1、PCB 制造流程及说明 一. PCB 演变 1.1 PCB 扮演的角色 PCB 的功能为提供完成第一层级构装的组件与其它必须的电子电路零件接 合的基地以组成一个具特定功能的模块或成品所以 PCB 在整个电子产 品中扮演了整合连结总其成所有功能的角色也因此时常电子产品功能故 障时最先被质疑往往就是 PCB 图1.1 是电子构装层级区分示意 1.2 PCB 的演变 1.早于 1903 年 Mr. Albert Hanson 首创利用“线路“(Circuit)观念应用于电话交换机系统它是用金属箔予以切割成线路导体将之黏着于石蜡纸上上面同样贴上一层石蜡纸成了现今 PCB 的机构雏型见图 1.2 2.
2、至 1936 年 Dr Paul Eisner 真正发明了 PCB 的制作技术也发表多项专利而今日之 print-etch (photo image transfer)的技术就是沿袭其发明而来的 1.3 PCB 种类及制法 在材料层次制程上的多样化以适 合 不同的电子产品及其特殊需求 以下就归纳一些通用的区别办法来简单介绍 PCB 的分类以及它的制造方 法 1.3.1 PCB 种类 A. 以材质分 a. 有机材质 酚醛树脂玻璃纤维/环氧树脂 PolyamideBT/Epoxy 等皆属之 b. 无机材质 铝 Copper Inver-copperceramic 等皆属之主要取其散热功能 B. 以
3、成品软硬区分 a. 硬板 Rigid PCB b.软板 Flexible PCB 见图 1.3 c.软硬板 Rigid-Flex PCB 见图 1.4 C. 以结构分 a.单面板 见图 1.5 b.双面板 见图 1.6 c.多层板 见图 1.7 D. 依用途分通信/耗用性电子/军用/ 计算机/半导体/ 电测板, 见图 1.8 BGA. 另有一种射出成型的立体 PCB 因使用少不在此介绍 1.3.2 制造方法介绍 A. 减除法其流程见图 1.9 1 资料收藏 http:/ PCB 收藏天地 PCB 制造流程及说明 B. 加成法又可分半加成与全加成法见图 1.10 1.11 C. 尚有其它因应 I
4、C 封装的变革延伸而出的一些先进制程本光盘仅提及但不详加介绍因有许多尚属机密也不易取得或者成熟度尚不够 本光盘以传统负片多层板的制程为主轴深入浅出的介绍各个制程再辅以先进技术的观念来探讨未来的 PCB 走势 二.制前准备 2.1.前言 台湾 PCB 产业属性几乎是以也就是受客户委托制作空板 Bare Board 而已不像美国很多 PCB Shop 是包括了线路设计空板制作以及装配(Assembly)的 Turn-Key业务以前只要客户提供的原始数据如 Drawing, Artwork, Specification 再以手动翻片排版打带等作业即可进行制作但近年由于电子产品日趋轻薄短小 PCB 的
5、制造面临了几个挑战:1 薄板 2 高密度 3 高性能 4 高速 ( 5 ) 产品周期缩短 6 降低成本等以往以灯桌笔刀贴图及照相机做为制前工具现在己被计算机工作软件及激光绘图机所取代过去以手工排版或者还需要 Micro-Modifier 来修正尺寸等费时耗工的作业今天只要在 CAM(Computer Aided Manufacturing)工作人员取得客户的设计资料可能几小时内就可以依设计规则或 DFM(Design For Manufacturing)自动排版并变化不同的生产条件同时可以 output 如钻孔成型测试治具等资料 2.2.相关名词的定义与解说 A Gerber file 这是一
6、个从 PCB CAD 软件输出的数据文件做为光绘图语言 1960 年代一家名叫 Gerber Scientific 现在叫 Gerber System 专业做绘图机的美国公司所发展出的格式尔后二十年行销于世界四十多个国家几乎所有 CAD 系统的发展也都依此格式作其 Output Data直接输入绘图机就可绘出 Drawing 或 Film 因此 Gerber Format 成了电子业界的公认标准 B. RS-274D 是 Gerber Format 的正式名称正确称呼是 EIA STANDARD RS-274D(Electronic Industries Association)主要两大组成
