開口(Opening)疊板之方式: A.一般壓合機疊板結構:

若壓合機有十二個開口，每一開口有上下熱壓盤，共十三個熱壓盤，疊板方式以鋼質載盤為底 盤，放入十二張牛皮紙及一張銅箔基板，中間以一層鏡面鋼板一層板材的方式，疊入十二層板 材，上面再加一層鏡面鋼板及一張銅箔基板和十二張牛皮紙，再蓋上鋼質蓋板，其結構如圖5.8. A-1 疊板結構各夾層之目的

a. 鋼質載盤,蓋板(Press plate): 早期為節省成本多用鋁板,近年來因板子精密度的提升已漸改成硬化之鋼板,供均勻傳熱用.

b. 鏡面鋼板(Separator plate): 因鋼材鋼性高, 可防止表層銅箔皺摺凹陷.與拆板容易。鋼板使用後，如因刮傷表面，或流膠殘留無法去除就應加以研磨。

c.牛皮紙: 因紙質柔軟透氣的特性，可達到緩衝受壓均勻施壓的效果,且可防止滑動，因熱傳 係數低可延遲熱傳、均勻傳熱之目的。在高溫下操作，牛皮紙逐漸失去透氣的特性,使用三 次後就應更換。

d.銅箔基板:其位於夾層中牛皮紙與鏡面鋼板之間，可防止牛皮紙碳化後污染鏡面鋼板或黏在 上面，及緩衝受壓均勻施壓。

e.其他有脫模紙 (Release sheet)及壓墊 (Press pad) Conformal press的運用,大半都用在 軟板coverlayer壓合上. B. CEDAL ADARA 疊板結構與方式 :見圖5.9

CEDAL疊板作業依圖5.9分四個主要步驟,一個Stack最多可疊65個Panel,並可利用固定架固定,其構造圖見圖5.10 5.3.3.4. 壓合時升溫速率與升壓速率對板子之影響 典型Profile見圖 5.11 A.溫度:

a.升溫段:以最適當的升溫速率，控制流膠。 b.恆溫段:提供硬化所需之能量及時間。

c.降溫段:逐步冷卻以降低內應力(Internal stress)減少板彎、板翹(Warp、Twist)。

22

PCB電路板簡介

B.壓力:

a.初壓(吻壓 Kiss pressure):每冊(Book)緊密接合傳熱,驅趕揮發物及殘餘氣體。

b.第二段壓:使膠液順利填充並驅趕膠內氣泡，同時防止一次壓力過高導致的皺折及應力。 c.第三段壓:產生聚合反應，使材料硬化而達到C-stage。

d.第四段壓:降溫段仍保持適當的壓力，減少因冷卻伴隨而來之內應力。 B-1壓力的計算

傳統式的初壓及全壓,大量法的低壓及高壓都是對板面面積而言的,機台上的設定壓力強度則 與頂起的活塞軸有直接的關係,故應先有板面壓力強度的規範數值後再去換算成為機台設定 壓力,即: 低壓設定壓力 = 40PSI×A(板子面積)÷活塞軸截面積(所得數值仍為壓力強度) 高壓設定壓力 = 560PSI×A ÷活塞軸截面積 壓力換算法:1㎏/㎝2 =14.22PSI(pound/in2) 1PSI = 0.07㎏/㎝2 ,1㎏/㎝2 = 1ATM。 5.3.3.5. 壓合流程品質管制重點: a. 板厚、板薄、板翹 b. 銅箔皺折、 c. 異物,pits & dents d. 內層氣泡 e. 織紋顯露 f. 內層偏移 5.3.4 後處理作業 5.3.4.1. 目的

A. 設立加工之基準靶位，及基板外框成型。

B. IPQC (In Process Quality Control) 作業，提升品質管制。 5.3.4.2.後處理之流程:

A.後烤(post cure, post lamination)-通常後烤條件是150℃,4小時以上.如果先前壓合步 驟curing很完整,可不做後烤,否則反而有害( 降低Tg ).可以測量Tg,判斷curing是否完 整.後烤的目的有如下三個: a.讓聚合更完全.

b.若外表有彎翹,則可平整之. c.消除內部應力並可改善對位.

B. 銑靶,打靶-完成壓合後板上的三個箭靶會明顯的出現浮雕(Relief),

a.手動作業:將之置於普通的單軸鑽床下用既定深度的平頭銑刀銑出箭靶及去掉原貼的耐熱膠 帶,再置於有投影燈的單軸鑽床或由下向上沖的沖床上沖出靶心的定位孔,再用此定位孔定 在鑽床上即行鑽孔作業。注意要定時校正及重磨各使用工具,

b.X-Ray透視打靶: 有單軸及雙軸,雙軸可自動補償取均值,減少公差.

C. 剪邊(CNC裁板)-完成壓合的板子其邊緣都會有溢膠,必須用剪床裁掉以便在後續製程中作業 方便及避免造成人員的傷害,剪邊最好沿著邊緣直線內1公分處切下,切太多會造成電鍍夾點 的困擾,最好再用磨邊機將四個角落磨圓及邊緣毛頭磨掉,以減少板子互相間的刮傷及對槽液 的污染。或者現在很普遍直接以CNC成型機做裁邊的作業． 壓合製程至此結束,接下來的步驟是鑽孔. 六、鑽孔 6.1 製程目的

單面或雙面板的製作都是在下料之後直接進行非導通孔或導通孔的鑽孔, 多層板則是在完成壓板之後才去鑽孔。傳統孔的種類除以導通與否簡單的區分外,以功能的不同尚可分:零件孔,工具孔,通孔(Via),盲孔(Blind hole),埋孔(Buried hole)(後二者亦為via hole的一種).近年電子產品'輕.薄.短.小.快.'的發展趨勢,使得鑽孔技術一日千里,機鑽,雷射燒孔,感光

23

PCB電路板簡介

成孔等,不同設備技術應用於不同層次板子.本章僅就機鑽部分加以介紹,其他新技術會在20章中有所討論. 6.2 流程

上PIN→鑽孔→檢查 6.3上PIN作業

鑽孔作業時除了鑽盲孔,或者非常高層次板孔位精準度要求很嚴,用單片鑽之外,通常都以多片鑽,意即每個stack兩片或以上.至於幾片一鑽則視1.板子要求精度2.最小孔徑3.總厚度4.總銅層數.來加以考量. 因為多片一鑽,所以鑽之前先以pin將每片板子固定住,此動作由上pin機(pinning maching)執行之. 雙面板很簡單,大半用靠邊方式,打孔上pin連續動作一次完成.多層板比較複雜,另須多層板專用上PIN機作業. 6.4. 鑽孔 6.4.1鑽孔機

鑽孔機的型式及配備功能種類非常多，以下List評估重點 A. 軸數：和產量有直接關係 B. 有效鑽板尺寸

C. 鑽孔機檯面：選擇振動小，強度平整好的材質。 D. 軸承(Spindle)

E. 鑽盤：自動更換鑽頭及鑽頭數 F. 壓力腳

G. X、Y及Z軸傳動及尺寸：精準度，X、Y獨立移動 H. 集塵系統：搭配壓力腳，排屑良好，且冷卻鑽頭功能 I. Step Drill的能力 J. 斷針偵測 K. RUN OUT 6.4.1.1鑽孔房環境設計 A. 溫濕度控制 B. 乾淨的環境 C. 地板承受之重量 D. 絕緣接地的考量 E. 外界振動干擾 6.4.2 物料介紹

鑽孔作業中會使用的物料有鑽針(Drill Bit),墊板(Back-up board),蓋板(Entry board)等.以下逐一介紹:圖6.1為鑽孔作業中幾種物料的示意圖.

6.4.2.1 鑽針(Drill Bit), 或稱鑽頭,

其品質對鑽孔的良窳有直接立即的影響, 以下將就其材料，外型構、及管理簡述之。 A. 鑽針材料 鑽針組成材料主要有三:

a. 硬度高耐磨性強的碳化鎢 (Tungsten Carbide ,WC) b.耐衝擊及硬度不錯的鈷 (Cobalt) c.有機黏著劑.

三種粉末按比例均勻混合之後,於精密控制的焚爐中於高溫中在模子中燒結 (Sinter) 而成.其成份約有 94% 是碳化鎢, 6% 左右是鈷。 耐磨性和硬度是鑽針評估的重點其合金粒子愈細能提高硬度以及適合鑽小孔.通常其合金粒子小於1 micron. B. 外型結構

鑽針之外形結構可分成三部份,見圖6.2,即鑽尖 (drill point)、退屑槽 ( 或退刃槽 Flute )、 及握柄 (handle,shank)。 以下用圖示簡介其功能:

24

PCB電路板簡介

a. 鑽尖部份 (Drill Point)- 圖6.3 (1) 鑽尖角 (Point Angle)

(2) 第一鑽尖面 (Primary Face)及角 (3) 第二鑽尖面 (Secondary face)及角 (4) 橫刃 (Chisel edge) (5) 刃筋 (Margin)

鑽尖是由兩個窄長的第一鑽尖面 及兩個呈三角形鉤狀的第二鑽尖面 所構成的, 此四面會合於鑽尖點,在中央會合處形成兩條短刃稱為橫刃 (Chisel edge), 是最先碰觸板材之處, 此橫刃在壓力及旋轉下即先行定位而鑽入stack中, 第一尖面的兩外側各有一突出之方形帶片稱為刃筋 (Margin), 此刃筋一 直隨著鑽體部份盤旋而上,為鑽針與孔壁的接觸部份.而刃筋與刃唇交接處之 直角刃角 (Corner) 對孔壁的品質非常重要,鑽尖部份介於第一尖面與第二尖面之間有長刃, 兩長刃在與兩橫刃在中間 部份相會而形成突出之點是為尖點, 此兩長刃所形成的夾角稱鑽尖角 (Point angle), 鑽紙質之酚醛樹脂基板時因所受阻力較少, 其鑽尖角約為 90 ° ~ 110 °, 鑽 FR4 的玻纖板時則尖角需稍鈍為115 ° ~ 135 °, 最常見者 為 130 °者。 第一尖面與長刃之水平面所呈之夾面角約為 15°稱為第一尖面角 (Primary Face Angle), 而第二尖面角則約為 30 °, 另有橫刃與刃唇所形成的夾角稱為橫刃角 (cheisel Edge Angle)。 b. 退屑槽 (Flute)

鑽針的結構是由實體與退屑的空槽二者所組成。實體之最外緣上是刃筋, 使 鑽針實體部份與孔壁之間保持一小間隙以減少發熱。其盤旋退屑槽 (Flute) 側斷面上與水平所成的旋角稱為螺旋角(Helix or Flute Angle),此螺旋角度 小時, 螺紋較稀少,路程近退屑快, 但因廢屑退出以及鑽針之進入所受阻力較 大, 容易升溫造成尖部積屑積熱,形成樹脂

之軟化而在孔壁上形成膠渣 (smear)。此螺旋角大時鑽針的進入及退屑所受之磨擦阻力較小而不易發熱, 但退料太慢。 c. 握柄 (Shank)

被 Spindle 夾具夾住的部份, 為節省材料有用不銹鋼的。 鑽針整體外形有4種形狀:

(1) 鑽部與握柄一樣粗細的 Straight Shank, (2) 鑽部比主幹粗的稱為 Common Shank。 (3) 鑽部大於握柄的大孔鑽針 (4) 粗細漸近式鑽小孔鑽針。 C. 鑽針的檢查與重磨

a. 檢查方法 20~40倍實體顯微鏡檢查,見圖6.4

b. 鑽針的重磨 (Re-Sharpping) 為孔壁品質鑽針壽命,可依下表做重磨管理。 一般鑽針以四層板之三個疊高 (High) 而言, 壽命可達 5000-6000 擊(Hit), 總 共可以重磨三次。(應重磨擊數表) 6.4.2.2. 蓋板 Entry Board(進料板) A. 蓋板的功用有: a. 定位 b. 散熱 c. 減少毛頭 d. 鑽頭的清掃

e.防止壓力腳直接壓傷銅面

B. 蓋板的材料:以下簡述其種類及優缺點

a. 複合材料- 是用木漿纖維或紙材,配合酚醛樹脂當成黏著劑熱壓而 成的。其材質與單面板之基材相似。此種材料最便宜.

b. 鋁箔壓合材料─ 是用薄的鋁箔壓合在上下兩層，中間填去脂及去化學品的 純木屑. c. 鋁合金板─ 5~30mil,各種不同合金組成,價格最貴

上述材料依各廠之產品層次,環境及管理.成本考量做最適當的選擇.其品質標準 必須:表面平滑,板子平整,沒有雜質,

25

PCB電路板簡介

油脂,散熱要好.

6.4.2.3 墊板 Back－up board A. 墊板的功用有： a.保護鑽機之檯面 ， b.防止出口性毛頭(Exit Burr） c.降低鑽針溫度。

d.清潔鑽針溝槽中之膠渣。 B. 材料種類：

ａ. 複合材料-其製造法與紙質基板類似，但以木屑為基礎，再混合含酸或鹽類的黏著劑，高溫高壓下壓合硬化成為一體而硬度很高的板子.

b. 酚醛樹脂板（phenolic）─ 價格比上述的合板要貴一些，也就是一般單面板的基材. c. 鋁箔壓合板─ 與蓋板同

VBU墊板──是指Vented Back Up墊板，上下兩面鋁箔，中層為折曲同質的純鋁箔，空氣可以自由流通其間，一如石棉浪一樣。 墊板的選擇一樣依各廠條件來評估.其重點在:不含有機油脂,屑夠軟不傷孔壁,表面夠硬,板厚均勻,平整等. 6.4.3 操作 6.4.3.1 CNC控制

現有CAD/CAM工作站都可直接轉換鑽孔機接受之語言只要設定一些參數如各孔號代表之孔徑等即可.大部分工廠鑽孔機數量動輒幾十臺因此多有連網作業由工作站直接指示.若加上自動Loading/Unloading則人員可減至最少. 6.4.3.2 作業條件

鑽孔最重要兩大條件就是\"Feeds and Speeds\"進刀速度及旋轉速度，以下做一 敘述

A. 進刀速度(Feeds): 每分鐘鑽入的深度，多以吋／分(IPM)表示。上式已為\"排屑量\"(Chip Load)取代，鑽針之所以能刺進材料中心須要退出相同體積的鑽屑才行，其表示的方法是以鑽針每旋轉一週後所能刺進的吋數(in/R)。 B. 旋轉速度(Speeds) 一 每分鐘所旋轉圈數(Revolution Per Minute RPM)

通常轉數約為６萬－８萬RPM，轉速太高時會造成積熱及磨損鑽針。 當進刀速度約為120in/min左右，轉速為６萬RPM時，其每一轉所能刺入的深度為其排屑量

排屑量高表示鑽針快進快出而與孔壁接觸時間短，反之排屑量低時表示鑽針進出緩慢與孔壁磨擦時間增長以致孔溫升高。

設定排屑量高或低隨下列條件有所不同: 1. 孔徑大小 2. 基板材料 3. 層數 4. 厚度 6.4.4作業注意事項

A. 轉數、進刀數的設定，應依實際的作業狀況，機器所附手冊上的條件僅為參考，仍須修正。 B. 定期測量轉數、進刀數,Run out等數值.

C. 真空吸塵極為重要，設計時應over實際需要，以達100%效率，定期更換。 D. Spindle及夾頭需隨時保持清潔 E. Run out一定要保持在0.0005\"以下

F. 檯面上塵屑要用吸塵器去除，切勿用吹氣的方式。 6.5 小孔鑽 6.5.1 小孔定義:

直徑0.6 mm以下稱小孔,0.3 mm以下稱微孔(micro hole)

26

PCB電路板簡介

6.5.2 小孔加工現有機鑽及非機鑽,現就機鑽加以探討 小直徑鑽孔加工

小直徑鑽頭的規格依使用人、廠商而略有不同， 一般0.3mm的稱極小徑鑽頭， 由於表面黏著技術(Surface Mount Techology)大量應用，小徑、極小徑的鑽孔 也日益增多，因此PC板鑽頭與鑽孔機的問題就油然而生；而怎樣來防止鑽頭 的折斷是鑽孔加工最主要的癥結，其折斷的主要原因如下： 1. 鑽頭的形狀和材質

2. 鑽頭的外徑與縱橫比(Aspect) 3. PC板的種類(材質、厚度與層數) 4. 鑽孔機的振動和主軸的振動 5. 鑽孔條件(轉數與進刀速度) 6. 蓋板、墊板的選擇 A小孔徑鑽孔機

實施小孔徑鑽孔時必須考慮到機械的精度，而其最主要在於位置的精度；一 般通稱的位置精度包括以下幾個因素而言：

1. 程式設計的位置與實際工作台上位置精度的誤差。最近的新機種通常亦有 ±10~15μm左右的誤差。 2. 因主軸振動所造成的誤差。(尤其必須考慮到運轉時的誤差)

3. 鑽頭鑽入PC瞬間的偏差，大時可達10μm，其原因很複雜；主軸、鑽頭、 壓板等等都有關連。 4. 鑽頭本身的彎曲；鑽入的點至穿通止之間的彎曲度即孔位彎曲精度。孔位曲的原因經歸納如表所示。 為了要提高孔位精度，只歸因於鑽頭是不合理的，鑽孔機等其他的因素也應 加以改善: －適當條件：如進刀速、轉速的調整，分段鉆的作業等。 －STACK的置放 在生產線上做小徑鑽孔加工時，以操縱大直徑的方法來處理小徑時，常會有忽略的問題產生；其實最重要的是將PCB牢牢的固定於工作台上，使其成為一個整體，鑽頭在剛開始鑽孔時，若PC板固定不牢則易滑動，造成鑽頭易折斷的可能，為了防止鑽折斷，以下幾點要特別注意： 1. 將壓板、PC板、墊板用膠布貼牢後，於指定地方用固定針釘牢。 2. 儘量避免使用變形的PC板。

3. 壓板儘量使用厚度為0.15~0.2mm的鋁板或0.3~0.4mm的合成樹脂板為 主。 4. 墊板並非取質硬，而是需追求厚度的一致。 6.6 檢查及品質重點 6.6.1 品質重點 1. 少鑽 2. 漏鑽

3. 偏位 (上述以底片check) 4. 孔壁粗糙 5. 釘頭 (切片) 6. 巴里(burr)

6.6.2鑽孔結束板邊coupon設計(見圖6.5) 板邊設計coupon的用意如下: 1. 檢查各孔徑是否正確 2. 檢查有否斷針漏孔

3. 可設定每1000,2000,3000 hit鑽一孔來檢查孔壁品質.

鑽孔製程至此告一段落,下一步驟將進行孔壁金屬化即所謂鍍通孔. 七 鍍通孔 7.1製程目的

雙面板以上完成鑽孔後即進行鍍通孔(Plated Through Hole , PTH)步驟，其目的使孔壁上之非導體部份之樹脂及玻纖

27

PCB電路板簡介

束進行金屬化( metalization ), 以進行後來之電鍍銅製程,完成足夠導電及焊接之金屬孔壁。

1986年，美國有一家化學公司Hunt 宣佈PTH不再需要傳統的貴金屬及無電銅的金屬化製程,可用碳粉的塗佈成為通電的媒介，商名為\"Black hole\"。之後陸續有其他不同base產品上市, 國內使用者非常多. 除傳統PTH外, 直接電鍍(direct plating)本章節也會述及. 7.2製造流程

去毛頭→除膠渣→PTHa一次銅 7.2.1. 去巴里 (deburr)

鑽完孔後,若是鑽孔條件不適當,孔邊緣有1.未切斷銅絲2.未切斷玻纖的殘留,稱為burr.因其要斷不斷,而且粗糙,若不將之去除,可能造成通孔不良及孔小,因此鑽孔後會有de-burr製程.也有de-burr是放在Desmear之後才作業.一般de-burr是用機器刷磨,且會加入超音波及高壓沖洗的應用.可參考表4.1. 7.2.2. 除膠渣 (Desmear) A.目的: a. Desmear

b. Create Micro-rough增加adhesion B. Smear產生的原因:

由於鑽孔時造成的高溫Resin超過Tg值，而形成融熔狀，終致產生膠渣。 此膠渣生於內層銅邊緣及孔壁區，會造成P.I.(Poor lnterconnection) C. Desmear的四種方法:

硫酸法(Sulferic Acid) 、電漿法(Plasma)、鉻酸法(Cromic Acid)、 高錳酸鉀法(Permanganate).

a. 硫酸法必須保持高濃度，但硫酸本身為脫水劑很難保持高濃度，且咬蝕出的孔面光滑無微孔，並不適用。 b. 電漿法效率慢且多為批次生產，而處理後大多仍必須配合其他濕製程處理，因此除非生產特殊板大多不予採用。

c. 鉻酸法咬蝕速度快，但微孔的產生並不理想，且廢水不易處理又有致癌的潛在風險，故漸被淘汰。 d. 高錳酸鉀法因配合溶劑製程，可以產生微孔。同時由於還原電極的推出，使槽液安定性獲得較佳控制，因此目前較被普遍使用。

7.2.2.1 高錳酸鉀法(KMnO4 Process): A.膨鬆劑(Sweller):

a. 功能:軟化膨鬆Epoxy，降低 Polymer 間的鍵結能，使KMnO4 更易咬蝕形成 Micro-rough 速 率 作 用 Concentration

b. 影響因素: 見圖7.1

c. 安全:不可和KMnO4 直接混合，以免產生強烈氧化還原，發生火災。 d. 原理解釋: (1) 見圖7.2

初期溶出可降低較弱的鍵結，使其鍵結間有了明顯的差異。若浸泡過長，強 的鏈結也漸次降低，終致整塊成為低鏈結能的表面。如果達到如此狀態，將無法形成不同強度結面。若浸泡過短，則無法形成低鍵結及鍵結差異，如此 將使KMnO4咬蝕難以形成蜂窩面，終致影響到PTH的效果。 (2) Surface Tension的問題:

無論大小孔皆有可能有氣泡殘留，而表面力對孔內Wetting也影響頗大。故 採用較高溫操作有助於降低Surface Tension及去除氣泡。至於濃度的問題， 為使Drag out降低減少消耗而使用略低濃度，事實上較高濃度也可操作且速 度較快。

在製程中必須先Wetting孔內壁，以後才能使藥液進入作用，否則有空氣殘 留後續製程更不易進入孔內，其Smear將不可能去除。 B. 除膠劑 (KMnO4 ):

a. 使用KMnO4的原因:選KMnO4而未選NaMnO4是因為KMnO4溶解度較佳,單 價也較低。

28

PCB電路板簡介

b. 反應原理:

4MnO4- + C + 4OH- → MnO4= + CO2 + 2H2O (此為主反應式)

2MnO4- + 2OH- → 2MnO4= + 1/2 O2 + H2O (此為高PH值時自發性分解反應) MnO4- + H2O → MnO2 + 2OH- + 1/2 O2 (此為自然反應會造成Mn+4沉澱)

c. 作業方式:早期採氧化添加劑的方式，目前多用電極還原的方式操作，不穩 定的問題已獲解決。 d. 過程中其化學成份狀況皆以分析得知，但Mn+7為紫色, Mn+6為綠色,Mn+4 為黑色，可由直觀的色度來直接判斷大略狀態。若有不正常發生，則可能 是電極效率出了問題須注意。 e. 咬蝕速率的影響因素: 見圖7.3 f. 電極的好處: (1).使槽液壽命增長

(2).品質穩定且無By-product，其兩者比較如圖7.4:

g. KMnO4形成Micro-rough的原因: 由於Sweller造成膨鬆，且有結合力之強弱，如此使咬蝕時產生選擇性， 而形成所謂的Micro-rough。但如因過度咬蝕，將再度平滑。 h. 咬蝕能力也會隨基材之不同而有所改變

i. 電極必須留心保養，電極效率較難定出絕對標準，且也很難確認是否足夠 應付實際需要。故平時所得經驗及廠商所提供資料，可加一係數做計算， 以為電極需求參考。 C. 中和劑(Neutralizer):

a. NaHSO3是可用的Neutralizer之一，其原理皆類似Mn+7 or Mm+6 or Mn+4(Neutralizer)->Mn+2 (Soluable) b. 為免於Pink Ring，在選擇Acid base必須考慮。HCl及 H2SO4系列都 有，但Cl易攻擊 Oxide Layer，所以用H2SO4為Base 的酸較佳。

c .藥液使用消耗分別以H2SO4及Neutralizer，用Auto-dosing 來補充，維 護。 7.2.2.2 .整條生產線的考慮:

A.Cycle time：每Rack(Basket)進出某類槽的頻率(時間) B.產能計算:

(Working hours / Cycle time)*( FIight Bar / Hoist)*(Racks/Flight Bar)*(SF/Rack)= SF/Mon C.除膠渣前Pre-baking對板子的影響:見圖7.5

a.由於2.在壓合後己經過兩次Cure，結構會比1,3 Cure更完全，故Baking 會使結構均一，壓板不足處得以補償。 b.多量的氧，氧化了Resin間的Bonding，使咬蝕速率加劇2~3倍。且使1,2,3 區較均一。 c.釋放Stress，減少產生Void的機會. 7.2.2.3. 製程內主要反應及化學名稱: A．化學反應: a .主要反應

4MnO4- + 4OH- + Epoxy→ 4MnO4= + CO2↑ + 2H2O b. 副反應：

2MnO4- + 2OH- ←→ 2MnO4= + 1/2O2 + H2O (Side reaction) MnO4= + H2O (CI-/SO4= /Catalize Rx.) → MnO2↓ + 2OH- + 1/2 O2 (Precipitation formation)

2MnO4= + NaOCI + H2O → 2MnO4- + 2OH- + NaCI 4MnO4= + NaS2O8 + H2SO4 → 4MnO4- + 2OH- + 2Na2SO4 4MnO4= + K2S2O8 + H2SO4 → 4MnO4- + 2OH- + 2K2SO4 (For Chemical regeneration type process reaction) 2MnO4= + 1/2 O2 + H2O ←→2MnO4- + 2 OH-

(Electrolytic reaction: Need replenish air for Oxgen consumption)

29

PCB電路板簡介

B.化學品名稱：

MnO4- Permanganate NaS2O8 Sodium Persulfate MnO4= Manganate S2O4- Sulfate OH- Hydroxide(Caustic) CO2 Carbon Dioxide NaOCI Sodium Hydrochloride MnO2 Manganese Dioxide 7.2.2.4.典型的Desmear Process: 見表 7.2.2.5. Pocket Void的解釋:

A.說法一:Sweller殘留在Glass fiber中，在Thermal cycle時爆開。 B.說法二: 見圖7.6

a．壓板過程不良Stress積存，上鍚過程中力量釋出所致

b．在膨漲中如果銅結合力強，而Resin釋出Stress方向呈Z軸方向，當Curing 不良而Stress過大時則易形成a之斷裂，如果孔銅結合力弱則易形成B 之Resin recession，結合力好而內部樹脂不夠強軔則出現c之Pocket void C﹒如果爆開而形成銅凸出者稱為Pull away 7.2.3 化學銅(PTH)

PTH系統概分為酸性及鹼性系統，特性依基本觀念而有不同。 7.2.3.1 酸性系統： A.基本製程：

Conditioner → Microetch→ Catalpretreatment→ Cataldeposit→ Accelerator→ Electroless Deposit B.單一步驟功能說明： a. 整孔 Conditioner：

1. Desmear後孔內呈現Bipolar現象，其中Cu呈現高電位正電，Glass fiber、Epoxy呈負電 2. 為使孔內呈現適當狀態，Conditioner具有兩種基本功能 (1)Cleaner： 清潔表面

(2)Conditioner： 使孔壁呈正電性，以利Pd/Sn Colloid負電離子團吸附 3. 一般而言粒子間作用力大小如表

因而此類藥液系統會有吸附過多或Colloid過多的吸附是否可洗去之顧慮 4. Conditioner若Drag In 至 Activator槽，會使Pd+離子團降低 b. 微蝕 Microetch

1. Microetching旨在清除表面之Conditioner所形成的Film 2. 此同時亦可清洗銅面殘留的氧化物 c. 預活化 Catalpretreatment

1. 為避免Microetch形成的銅離子帶入Pd/Sn槽，預浸以減少帶入 2. 降低孔壁的Surface Tension d. 活化 Cataldeposit

1. 一般Pd膠體皆以以下結構存在： 見圖7.7 2. Pd2+：Sn2+：Cl- = 1：6：12較安定

3. 一般膠體的架構方式是以以下方式結合：見圖7.8 當吸附時由於Cl會產生架橋作用，且其半徑較大使其吸附不易良好，尤其如果孔內的Roughness不適當更可能造成問題。 4. 孔壁吸附了負離子團，即中和形成中和電性 e. 速化 Accelerator

1. Pd膠體吸附後必須去除Sn，使Pd2+曝露，如此才能在未來無電解銅中產生催化作用形成化學銅 2. 基本化學反應為：

Pd+2/Sn+2 (HF)→Pd+2(ad) + Sn+2 (aq)

30

PCB電路板簡介

Pd+2(ad) (HCHO)→Pd(s)

3. 一般而言Sn與Pd特性不同，Pd為貴金屬而Sn則不然，因此其主反應可如下： Sn+2a Sn+4 + 6F- → SnF6-2 or Sn+2 + 4F- →SnF4-2 而Pd則有兩種情形：

PH>=4 Pd+2 + 2(OH)- → Pd(OH)2 PH<4 Pd+2 + 6F- → PdF6-4

4. Pd吸附在本系統中本身就不易均勻，故速化所能發揮的效果就極受限制。除去不足時會產生P.I.，而過長時則可能因為過份去除產生破洞，這也是何以Back_light觀察時會有缺點的原因

5. 活化後水洗不足或浸泡太久會形成Sn+2 a Sn(OH)2 或 Sn(OH)4，此易形成膠體膜. 而Sn+4過高也會形成Sn(OH)4，尤其在Pd吸太多時易呈PTH粗糙 6. 液中懸浮粒子多，易形成PTH粗糙 f. 化學銅沉積Electroless Deposit

1. 利用孔內沉積的Pd催化無電解銅與HCHO作用, 使化學銅沉積 2. Pd在化學銅槽的功能有二：

(1) 作為Catalyst吸附 H- 之主體，加速HCHO的反應 (2) 作為Conductor，以利e-轉移至Cu+2上形成Cu沉積 3. 其基本反應及Mechanism見圖7.9a ; 7.9b ：

4. 由於槽液在操作開始時缺少H2含量，故其活性可能不夠，而且改變溫度也易使槽液不穩定。故在操作前一般先以Dummy boards先行提升活性再作生產，才能達到操作要求

5. Bath loading也因上述要求而有極大的影響，太高的Bath loading會造成過度的活化而使槽液不安定。相反若太低則會因H2的流失而形成沉積速率過低。故其Max與Min值應與廠商確認做出建議值

6. 如果溫度過高，[NaOH], [HCHO]濃度不當或者Pd+2累積過高都可能造成P.I.或PTH粗糙的問題 g. 整個反應狀態見圖7.10所示 7.2.3.2、鹼性系統： A. 基本製程：

Conditioner→ Etch Cleaner→ Catalpretreatment→ Activator→ Reducer→ Electroless Copper B. 單一步驟功能說明

a. Conditioner：Wetting agent + 10 g/l NaOH (A)

1. 以Wetting agent的觀念，而非電性中和，如此可形成較薄的Film約300A，且均勻而不致有附著不上或太厚之虞

2. 基本方式係以親水基與疏水基之特有Dipol特性使Wetting agent被水排擠，快速吸附至孔壁。因其形成之單層膜不易再附上其他Conditioner而與Cleaner共同作用洗去多餘雜質

3. 其設計是一道酸一道鹼的藥液浸泡，使各種不同來源的板子皆有良好的wetting作用,其Formula：Wetting agent + 10 ml/l H2SO4

4. 若水質不潔而含M+2(如：Ca+2、Mg+2、Fe+2等)則Amine及Wetting agent易與之結合而形成沉澱，故水質硬度應特別留意

5. 當板子浸入水中，Cu正電迅速與OH-中和而呈負電。而Dipol靜電力有限，不致形成多層覆蓋，故無Over condition的顧慮

b. Etch cleaner：(SPS 與 H2SO4/H2O2兩種 ) 基本功能與酸性系列相似(SPS：10g/l) c. Catalpretreatmen)：同Activator但少Complex d. Activator：Activator + Pd(Amine) complex

1. 基本上此系列的Pd，是由Amine類形成的Complex，

31

PCB電路板簡介

2. 其特點如下：

(1) Pd(Amine)+2呈正電荷，可吸附在Conditioner上而甚少吸附在銅上，少有P.I.問題

(2) 沒有Sn形成的Colloid，其粒子較小，結晶較密且少有Sn(OH)2、Sn(OH)4析出問題。也沒有Sn+2 + Fe+2 a Sn+4 +Cu作用。

(3) 無Cl-在外圍，由於Cl-會與Polyimide材料產生作用，故無Cl-會有較廣的適用性

(4) 由於Pd(Amine)+2 asPd+2+Amine為一平衡反應，吸附反應十分快，且由於粒子小空隙低因而緻密性佳。

(5) Impurity少有殘留，且吸附Pd+2少，故能有較少P.I.機會

(6) 由於無Cl-, 對Black-Oxide的attack相對減少，故Pink Ring較輕微 (7) 由於吸附較密，將來作無電解銅時Coverage也會較密較好 e. 整個反應狀態見圖7.11所示 7.2.4一次銅(Panel plating)

非導體的孔壁經PTH金屬化後，立即進行電鍍銅製程, 其目的是鍍上200~500微英吋以保護僅有20~40微英吋厚的化學銅被後製程破壞而造成孔破(Void)。有關銅電鍍基本理論及實際作業請參看二次銅更詳細的解說. 7.3. 厚化銅

傳統金屬化之化學銅的厚度僅約20~30微吋，無法單獨存在於製程 中，必須再做一次全板面的電鍍銅始能進行圖形的轉移如印刷或乾膜。但 若能把化學銅層的厚度提高到100微吋左右，則自然可以直接做線路轉移的工 作，無需再一道全板的電鍍銅步驟而省卻了設備，藥水、人力、及時間，並達 簡化製程減少問題的良好目標。 因此有厚化銅製程出現，此一方式已經實際 生產線上進行十數年，由於鍍液管理困難分析添加之設備需要較高層次之技 術，成本居高不下等, 此製程已經勢微. 厚化銅的領域又可分為 :

A.\"半加成Semi-Additive\"式是完全為了取代全板面電鍍銅製程.

B.\"全加成Fully Additive\"式則是用於製造加成法線路板所用的。日本某些商 用消費性電子產品用24小時以上的長時間的全加成鍍銅，而且只鍍在孔及線 路部份.日本之外尚不多見, 高雄日立化成數年前尚有CC-41製程, 目前已關掉該生產線

7.3.1 厚化銅基本觀念

a. 厚化銅也仍然採用與傳統無電銅相似的配方，即仍以銅離子、強鹼、及甲醛做為反應的原動力，但與溫度及其所產生的副產物關係較大。

b. 無電銅因厚度很薄, 內應力(inner Stress) 影響不大故不需重視，但厚化銅則必須考慮。也就是說厚化銅與板面銅箔間的附著力也為關鍵 ，應特別注意其鍍前活化之過程如整孔及微蝕是否完美。控制不好時可能發生孔壁剝離(pull away)及板面脫皮。

c. 厚化銅之外表能接受油墨或乾膜之附著，所以印刷前儘少做磨刷或其他化學粗化。在阻劑完成轉移後又要能耐得環境的氧化, 而且也要耐得最低起碼的活性清洗及活化。

d. 厚化銅主要的目的是既能完成非導體的金屬化同時又可取代一次鍍銅 ，能夠發揮大量的設備、人力、物料、及操作時間的節省，但化學銅槽本身比傳統的無電銅要貴，管理不易，要利用特定的自動添加設備。

e. 前處理之各製程比傳統PTH要更謹慎，原因是化學銅的沉積是靠銅離子在板子上之活化生長點(Active sites)還原出銅金屬並增厚，當此等生長點被銅覆蓋後其他板面上又逐次出現新的生長點再接受銅的沉積，電鍍銅的沉積則不但向上發展, 也能橫向延伸。故萬一底材未能在前處理製程中完成良好的活化時則會造成孔破(Hole Void)，而且經過乾膜或印刷後, 可能進一步的惡化，終必成為板子品質上極大的隱憂。 7.4 直接電鍍(Direct plating)

由於化學銅的製程中，有很多對人體健康有害的成份(如甲醛會致癌)，以及廢水處理(如有Chelate)有不良影響的成份，因此早在10多年前就有取代傳統PTH所謂Direct Plating(不須靠化學銅的銅當導體)商品出現，至今在台灣量產亦有很多條線。但放眼國外，除歐洲應用者很多以外，美、日(尤其是美國)並不普偏，一些大的電子公司(如製造電腦、

32

PCB電路板簡介

大哥大等)並不Approve直接電鍍製程，這也是國內此製程普及率尚低的原因之一。 7.4.1直接電鍍種類

大致上可歸為三種替代銅的導體 A. Carbon-碳粉(Graphite同) B. Conductive Polymer-導體高分子 C. Palladium-鈀金屬

7.4.2直接電鍍後續製程有兩種方式: A. 一次鍍銅後,再做影像轉移及二銅 B. 直接做影像轉移及線路電鍍

7.4.3表歸納目前國內己使用中的直接電鍍各商品之分析，供業界參考。

本章中介紹了傳統薄化銅, 厚化銅以及直接電鍍等幾種鍍通孔方式.未來製程走勢: A. 縮短製程 B. 減少污染 C. 小孔通孔能力 D. 降低成本

E. 底材多樣化處理能力

而此製程是PCB製作的基礎工程,若處理不好影響良率及信賴度因此要仔細評估與選擇何種藥水及設備. 八 外層 8.1 製程目的

經鑽孔及通孔電鍍後, 內外層已連通, 本製程在製作外層線路, 以達電性的完整. 8.2 製作流程

銅面處理→壓膜→曝光→顯像 8.2.1 銅面處理

詳細資料請參考4.內層製作. 8.2.2 壓膜 8.2.2.1乾膜介紹

乾膜(dry film)的構造見圖8.1, 1968年由杜邦公司開發出來這種感光性聚合物的乾膜後，PCB的製作就進入另一紀元, 到1984年末杜邦的專利到期後日本的HITACHI也有自己的品牌問世。爾後就陸續有其他廠牌加入此一戰場. 依乾膜發展的歷史可分下列三種Type: －溶劑顯像型 －半水溶液顯像型 －鹼水溶液顯像型

現在幾乎是後者的天下,所以本章僅探討此類乾膜. A. 乾膜之組成

水溶性乾膜主要是由於其組成中含有機酸根，會與強鹼反應使成為有機酸的鹽類，可被水溶掉。其組成見圖8.1 水溶性乾膜最早由Dynachem 推出, 以碳酸鈉顯像，用稀氫氧化鈉剝膜，當然經不斷改進才有今日成熟而完整的產品線.