7、1.Function Code 如 G codes, D codes, M codes 等2.Coordinate data 定义图像 imaging C. RS-274X 是 RS-274D 的延伸版本除 RS-274D 之 Code 以外包括 RS-274X Parameters 或称2 资料收藏 http:/ PCB 收藏天地 PCB 制造流程及说明 整个 extended Gerber format 它以两个字母为组合定义了绘图过程的一些特性 D. IPC-350 IPC-350 是 IPC 发展出来的一套 neutral format,可以很容易由 PCB CAD/CAM 产生,然后
8、依此系统,PCB SHOP 再产生 NC Drill Program,Netlist,并可直接输入 Laser Plotter 绘制底片. E. Laser Plotter 见图 2.1,输入 Gerber format 或 IPC 350 format 以绘制 Artwork F. Aperture List and D-Codes 见表 2.1 及图 2.2,举一简单实例来说明两者关系 , Aperture 的定义亦见图 2.1 2.3.制前设计流程 2.3.1 客户必须提供的数据 电子厂或装配工厂委托 PCB SHOP 生产空板 Bare Board 时必须提供下列数据以供制作见表料号数
9、据表-供制前设计使用. 上表数据是必备项目有时客户会提供一片样品, 一份零件图一份保证书保证制程中使用之原物料耗料等不含某些有毒物质等这些额外数据厂商须自行判断其重要性以免误了商机 2.3.2 .资料审查 面对这么多的数据制前设计工程师接下来所要进行的工作程序与重点如下所述 A. 审查客户的产品规格是否厂内制程能力可及审查项目见承接料号制程能力检查表. B.原物料需求 BOM-Bill of Material 根据上述资料审查分析后由 BOM 的展开来决定原物料的厂牌种类及规格主要的原物料包括了基板 Laminate 胶片 Prepreg 铜箔 Copper foil 防焊油墨 Solder
10、Mask 文字油墨 Legend 等另外客户对于 Finish 的规定, 将影响流程的选择,当然会有不同的物料需求与规格例如软硬金喷钖 OSP 等 表归纳客户规范中可能影响原物料选择的因素 3 资料收藏 http:/ PCB 收藏天地 PCB 制造流程及说明 C. 上述乃属新数据的审查, 审查完毕进行样品的制作.若是旧资料 ,则须 Check 有无户ECO (Engineering Change Order) .再进行审查. D.排版 排版的尺寸选择将影响该料号的获利率因为基板是主要原料成本排版最佳化可减少板材浪费而适当排版可提高生产力并降低不良率 有些工厂认为固定某些工作尺寸可以符合最大生产
11、力但原物料成本增加很多.下列是一些考虑的方向 一般制作成本直间接原物料约占总成本 3060%包含了基板胶片铜箔防焊干膜钻头重金属铜钖铅化学耗品等而这些原物料的耗用直接和排版尺寸恰当与否有关系大部份电子厂做线路 Layout 时会做连片设计以使装配时能有最高的生产力因此 PCB 工厂之制前设计人员应和客户密切沟通以使连片 Layout 的尺寸能在排版成工作 PANEL 时可有最佳的利用率要计算最恰当的排版须考虑以下几个因素 a.基材裁切最少刀数与最大使用率裁切方式与磨边处理须考虑进去 b.铜箔胶片与干膜的使用尺寸与工作 PANEL 的尺寸须搭配良好以免浪费 c.连片时 pece 间最小尺寸以及板