B. 製程步驟

乾膜作業的環境，需要在黃色照明,通風良好,溫濕度控制的無塵室中操作，以減少污染增進阻劑之品質。其主要的步驟如下：

壓膜─停置─曝光─停置─顯像 8.2.2.2 壓膜(Lamination)作業

A. 壓膜機 壓膜機可分手動及自動兩種,有收集聚烯類隔層的捲輪，乾膜主輪，加熱輪，抽風設備等四主要部份, 進

33

PCB電路板簡介

行連續作業, 其示意見圖8.2 一般壓膜條件為：

壓膜熱輪溫度 120°±10℃ 板面溫度 50±10℃ 壓膜速度 1.5~2.5米／分 壓力 15-40 psi

a. 傳統手動壓膜機須兩人作業，一人在機前送板，一人在機後收板並切斷乾膜，此方式用在樣品、小量多料號適合，對人力、物料的耗用浪費頗多。

b. 自動壓膜機市面上HAKUTO，CEDAL，SCHMID等多種廠牌，其機構動作在板前緣黏壓乾膜方式及壓膜後緣切膜動作多有不同，但都朝產速加快，節 省乾膜以及黏貼能力上在改進。 c. 國內志勝幾年前開發自動壓膜機頗為成功國內多家大廠均有使用.

d. 乾膜在上述之溫度下達到其玻璃態轉化點而具有流動性及填充性，而能覆蓋銅面。但溫度不可太高，否則會引起乾膜的聚合而造成顯像的困難。壓膜 前板子若能預熱,可增強其附著力。

e. 為達細線路高密度板之高品質，必須從環境及設備上著手，乾膜之壓膜需要在無塵室中進行（10K 級以上），環境溫度應控制在23°±3℃，相對濕度應 保持50％RH±5％左右。操作人員也要帶手套及抗靜電之無塵衣帽。 8.2.3 曝光 Exposure 8.2.3.1 曝光機種類 －手動與自動 －平行光與非平行光 －LDI雷射直接暴光

A. 手動曝光機，是將將欲曝板子上下底片以手動定PIN對位後，送入機台面， 吸真空後曝光。

B. 自動曝機一般含Loading/unloading，須於板子外框先做好工具孔，做初步定 位再由機台上之CCD，Check底片與孔的對位狀況，並做微調後入曝光區曝 光。依目前的精密須求程度，不以視覺機器自動對位，恐怕做不到好品質的 板子。

C. 如何量測及評估曝光機的平行度:

－定義:從平行度(collimate)字面的意思就是使直向行進，而從光的眼光而言則是讓光行進同時垂直於照射面。圖8.3是平行光與非平行光之比較.

－平行度的影響:而研判平行直進的方法有兩個值可供參考，平行羊角 (Collimate Half Angle)及偏斜(Declination Angle)。此二值可大略判斷 曝光機的平行度及曝光可能造成的側向偏移，也因此若使用非平行曝光機 曝光其影像會有偏料及底部側向顯像的問題。 －量測方法及工具:

一般量測平行度的方法是用一種叫平行度像機(Collimation Camera) 其量測方式是以此工具置於感光紙或感光物上曝光，之後再量偏移度，其示意圖如下（圖8.4(a,b)）:

D. 非平行光與平行光的差異，平行光可降低Under-Cut。 其差異點，可見圖8.5，顯影後的比較。做細線路(4mil以下)非得用平行光之 曝光機。

E. 另有一種LDI(Laser Direct Imaging)鐳射直接感光之設備與感光方式。是利用 特殊之感光膜coating在板面，不須底片直接利用鐳射掃描曝光。其細線可做 到2mil以內，利用多beam方式18in×24in的板子，已有號稱曝光時間僅30 秒。

8.2.3.2 作業注意事項 A. 偶氮棕片的使用

手動曝光因仰賴人目視對位，因此棕片是有必要的，但自動曝光機由機器負 責對位所以一般黑白底片即可。棕片的壽命較短 B. 能量的設定

34

PCB電路板簡介

曝光機中有光能量之累積計算器，光能量子 (以焦耳或毫焦耳為單位）是指 光強度（瓦特或毫瓦特）與時間的乘積，即

mili - Joule = mili Watt ╳ Sec. 焦耳＝瓦特╳秒

曝光機上有可以調動的光能量數字鍵，並有測光強度之裝置，當設定某一光 能量數字後即可做定能量之曝光，每當光源紫外燈老化而光強度衰減時，該 設定系統即會自動延長時間以達到所需的光能量。 定期以\"Photometer\" 或\"Radiometer\"做校正工作。 C. Stouffer 21 Step Tablet

Stouffer 21 step tablet是IN-process監測曝光顯像後的條件是否正常，見圖8.6。 它是放於板邊與正常板一樣曝光，停置及顯像後，其21格上之乾膜殘留有 顏色漸淡，至完全露銅的變化，最重要視其已顯像及仍殘存板面之交界是落 於第幾格。一般標準是8~10格，Follow各廠牌所給的Data Sheet。 D. 吸真空的重要

非平行光的作業中，吸真空的程度是影響曝光品質的重大因素。因底片與膜 面有間隙會擴大under-cut。一般判斷貼緊程度是從光罩上之Mylar面出現的 牛頓環(Newton Ring)的狀況，以手碰觸移動，若牛頓環並不會跟著移動，則 表吸真空良好。手動作業，時常作業員尚要以\"刮刀\"輔助刮除空氣，此小動 作事實上極易影響對位及底片的壽命。平行光源則此問題可降至最低。 E. 對位

對於自動曝光機來說，偏位不是不問題，只要評估好設備的製程能力以及維 護工作底片的準確度即可，但手動曝光機作業影響對準度的變數就很多： <1> PIN孔大小的選擇

<2> 上製程通孔電鍍的厚度分析 <3> 孔位準確度 <4> 底片套板的方式 <5> 人目視誤差

上述僅舉常見因素，各廠應就產品層次來提升乾膜作業的製程能力。 F. 靜置

曝光後板子須問隔板置放10~15分鐘讓吸收UV能量後的resist Film聚合更完全。

G.高強度的UV光對細線路而言是十分重要的，因為所有的光阻都含有遮蔽劑 (Inhibitor)，而此遮蔽劑遇UV光時會在數秒內大量消耗。因此如果用弱光曝 光，則須用較長時間來達到必須的能量，如此有較多的時間讓未見光區的遮蔽劑擴散至曝光區，如此只要有一點折光或散射就會形成聚合，產生殘膠顯影不 潔等問題。 因此使用強光曝光機有助於細線的製作，有殘膠並不是代表只是顯影不潔或水洗不良的問題。

一般而言5mW/cm2能量密度對一般的線路已有不錯的效果，如果要有更佳的解析度則高一些的光強度有助於改善之。

H. 影響解析度的因子互動關係有:(I)曝光時間長短(2)未曝光區遮蔽劑的量 (3)散射折射光的多少.其中第二項是來自供應商的調配較無法調整，第(1)項 可考慮控制光強度來改善其品質，第(3)項則使用平行曝光機及加強曝光前真空作業會有幫助. 8.2.4. 顯像Developing 8.2.4.1槽液成份及作業條件

溶液配方 １－２％之碳酸鈉（重量比） 溫度 30 +_2 ℃ 噴壓 15－20 PSI

水洗 27°－29℃，水壓40 PSI pH 10.5 －10.7，

Break point 50~70% Auto dosing

35

PCB電路板簡介

8.2.4.2作業注意事項

A. 顯像是把尚未發生聚合反應的區域用顯像液將之沖洗掉，已感光部份則因已發生聚合反應而洗不掉仍留在銅面上成為蝕刻或電鍍之阻劑膜。注意在 顯像前不可忘記把表面玻璃紙撕掉。

B. 顯像點Break point ( 從設備透明外罩看到已經完全顯現出圖樣的該點的距 離稱之 )應落於50~70%間，不及,銅面有scun殘留,太過,則線邊有膜屑或 undercut過大. 最好有自動添加系統(auto-dosing). 另外噴灑系統設計良否也會影響顯像點.可參考表8.1(本表僅供參考)

C. 顯像良好的側壁應為直壁式者，顯像不足時容易發生膜渣(Scum) 造成蝕刻板的短路、銅碎、及鋸齒突出之線邊，顯像機噴液系統之過濾不良時也會 造成此種缺點。檢查Scum的方法可用５％之氯化銅溶液(Cupric Chloride CuCl 2) 或氯化銨溶液浸泡， 若銅面上仍有鮮亮的銅色時，即可判斷有 Scum殘留， D. 顯像完成板子切記不可疊放,須用Rack插立. 8.3. 乾膜環境的要求

線路板之細線及高密度要求漸嚴，其成功的契機端賴各種精密的控制。乾膜 轉移影像之精準除了上述各種生產技術外，環境的完善也占有很大的比重。

A. 首先要注意到的是無塵室(Clean Room) 的建立，一般常說的無塵室是以 美國聯邦標準Fed. STD 209 做為分級的規範，是以每立方呎的空氣中 所含大於0.5微米的塵粒之數目(PPCF) 作為分級的，可分為三級，見表

三者間之維護與安裝費用相差極大，class 100 級多用在積體電路程(IC) 之晶圓製造上。至於精密線路板之乾膜壓膜及曝光區則10,000級已夠。

B. 無塵室品質之控制有三要件，防止外界塵埃之進入、避免內部產生、及清 除內部既有之塵量；需在環境系統上加裝進氣之過濾設備、工作人員穿戴 不易起塵之工作服、鞋、手套、頭罩。室內裝配則應採表面平滑的牆板、 無縫地板、氣密式之照明及公共設施、進出口之 Air Shower，室內送風則 採水平層流(Laminar Flow) 及垂直層流方式以消除氣流的死角, 避免塵埃的 聚積。

C. 乾膜區之照明為黃色光源以避免乾膜於正式曝光前先感光，此種黃光波長 必須在500 n m(naro-meter為10 m，或5000A) ，比500nm短的光源中含 有紫外線而導致乾膜之局部感光，市面上有金黃色日光燈管出售，在一般 日光燈外加裝橘黃色燈罩也可使用。 8.4 高密度細線路技桁

電路板的密度以往主要受限於鑽孔的尺寸，因此似乎線路密度成長的迫切性也就沒有那麼高。細線路由於鑽孔技術的進步及MCM-L技術的需求，近來備受重視。而運用傳統的Tenting & Etching技術，想作到小於1OOμm的線路走十分困難的。Additive process能降低甚至避免蝕刻的問題，只是必須使用特定的物料與流程，因此在電子封裝領域較少被運用。

A. Additive Process其銅線路是用電鍍光阻定義出線路區，以電鍍方式填入銅來 達形成線路。此類製程分為Semi Additive與Fully Additive兩類，Semi Additive 利用壓合薄銅於各類樹脂上，再以電鍍及蝕刻達到形成線路的目的。Fully Additive則是利用樹脂表面粗化，其後塗布加強黏合層以改善無電銅與板面連 結強度，之後以無電解銅長出線路。典型的線形式Subtractive/Semi Additive/Fully Additive示意如下圖：（圖8.7）

B. 無電解銅在Additive製程方面是極為重要的尤其是高品質高選擇性的無電解 銅，是高密度高信賴度板使用該製程的必要條件。然而一般無電解銅析出速率約 為2~2.5μm/Hr其析鍍時間相對可縮短為2~4分之一。

C. 對無電解銅而言，抗鍍光阻的剝離是最嚴苛的問題，由於光阻會操作在70℃的 鹼性化學銅液中，介面間的應力及光阻膨鬆是被認為剝離的主要動力。化學銅反 應產生的氫氣，原有的薄氧化銅表層因還原反應而失去鍵結力，都是剝離的可能 原因。

D. 較有效的防止剝離方式可以考慮對表面施以不同的金屬處理。底銅的化學電位相 對於氫為-600mV，氧化銅相對於氫的還原位為-355mV，由於還原電位高於電化反 應因此還原反應極易產生剝離。若要保持良好的鍵結力就必須找一個更低電位的 金屬覆於其上以防止反應。Zn/Sn/Ni都是有機會的金屬，以鋅而言經實驗證明 適當的覆蓋厚度可得到承受浸泡化學銅40Hr仍不會剝離的結合效果，其經驗厚 度約為0.5±0.1mg/cm2，金也是可選擇加強結合力的金屬。

36

PCB電路板簡介

E. 傳統的光阻是以溶劑型為主，但因環保問題而使業界對配方有所調整，加入親水 性物質，光阻可使用水溶液顯影。但一般水溶性光阻由於是鹼性顯影系統，用 化學銅抗電鍍將因親水分子過多而產生膨鬆問題。因此有新系統發展出來，親水 分子調整至最佳狀況後以低鹼性鹽及高揮發點溶劑組合成顯影液，顯影液之最大 成份仍為水，如此不會有燃燒的危險。而此光阻劑可承受約40小時化學銅浸泡 不致有問題，只是光阻難免有溶出物會影響鍍液析出速度及鍍出品質，因此其配 方是必須考慮以減少影響為目標。一般負型光阻其本身會吸收光源能量，因此改 善光阻透光性以獲得良好筆直的壁面，是光阻改善的方向。有部份光阻已可作到 光阻厚度76μm厚度以下,30μm線寬間距的解析度。

F. 電鍍過程中如何防止雜質顆粒的產生，對細線路而言將是一大課題。對Semi additive製程而言，電鍍若先使用高溫鍍銅(化學或電鍍)，再以較冷的鍍錫槽 鍍保護層，由於光阻會因熱脹冷縮而在銅線路與光阻頂端產生約1μm的空隙， 因此鍍錫時線邊緣也會大部份被錫鍍上，因此可加強保護效果獲得更好的線路。

G. 薄膜技術也可用於細線製程，一薄層Cr-Cu底層金屬以濺鍍鍍於底材上，以22 μm厚的光阻作業，以Semi additive製程化學銅浸約4Hr，去除光阻後由於底 層薄膜很薄，因此用Ion milling即可，不必作錫保護。

H. Fully additive是另一種方式，其作業是以UV型乾膜式增黏劑(Adhesive)壓覆 於樹脂面，UV聚合後鑽孔粗化再以活化劑(觸媒)覆於表面，其後以光阻定義出 備鍍區，為使光阻能抗鹼可用UV光將光阻固化，再以化銅填入備鍍區，其後光 阻本身也保留成板面的一部份。觸媒一般多用錫鈀膠體，若附以適當厚度既可啟 始化銅反應同時能保有一定絕緣電阻。

外層線路之影像轉移至此結束,抽檢通過的板子以Rack送至二銅區(線路電鍍)進行下一製程. 九. 二次銅 9.1 製程目的

此製程或稱線路電鍍 (Pattern Plating),有別於全板電鍍(Panel Plating) 9.2 製作流程

目前二次銅作業幾乎都是以龍門式自動電鍍線為主,是垂直浸鍍方式,上下料則採手動或自動.設備的基本介紹後面會提及.另外值得一提的是為迎合build up新式製程,傳統垂直電鍍線無法達到一些規格如buried hole, throwing power等,因而有水平二次銅電鍍線的研發,屆時又將是一大革命.本章仍就傳統負片二次銅流程加以介紹: 銅面前處理→鍍銅→鍍錫(鉛) 9.2.0 Time table(時序圖):

含鍍槽在內,二銅自動電鍍線所設計的槽數,少者2,30多者4,50,輸送掛架 的天車2~3部,因此必須由程式來控制各槽起落,停滯時間,再由天車執行各RACK流程順序等 一連串複雜的動作,電鍍時間甚至可控制為設定安培小時,如此各天車就有一時間路線圖稱之 Time Table.拜PLC的功能愈來愈進步所賜,利用電腦的人性化介面,在程式的設計上簡便又快速.

9.2.1 銅面前處理

二銅製程之鍍銅前處理皆為In line process,所以都是化學處理方式.一般的流程為:

脫脂→水洗→微蝕→水洗→酸浸→鍍銅→水洗…

此前處理的重點在於如何將前一製程-外層線路製作-所可能流在板面上的氧化,指紋,輕微 scun等板面不潔加以處理,並予以表面的活化使鍍銅的附著力良好. 9.2.2 鍍銅 9.2.2.1電鍍基礎 A. 法拉第定律

第一定律─在鍍液進行電鍍時,陰極上所沉積(deposit)的金屬量與所通過的電量成正比。

第二定律─在不同鍍液中以相同的電量進行電鍍時，其各自附積出來的重量與其化學當量 成正比。 B. 電極電位

當金屬浸於其鹽類之溶液中時，其表面即發生金屬溶成離子或離子沉積成為金屬之置換可逆反應，直到某一電位

37

PCB電路板簡介

下達到平衡。若在常溫常壓下以電解稀酸液時白金陰極表面之氫氣泡做為任意零值，將各種金屬對\"零值極\"連通做對比時，可找各種金屬對氫標準電極之電位來(NHE Standard Potential , Normal Hydrogen Electrode)。將金屬及其離子間之氧化或還原電位對NHE比較排列而成\"電化學次序\"(Electrochemieal Series)或電動次序(Electromotive Force Series)。 以還原觀點而言，比氫活潑的金屬冠以負值使其排列在氫的上位，如鋅為-0.762，表示鋅很容易氧化成離子，不容易沉積成金屬，理論上至少要外加0.762V以上才能將之鍍出。即： Zn + 2 e → Zn, - 0.762 V

比氫不活潑者冠以正值，排在氫的下位，如銅之： Cu + 2 e → Cu, + 0.34 V

愈在下位者愈容易還原鍍出來，也就是說其金屬態在自然情況下較安定，反之在上位者則容易生銹了。 C. 過電壓(Overpotential)：

在溶液中的帶電物體在平衡時會存在一定電位值，此電位值稱為平衡電位(E0)：當該物質產 生一反應〔不論化學（氧化還原）或物理反應（擴散）等〕時，都必須賦予額外能量，這種 能量在電化學的領域我們稱為給予的反應電壓叫作\"過電壓\"，其關係可以下式表示： η＝V(applied)-E° C-1 電鍍的過電壓：

在電鍍過程中電壓主要表現分成下列三項： η＝ηct+ηmt+IR----------------(1)

ηct：Charge transfer overpotential：電鍍反應的過電壓 ηmt：Mass transfer overpotential：質傳反應的過電壓 IR：溶液本身的電阻

對電路板而言孔與表面為等位面，因此ηs(surface)= ηh(Hole)，因此 ηs=ηh=ηsct+ηsmt+IRs=ηhct+ηhmt+IRh---------------(2)

其中ηmt表示帶電離子藉Diffusion作用通過Diffusion layer所造成的電位差，其狀況可以下圖9.1表示圖9.1顯示的意義為在距離(δ)之外的溶液，其金屬離子濃度可視為定值，其數值與整槽的平均濃度(C)相同。而在一定距離(δ)內，金屬離子濃度會逐漸下降，此一濃度下降的區稱為 Diffusion Layer，而δ值即為 Diffusion layer thickness；由於濃度梯度的存在(Concentration gradient)會消耗電能，此即為Mass transfer overpotential存在的原因，其大小可以下式表示： ηmt＝（RT/nF）(I/iL)=0.082(J/JL)---------------------(3)

其中J及JL分別代表電流密度及極限電流密度，而極限電流密度JL可以表達： JL=(nFDCb/δ)=K(Cb/δ)--------------------------------(4)

當系統選定(Cb)操作方式固定(δ)，JL值相對也就固定。但(δ)值會大攪拌及掛架不同而修正。 一般而言，板面因攪拌而(δ)變小；因此JLS很大而造成ηmts低，反之由於攪拌方向多和 孔 方向垂直；孔內因為金屬離子不易補充及攪拌不佳造成Cbh偏低及δ值偏高, 以致JLh偏低 ηmtL偏高(ηmth>ηmtsL)至於IR項是溶液電阻形成的電壓降，距離愈長降愈大；一般取板面的 IR=0，而孔內則為： EIR=(J.L2/2Kd)-----------------------------------(5) J：電流密度 L：板厚 d：孔半徑 在一般狀況EIR>>0而ηmth>ηmtsL

因此根據式(2)可知ηcth>ηcts恆成立，也就是孔內的Charge transfer potential永遠小於表面 的Charge transfer potential，而且隨著板厚愈大(即使Aspect ratio不變)，兩者差值愈大。 C-2過電壓與電鍍

在各種過電壓中，真正決定電流密度的是ηct（charge transfer overpotential），他與電流密度 有如下圖9.2的關係： 圖9.2為不同ηct時電流度的變化曲線(極化曲線)，其內容如下：

a. 一般而言當系統被賦予電壓時會相應產生電流，其電流變化一開始時較緩，爾後會呈穩定上升，最後趨向極限電流密度J(Limit)

38

PCB電路板簡介

b. 上述可穩定增加之區間為可操作Range，但一般為考慮電鍍品質，當選擇 J/J(Limit)=0.35~0.45為範圍 c. 當電流密度達到J/J (Limit)時，即便再加壓電流密度也不會再上升

d. 給予電壓因分佈不均而局部過高，則當η超過η1*時會產生氫氣，造成局部燒焦及低電 流效率的缺點 e. 若外加電壓太高(ηct>η2*)，則溶液產生大量氫氣並產生金屬粉末

由前述知ηcts=ηcth成立，則由圖9.2知Jcts>Jcth亦成立此即面銅比孔銅厚的原因(Throwing Power T.P.<=1)的主因。而由圖9.2可以發現，相同的ηcts和ηcth的前題下，Curve(II)所形 成的電流密度差(△J2=Jcts=Jcth)比 Curve(I)為小(△J2=△J1)，也就是後者(面銅/孔銅)電流密 度差較小，因此Throwing power 較佳；其中 T.P.=(Jcth/Jcts)----------------------------------(6)

由上可佑若適當降低極化曲線(Plating curve)的斜率將有助於T.P.的提升 D. 改善Throwing power的方法：

a. 提高Throwing power的方法很多，包括：

(1) 降低ηcts和ηcth之差值(△ηct)：其方法包括： －改善攪拌效果

－降低IR值，包括提高酸度及加入導電鹽 －強迫孔內對流(降低IR)

－添加改變Charge transfer 能力之添加劑包括載體光澤劑等 (2) 修正極化曲線：如之前所提藉降低極化曲線的斜率降低△J b. 修正極化曲極化曲線的方法： (1) 降低金屬離子濃度：

基本上過電壓就是賦予帶電離子反應所需能量，以驅使反應進行。因此離子愈少則要維持定 量離子在 定時間內反應之難度愈高，因此必須給予較大能量。其結困即使得J-η曲線愈平 （見圖9.3 ），由圖上 可得幾項推論： －CuSO4濃度愈低，Throwing power愈好

－上述結果也可推論到二次銅電鍍線路不均的板子，其Distribution也將改善 －必須強調的是隨CuSO4降低，相同電路密度下所消耗的能量更大 降低金屬離子另外衍生的問題將在後面討論 E. Additive(添加劑)：見圖9.4

a. 基本上電鍍的Additive可分兩大類： －導電鹽： 多為無機鹽類，用以降低IR －修正極化曲線： 多為有機物

b. 就Additive 加入對極化曲線之影響討論如下:

有機Additive加入會吸附在被鍍物上形成一孔狀的Film,有阻絕作用以致極化曲線Shift, 使得△J由△J1降為△J2因而改良T.P.(T.P.=1-(△J/ Js))

有機Additive一般多為分子較高的分子，其Diffusion不易，故一般多在表面沉積，造成表面所吸附的Additve比孔內多，以致孔內和表面極化曲線不一致，使對應的J值產 生變化，△J再由△J2降到△J3，T.P.因此再度提高Additive之加入，由於表面吸附作 用，有其一定值及\"邊際效用遞減\"的作用。當完全沒有時加入少量即影響甚大，其後再加 改變效果逐漸降低，最後會出現多加無益反而有害的現象。 F. 低銅濃度鍍液的評估 a.. 主要考慮項目包括： a-1.操作的電流密度範圍：

一般而言極限電流密度和濃度存在下列關係： J limit=a+bCb

Cb：鍍液濃度 a,b：為常數，以CuSO4鍍液而言存在如下關係： J limit = 1.8+1.34 Cb ----------------------- (7)

39

PCB電路板簡介

而一般實際電鍍的電流密度範圍則為以下關係： J/J limit = 0.35~0.40 ----------------------- (8)

根據上述加以整理則有如表之結果－不同銅含量下之J limit 與 J 之值

由表可知低銅鍍液操作範圍因而下移且縮小，此為設計上必須注意的事。一般而言 若電流密度超過上限，易導致T.P.下降或銅粗的現像，若太低則易造成白霧現像。 a-2. Cu+2 累積的問題：

在長期Running的過程中，難免因電流效率無法維持100%而導致Cu+2濃度上升；其影響如下： －濃度上升造成Operation range 上移，導致原設計之J值在新濃度中偏下限操作而導致 白霧現象. －濃度上升導致極化曲線動以T.P.下降

－濃度上升使原先的Additive不適用而導致電鍍品質惡化必需說明的是這些現像在任何鍍液中都存在，但在低金屬濃度鍍液中特別明顯 b. 反應時間的改變

直覺上認為電流密度下降導致電鍍時間加長，其實並不盡然，因為其中有T.P.的修正效應。 表為鍍1mil孔 銅厚度前題下，不同T.P.所需反應時間計算 。 由上表可看出：

－若原有電鍍系統之T.P.很高，則降低J值提高T.P.值的貢獻有限。因此使用低銅系統無法 縮短電鍍時間。也就是Aspect ratio低或板厚低時此作法浪費時間降低產能。

－若Aspect ratio高或原有板厚大，則T.P.偏低，此時若能藉著降低電流密度改善T.P.，則 在某一範圍內可縮 短電鍍時間。

－若電流密度太低，即使提高T.P.，也會造成電鍍時間增加 c. Additive的考慮

一般Additive多為有機物；利用該物質吸附在電極表面形成多孔性薄膜形成電鍍Gap，造成極化曲線偏移，達到提高T.P.及改善distribution的目的。一般而言Additive在低電流區吸附效果較差，故易形成白化問題；若欲提高低電流區的效果，一般採用分子量大吸附力較強的Additive，而此類物質存在下列問題： －吸附力強易在鍍層中殘留，形成鍍層的Occlusion，導致銅層易Crack及降低導電性 －分子量大的東西在操作中易老化分解，因此要注意添加及定期活性碳處理 －分子量大的物質多半電性較弱，在溶液中不易Migration吸附在陰極。

為修正此一特性，分子量大的Additive化合物本身多具有水合性強的官能基(Functional group)。此類物質在分子量大時仍可以活性處理方式法除更新；但若分解為小分子時，會因水合性太高去除因難而必須 Dump藥液。 為了提高T.P.，一般Additive多朝向大分子量介面活力強的分子發展。在此狀況下，上述三種缺點會逐漸呈現影響，在評估細線厚板及高Aspect ratio板子鍍液時必須留意。 d. 板厚的影響

一般電鍍在考慮T.P.時多考慮Aspect ratio，但事實上板厚的絕對值也是一項重要因素。 9.2.2.2 鍍 銅 A. 前言

非導體的孔壁在PTH金屬化而鍍上一層薄無電銅後， 立即進行電鍍銅。電路板以銅為主要導體,是因銅: －高導電度(electrical conductivity) －高強度(strength) －高延展性(ductility) －低成本

而且鍍銅液配槽簡單,後製程蝕刻亦是輕而易舉,再加上廢液(硫酸銅)處理容易,因此銅被大量使用.裝配由傳統的波焊(Wave Soldering)改成由錫膏(Solder Paste)或樹脂膠類之定位，使得孔中不再進行灌錫，由孔銅負起導電的任務，因此對鍍銅的品質要求更嚴苛。而小孔徑勢之所趨，使得孔壁的縱橫比(Aspect Ratio)值愈來愈大，而今Build-up製程帶來更

40

PCB電路板簡介

大的挑戰, 如兩面盲孔等, 鍍液及電流都不易深入而必須設法改善使技術升級. 以下探討鍍銅的現況及趨勢 B. 鍍銅的演進 a. 傳統式硫酸銅

這是屬高銅低酸的傳統銅液,其分佈力( Throwing Power)很不好, 故在板面上的厚度分佈很不均勻，而且鍍層呈柱狀組織(Columnar) ,物理性質也很不好，故很快被業界放棄。 b. 高分佈力硫酸銅(High Throwing Power)

高分佈力硫酸銅改採高酸量低銅量的方法，從基本配方上著手,改進通孔的特性。但由於添加劑是屬於有機染料類，其在鍍液中的裂解物不但使鍍液的顏色漸變 ,且使鍍層的延展性的惡化。酸銅液原為藍色的，經一段時間的操作後竟然會漸漸的轉變成為綠色 ，經活性炭處理則又會回到應有的藍色來。為了要在孔銅上有好的表現，加了較多的平整劑(leveling agent),使得延伸性(Elongation)不理想，無法耐得住基板在\"Ｚ\"方向的膨脹，而常在通孔的肩部或膝部發生斷裂，無法通過美軍規範中的熱應力(Thermal Stress)測試 。且對溫度敏感，高電流區容易燒焦、粗糙等毛病，因此也無法為業界接受. c. 第三代的硫酸銅鍍液

經業者不斷的改進添加劑, 捨棄染料系統, 而進入第三代的硫酸銅鍍液。此時之銅層性質已大有改善，多能通過漂錫試驗。不管國內外各廠牌, 基本的配方都差不多。

第三代硫酸銅雖然能符合目前的市場要求，但產速是一大問題, 若要求在板子任何地方的孔壁要達到１mil厚度時，在25ASF，25℃的作業條件下, 需60分鐘以上的電鍍時間， 無法應付大量作業。加以近年來線路板的裝配方式起了革命，由傳統式的插孔裝配(DIP) 進步到表面黏著(SMT)，使得線路及孔徑都變得更細更小更密。孔徑變小，縱橫比加大， 更不容易讓孔銅厚度符合規格。 d. 鍍銅的最新發展

－高速鍍添加劑(High speed additive) －脈衝電鍍(Pulse plating) －藥液快速衝擊(Impinge)設備 C. 作業實務與注意事項 a. 硫酸銅液成份

表是典型常用鍍液成份 b. 各成份及其功能：

－硫酸銅，是供給槽液銅離子的主源，配槽時要用化學級之含水硫酸銅結晶溶解使用，平時作業中則由陽極磷銅塊解離補充之．配液後要做活性炭處理(Carbon treatment)及假鍍(Dummy plate)。

－硫酸，要使用試藥級的純酸，硫酸有導電及溶解陽極的功用，日常操作中銅量因 吹氣的氧化作用使陽極膜的溶解增加，故液中的銅量會漸增而酸量會漸減，要逐日作分析以維持其酸與銅之重量比在10:1以上以維持良好的分佈力。鍍液在不 鍍時要關掉吹氣，以防銅量上升酸量下降及光澤之過度消耗。

－氯離子，有助陽極的溶解及光澤劑的發揮功能，使陽極溶解均勻，鍍層平滑光 澤。氯離子正常時陽極膜呈黑色，過量時則變成灰白色，配液及添加用的水一 定要純，不可用自來水，因其加有氯氣或漂白粉（含次氯酸鹽）會帶入大量的氯離子。

－陽極，須使用含磷0.02-0.06％的銅塊，其面積最好為陰極的兩倍。

－添加劑，主要有光澤(Brightner)、整平(Leveller)、載體(Carrier)、潤濕劑(Wetter) 等功 能, 用 '安培-小時'添加補充.

c. 操作及設備： －整流器與陰陽極

提供電流的整流器與陰,陽極間的配線方式非常重要

1. 配線的銅軸直徑:此和每隻Fly-bar須要電流及拉線距離有關 2. 最好陰陽極桿的兩端都有配接,可使電流分布均勻.

41

PCB電路板簡介

3. 參考圖9.5(a.b) －陽極,陽極鈦籃與陽極袋

1.捨棄以前扁平型的，改為長條型以方便調整位置與數量.

2.陽極的長度要比陰極的掛架要短，以減少掛架下端高電流區之燒焦。見圖9.6(a.b),至於短多少則要視陰陽極距,槽深,掛架,攪拌方式等實施狀況而定.

3.陽極袋可用PP材質，用以前要稀硫酸浸一段時間

4.正常的陽極膜是黑色的，若呈棕色時表陽極中含磷不夠，呈銀灰色時表液中氯 離子太多而成了氯化銅。但這只是一般判斷尚須槽液分析輔助.

5陽極袋的功用在防止陽極膜屑.碎銅粒掉落槽中,更換頻率約一年四次,但只要發現 有破得馬上換掉. －過濾及吹氣

1.過濾:一則使鍍液流動,再則使浮游物被濾掉，其過濾速度應每小時至少使鍍槽全 部鍍液能循環3次，當然速度愈大愈能降低diffusion layer的厚度有利電鍍。濾 心要在5微吋以下之密度，以達清潔之目的。

2.吹氣管放置在陰極板的正下方兩排向下45°吹氣,見圖9.7除降低diffusion layer 的厚度，加速離子的補充，更可以幫助光澤發揮作用。 －擺動與震動

擺動與震動的目的也在縮小diffusion layer,並使孔內不殘留氣泡.. －溫度

第三代硫酸銅要在25℃左右操作最好，溫度高了會造成添加劑的裂解，不但用量 增加而且造成污染非常不利。故在本省之亞熱帶氣候夏天需要冷凍降溫。但鍍液低於15℃以下時會造成導電不良，效率降 低，故到了冬天後又要做加溫的設施， 以減少因低溫而造成的粗糙、無光澤甚至燒焦。 －安培小時自動添加 此部份已屬標準配備 d. 維護及管理：

－日常管理:槽液之日常操作可在一個過濾機中加裝活性濾心，使裂解的有機物得以吸附使鍍層能保有良好的性能。此種日常輕度的處理可延長鍍液的壽命，減少carbon treatment的頻率.

－分析及補充:要每日對銅濃度、硫酸濃度及氯離子含量做化學分析，再根據實際結果做調整,須注意做長期趨勢分析以判斷有否操作異常,或設定 條件有誤. －光澤劑的補充分析:

1. 安培小時自動添加

2. 用哈氏槽(hull cell)模擬實驗 3. CVS分析 9.2.3鍍錫鉛 9.2.3.1 前言

二次銅後鍍錫鉛合金的目的有二：

a. 蝕刻阻劑, 保護其所覆蓋的銅導體不會在鹼性蝕銅時受到攻擊。 b. 裝配焊接, 須再經IR重熔,目前多已不使用.

由於鉛對人體有頗大的為害,廢液處理不便宜因此純錫電鍍已漸取代傳統錫鉛. 9.2.3.2 鍍液配方及其操作 A. 標準型配方(Standard Bath)

陽極組成（60％錫，40％鉛）與陰極之面積比為1/2，攪拌要做陰極桿往復式機械攪拌，及連續過濾。 B. 高分佈力鍍液(High Throwing Power Bath) 其他攪拌、過濾、及陽極與標準液相同

高分佈液與標準液最大的不同在金屬濃度的大量降低，但同時都大大 提高游離氟硼酸量，使板子上不會因電流

42

PCB電路板簡介

密度相差太大而引起鍍層厚度的 懸殊差異，高分佈液因金屬含量低了在配液成本及板子作業帶出也因之降低，對於廢水 的負擔也相形減輕。 C. 原理及操作 各個成份功能表

a. 鍚鉛槽以氟硼酸系為主，調配藥液成份可得不同的鍚鉛比例，從0%至100%的組成都 可能,離子來源是氟硼酸錫及氟硼酸鉛在鍍液中水解而成二價錫離子及二價鉛離子.

b. 游離氟硼酸在鍍液中，主要功用則是陽極的溶解，增加導電度並能抑制錫鉛鹽類的分 解，尤其是阻止二價錫氧化成為四價錫，又能幫助鍍層晶元的細膩化，扮演著重要的 角色。氟硼酸是由氫氟酸及硼酸二者反應而得： 4HF + H3BO3 a HBF4 + 3H2O

但此為可逆反應會再水解而成為HF及H3 BO3 的，因此槽液中要掛一內裝硼酸的PP 布袋，以抑制氟硼酸的水解。 c. 添加劑中以蛋白梀Peptone最常用.蛋白梀Peptone 是一種蛋白質水解成胺基酸的過程 的產物多由牛肉或牛膠在酸中水解所製成；用於電鍍時多加有防腐劑以防細菌所敗 壞。其在鍍液是扮演一種使鍍層晶粒細膩化，抑制高電流區長樹現象(Treeing)，並增 加並增加鍍液的分佈力, 其含量以5-6g/l為宜.蛋白梀不易用簡單的方法分析，需用到 哈氏槽試驗作為判斷的方法

d. 鍍槽不用吹氣攪拌以免產生氧化四價錫沉澱，若前製程帶入硫酸根則會和鉛形成不溶 性硫酸鉛沉澱，一般處理的方式是在槽前加一槽氟硼酸浸漬，如此既可防止雜物攜 入又可防止過多的水引入後所造成的水解問題

e. 為焊接而作的鍍層仍以鍚鉛為多，最常被要求的電鍍鍚鉛組成是40%鉛60%錫.一般 在兩金屬間會產生介面金屬(IMC)，對銅鍚而言有Cu3Sn的εphase及Cu5Sn6的 η phase，前者出現是焊錫性不利的表徵，後者是焊接之初焊接良好的產物.

f. 因環保問題, 錫鉛組成穩定度問題，很多使用者已改採純鍚作為電路板抗蝕金屬. 純 鍚製程後面會提及. 9.2.3.3純鍚電鍍

A. 鍍純錫是一種極容易且廣泛應用於特定用途的電鍍，由於錫的High throwing power， 因此即使特殊形狀有凹孔的鍍件，也不需要特殊形狀的陽極來改善其電鍍分布

B.商業化的錫鍍槽目前有四種，各為氟硼酸錫、酸鉀及鹵化錫氟

C.硼酸錫槽：一種不太需要控制的槽液，陰陽極效率多到達近100%，一般的錫電鍍在氟 硼酸槽中錫為+2價，而在錫酸鹽槽中錫為+4價，因此電鍍速率有兩倍的差距，操作 溫度約為32~54℃