12、边留做工具或对位系统的最小尺寸 d.各制程可能的最大尺寸限制或有效工作区尺寸 . e.不同产品结构有不同制作流程及不同的排版限制例如金手指板其排版间距须较大且有方向的考量其测试治具或测试次序规定也不一样 较大工作尺寸可以符合较大生产力但原物料成本增加很多,而且设备制程能力亦需提升如何取得一个平衡点设计的准则与工程师的经验是相当重要的 2.3.3 着手设计 所有数据检核齐全后开始分工设计 A. 流程的决定(Flow Chart) 由数据审查的分析确认后设计工程师就要决定最适切的流程步骤 传统多层板的制作流程可分作两个部分:内层制作和外层制作.以下图标几种代 表性流程供参考.见图 2.3 与 图
13、2.4 B. CAD/CAM 作业 4 资料收藏 http:/ PCB 收藏天地 PCB 制造流程及说明 a. 将 Gerber Data 输入所使用的 CAM 系统此时须将 apertures 和 shapes 定义好目前己有很多 PCB CAM 系统可接受 IPC-350 的格式部份 CAM 系统可产生外型 NC Routing 档不过一般 PCB Layout 设计软件并不会产生此文件 有部份专业软件或独立或配合 NC Router,可设定参数直接输出程序 . Shapes 种类有圆正方长方, 亦有较复杂形状如内层之 thermal pad 等着手设计时 Aperture code 和
14、shapes 的关连要先定义清楚否则无法进行后面一系列的设计 b. 设计时的 Check list 依据 check list 审查后当可知道该制作料号可能的良率以及成本的预估 c. Working Panel 排版注意事项 PCB Layout 工程师在设计时为协助提醒或注意某些事项会做一些辅助的记号做参考所以必须在进入排版前将之去除下表列举数个项目及其影响 排版的尺寸选择将影响该料号的获利率因为基板是主要原料成本排版最佳化可减少板材浪费而适当排版可提高生产力并降低不良率 有些工厂认为固定某些工作尺寸可以符合最大生产力但原物料成本增加很多.下列是一些考虑的方向 一般制作成本直间接原物料约占总
15、成本 3060%包含了基板胶片铜箔防焊干膜钻头重金属铜钖铅金化学耗品等而这些原物料的耗用直接和排版尺寸恰当与否有关系大部份电子厂做线路 Layout 时会做连片设计以使装配时能有最高的生产力因此 PCB 工厂之制前设计人员应和客户密切沟通以使连片 Layout 的尺寸能在排版成工作 PANEL 时可有最佳的利用率要计算最恰当的排版须考虑以下几个因素 1.基材裁切最少刀数与最大使用率裁切方式与磨边处理须考虑进去 2.铜箔胶片与干膜的使用尺寸与工作 PANEL 的尺寸须搭配良好以免浪费 3.连片时 piece 间最小尺寸以及板边留做工具或对位系统的最小尺寸 4.各制程可能的最大尺寸限制或有效工作区
16、尺寸. 5 不同产品结构有不同制作流程及不同的排版限制例如金手指板其排版间距须较大且有方向的考量其测试治具或测试次序规定也不一样 5 资料收藏 http:/ PCB 收藏天地 PCB 制造流程及说明 较大工作尺寸可以符合较大生产力但原物料成本增加很多,而且设备制程能力亦需提升如何取得一个平衡点设计的准则与工程师的经验是相当重要的 进行 working Panel 的排版过程中尚须考虑下列事项以使制程顺畅表排版注意事项 d. 底片与程序 底片 Artwork 在 CAM 系统编辑排版完成后配合 D-Code 档案而由雷射绘图机Laser Plotter 绘出底片所须绘制的底片有内外层之线路外层之
17、防焊以及文字底片 由于线路密度愈来愈高容差要求越来越严谨因此底片尺寸控制是目前很多 PCB厂的一大课题表是传统底片与玻璃底片的比较表玻璃底片使用比例已有提高趋势而底片制造商亦积极研究替代材料以使尺寸之安定性更好例如干式做法的铋金属底片. 一般在保存以及使用传统底片应注意事项如下 1.环境的温度与相对温度的控制 2.全新底片取出使用的前置适应时间 3.取用传递以及保存方式 4.置放或操作区域的清洁度 程序 含一, 二次孔钻孔程序以及外形 Routing 程序其中 NC Routing 程序一般须另行处理 e. DFMDesign for manufacturing .PCB layout 工程师
18、大半不太了解 PCB 制作流程以及各制程需要注意的事项所以在 Lay-out 线路时仅考虑电性逻辑尺寸等而甚少顾及其它 PCB 制前设计工程师因此必须从生产力良率等考量而修正一些线路特性如圆形接线 PAD 修正成泪滴状见图 2.5,为的是制程中 PAD 一孔对位不准时尚能维持最小的垫环宽度 但是制前工程师的修正有时却会影响客户产品的特性甚或性能所以不得不谨慎PCB 厂必须有一套针对厂内制程上的特性而编辑的规范除了改善产品良率以及提升生产力外也可做为和 PCB 线路 Lay-out 人员的沟通语言见图 2.6 . 6 资料收藏 http:/ PCB 收藏天地 PCB 制造流程及说明 C. Too
19、ling 指 AOI 与电测 Netlist 档AOI 由 CAD reference 文件产生 AOI 系统可接受的数据且含容差而电测 Net list 档则用来制作电测治具 Fixture 2.4 结语 颇多公司对于制前设计的工作重视的程度不若制程,这个观念一定要改,因为随着电子产品的演变,PCB 制作的技术层次愈困难,也愈须要和上游客户做最密切的沟通,现在已不是任何一方把工作做好就表示组装好的产品没有问题,产品的使用环境, 材料的物,化性, 线路Lay-out 的电性 , PCB 的信赖性等 ,都会影响产品的功能发挥 .所以不管软件, 硬件,功能设计上都有很好的进展,人的观念也要有所突破
20、才行. 三. 基板 印刷电路板是以铜箔基板 Copper-clad Laminate 简称 CCL 做为原料而制造的电器或电子的重要机构组件,故从事电路板之上下游业者必须对基板有所了解:有那些种类的基板, 它们是如何制造出来的, 使用于何种产品, 它们各有那些优劣点, 如此才能选择适当的基板. 表 3.1 简单列出不同基板的适用场合. 基板工业是一种材料的基础工业 是由介电层树脂 Resin 玻璃纤维 Glass fiber 及高纯度的导体 (铜箔 Copper foil )二者所构成的复合材料 Composite material其所牵涉的理论及实务不输于电路板本身的制作 以下即针对这二个主
21、要组成做深入浅出的探讨. 3.1 介电层 3.1.1 树脂 Resin 3.1.1.1 前言 目前已使用于线路板之树脂类别很多,如酚醛树脂 Phonetic 环氧树脂 Epoxy 聚亚醯胺树脂 Polyamide 聚四氟乙烯 Polytetrafluorethylene 简称 PTFE 或称TEFLONB 一三氮 树脂 Bismaleimide Triazine 简称 BT 等皆为热固型的树脂Thermosetted Plastic Resin 3.1.1.2 酚醛树脂 Phenolic Resin 是人类最早开发成功而又商业化的聚合物是由液态的酚 phenol 及液态的甲醛Formaldeh
22、yde 俗称 Formalin 两种便宜的化学品 在酸性或碱性的催化条件下发生立体架桥 Crosslinkage 的连续反应而硬化成为固态的合成材料其反应化学式见图 3.1 1910 年有一家叫 Bakelite 公司加入帆布纤维而做成一种坚硬强固绝缘性又好的材7 资料收藏 http:/ PCB 收藏天地 PCB 制造流程及说明 料称为 Bakelite 俗名为电木板或尿素板 美国电子制造业协会(NEMA-Nationl Electrical Manufacturers Association) 将不同的组合冠以不同的编号代字而为业者所广用, 现将酚醛树脂之各产品代字列表如表 NEMA 对于酚
23、醛树脂板的分类及代码 表中纸质基板代字的第一个 “X“ 是表示机械性用途第二个 “X“ 是表示可用电性用途 第三个 “X“ 是表示可用有无线电波及高湿度的场所 “P“ 表示需要加热才能冲板子Punchable 否则材料会破裂 “C“ 表示可以冷冲加工 cold punchable “FR“ 表示树脂中加有不易着火的物质使基板有难燃 (Flame Retardent) 或抗燃(Flame resistance) 性 纸质板中最畅销的是 XXXPC 及 FR-2 前者在温度 25 以上,厚度在.062in 以下就可以冲制成型很方便后者的组合与前完全相同只是在树脂中加有三氧化二锑增加其难燃性以下介绍