D.光澤系統可用的有多種，如：蛋白質(Peptone)、白明膠(Gelatin)、β-Naphthol、 鄰苯二酚(Hydroquinone)等 E.錫槽原則上不加空氣攪拌，以免產生錫氧化而生成白色沉澱，實務上錫陽極電流密度 以不超過25ASF為原則，以免因錫溶解過快而使槽內錫濃度增高. 9.2.3.3 污染的影響

錫鉛鍍液最容易引起污染的金屬雜質就上游流程的銅，而影響錫鉛鍍層性質及其裝配時 之可焊性最大者也是銅。錫鉛鍍液中只要銅染濃度超過20PPM時鍍層立即會反映出各 種不良的徵狀，現分述於後：

A.鍍面由原來正常的淺灰色變成昏暗之深灰色，若用哈氏槽印證時，在267 ml小槽中在無攪拌之靜止鍍液中以１安培鍍10分鐘後，在黃銅試片右緣低電流密度處會發現明顯變黑的情形即為銅污染之明證。

B.銅污染會引起鍍液中二價錫的氧化成為四價錫，並使陽極產生較多的鈍層膜，甚至引 起鍍層中有氧化鉛的存在，因而造成重熔的困難，會產生重熔後表面的砂礫狀，錫面 不平(dewet)以及許多小坑陷(pimpling)幸 好此種無法避免的銅污染可用低電流假鍍法可 以除去，其做法是定時用折摺狀的不銹鋼板當成陰極假鍍板，以1-3 ASF去鍍幾小時 就可以除掉。

C.除了銅之外其他也會有銀、鋅、鎘、 等都可能存在陽極中及來自環境中鐵等的污染， 幸好此等微量的金屬污染尚不致造成焊性的惡化，但若含量過多時也會影響鍍液的分 佈力及鍍層之組成，不過此等金屬都比錫鉛來的活潑，在酸性溶液中容易被折鍍出來， 也就是可用假鍍方式除掉。

D.鍍液中除了金屬污染外就是有機污染了，當然其大量是來自蛋白的裂解物，應定時 用活性炭處理除掉。 9.3 小孔或深孔鍍銅

43

PCB電路板簡介

電路板的裝配日趨緊密，其好處不外減少最後產品的體積及增加資訊處理的容量及速度。 對板子而言細線及小孔是必然要面對的問題。就小孔而言，受衝擊最大的就是鍍銅技術，要在孔的Aspect Ratio很高時，既要得到１mil厚的孔壁，又不發生狗骨現象，而且鍍層的各種物性又要通過現有的各種規範，其中種種需待突破的困難實在不少。以下是一些對應的方式

A. 選擇高純度的特定助劑，如特殊的整平劑使在高電流處抑制鍍層增加，使低電流處仍能有 銅正常登陸，並嚴格分析、小心添加、仔細處理以保持鍍液的最佳效果。

B.改變鍍槽的設計，加大陰陽間的距離，減少高低電流密度之間的差異。

C.降低電流密度至15ASF以下，改善整流器出來直流的紋波量(Ripple)至２％以下。若不行 時將電流密度再降低到5ASF，以時間換取品質。

D.增強鍍液進出孔中的次數，或稱順孔攪拌，此點最為重要，也最不容易解決，加強過濾 循 環每小時至少２次，或增加超音波攪拌。

E.不要增加銅的濃度但要增大硫酸與銅的濃度比值，至少要10/1以上。

F.助劑添加則應減少光澤劑用量，增加載體用量，並用安培小時計管理添加，定時用CVS 分析助劑之裂解情形。 G.試用脈波電流(Pulse Plating)法，以減少面銅與孔銅之間的差異，並增加銅層的延展性，並 能以不加添加劑的方式使鍍層得以整平。 9.4水平電鍍

水平電鍍方式加上脈波整流器應是徹底克服小孔,高縱橫比,細線等極高密度板子電鍍瓶頸,panel plating已不是問題,pattern plating若能成功,對業界造福更大.

欣見國內PIOTEC(造利)耕耘此領域多年,目前品質技術已不輸國外業者.表9.5是水平電鍍與垂直電鍍比較,從中當可看出其重要性.

當然水平電鍍仍有待改善之處,如導電方式之選擇,非溶解性陽極所帶來之藥液補充維持之問題等.希望業者多加把勁,在此領域能獨步全球.

二次銅製程介紹至此告一段落,下一製程是蝕刻(剝膜→蝕刻→剝錫鉛). 十 蝕刻 10.1製程目的

將線路電鍍完成從電鍍設備取下的板子,做後加工完成線路: A. 剝膜:將抗電鍍用途的乾膜以藥水剝除 B. 線路蝕刻:把非導體部分的銅溶蝕掉

C. 剝錫(鉛):最後將抗蝕刻的錫(鉛)鍍層除去 上述步驟是由水平連線設備一次完工. 10.2 製造流程

剝膜→線路蝕刻→剝錫鉛 10.2.1剝膜

剝膜在pcb製程中，有兩個step會使用，一是內層線路蝕刻後之D/F剝除，二是外層線路蝕刻前D/F剝除(若外層製作為負片製程)D/F的剝除是一單純簡易 的製程，一般皆使用連線水平設備，其使用之化學藥液多為NaOH或KOH濃 度在1~3%重量比。注意事項如下：

A. 硬化後之乾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後水洗能徹底，過濾系統的效能非常重要.

B. 有些設備設計了輕刷或超音波攪拌來確保膜的徹底，尤其是在外層蝕刻後的剝膜, 線路邊被二次銅微微卡住的乾膜必須被徹底剝下，以免影響線路品質。也有在溶液中加入BCS幫助溶解，但有違環保，且對人體有害。 C. 有文獻指K(鉀)會攻擊錫，因此外層線路蝕刻前之剝膜液之選擇須謹 慎評估。剝膜液為鹼性，因此水洗的徹底與否，非常重要，內層之剝膜 後有加酸洗中和，也有防銅面氧化而做氧化處理者。 10.2.2線路蝕刻

本節中僅探討鹼性蝕刻,酸性蝕刻則見四 內層製作 10.2.2.1 蝕銅的機構

44

PCB電路板簡介

A. 在鹼性環境溶液中，銅離子非常容易形成氫氧化銅之沉澱，需加入足夠 的氨水使產生氨銅的錯離子團，則可抑制其沉澱的發生，同時使原有多 量的銅及繼續溶解的銅在液中形成非常安定的錯氨銅離子，此種二價的 氨銅錯離子又可當成氧化劑使零價的金屬銅被氧化而溶解，不過氧化還 原反應過程中會有一價亞銅離子)出現，即

此一反應之中間態亞銅離子之溶解度很差，必須輔助以氨水、氨離子及空氣中大量的氧使其繼續氧化成為可溶的二價銅離子，而又再成為蝕銅的氧化劑週而復始的繼續蝕銅直到銅量太多而減慢為止。故一般蝕刻機之抽風除了排除氨臭外更可供給新鮮的空氣以加速蝕銅。

B. 為使上述之蝕銅反應進行更為迅速，蝕液中多加有助劑，例如：

a. 加速劑 Acceletator 可促使上述氧化反應更為快速，並防止亞銅錯離子的沉澱。 b. 護岸劑(Banking agent) 減少側蝕.

c. 壓抑劑Suppressor 抑制氨在高溫下的飛散，抑制銅的沉澱加速蝕銅的氧化反應。 10.2.2.2 設備

A. 為增加蝕速故需提高溫度到48℃以上，因而會有大量的氨臭味彌漫需做適當的抽風，但抽風量太強時會將有用的氨也大量的抽走則是很不 經濟的事，在抽風管路中可加適當節流閥以做管制

B 蝕刻品質往往因水池效應(pudding)而受限,(因新鮮藥液被積水阻撓,無法有效和銅面反應稱之水池效應)這也是為何板子前端部份往往有over etch現象, 所以設備設計上就有如下考量: a. 板子較細線路面朝下,較粗線路面朝上.

b. 噴嘴上,下噴液壓力調整以為補償,依實際作業結果來調整其差異.

c. 先進的蝕刻機可控制當板子進入蝕刻段時,前面幾組噴嘴會停止噴 灑幾秒的時間.

d. 也有設計垂直蝕刻方式,來解決兩面不均問題,但國內使用並不多 見.目前國內有科茂公司之自製垂直蝕刻機使用中.

10.2.2.3 補充添加控制 A. 操作條件如表

B. 自動補充添加 補充液為氨水,通常以極為靈敏的比重計,且感應 當時溫度(因不同溫度下 比重有差),設定上下限,高於上限時開始添加氨水,直至低於下限才停止.此 時偵測點位置以及氨水加入之管口位置就非常重要,以免因偵測delay而 加入過多氨水浪費成本(因會溢流掉) 10.2.2.4設備的日常保養

A. 不使蝕刻液有sludge產生(淺藍色一價銅污泥),所以成份控制很重要－尤 其是PH,太高或太低都有可能造成. B. 隨時保持噴嘴不被堵塞.(過濾系統要保持良好狀態) C. 比重感應添加系統要定期校驗. 10.2.2.5 Undercut 與Overhang 見圖10.1 10.2.3 剝錫(鉛)

不管純錫或各成份比的錫鉛層,其鍍上的目的僅是抗蝕刻用,因此蝕刻完畢後,要將之剝除,所以此剝錫(鉛)步驟僅為加工,未產生附加價值.但以下數點仍須特別注意,否則成本增加是其次,好不容易完成外層線路卻在此處造成不良. A.一般剝錫(鉛)液直接由供應商供應,配方有多種有兩液型,也有單液型,其剝除方式有半溶型與全溶型,溶液組成有氟系/H2O2,HNO3/H2O2等配方.

B.不管何種配方,作業上有以下潛在問題: a.攻擊銅面.

b.剝除未盡影響後製程. c.廢液處理問題 .

所以剝錫(鉛)步驟得靠良好的設備設計,前製程鍍錫(鉛)厚度控制及藥液藥效的管理,才可得穩定的品質. 外層線路製作完成之後,進行100%檢測工作. 十一、外層檢查

45

PCB電路板簡介

11.1前言

一般pcb製作會在兩個步驟完成後做全檢的作業:一是線路完成(內層與外層)後二是成品,本章針對線路完成後的檢查來介紹. 11.2檢查方式

11.2.1電測－請參讀第16章 11.2.2目檢

以放大鏡附圓形燈管來檢視線路品質以及對位準確度,若是外層尚須檢視孔及鍍層 品質,通常會在備有10倍目鏡做進一步確認,這是很傳統的作業模式,所以人力的須 求相當大.但目前高密度設計的板子幾乎無法在用肉眼檢查,所以下面所介紹的AOI 會被大量的使用.

11.2.3 AOI－Automated optical Inspection 自動光學檢驗

因線路密度逐漸的提高，要求規格也愈趨嚴苛，因此目視加上放大燈鏡已不足以 過濾所有的缺點,因而有AOI的應用。

11.2.3.1應用範圍 A. 板子型態

－信號層，電源層，鑽孔後(即內外層皆可)．

－底片，乾膜，銅層．(工作片, 乾膜顯像後,線路完成後)

B. 目前AOI的應用大部分還集中在內層線路完成後的檢測,但更大的一個取代人力的製程是綠漆後已作焊墊表面加工 (surface finish) 的板子.尤其如BGA,板尺寸小,線又細,數量大,單人力的須求就非常驚人.可是應用於這領域者仍有待技術上的突破. 11.2.3.2 原理

一般業界所使用的\"自動光學檢驗CCD及Laser兩種；前者主要是利用鹵素燈通光線，針對板面未黑化的銅面，利用其反光效果，進行斷、短路或碟陷的判讀。應用於黑化前的內層或線漆前的外層。後者Laser AOI主要是針對板面的基材部份，利用對基材(成銅面)反射後產螢光(Fluorescences)在強弱上的不同，而加以判讀。早期的Laser AOI對\"雙功能\"所產生的螢光不很強，常需加入少許\"螢光劑\"以增強其效果，減少錯誤警訊當基板薄於6mil時，雷射光常會穿透板材到達板子對另一面的銅線帶來誤判。\"四功能\"基材，則本身帶有淡黃色\"已具增強螢光的效果。Laser自動光學檢驗技術的發展較成熟,是近年來AOI燈源的主力.

現在更先進的鐳射技術之AOI，利用鐳射螢光，光面金屬反射光，以及穿入孔中鐳射光之信號偵測，使得線路偵測的能力提高許多,其原理可由圖11.1 , 圖11.2簡單闡釋。 11.2.3.3偵測項目

各廠牌的capability，由其data sheet可得.一般偵測項目如下List A. 信號層線路缺點,見圖11.3 B. 電源與接地層,見圖11.4 C. 孔, 見圖11.5 D. SMT, 見圖11.6

AOI是一種非常先進的替代人工的檢驗設備,它應用了鐳射,光學,智慧判斷軟體等技術,理論來完成其動作.在這裡我們應注意的是其未來的發展能否完全取代PCB各階段所有的目視檢查. 十三 金手指,噴錫( Gold Finger & HAL ) 13.1製程目的

A.金手指(Gold Finger,或稱 Edge Connector)設計的目的,在於藉由connector連接器的插接作為板對外連絡的出口,因此須要金手指製程.之所以選擇金是因為 它優越的導電度及抗氧化性.但因為金的成本極高所以只應用於金手指,局部鍍或化學金,如bonding pad等.圖13.1是金手指差入連接器中的示意圖. B. 噴錫的目的,在保護銅表面並提供後續裝配製程的良好焊接基地. 13.2製造流程 金手指→噴錫

46

PCB電路板簡介

13.2.1 金手指 A. 步驟:

貼膠→割膠→自動鍍鎳金→撕膠→水洗吹乾 B. 作業及注意事項

a. 貼膠,割膠的目的,是讓板子僅露出欲鍍金手指之部份線路,其它則以膠帶貼住防鍍.此步驟是最耗人力的,不熟練的作業員還可能割傷板材.現有自動貼,割膠機上市,但仍不成熟.須注意殘膠的問題.

b. 鍍鎳在此是作為金層與銅層之間的屏障，防止銅migration.為提高生產速率及節 省金用量，現在幾乎都用輸送帶式直立進行之自動鍍鎳金設備，鎳液則是鎳含量 甚高而鍍層應力極低的氨基磺酸鎳(Nickel Sulfamate Ni(NH2SO3)2 ) c. 鍍金無固定的基本配方，除金鹽 (Potassium Gold Cyanide 金氰化鉀，簡稱 PGC ) 以外， 其餘各種成份都是專密的，目前不管酸性中性甚至鹼性鍍金所用的純金都 是來自純度很高的金鹽為純白色的結晶，不含結晶水，依結晶條件不同有大結晶及細小的結晶，前者在高濃度的 PGC 水溶液中緩慢而穩定自然形成的，後者是 快速冷卻並攪拌而得到的結晶，市場上多為後者.

d. 酸性鍍金(PH 3.5~5.0)是使用非溶解性陽極，最廣用的是鈦網上附著有白金，或鉭網 (Tantalam) 上附著白金層，後者較貴壽命也較長。

e. 自動前進溝槽式的自動鍍金是把陽極放在構槽的兩旁，由輸送帶推動板子行進於槽中央，其電流的接通是由黃銅電刷(在槽上方輸送帶兩側)接觸板子上方突出 槽外的線路所導入，只要板子進鍍槽就立即接通電流，各鍍槽與水洗槽間皆有緩衝室並用橡膠軟墊隔絕以降低drag in/out,故減少鈍化的發生，降低脫皮的可能。

f. 酸金的陰極效率並不好，即使全新鍍液也只有30-40% 而已，且因逐漸老化及污染而降低到15% 左右。 故酸金鍍液的攪拌是非常重要，

g. 在鍍金的過程中陰極上因效率降低而發生較多的氫氣使液中的氫離子減少，因而 PH值有漸漸上升的情形，此種現象在鈷系或鎳系或二者並用之酸金製程中都會發生。當 PH 值漸升高時鍍層中的鈷或鎳量會降低，會影響鍍層的硬度甚至疏孔度，故須每日測其PH 值。通常液中都有大量的緩衝導電鹽類，故 PH 值不會發生較大 的變化，除非常異常的情形發生。

h. 金屬污染 鉛:對鈷系酸金而言，鉛是造成鍍層疏孔 (pore)最直接的原因.(剝錫鉛製程要注意) 超出10ppm即有不良影響. 銅:是另一項容易帶入金槽的污染，到達100ppm時會造成鍍層應力破製，不過液中的銅會漸被鍍在金層中，只要消除了帶入來源銅的污染不會造成太大的害處。 鐵:鐵污染達50ppm時也會造成疏孔，也需要加以處理。 C.金手指之品質重點 a.厚度 b.硬度 c.疏孔度 (porosity) d.附著力 Adhesion

e.外觀:針點,凹陷,刮傷,燒焦等.13.2.2 噴錫HASL(Hot Air Solder Leveling) A 歷史

從1970年代中期HASL就己發展出來。早期製程,即所謂\"滾錫\"(Roll tinning)，板子輸送進表面沾有熔融態錫鉛之滾輪，而將一層薄的錫鉛轉移至板子銅表面。目前仍有低層次單面硬板，或單面軟板使用此種製程。接下來因有鍍通孔的發展及錫鉛平坦度問題，因此垂直將板子浸入熔解的熱錫爐中，再將多餘錫鉛以高壓空氣將之吹除。此製程逐漸改良成今日的噴錫製程，同時解決表面平整和孔塞的問題。但是垂直噴錫仍計多的缺點，例如受熱不平均Pad下緣有錫垂(Solder Sag)，銅溶出量太多等，因此，於1980年初期，水平噴錫被發展出來，其製程能力，較垂直噴錫好很多，有眾多的優點，如細線路可到15mil以下，錫鉛厚度均勻也較易控制，減少熱衝擊，減少銅溶出以及降低IMC層厚度。 Ｂ. 流程

不管是垂直、噴錫or水平噴錫，正確的製造流程一樣如下: 兩種噴錫機的示意圖見圖13.2與圖13.3

C. 貼金手指保護膠 此步驟目的在保護金手指以免滲錫,其選擇很重要,要能耐熱,貼緊,不沾膠.

47

PCB電路板簡介

D. 前清潔處理 前清潔處理主要的用意，在將銅表面的有機污染氧化物等去除，一般的處理方式如下 脫脂→清洗→微蝕→水洗→酸洗(中和)→水洗→熱風乾。

使用脫脂劑者，一般用酸性，且為浸泡方式而非噴灑方式，此程序依各廠前製程控制狀況為選擇性。微蝕則是關鍵步驟，若能控制微蝕深度在0.75~1.0μm(30~40μ in)，則可確保銅面之有機污染去除乾淨。至於是否須有後酸洗(中和)，則視使用微蝕劑種類，見表。