24、几个较常使用纸质基板及其特殊用途: A 常使用纸质基板 a. XPC Grade 通常应用在低电压低电流不会引起火源的消费性电子产品 如玩具手提收音机电话机计算器遥控器及钟表等等 UL94 对 XPC Grade 要求只须达到 HB难燃等级即可 b. FR-1 Grade 电气性难燃性优于 XPC Grade 广泛使用于电流及电压比 XPC Grade稍高的电器用品如彩色电视机监视器 VTR 家庭音响洗衣机及吸尘器等等 UL94要求 FR-1 难燃性有 V-0V-1 与 V-2 不同等级不过由于三种等级板材价位差异不大而且考虑安全起见目前电器界几乎全采用 V-0 级板材 c. FR-2 Gra
25、de 在与 FR-1 比较下除电气性能要求稍高外其它物性并没有特别之处近年来在纸质基板业者努力研究改进 FR-1 技术 FR-1 与 FR-2 的性质界线已渐模糊,FR-2等级板材在不久将来可能会在偏高价格因素下被 FR-1 所取代 B. 其它特殊用途 a. 铜镀通孔用纸质基板 主要目的是计划取代部份物性要求并不高的 FR-4 板材以便降低 PCB 的成 本. b. 银贯孔用纸质基板 时下最流行取代部份物性要求并不很高的 FR-4 作通孔板材就是银贯孔用 纸质基板印刷电路板两面线路的导通可直接借由印刷方式将银胶(Silver Paste) 涂布于孔壁上经由高温硬化即成为导通体不像一般 FR-4
26、 板材的铜镀通 孔需经由活化化学铜电镀铜锡铅等繁杂手续 b-1 基板材质 1) 尺寸安定性 除要留意 XY 轴(纤维方向与横方向) 外更要注意 Z 轴( 板材厚度方向)因热胀冷缩及加热减量因素容易造成银胶导体的断裂 2) 电气与吸水性 许多绝缘体在吸湿状态下降低了绝缘性以致提供金属在电位差趋动力下 发生移行的现象 FR-4 在尺寸安性电气性与吸水性方面都比 FR-1 及 XPC 佳所以生产银贯孔印刷电路板时要选用特制 FR-1 及 XPC 的纸质基板 .板材 8 资料收藏 ttp:/ PCB 收藏天地 PCB 制造流程及说明 b.-2 导体材质 1) 导体材质 银及碳墨贯孔印刷电路的导电方式是
27、利用银及石墨微粒镶嵌在聚合体内 藉由微粒的接触来导电而铜镀通孔印刷电路板则是借由铜本身是连贯的 结晶体而产生非常顺畅的导电性 2) 延展性 铜镀通孔上的铜是一种连续性的结晶体有非常良好的延展性不会像银 碳墨胶在热胀冷缩时容易发生界面的分离而降低导电度 3) 移行性 银铜都是金属材质容易发性氧化还原作用造成锈化及移行现象因 电位差的不同银比铜在电位差趋动力下容易发生银迁移(Silver Migration) c. 碳墨贯孔(Carbon Through Hole)用纸质基板. 碳墨胶油墨中的石墨不具有像银的移行特性石墨所担当的角色仅仅是作简 单的讯号传递者所以 PCB 业界对积层板除了碳墨胶与基
28、材的密着性翘 曲度外并没有特别要求. 石墨因有良好的耐磨性所以 Carbon Paste 最早期 是被应用来取代 Key Pad 及金手指上的镀金而后延伸到扮演跳线功能 碳墨贯孔印刷电路板的负载电流通常设计的很低所以业界大都采用 XPC 等级至于厚度方面在考虑轻薄短小与印刷贯孔性因素下常通选 用 0.81.0 或 1.2mm 厚板材 d. 室温冲孔用纸质基板 其特征是纸质基板表面温度约 40 以下即可作 Pitch 为1.78mm 的 IC 密 集孔的冲模孔间不会发生裂痕并且以减低冲模时纸质基板冷却所造成线 路精准度的偏差该类纸质基板非常适用于细线路及大面积的印刷电路板 e. 抗漏电压(Ant
29、i-Track)用纸质基板 人类的生活越趋精致对物品的要求且也就越讲就短小轻薄当印刷电路板 的线路设计越密集线距也就越小且在高功能性的要求下电流负载变大 了那么线路间就容易因发生电弧破坏基材的绝缘性而造成漏电纸质基板 业界为解决该类问题有供应采用特殊背胶的铜箔所制成的抗漏电压 用纸质基板 2.1.2 环氧树脂 Epoxy Resin 是目前印刷线路板业用途最广的底材在液态时称为清漆或称凡立水 Varnish) 或称为 A-stage 玻璃布在浸胶半干成胶片后再经高温软化液化而呈现黏着性而用于双面基板制作或多层板之压合用称 B-stage prepreg ,经此压合再硬化而无法回复之最终状态称为