此微蝕最佳方式，是以水平噴灑的設備為之維持一定的微蝕速率，以及控制後面水洗，熱風吹乾間隔的時間，防止再氧化的情形出現；並和噴錫速度密切搭配，使生 產速率一致。

屬於前製程嚴重的問題，例如S/M殘留，或者顯影不淨問題，則再強的微蝕都 無法解決這個問題。 前清潔處理的好壞，有以下幾個因素的影響： －化學劑的種類

－活性劑的濃度（如氧化劑，酸） －微蝕劑的銅濃度 －溫度 －作用時間

槽液壽命，視銅濃度而定，所以為維持etch rate的穩定，可以分析銅濃度來控制添加新鮮的藥液。 E. 預熱

預熱段一般使用於水平噴錫，其功能有三，一為減少進入錫爐時熱衝擊，二是避免孔塞或孔小。三、接觸錫爐時較快形成IMC以利上錫。若能加進此程序，當然最 好，否則浸錫時間須增加，尤其是厚度大於1.6.mm的厚板，預熱方式有使用烤箱者，水平方式則大半用IR做預熱，in-line輸送以控制速度及溫度。以1.6mm厚 度而言，其預熱條件應維持表面溫度在144~174℃間。若板子是高層次，高縱橫比 (Aspect Ratio),以及內層為散熱層，則熱傳效果是非常重要的。有些公司的預熱放在 Coating flux之後，但根據實驗顯示如此會將flux中的活性成份破壞，而不利於吃錫。前述提到很多垂直噴灑式。不管用何種方式，均勻與完全的塗覆是最為主要的。

助焊劑的選擇，要考慮的因素非常的多。助焊劑要考量的是它的黏度與酸度（活 性），其適用範圍和產品的種類，製程以及設備有很大的關連。譬如，水平噴錫的 助焊劑黏度的選擇，就必須較垂直噴錫低很多。因水平噴錫之浸錫時間短，所以助 焊劑須以較快速度接觸板面與孔內。 除了這些以外，尚有以下的考慮： －與錫爐的抗氧化油是否相容 －是何不易清潔，而有殘留物

所以，為了易於清潔，大部份flux主成份為glycol，可溶於水.活化劑則使用如 HCl或HBr等酸。

最後，因設備的差異，flux的一些特質可能因使用的過程而有變化，如黏度以及揮發性成份。因此須考慮自動添加系統，除補充液之外，亦補充揮發性成份。 F上錫鉛

此段程序，是將板子完全浸入熔融態的錫爐中，液態Sn/Pb表面則覆蓋乙二醇類（glycol）的抗氧化油，此油須與助焊劑相容，此步驟最重要的是停留時間，以 及因在高溫錫爐中，如何克服板彎問題的產生。

板子和錫接觸的瞬間，銅表面即產生一薄層IMC Cu6Sn5，有助後續零件焊接。此IMC層在一般儲存環境下，厚度的成長有限，但若高溫下，則厚度增長快速， 反而會造成吃錫不良。垂直噴錫和水平噴錫極大的不同點，在於垂直噴錫從進入錫爐瞬間至離開錫爐瞬間的時間約是水平噴錫的二倍左右。整個PANEL受熱的時間 亦不均勻，而且水平噴錫板子有細小的滾輪壓住，讓板子維持同一平面。所以垂直噴錫一直有熱衝擊板子彎翹的問題存在。雖有些公司特別設計夾具，減少其彎翹的 情形，但產能卻也因此減少。 G. 整平

當板子完全覆蓋錫鉛後，接著經高壓熱風段將表面孔內多餘的錫鉛吹除，並且整平附著於PAD及孔壁的錫鉛。此熱氣的產生由空壓機產生的高壓空氣，經加溫 後，再通過風刀吹出. 其溫度一般維持在210~260℃。溫度太低，會讓仍是液狀的錫鉛表面白霧化及粗糙，溫度太高則浪費電力。空氣壓力的範圍，一般在12~30psi 之間，視下列幾個條件

48

PCB電路板簡介

來找出最佳壓力：1. 設備種類2. 板厚3. 孔縱橫比4風刀角度及距離（以板子做基準） 下列幾個變數，會影響整個錫鉛層厚度，平整度，甚至後續焊錫性的良窳。 1.風刀的結構 2.風刀口至板子的距離 3.風刀角度 4.空氣壓力大小 5.板子通過風刀的速度 6.外層線路密度及結構

其中，前五項都是可調整到最佳狀況，但是第六項則和製程設備的選擇或者後處理設備有極大的關係，例如垂直噴錫，在PAD下緣，或孔下半部會有錫垂造成 厚度不均及孔徑問題。 H. 後清潔處理

後清潔水洗目的，在將殘留的助焊劑或其由錫爐帶出之殘油類物質洗除，本步驟是噴錫最後一個程序，看似沒什麼，但若不用心建置，反而會功敗垂成，以下是 幾個要考慮的因素： 1.冷卻段及Holder的設計 2.化學洗

3.水洗水的水質、水溫及循環設計 4.各段的長度（接觸時間） 5.輕刷段

成功的後清潔製程的設計必須是板子清洗後： 1.板彎翹維持最小比率

2.離子污染必須小於最高標準（一般為6.5μg/cm2）

3.表面絕緣阻抗(SIR)必須達最低要求。（一般標準：3×10 9Ω－噴錫水洗後35℃， 85%RH，24小時後） 13.3 錫爐中各種金屬雜質的影響

噴錫品質的好壞，因素複雜，除上述之錫爐溫度高壓噴氣溫度以及浸錫時間外，另一個頗為重要的因素是污染的程度。溫度與時間的控制以各種方式做監控。但是 雜質的in-line監控卻是不可能的是，它是須要特殊的分析設備來做精確分析，如AA等，規模夠大，有自已的化驗室者，通常由化驗人員做定期分析；或者由提供錫鉛 的供應商定期取回分析。

決定錫爐壽命的主要兩個因素，一是銅污染，二是錫的濃度，當然其他的金屬污染若有異常現象，亦不可等閒視之。 A. 銅

銅污染是最主要的，且產生來源亦是清楚不過。銅表面在Soldering時，會產生一層IMC，那是因銅migrates至Solder中，形成種化學μ（Cu3Sn和Cu5Sn6），隨 著處理的面積增加，銅溶入Solder的濃度會增加，但它的飽和點，是0.36%（在243 ℃），當超過飽和點時，錫面就會呈現顆粒狀粗糙表面，這是因為IMC的密度低於 熔溶態錫鉛，它會nigrate到錫鉛表面，呈樹狀結晶，因此看起來粗糙，這種現像會有兩個問題，一是外觀，二是焊錫性。因PAD表面錫鉛內含銅濃度高，因此在 組配零件，會額外增加如Wave Solder或IR Reflow時的設定溫度，甚至根本無法吃錫。 B. 錫

錫和鉛合金的最低熔點183℃，其比例是63:37，因此其比例若因製作過程而有變化，極可能因差異太大，而造成裝配時的條件設定不良。一般，錫含量比例變化 在61.5~63.5%之間，尚不致有影響。若高於或低於此範圍，除了改變其熔點外，並因此改變其表面張力，伴隨的後果是助焊劑的功能被打折扣。助焊劑最大的作用在 清潔銅面並使達到較低的自由狀態。而且後續裝配時使用高速，低溫的焊錫應用亦會大受影響而使表現不如預期。 C. 金

金也是一個常見的金屬污染，若金手指板產量多時，更須注意控管。若Solder接觸金面，會形成另一IMC層－AuSn4。金溶入Solder的溶解度是銅的六倍對焊接點 有絕對的傷害。有金污染的solder畫面看似結霜，且易脆。要徹

49

PCB電路板簡介

底避免金的污染，可將金手指製程放在噴之後。一旦金污染超過限度只有換新一途。 D. 銻Antimony

銻對於焊錫和銅間的wetting亦有影響，其含量若超出0.5%，即對焊性產生不良影響。 E. 硫(Sulfur)

硫的污染會造成很嚴重的焊錫性問題，即使是百萬之幾的含量，而且它會和錫及鉛起化學反應。因此要儘所有可能防止它污染的可能性，包括進料的檢驗，製程中帶 入的可能。

F. 表13.1是一般可容許的雜質百分比，所訂的數字會比較嚴苛，這是因為個別的污染雖有較高的容忍度，但若同時有幾個不同污染體，則有可能即使僅有容忍上限 的. 1/2，但仍會造成製程的不良焊錫性變差。因此，製程管理者須謹慎從事。

SMOBC(Solder Mask Of Bare Copper)之噴錫製程完成後即進行成型步驟(十五) 十四 其他焊墊表面處理(OSP,化學鎳金,) 14.1 前言

錫鉛長期以來扮演著保護銅面,維持焊性的角色, 從熔錫板到噴錫板,數十年光陰至此,碰到 幾個無法克服的難題,非得用替代製程不可:

A. Pitch 太細造成架橋(bridging) B. 焊接面平坦要求日嚴

C. COB(chip on board)板大量設計使用

D. 環境污染 本章就兩種最常用製程OSP及化學鎳金介紹之 14.2 OSP

OSP是Organic Solderability Preservatives 的簡稱,中譯為有機保焊膜,又稱護銅劑,英文亦稱之Preflux,本章就以護銅劑稱之. 14.2.1

種類及流程介紹

A. BTA(苯駢三氯唑)：BENZOTRIAZOLE

BTA是白色帶淡黃無嗅之晶狀細粉，在酸鹼中都很安定，且不易發生氧化還原反應，能 與金屬形成安定化合物。ENTHON將之溶於甲醇與水溶液中出售，作銅面抗氧化劑(TARNISH AND OXIDE RESIST)，商品名為CU-55及CU-56，經CU-56處理之銅面可產生保護膜，防止裸銅迅速氧化。 操作流程如表。

B. AI(烷基咪唑) ALKYLIMIDAZOLE PREFLUX是早期以ALKYLIMIDAZOLE作為護銅劑而開始，由日本四國化學公司首先 開發之商品，於1985年申請專利，用於蝕刻阻劑(ETCHING RESIST)，但由於色呈透明檢 測不易，未大量使用。其後推出GLICOAT等，係由其衍生而來。 GLICOAT-SMD(E3)具以下特性： －與助焊劑相容，維持良好焊錫性 －可耐高熱銲錫流程 －防止銅面氧化 操作流程如表。

C. ABI (烷基苯咪唑) ALKYLBENZIMIDZOLE

由日本三和公司開發，品名為CUCOAT A ，為一種耐濕型護銅劑。 能與銅原子產生錯合物 (COMPLEX COMPOUND)，防止銅面氧化，與各類錫膏皆相容，對焊錫性有正面效果。 操作流程如表。

D. 目前市售相關產品有以下幾種代表廠家： 醋酸調整系統：

GLICOAT-SMD (E3) OR (F1)

50

PCB電路板簡介

WPF-106A (TAMURA) ENTEK 106A (ENTHON) MEC CL-5708 (MEC) MEC CL-5800(MEC) 甲酸調整系統：

SCHERCOAT CUCOAT A KESTER

大半藥液為使成長速率快而升溫操作，水因之蒸發快速，PH控制不易，當PH提高時會導致MIDAZOLE不溶而產生結晶，須將PH調回。一般採用醋酸(ACETIC ACID)或甲酸 (FORMIC ACID)調整。 14.2.2

有機保焊膜一般約0.4μm的厚度就可以達到多次熔焊的目的，雖然廉價及操作單純，但有以下缺點： A. OSP透明不易測量，目視亦難以檢查

B. 膜厚太高不利於低固含量,低活性免洗錫膏作業，有利於焊接之Cu6Sn5 IMC也不易形成 C. 多次組裝都必須在含氮環境下操作

D. 若有局部鍍金再作OSP，則可能在其操作槽液中所含的銅會沉積於金上，對某些產品會形成問題 E. OSP Rework必須特別小心 14.3 化學鎳金 14.3.1基本步驟

脫脂→水洗→中和→水洗→微蝕→水洗→預浸→鈀活化→吹氣攪拌水洗→無電鎳→熱水洗→ 無電金→回收水洗→後處理水洗→乾燥. 14.3.2無電鎳

A. 一般無電鎳分為\"置換式\"與\"自我催化\"式其配方極多，但不論何者仍以高溫鍍層品質較佳 B.一般常用的鎳鹽為氯化鎳(Nickel Chloride)

C.一般常用的還原劑有次磷酸鹽類(Hypophosphite)/甲醛(Formaldehyde)/聯氨 (Hydrazine)/硼氬化合物(Borohydride)/硼氫化合物(Amine Borane)

D.螯合劑以檸檬酸鹽(Citrate)最常見 E.槽液酸鹼度需調整控制，傳統使用氨水(Amonia)，也有配方使用三乙醇氨(Triethanol Amine)，除可調整PH及比氨水在高溫下穩定，同時具有與檸檬酸鈉結合共為鎳金屬螯合劑，使鎳可順利有效地沉積於鍍件上

F.選用次磷二氫鈉除了可降低污染問題，其所含的磷對鍍層品質也有極大影率 G.此為化學鎳槽的其中一種配方 配方特性分析:

a.PH值的影響：PH低於8會有混濁現像發生，PH高於10會有分解發生，對磷含量及沉 積速率及磷含量並無明顯影響

b.溫度的影響：溫度影響析出速率很大，低於70°C反應緩慢，高於95°C速率快而無 法控制.90°C最佳

c.組成濃度中檸檬酸鈉含量高，螯合劑濃度提高，沉積速率隨之下降，磷含量則隨螯合 劑濃度增加而升高，三乙醇氨系統磷含量甚至可高到15.5%上下

d.還原劑次磷酸二氫鈉濃度增加沉積速率隨之增加，但超過0.37M後槽液有分解現像， 因此其濃度不可過高，過高反而有害。磷含量則和還原劑間沒有明確關係，因此一般 濃度控制在O.1M左右較洽當

e.三乙醇氨濃度會影響鍍層的磷含量及沉積速率，其濃度增高磷含量降低沉積也變慢， 因此濃度保持約0.15M較佳。他除了可以調整酸鹼度也可作金屬螯合劑之用

f.由探討得知檸檬酸鈉濃度作通當調整可有效改變鍍層磷含量 H.一般還原劑大分為兩類:

次磷酸二氫鈉(NaH2PO2H2O, Sodium Hypophosphate)系列及硼氫化鈉(NaBH4，Sodium Borohydride)系列，硼氫化鈉價

51

PCB電路板簡介

貴因此市面上多以次磷酸二氫鈉為主 一般公認反應為: [H2PO2]- + H2Oa H+ +[HPO3]2- + 2H(Cat) -----------(1) Ni2+ + 2H(Cat)a Ni + 2H+---------------------------(2) [H2PO2]- + H(Cat)a H2O + OH- + P------------------(3) [H2PO2]- + H2Oa H+ + [HPO3]2- + H2-----------------(4)｝

銅面多呈非活化性表面為使其產生負電性以達到\"啟鍍\"之目的銅面採先長無電鈀的方式 反應中有磷共析故，4-12%含磷量為常見。故鎳量多時鍍層失去彈性磁性，脆性光澤增 加，有利防鏽不利打線及焊接 14.3.3無電金

A.無電金分為\"置換式鍍金\"與\"無電金\"前者就是所謂的\"浸鍍金\"(lmmersion Gold plating) 鍍層薄且底面鍍滿即停止。後者接受還原劑供應電子故可使鍍層繼續增厚無電鎳。

B.還原反應示性式為: 還原半反應: Au+ + e- + Au0 氧化半反應式: Reda Ox + e- 全反應式: Au+ + Red aAu0 + Ox. C.化學鍍金配方除提供黃金來源的錯合物及促成還原的還原劑，還必須併用螯合劑、安定劑、 緩衝劑及膨潤劑等才能發揮效用

D.化學金配方組成及功用：

E.部份研究報告顯示化學金效率及品質的改善，還原劑的選用是關鍵，早期的甲醛到近期的 硼氫化合物，其中以硼氫化鉀最普遍效果也佳，若與他種還原劑並用效果更理想。代表反應式如后： 還原半反應: Au(CN)-2 + e-a Au0 + 2CN-: 氧化半反應式: BH4- + H2O a BH3OH- + H2

BH3OH- + 30H- a BO2- + 3/2H2 + 2H20 +3e-

全反應式: BH3OH\"+3AU(CN)z\"+30H` -, BOz吐 + /2Hz+2H,0 +3Auo 6CN-

F.鍍層之沉積速率隨氫氧化鉀及還原劑濃度和槽溫提高而提升，但隨氰化鉀濃度增加而降低 G.已商業化的製程操作溫度多為9O℃左右，對材料安定性是一大考驗

H.細線路底材上若發生橫向成長可能產生短路的危險 I.薄金易有疏孔易形成Galvanic Cell Corrosion K.薄金層疏孔問題可經由含磷後處理鈍化方式解決 14.3.4製程重點：

A.鹼性脫脂： 為防止鈀沉積時向橫向擴散，初期使用檸檬酸系清潔劑。後因綠漆有疏水性，且鹼性清潔 劑效果又較佳，同時為防止酸性清潔劑可能造成的銅面鈍化，故採磷酸鹽系直鍊非離子性 清潔劑，以容易清洗為訴求。 B.微蝕: 其目的在去除氧化獲得新鮮銅面，同時達到絕對粗度約0.5-1.0μm之銅面，使得鍍鎳金後 仍能獲得相當粗度，此結果有助打線時之拉力。配槽以SPS 150g/l加少量鹽酸，以保持氯 離子約2OOppm 為原則，以提高蝕刻效率。 C.銅面活化處理 鈀約3ppm,操作約40℃, 一分鐘，由於氯化鈀對銅面鈍化比硫化鈀為快，為得較好的鎳結 合力自然是硫化鈀較適當。由於鈀作用同時會有少量Cu+會產生，它可能還原成Cu也可能 氧化成Cu++，若成為銅原子則沉積會影響鈀還原。為使鈀還原順利須有吹氣攪拌，風量約 為0./~O.15M3/M2*min以上，促使亞銅離子氧化並釋出電子以還原鈀，完成無電鎳沉積的動作。

D.活化後水洗: 為防止鎳層擴散,清除線路間之殘鈀至為重要，除強烈水洗也有人用稀鹽酸浸漬以轉化死角 的硫化鈀防止鎳擴散。為促進鎳還原，熱水預浸將有助於成長及均勻性，其想法在提高活 性使大小面積及高低電壓差皆因提高活性而使差異變小以達到均一的目的。

E.無電鎳: 操作溫度85±5℃ ,PH4.5~4.8，鎳濃度約為4.9~5.1 g/l間，槽中應保持鎳濃度低於5.5 ，否則有氫氧化沉澱的可能，若低於4.5g/l則鍍速會減慢，正常析出應以15μm/Hr,Bath loading則應保持約0.5~1.5)dM2/l，鍍液以5 g/l為標準鎳量經過5個Turn即必須更槽 否則析出鎳品質會變差。鎳槽可以316不銹鋼製作，槽體事先以50%硝酸鈍化，並以槽壁 外加電解陽極以防止鎳沉積，陰極可接於攪拌葉通以0.2~0.4 A/M2(0.018~0.037 ASF)低 電流，但須注意不能在槳葉區產生氣泡否則代表電流太強或鎳鍍層太厚必須燒槽。建浴操 作應維持在PH=5~4.7間，可用NaOH或H2S04調整，PH低於4.8會出現混濁，槽液老化PH 操作範圍也會逐漸提高才能維持正常析出速度。因線路底部為死角，易留置反應後所留的 殘鹼 ，因此對綠漆可能產生不利影響， 必須以加強攪拌及震動使殘鹼及氣泡去除。

52

PCB電路板簡介

F.無電鎳磷含量: 一般無電鎳多以\"次磷酸二氫鈉\"為還原劑，故鍍層會含有一定量的磷約4~6%，且部份呈結 晶狀。苦含量在6~8% 中含量則多數呈非結晶狀，當高達12%的以上則幾乎全呈非結晶組織。 就打線而言，中磷含量及硬度在500~600HV最佳，焊錫性也以9%最好。一般在添加四回後 析出磷含量就會達到10%應考慮換槽，打線用厚度應在130μ以上。 G.無電金:

以檸檬酸為錯合劑的化學金槽，含金 5g/l，槽體以PP為材質。PH=5.1~5.3時可與銅作用，PH=4.5~4.8時可與鎳作用實行鍍金，PH可以檸檬酸調整之。一般操作溫度在85℃，厚度幾乎會停止在2.5μ\"左右，大約五分鐘就可達到此厚度，高的溫度固然可加快成長但因結晶粗反而防蝕能力較差。由於大半採置換反應，因此會有不少的鎳溶入液中，良好的管理最好不要讓鎳濃度超過2OOppm ，到40Oppm時金屬外觀及附著力都變差，藥水甚至變綠變黑，此時必須更槽。金槽對銅離子極敏感，2Oppm以上析出就會減緩，同時會導致應力增大。鍍鎳後也不宜久置，以免因鈍化而無法析鍍，故鎳後水洗完應儘速進入金槽，有時為了特定狀況則作10%檸檬酸浸泡再進入金槽也能改善一些結合力。經鍍金後的鍍面仍難免有部份疏孔，此鍍件經水洗後仍應經一道封孔處理，如此可使底層鎳經有機磷的處理增加其耐蝕性。 14.4 結語

A. OSP製程成本最低,操作簡便,通常終檢電測完,包裝前作業之.但此製程因須裝配廠修改設備 及製程條件且重工性較差因此普及度仍不佳有待雙方努力.

B. 化鎳金製程則因成本極高,會鎖定某些領域的板子如COB,IC Substrate等,不會普及化.

C. 目前也有其它較低成本而仍有化鎳金功能之產品如Pd/Ni,Sn, Organic Silver等,以後陸續會再做探討. 十五 成型(Outline Contour) 15.1製程目的

為了讓板子符合客戶所要求的規格尺寸，必須將外圍沒有用的邊框去除之。若此板子是Panel出貨（連片），往往須再進行一道程序，也就是所謂的V-cut，讓客戶在Assembly前或後，可輕易的將Panel 折斷成Pieces。又若PCB是有金手指之規定，為使容易插入，connector的槽溝，因此須有切斜邊（Beveling）的步驟。 15.2 製造流程

外型成型(Punching or Routing)→V-cutaBeveling ( 倒角 )→清洗 15.2.1外型成型

外型成型的方式從PCB演變大致有以下幾個方式： 15.2.1.1 Template模板

最早期以手焊零件，板子的尺寸只要在客戶組裝之產品可容納得下的範圍即可，對尺寸的容差要求較不嚴苛，甚至板內孔至成型邊尺寸亦不在意，因此很多用裁剪的方式，單片出貨。

再往後演變，尺寸要求較嚴苛，則打樣時，將板子套在事先按客戶要求尺寸做好的模板(Template)上，再以手動銑床，沿Template外型旋切而得。若是大量，則須委外製作模具(Die)以沖床沖型之。這些都是早期單面或簡單雙面板通常使用的成型方式。 15.2.1.2 沖型

沖型的方式對於大量生產，較不CARE板邊粗糙度以及板屑造成的影響時，可考慮使 用沖型，生產成本 較routing為低，流桯如下:

模具設計→模具發包製作→試沖→First Article量測尺寸→量產。 a. 模具製作前的設計非常重要，它要考慮的因素很多，例舉如下： (1) PCB的板材為何，(例如FR4，CEM，FRI)等 (2) 是否有沖孔

(3) Guide hole (Aligned hole)的選擇 (4) Aligned Pin的直徑選擇 (5) 沖床噸數的選擇 (6) 沖床種類的選擇

53

PCB電路板簡介

(7) 尺寸容差的要求 b. 模具材質以及耐用程度

目前國內製作模具的廠商水準不錯，但是材料的選用及熱處理加工，以及可沖次數，尺寸容差等，和日本比較，尚遜一籌，當然價格上的差異，亦是相當的大。 15.2.1.3 切外型

因為板子層次技術的提昇，以及裝配方法的改變，再加上模具沖型的一些限制, 例如模具的高價以及修改的彈性不佳，且精密度較差，因此CNC Routing的應用愈來愈普遍。 A. 除了切外型外，它也有幾個應用： a. 板內的挖空(Blank) b. 開槽slots c. 板邊須部份電鍍。 B. 作業流程：

CNC Routing程式製作→試切→尺寸檢查(First Article)→生產→清潔水洗→吹乾→烘乾 a. 程式製作

目前很多CAD/CAM軟體並沒Support直接產生CNC Routing程式的功能，所以大部份仍須按DRAWING上的尺寸圖直接寫程式。注意事項如下：

(1) 銑刀直徑大小的選擇，須研究清楚尺寸圖的規格，包括SLOT的寬度，圓弧直徑的要求(尤其在轉角)，另外須考慮板厚及STACK的厚度。一般標準是使用1/8 in直徑的Routing Bits。 (2) 程式路徑是以銑刀中心點為準，因此須將銑刀半徑offset考慮進去.

(3). 考慮多片排版出貨，客戶折斷容易，在程式設計時，有如下不同的處理方式，見圖15.1 (4). 若有板邊部份須電鍍的規格，則在PTH前就先行做出Slot，見圖15.2 (5) Routing Bit在作業時，會有偏斜(deflect)產生，因此這個補償值也應算入 b. 銑刀的動作原理

一般銑刀的轉速設定在6,000~36,000轉/分鐘。由上向下看其動作，應該是順時鐘轉的動作，除在板子側面產生切削的作用外，還出現一種將板子向下壓迫的力量。若設計成反時針的轉向，則會發生向上拉起的力量，將不利於切外形的整個製程。 1 銑刀的構造

圖15.3 是銑刀的橫切面以及各重點構造的介紹. Relief Angle浮離角：減少與基材的摩擦而減少發熱. Rake Angle(摳角):讓chip(廢屑)切斷摳起，其角度愈大時，使用的力量較小，反之則較大。Tooth Angle(Wedge Angle)楔尖角：這是routing bit齒的楔形形狀，其設計上要考慮銳利及堅固耐用。 2. 偏斜 ( deflect )

在切外型的過程中，會有偏斜的情形，若是偏斜過多將影響精準程度，因此必須減少偏斜值。在程式完成初次試切時，必須量出偏斜的大小，再做補償, 待合乎尺寸規格後，再大量生產. 影響偏斜的因素大致有如下幾個： －板子厚度 －板材質 －切的方向

－轉速 根據這些因素，下面探討如何減少偏斜，以降低其造成的偏差。 －銑刀必須標準化，如直徑、齒型等 －針對不同板材選擇適用的銑刀

－根據不同的材質，找出不同的轉速及切速，如FR4材質可以24,000轉/分鐘；至於切速一般而言速度愈 快，偏斜值愈大；反之愈小。

－若有必要，可設定兩次同樣的路徑，將因偏斜而較大尺寸的部份銑除。

54

PCB電路板簡介

－銑刀進行的路徑遵守一個原則：切板外緣時，順時針方向，切板內孔或小片間之槽溝時，以逆時針方 向進行，見圖15.4 的解說。 C. 輔助工具

NC ROUTING設備評估好壞，輔助工具部份的重要所佔比例非常高。輔助工具的定義是如何讓板子正確的定位，有效率的上、下板子，以及其排屑渣的功能，圖15.5(a.b)是一輔助工具說明。

1機械檯面(Machine Plate)必須讓工作面板對位PIN固定於其上，尺寸通常為1/4 in左右

2.工作面板(Tooling Plate)通常比機械檯面稍小，其用途為bushings並且在每支SPINDLE的中心線下有槽構(Slot) 3.Sub-plates：材質為Benelax或亞麻布及酚醛樹脂做成的，其表面須將待切板子的形狀事先切出，如此可以在正式切板時，板屑(chips)可以由此排掉同時其上也必須做出板子固定的PIN孔。其孔徑一般為1/8 in。每次生產一個料號時，先將holding-pins緊密的固定於pin 孔(ping孔最好選擇於成型內)，然後再每片板套上(每個piece 2到3個pin孔)，每STACK1~3片，視要求的尺寸容差，PIN孔的位置，應該在做成型程式時，一起計算進去，以減少誤差。 D.作業小技巧

因為外型尺寸要求精度，依不同P/N或客戶而有所不同，就如不同P/N，會設定不同定位孔一樣，因此有幾種切型及固定方法可以應用。不管何種方法，最小單一piece(分離的)最小尺寸必須0.15 in以上。(用一般1/8in Router) 1.無內Pin孔的方法：若無法找出成型內Pin孔時，可依圖15.6 方式作業a.先切單piece 三邊。b.再以不殘膠 膠布如圖貼住已切之所有piece所剩另一邊就可切除，TAPE拉起 時，也道將單Piece取出。此法之特徵 ： 準確度：±0.005in

速度：慢（最好用在極小piece且需切開的板子) 每個STACK：每STACK僅置１panel

2.單一Pin方法：見圖15.7所指示，且須依序切之，此法的特徵 準確度：±0.005in 速度：快

每個STACK：每STACK可多片置放

3.雙pins方法：見圖15.8 ，此法準確度最高，且須銑兩次，第一次依一般標準速度， 因有偏斜產生， 因此須切第二次，但第二次速度加快至200in/min。其特徵： 準確度：±0.002in

速度：快（上、下板因pin較緊，速度稍慢於單pin） 每個STACK：多片 15.2 V-cut（Scoring ,V-Grooving）

V-cut一種須要直、長、快速的切型方法，且須是已做出方型外型（以routing或punching）才可進此作業。見圖15.9。時常在單piece有複雜外型時用之。 15.2.1相關規格

A. V-Groove角度，見圖15.10 ，一般限定在30°~90°間，以避免切到板內線路或太接近之。

B. V-cut設備本身的機械公差，尺寸不準度約在±0.003in,深度不準度約在±0.006in。因此，公司的業務,品 管人員與客戶討論或製訂相關的製程能力或規格，應該視廠內的設備能力。勿訂出做不到的規格。

C.不同材質與板厚，有不同的規格，以FR4來說，0.060in厚則web厚約為0.014in。當然深度是上、下要均等 否則容易有彎翹發生。CEM-3板材0.060in厚，約留web 0.024in；CEM-1則留web 0.040in，這是因含紙質 ，較易折斷。 D.至於多厚或多薄的板子可以過此製程，除了和設備能力有關外，太薄的板子，走此流程並無意義（通常 0.030in以下厚度就不做V-cut設計）。有些客戶對成型板邊粗糙度不要求，PCB廠也有於切或沖PANEL後 ，設計V-cut製程，切深一些，再直接折斷成piece出貨。

E. V-cut深度控制非常重要, 所以板子的平坦度及機台的平行度非常重要.有專用IPQC量測深度之量規可供使 用. 15.2.2設備種類

A. 手動：一般以板邊做基準，由皮帶輸送，切刀可以做X軸尺寸調整與上、下深度的調整。

55

PCB電路板簡介

B. 自動CNC：此種設備可以板邊或定位孔固定，經CNC程式控制所要V-cut板子的座標，並可做跳刀(Jump scoring)處理，深度亦可自動調整，同一片板子可處理不同深度。其產出速度非常快。 15.3金手指斜邊(Beveling)

PCB須要金手指( Edge connectors )設計，表示為Card類板子，它在裝配時，必須插入插槽，為使插入順利，因此須做斜邊，其設備有手動、半自動、自動三種。幾個重點規格須注意，見圖15.11 ，一般客戶DRAWING會標清楚。 A. θ°角一般為30°、45°、60°

B. Web寬度一般視板厚而定，若以板厚0.060in，則web約在0.020in C. H、D可由公式推算，或客戶會在Drawing中寫清楚。 15.4清洗

經過機械成型加工後板面,孔內及V-cut,slot槽內會許多板屑,一定要將之清除乾淨.一般清洗設備的流程如下: loading→高壓沖洗→輕刷→水洗→吹乾→烘乾→冷卻→unloading 15.4.1注意事項

A. 此道水洗步驟若是出貨前最後一次清洗則須將離子殘留考慮進去. B. 因已V-cut須注意輕刷條件及輸送. C. 小板輸送結構設計須特別注意. 15.5 品質要求

由於尺寸公差要求越趨嚴苛因此First Article 要確實量測,設備的維護更要做到隨時保持容許公差之內.接下來之製程為電測與外觀檢驗. 十六 電測 16.1 前言

在PCB的製造過程中，有三個階段，必須做測試 1.內層蝕刻後 2.外層線路蝕刻後 3.成品

隨著線路密度及層次的演進，從簡單的測試治具，到今日的泛用治具測試 及導電材料輔助測試，為的就是及早發現線路功能缺陷的板子，除了可 rework，並可分析探討，做為製程管理改善，而最終就是提高良率降低成本。 16.2 為何要測試

並非所有製程中的板子都是好的，若未將不良板區分出來，任其流入下 製程，則勢必增加許多不必要的成本. 縱觀PCB製造史，可以發現良率一 直在提高。製程控制的改善, 報廢的降低，以及改善品質的ISSURE持續 進行著，因此才會逐次的提高良率。

A. 在電子產品的生產過程中，對於因失敗而造成成本的損失估計，各階段都不同。愈早發現挽救的成本愈低。圖16.1是一普遍被接受的預估因PCB在 不同階段被發現不良時的補救成本，稱之為\"The Rule of 10'S\" 舉一簡單的例子，空板製作完成，因斷路在測試時因故未測出，則板 子出貨至客戶組裝，所有零件都已裝上，也過爐鍚及IR重熔，卻在測試時 發現。一般客戶會讓空板製造公司賠償零件損壞費用、重工費、檢驗費。 但若於空板測試就發現，則做個補線即可，或頂多報廢板子。設若更不幸 裝配後的測試未發現，而讓整部電腦，話機、汽車都組裝成品再做測試才 發現，損失更慘重，有可能連客戶都會失去。

B. 客戶要求 百分之百的電性測試，幾乎己是所有客戶都會要求的進貨規格。但是PCB 製造商與客戶必須就測試條件與測試方法達成一致的規格. 下列是幾個兩 方面須清楚寫下的 1.測試資料來源與格式

2.測試條件如電壓、電流、絕緣及連通性 3.治具製作方式與選點 4.測試章 5.修補規格

56

PCB電路板簡介

C. 製程監控 在PCB的製造過程中，通常會有2~3次的100%測試, 再將不良板做重工， 因此，測試站是一個最佳的分析製程問題點的資料搜集的地方。經由統計 斷，短路及其他絕緣問題的百分比，重工後再分析發生的原因, 整理這些 數據，再利用品管手法來找出問題的根源而據以解決。通常由這些數據的 分析，可以歸納下面幾個種類，而有不同的解決方式。

1. 可歸納成某特定製程的問題，譬如連底材料都凹陷的斷路，可能是壓板 環境不潔(含鋼板上殘膠)造成；局部小面積範圍的細線或斷路比例高， 則有可能是乾膜曝光抬面吸真空局部不良的問題。諸如此類，由品管或 製程工程師做經驗上的判斷，就可解決某些製程操作上的問題。

2. 可歸成某些特別料號的問題，這些問題往往是因客戶的規格和廠內製程 能力上的某些衝突，或者是資料上的某些不合理的地方，因而會特別 突出這個料號製造上的不良。通常這些問題的呈現，須經歷一段的時 間及一些數量以上，經由測試顯現出它的問題，再針對此獨立料號加 以改進，甚至更改不同的製程。

3. 不特定屬於作業疏忽或製程能力造成的不良，這些問題就比較困難去做 歸納分析。而必須從成本和獲利間差異來考量因為有可能須添購設備 或另做工治具來改善。

D. 品質管制 測試資料的分析，可做品管系統設計的參數或改變的依據, 以不斷的提昇 品質, 提高製程能力, 降低成本.

16.3測試不良種類 A. 短路

定義：原設計上，兩條不通的導體，發生不應該的通電情形。 見圖16.2 B. 斷路

定義：原設計，同一迴路的任何二點應該通電的，卻發生了斷電的情形。 見圖16.3 (a,b)

C. 漏電(Leakage) 不同迴路的導體，在一高抗的通路測試下，發生某種程度的連通情形，屬於短路的一種。其發生原因，可能為離子污染及濕氣。 16.4電測種類與設備及其選擇

電測方式常見有三種：1.專用型(dedicated) 2.汎用型(universal) 3.飛針型 (moving probe), 下面會逐一介紹。決定何種型式，要考慮下列因素：1.待 測數量2.不同料號數量3.版別變更類頻繁度4.技術難易度 5.成本考量。 圖16.4是數量的多寡，測試種類及成本的關係 圖16.5則是製程技術須求與測試方式種類的關係。 另外有一些特殊測試方式, 也會簡述一二.