30、 C-stage 2.1.2.1 传统环氧树脂的组成及其性质 用于基板之环氧树脂之单体一向都是 Bisphenol A 及 Epichlorohydrin 用 dicy 做为架桥剂所形成的聚合物为了通过燃性试验(Flammability test), 将上述仍在液态的树脂再与Tetrabromo-Bisphenol A 反应而成为最熟知 FR-4 传统环氧树脂现将产品之主要成份列于后: 单体 -Bisphenol A, Epichlorohydrin 9 资料收藏 http:/ PCB 收藏天地 PCB 制造流程及说明 架桥剂(即硬化剂) -双氰 Dicyandiamide 简称 Dicy 速
31、化剂 (Accelerator)-Benzyl-Dimethylamine ( BDMA ) 及 2- Methylimidazole ( 2-MI ) 溶剂 -Ethylene glycol monomethy ether( EGMME ) Dimethy formamide (DMF) 及稀释剂 Acetone ,MEK 填充剂(Additive) -碳酸钙硅化物 及氢氧化铝 或 化物等增加难燃效果 填充剂可调整其 Tg. A. 单体及低分子量之树脂 典型的传统树脂一般称为双功能的环气树脂 ( Difunctional Epoxy Resin),见图 3.2. 为了达到使用安全的目的特于树
32、脂的分子结构中加入溴原子使产生部份碳溴之结合而呈现难燃的效果也就是说当出现燃烧的条件或环境时它要不容易被点燃万一已点燃在燃烧环境消失后能自己熄灭而不再继续延烧见图 3.3.此种难燃材炓在 NEMA 规范中称为 FR-4(不含溴的树脂在 NEMA 规范中称为 G-10) 此种含溴环氧树脂的优点很多如介电常数很低与铜箔的附着力很强与玻璃纤维结合后之挠性强度很不错等 B. 架桥剂( 硬化剂 ) 环氧树脂的架桥剂一向都是 Dicey,它是一种隐性的 (latent) 催化剂 , 在高温 160 之下才发挥其架桥作用常温中很安定故多层板 B-stage 的胶片才不致无法储存 但 Dicey的缺点却也不少
33、 第一是吸水性 (Hygroscopicity)第二个缺点是难溶性溶不掉自然难以在液态树脂中发挥作用早期的基板商并不了解下游电路板装配工业问题那时的 dicey 磨的不是很细其溶不掉的部份混在底材中经长时间聚集的吸水后会发生针状的再结晶, 造成许多爆板的问题当然现在的基板制造商都很清处它的严重性,因此已改善此点. C. 速化剂 用以加速 epoxy 与 dicey 之间的架桥反应 最常用的有两种即 BDMA 及 2-MI D. Tg 玻璃态转化温度 高分子聚合物因温度之逐渐上升导致其物理性质渐起变化由常温时之无定形或部份结晶之坚硬及脆性如玻璃一般的物质而转成为一种黏滞度非常高,柔软如橡皮一般的
34、另一种状态传统 FR4 之 Tg 约在 115-120 之间已被使用多年但近年来由于电子产品各种性能要求愈来愈高,所以对材料的特性也要求日益严苛如抗湿性抗化性抗溶剂性抗热性 ,尺寸安定性等都要求改进, 以适应更广泛的用途, 而这些性质都与树脂的 Tg 有关, Tg 提高之后上述各种性质也都自然变好例如 Tg 提高后 , a.其耐热性增强 使基板在 X 及 Y 方向的膨胀减少使得板子在受热后铜线路与基材之间附着力不致减弱太多使线路有较好的附着力 b.在 Z 方向的膨胀减小后使得通孔之孔壁受热后不易被底材所拉断 c. Tg 增高后其树脂中架桥之密度必定提高很多使其有更好的抗水性及防溶剂性使板子受热