A. 專用型(dedicated)測試 專用型的測試方式之所以取為專用型，是因其所使用的治具 (Fixture) 僅適 用一種料號，不同料號的板子就不能測試，而且也不能回收使用. (測試針 除外) a. 適用

1.測試點數，單面10,240點，雙面各8,192點以內都可以測

2測試密度，0.020\" pitch以上都可測,雖然探針的製作愈來愈細, 0.020\" pitch以下也可測,但一成本極高,且測試穩定度較差,這些都會影響使用何種測試方式的決定.

b. 設備 其價位是最便宜的一種，隨測試點數的多寡價格有所不同，從台幣40到200 萬不到。若再須求自動上、下板及分類良品，不良品的功能， 則價格更高。

c. 治具製作 治具製作使用的資料，是由CAD或Gerber的netlist所產生，所以選點、 編號、壓克力測試針盤用的鑽孔帶(含SMT各焊墊自動打帶)以及測試程式 等都由電腦來加以處理。

1 製作程序: 選點→壓克力(電木板)鑽孔→壓針套→繞線→插針→套FR4板。

2 針的種類及選擇 現有針號2,1,0,00,….一直到6個0都有,pitch愈小須愈多0的針. 圖16.6是各類型探針及適用方式. d. 測試

找出標準板→記憶資料→開始測試

57

PCB電路板簡介

e. 找點、修補 找點方式有兩種

1是手製點位圖，用透明Mylar做出和板大小一樣的測試各點位置及編 號，並按順序以線連接。

2利用標點機及工作站，在螢幕上，顯示問題之線，即可立即對照板而 找正確的位置 標示出正確位置後即進行確認修補，而後再進行重測，確認的過程中， 通常會以三用電錶做工具來判斷。 f. 優,缺點 優點:

1Running cost低 2.產速快 缺點: 1治具貴 2.set up慢 3.技術受限 B. 汎用型(Universal on Grid)測試

a. Universal Grid觀念早於1970年代就被介紹,其基本理論是PCB線路Lay-out以Grid(格子)來設計, Grid之間距為0.100\見圖16.7或者以密度觀點來看,是100points/in2,爾後沿用此一觀念,線路密度,就以Grid的距離稱之. 板子電測方式就是取一G10的基材做Mask,鑽滿on grid的孔,只有在板子須測試的點才插針,其餘不插.因此其治具的製作簡易快速,其針且可重複使用

b. On-grid test 若板子之lay-out,其孔或pad皆on-grid,不管是0.100\或0.050\"其測試就叫on-grid測試,問題不大.見圖16.8

c. Off-grid test 現有高密度板其間距太密,已不是on-grid設計,屬Off-grid測試,見圖16.9 其fixture就要特殊設計. d. 先進的測試確認與修補都由技術人員在CAM Workstation上執行.由key- board或mouse來移動x,y座標,多層板各層次之線路以不同顏色重疊顯示 在螢幕上,因此找點確認非常簡易. e. 優,缺點 優點:

1.治具成本較低

2.set-up時間短,樣品,小量產適合. 3.可測較高密度板 缺點:

1設備成本高 2.較不適合大量產 C. 飛針測試(Moving probe)

a. 不須製作昂貴的治具,其理論很簡單僅須兩根探針做x,y,z的移動來逐一測試各線路的兩端點 b.有ccd配置,可矯正板彎翹的接觸不良. c.測速約10~40點/秒不等. d.優,缺點

優點:1極高密度板如MCM的測試皆無問題 2.不須治具,所以最適合樣品及小量產. 缺點:1設備昂貴 2.產速極慢 D. 其他測試方式 a. 非接觸式E-Bean b.導電布,膠 c.電容式測試

d.最近發表的刷測(ATG-SCAN MAN)

58

PCB電路板簡介

十七、終檢 17.1 前言

PCB製作至此，將進行最後的品質檢驗，檢驗內容可分以下幾個項目： A. 電性測試 B. 尺寸 C. 外觀 D. 信賴性

A項之電測，己在十六章介紹，本章將針對後三項LIST一般檢驗的項目，另外也列出國際間慣用的相關PCB製造的規範，供大家參考。 17.2.1尺寸的檢查項目(Dimension) 1.外形尺寸 Outline Dimension 2.各尺寸與板邊 Hole to Edge 3.板厚 Board Thickness 4.孔徑 Holes Diameter 5.線寬 Line width/space 6.孔環大小 Annular Ring 7.板彎翹 Bow and Twist 8.各鍍層厚度 Plating Thickness 17.1.2外觀檢查項目(Surface Inspection) 一、基材(Base Material) 1.白點 Measling 2.白斑 Crazing

3.局部分層或起泡 Blistering 4.分層 Delamination 5.織紋顯露 Weave Exposure 6.玻璃維纖突出 Fiber Exposure 7.白邊 Haloing 二、表面

1.導體針孔 Pin hole 2.孔破 Void 3.孔塞 Hole Plug 4.露銅 Copper Exposure 5.異物 Foreign particle 6.S/M 沾PAD S/M on Pad 7.多孔/少孔 Extra/Missing Hole 8.金手指缺點 Gold Finger Defect 9.線邊粗糙 Roughness 10.S/M刮傷 S/M Scratch 11.S/M剝離 S/M Peeling 12.文字缺點 Legend(Markings) 17.2.3信賴性(Reliability) 1.焊錫性 Solderability 2.線路抗撕強度 Peel strength

59

PCB電路板簡介

3.切片 Micro Section 4.S/M附著力 S/M Adhesion 5.Gold附著力 Gold Adhesion 6.熱衝擊 Thermal Shock

7.離子汙染度 Ionic Contamination

8.濕氣與絕緣 Moisture and Insulation Resistance 9.阻抗 Impedance

上述項目僅列舉重點，仍須視客戶的規格要求以及廠內之管制項目來逐項進行全檢或抽檢。白蓉生先生99年微切片手冊有非常精彩的內容，值得大家去參閱。 17.3相關規範 A. IPC規範 編號 內容

IPC-A-600 PCB之允收規格 IPC-6012 硬皮資格認可與性能檢驗 IPC-4101 硬板基材規範 IPC-D-275 硬板設計準則 IPC-MF-150 銅箔相關規格 I-STD-003A PCB焊性測試

IPC/JPCA-6202 單、雙面FPCB性能規範 IPC-TM-650 各種測試方法 IPC-SM-840 S/M相關規範

IPC-2315 HDI及Microvias設計準則 B. Military規範 編號 內容

MIL-P-55110 硬板規範

MIL-P-50884 軟板及軟硬板規範 MIL-P-13949 基材規範 MIL-STD-105 抽樣檢查規範 C. 其它

UL 796 PCB安規 結語：

品檢往往是PCB廠最耗人力的製程，雖然它是屬品管一部份，所以若能從製前設計就多考量製程的能力，而予以修正各種條件，可將良率提升，則此站的人力成本可降低。因為現有檢驗設備仍有無法取代人工之處。 未來，本公司將會針對品檢方面提供一圖、文、問題與解決內容的互動訓練光碟,供業界使用. 十八 包裝(Packaging) 18.1 製程目地

\"包裝\"此道步驟在PCB廠中受重視程度，通常都不及製程中的各STEP，主要原因，一方面當然是因為它沒有產生附加價值，二方面是台灣製造業長久以來，不注重產品的包裝所可帶來的無法評量的效益，這方面日本做得最好。細心觀察日本一些家用電子，日用品，甚至食品等，同樣的功能，都會讓人寧願多花些錢買日本貨，這和崇洋媚日無關，而是消費者心態的掌握。所以特別將包裝獨立出來探討，以讓PCB業者知道小小的改善，可能會有大大的成效出現。再如Flexible PCB通常都是小小一片，且數量極多，日本公司包裝方式，可能為了某個產品之形狀而特別開模做包裝容器，（見圖18.1），使用方便又有保護之用。 18.2早期包裝的探討

60

PCB電路板簡介

早期的包裝方式，見表過時的出貨包裝方式，詳列其缺失。目前仍然有一些小廠是依這些方法來包裝。 今日，國內PCB產能擴充極速，且大部份是外銷，因此在競爭上非常激烈，不僅國內各廠間的競爭，更要和前兩大的美、日PCB廠競爭，除了產品本身的技術層次和品質受客戶肯定外，包裝的品質更須要做到客戶滿意才可。 幾乎有點規模的電子廠，現在都會要求PCB製造廠出貨的包裝，必須注意下列事項，有些甚至直接給予出貨包裝的規範。

1.必須真空包裝

2.每疊之板數依尺寸太小有限定

3.每疊PE膠膜被覆緊密度的規格以及留邊寬度的規定 4.PE膠膜與氣泡布(Air Bubble Sheet)的規格要求 5.紙箱磅數規格以及其它

6.紙箱內側置板子前有否特別規定放緩衝物 7.封箱後耐率規格 8.每箱重量限定

目前國內的真空密著包裝(Vacuum Skin Packaging)大同小異，主要的不同點僅是有效工作面積以及自動化程度。 18.2真空密著包著(Vacuum Skin Packaging)見 18.2.1操作程序

A. 準備：將PE膠膜就定位，手動操作各機械動作是否正常，設定PE膜加熱溫度，吸真空時間等。

B. 堆疊板：當疊板片數固定後，其高度也固定，此時須考慮如何堆放，可使產出最大，也最省材料，以下是幾個原則：

a.每疊板子間距，視PE膜之規格(厚度)、(標準為0.2m/m)，利用其加溫變軟拉長的原理，在吸真空的同時，被覆板子後和氣泡布黏貼。其間距一般至少要每疊總板厚的兩倍。太大則浪費材料；太小則切割較困難且極易於黏貼處脫落或者根本無法黏貼。

b.最外側之板與邊緣之距亦至少須一倍的板厚距離。見圖18.3的示意圖。

c.若是PANEL尺寸不大，按上述包裝方式，將浪費材料與人力。若數量極大，亦可類似軟板的包裝方式開模做容器，再做PE膜收縮包裝。另有一個方式，但須徵求客戶同意，在每疊板子間不留空隙，但以硬紙板隔開，取恰當的疊數(見圖18.4)。底下亦有硬紙皮或瓦楞紙承接。

C. 啟動：A.按啟動，加溫後的PE膜，由壓框帶領下降而罩住檯面B.再由底部真空pump吸氣而緊貼電路板，並和氣泡布黏貼。C.待加熱器移開使之冷卻後升起外框D.切斷PE膜後，拉開底盤，即可每疊切割分開(見圖18.5之連續圖示)

D. 裝箱：裝箱的方式，若客戶指定，則必須依客戶裝箱規範；若客戶未指定，亦須以保護板子運送過程不為外力損傷的原則訂立廠內的裝箱規範，注意事項，前面曾提及尤其是出口的產品的裝箱更是須特別重視。 E. 其它注意事項：

a. 箱外必須書寫的資訊，如\"口麥頭\"、料號(P/N)、版別、週期、數量、重要等資訊。以及Made in Taiwan(若是出口)字樣。

b. 檢附相關之品質證明，如切片，焊性報告、測試記錄，以及各種客戶要求的一些賴測試報告，依客戶指定的方式，放置其中。 包裝不是門大學問,用心去做,當可省去很多不該發生的麻煩. 十九、未來趨勢(Trend) 19.1前言.

印刷電路板的設計，製造技術以及基材上的變革，弓受到電子產品設計面的變化影響外，近年來，更大的一個推動力就是半導體以及封裝技術發展快速，以下就這兩個產業發展影響PCB產業趨勢做一關連性的探討。

19.2電子產品的發展朝向輕薄短小，高功能化、高密度化、高可靠性、低成本化的潮流、最典型的發展就是個人電腦的演變，通訊技術的革新，見圖19.1及19.2，為了配合電子產品的革新，電子元件也有了極大的變革，高腳數、小型化SMD化及複雜化是面對的演進壓力。

61

PCB電路板簡介

19.3對半導體而言，尺寸的細密化與功能的多元化促使半導體需求的接點隨之升高。而近來資訊的多媒體化，尤其是高品質影像的傳輸需求日益增加，如何在有限的空間下放入更多的功能元件，成為半導體構裝的最迫切需求。以往由於電子產品單價高，需求相對也不是非常快，使用壽命，則要求較長，應用領域也較受限制。相對於今天電子產品個人化、機動化、全民化、消耗品、高速化，以往訂定的標準己不符實際需要。尤其以往簡單半導體產品多用導線架封裝，較複雜的產品則採用陶磁或金屬真空包裝，在整體成本及電性上尚能滿足早期需求。今為了低單價，高傳輸速率、高腳數化需求，整體封裝產業型態隨之改觀。圖19.3是I.C PACKAGING的演變以及圖19.4(a.b.c.d.e)示意圖。 19.4對印刷電路板的影響

早期電路板只被定位母板及介面卡的載板的格局勢必為因應電子產品的轉變，而需作調整，並賦予一個全新的觀念\"電路板是輔助電子產品發揮功能的重要組件；電路板是一種構裝，是一種促使各構裝元件有效連結的構裝\"。 電路板的型態極多，舉凡能建承載電子元件的配置電路都可稱為電路板。一般的定義，是以Rigid PCB及Flexible-PCB兩種為主。由於電子零件的多元化、元件的連結方式分野愈加模糊。隨之而來的是電路板的角色變得分界不清，例如內引腳之BONDING三種方法(圖19.5)，就是一種電路板與半導體直接連接的方式。再如MCM (Multichip Module)，是多晶片裝在一小片電路板或封裝基板上的一種組合結構。界限的模糊化促使電路板家族多了許多不同的產品可能性，因除發揮電路板的功能外，同時也達到如下的構裝基本目的。 1.傳導電能(Power distribution) 2.傳導訊號(Signal connection) 3.散熱(Heat dissipation) 4.元件保護(Protection) 見圖19.6

電路板在高密度化後，由於信號加速電力密集也將與構裝一併考量，因此整體電路板與構裝的相關性愈來愈高。 19.5印刷電路板技術發展趨勢

從兩方面探討現在及未來PCB製程技術的發方向 19.5.1朝高密度，細線，薄形化發展 然而高密度的定義為何，見表

本表是國內正在努力的目標, 甚至超越了IPC尖端板的定義 Build-UP是解決此類艱難板子一個很好的方式，圖19.7描述了Build-UP製程的應用與選擇。 19.4.2封裝載板的應用

傳統QFP封裝方式，在超過208腳以上，其不良率就會升高很多，因此Motorola發展出\"球腳陣列-Ball Grid Array\"的封裝方式之後，到今天可說BGA已站穩其領導地位，雖然陸續有不同的設計與應用，但仍不脫離其架構。 圖19.8(a.b)清楚的把IC封裝ILB、OLB的方式與Substrate的性能要求做一對照。國內PCB大廠陸續和國外簽約授權及技術移轉製造BGA，如Prolinx的V-BGA，Tessera的μBGA等。 A.BGA基板

半導體因接點增多而細密化，封裝的形態也由線發展為面的設計，因此而 有所謂從週邊(Peripheral) to陣列( Array) 的趨勢.業界對封裝的利用有大略 的分析，一般認為每一平方英寸若接點在208點以下可使用導線架，若超 出則可能必須使用其它方式，例如:TAB或 BGA、PGA、LGA等，此類封 裝都屬陣列式封裝BGA(Ball Grid Array)是六、七年前由Motorola公司所發 展出來的封裝結構， 其製程代表性作法如圖19.9: 不論此板的結構為幾層板，若其最後封裝形態是此種結構，我們稱它為 BGA當然，如果一片基板上有多於一顆晶片的封裝，則它就是MCM型的 BGA目前BGA主要的用途是個人電腦的晶片組、繪圖及多媒體晶片、CPU 等. B. CSP(Chip Scale Package)基板:

對於隨身形及輕薄形的電子配件，更細緻化的封裝及更薄的包裝形式有其 必要性。封裝除走向陣列化外，也走向接點距離細密化的路，CSP的中文 名稱目前多數的人將它翻譯為\"晶片級封裝\"。它的定義是 [ 最後封裝面積 < 晶片面積*1.2 ] 就是CSP，一般來說CSP的外觀大多是BGA的型式。由 此可以看出，CSP只是一種封裝的定義，並不是一種特定的產品 目前主要的應用是以低腳數的產品為主，例如記憶體等晶片許多都是以 此包裝，對高腳數而言則

62

PCB電路板簡介

有一定的困難度，目前應用並不普遍 典形的CSP斷面圖如圖19.10: C. 加成式電路板(Build up process):

Build up電路板只是一種板子的形式與作法，隨著電路板的\"輕、薄、短、 小、快、多功、整合\"需求，高密度是電路板發展的必然需求，尤其在特定的產品上，加成式的作法有其一定的利用價值，為促使高密度化實現，加成式電路板導入了雷射技術、光阻技術、特殊電鍍技術、填孔技術等，以架構出高密度的電路板形態 D. 覆晶基板(Flip Chip Substrate):

封裝在連結的形式上分為\"內引腳接晶片(ILB-Inner Lead Bond)與外引腳接電路板(OLB-Outer Lead Bond)\" ，OLB如BGA的球、PGA的Pin、Lead-fram形封裝的Lead等、形式十分多樣化。ILB則主要只有三類，分別是打金線類(Wire Bonding Type)、自動組裝軟片類(Tape Automation Bonding)、覆晶類(Flip Chip Bonding)。其示意形式如圖19.11: 覆晶類基板因接點密度高，因此基板繞線空間極有限，未來在應用上難以避免要用到高密度技術，因此成為另一支待發展的產品。

針對先進技術與IC PACKAGE應用，因多屬各公司機密, 將來本公司會針對已成熟且公開的製程技術再做一片光碟, 提供更生動與深入的解說，敬請期待。 二十 盲／埋孔

談到盲／埋孔，首先從傳統多層板說起。標準的多層板的結構，是含內層線路及外層線路，再利用鑽孔，以及孔內金屬化的製程，來達到各層線路之內部連結功能。但是因為線路密度的增加，零件的封裝方式不斷的更新。為了讓有限的PCB面積，能放置更多更高性能的零件，除線路寬度愈細外，孔徑亦從DIP插孔孔徑1 mm縮小為SMD的0.6 mm，更進一步縮小為0.4mm以下。 但是仍會佔用表面積，因而又有埋孔及盲孔的出現，其定義如下： A. 埋孔（Buried Via）

見圖示20.1，內層間的通孔，壓合後，無法看到所以不必佔用外層之面積 B. 盲孔（Blind Via）

見圖示20.1，應用於表面層和一個或多個內層的連通 20.1埋孔設計與製作

埋孔的製作流程較傳統多層板複雜，成本亦較高，圖20.2顯示傳統內層與有埋孔之內層製作上的差異，圖20.3則解釋八層埋孔板的壓合疊板結構. 圖20.4則是埋孔暨一般通孔和PAD大小的一般規格 20.2盲孔設計與製作

密度極高，雙面ＳＭＤ設計的板子，會有外層上下，Ｉ／Ｏ導孔間的彼此干擾，尤其是有ＶＩＰ（Via-in-pad）設計時更是一個麻煩。盲孔可以解決這個問題。另外無線電通訊的盛行, 線路之設計必達到RF(Radio frequency)的範圍, 超過1GHz以上. 盲孔設計可以達到此需求，圖20.5是盲孔一般規格。 盲孔板的製作流程有三個不同的方法，如下所述 Ａ．機械式定深鑽孔

傳統多層板之製程，至壓合後，利用鑽孔機設定Ｚ軸深度的鑽孔，但此法有幾個問題 ａ．每次僅能一片鑽產出非常低

ｂ．鑽孔機台面水平度要求嚴格，每個spindle的鑽深設定要一致否則很難控制每個孔的深度 ｃ．孔內電鍍困難，尤其深度若大於孔徑，那幾乎不可能做好孔內電鍍。 上述幾個製程的限制，己使此法漸不被使用。 Ｂ．逐次壓合法（Sequential lamination）

以八層板為例（見圖20.6），逐次壓合法可同時製作盲埋孔。首先將四片內層板以一般雙面皮的方式線路及PTH做出（也可有其他組合；六層板+雙面板、上下兩雙面板＋內四層板）再將四片一併壓合成四層板後，再進行全通孔的製作。此法流程長，成本更比其它做法要高，因此並不普遍。 Ｃ．增層法（Build up Process）之非機鑽方式

目前此法最受全球業界之青睞，而且國內亦不遑多讓，多家大廠都有製造經驗。

此法延用上述之Sequential lamination的觀念，一層一層往板外增加，並以非機鑽式之盲孔做為增層間的互連。

63

PCB電路板簡介

其法主要有三種，簡述如下：

a.Photo Defind 感光成孔式 利用感光阻劑，同時也是永久介質層，然後針對特定的位置，以底片做 曝光，顯影的動作，使露出底部銅墊，而成碗狀盲孔，再以化學銅及鍍 銅全面加成。經蝕刻後，即得外層線路與Blind Via，或不用鍍銅方式， 改以銅膏或銀膏填入而完成導電。依同樣的原理，可一層一層的加上去。

b.Laser Ablation 雷射燒孔 雷射燒孔又可分為三；一為ＣＯ2雷射。一為Excimer雷射，另一則為 Nd:YAG雷射此三種雷射燒孔方法的一些比較項目，見表20.1

c.乾式電漿蝕孔（Plasma Etching） 這是Dyconex公司的專利，商業名稱為DYCOSTRATE法，其比較亦見 表20.1

上述三種較常使用增層法中之非機鑽孔式除表20.1的比較外，圖20.7以圖示，三種盲孔製程應可一目了然。濕式化學蝕孔（Chemical Etching）則不在此做介紹。圖20.8以之立體圖示各種成孔方式，可供參考。

解說了盲／埋孔的定義與製程，圖20.9則以立體圖示解釋，傳統多層板應用埋／盲孔設計後，明顯減少面積的情形。

埋／盲孔的應用勢必愈來愈普遍, 而其投資金額非常龐大 ,一定規模的中大廠要以大量產, 高良率為目標, 較小規模的廠則應量力而為, 尋求利基(Niche)市場.以圖永續經營.

64