35、后不易发生白点或织纹显露而有更好的强度及介电性.至于尺寸的安定性,由于自动插装或表面装配之严格要求就更为重要了因而近年来如何提高环氧树脂之 Tg 是基板材所追求的要务 10 资料收藏 http:/ PCB 收藏天地 PCB 制造流程及说明 E. FR4 难燃性环氧树脂 传统的环氧树脂遇到高温着火后若无外在因素予以扑灭时 会不停的一直燃烧下去直到分子中的碳氢氧或氮燃烧完毕为止若在其分子中以溴取代了氢的位置 使可燃的碳氢键化合物一部份改换成不可燃的碳溴键化合物则可大大的降低其可燃性此种加溴之树脂难燃性自然增强很多但却降低了树脂与铜皮以及玻璃间的黏着力而且万一着火后更会放出剧毒的溴气会带来的不良后果
36、 3.1.2.2 高性能环氧树脂(Multifunctional Epoxy) 传统的 FR4 对今日高性能的线路板而言已经力不从心了 故有各种不同的树脂与原有的环氧树脂混合以提升其基板之各种性质 A. Novolac 最早被引进的是酚醛树脂中的一种叫 Novolac 者 ,由 Novolac 与环氧氯丙烷所形成的酯类称为 Epoxy Novolacs 见图 3.4 之反应式. 将此种聚合物混入 FR4 之树脂 可大大改善其抗水性抗化性及尺寸安定性, Tg 也随之提高缺点是酚醛树脂本身的硬度及脆性都很高而易钻头加之抗化性能力增强,对于因钻孔而造成的胶渣 (Smear) 不易除去而造成多层板 P
37、TH 制程之困扰 B. Tetrafunctional Epoxy 另一种常被添加于 FR4 中的是所谓 “ 四功能的环氧树脂 “ (Tetrafunctional Epoxy Resin ).其与传统 “ 双功能 “ 环氧树脂不同之处是具立体空间架桥 ,见图 3.5Tg 较高能抗较差的热环境且抗溶剂性抗化性抗湿性及尺寸安定性也好很多而且不会发生像 Novolac 那样的缺点最早是美国一家叫 Polyclad 的基板厂所引进的四功能比起 Novolac来还有一种优点就是有更好的均匀混合为保持多层板除胶渣的方便起见此种四功能的基板在钻孔后最好在烤箱中以 160 烤 2-4 小时, 使孔壁露出的树
38、脂产生氧化作用氧化后的树脂较容易被蚀除而且也增加树脂进一步的架桥聚合,对后来的制程也有帮助因为脆性的关系, 钻孔要特别注意. 上述两种添加树脂都无法溴化,故加入一般 FR4 中会降低其难燃性 . 3.1.2.3 聚亚醯胺树脂 Polyimide(PI) A. 成份 主要由 Bismaleimide 及 Methylene Dianiline 反应而成的聚合物,见图 3.6. B. 优点 电路板对温度的适应会愈来愈重要某些特殊高温用途的板子已非环氧树脂所能胜任传统式 FR4 的 Tg 约 120 左右即使高功能的 FR4 也只到达 180-190 比起聚亚醯胺的 260 还有一大段距离.PI 在
39、高温下所表现的良好性质,如良好的挠性铜箔抗撕强度抗化性介电性尺寸安定性皆远优于 FR4 钻孔时不容易产生胶渣对内层11 资料收藏 http:/ PCB 收藏天地 PCB 制造流程及说明 与孔壁之接通性自然比 FR4 好 而且由于耐热性良好其尺寸之变化甚少以 X 及 Y方向之变化而言对细线路更为有利不致因膨胀太大而降低了与铜皮之间的附着力就 Z 方向而言可大大的减少孔壁铜层断裂的机会 C. 缺点: a.不易进行溴化反应不易达到 UL94 V-0 的难燃要求 b.此种树脂本身层与层之间或与铜箔之间的黏着力较差不如环氧树脂那么强而且挠性也较差 c.常温时却表现不佳有吸湿性 (Hygroscopic)
40、, 而黏着性延性又都很差 d.其凡立水(Varnish,又称生胶水,液态树脂称之)中所使用的溶剂之沸点较高不易赶完容易产生高温下分层的现象而且流动性不好,压合不易填 满死角 e.目前价格仍然非常昂贵约为 FR4 的 2-3 倍故只有军用板或 Rigid- Flex 板才用的起 在美军规范 MIL-P-13949H 中 , 聚亚醯胺树脂基板代号为 GI. 3.1.2.4 聚四氟乙烯 (PTFE) 全名为 Polyterafluoroethylene ,分子式见图 3.7. 以之抽丝作 PTFE 纤维的商品名为 Teflon 铁弗龙 ,其最大的特点是阻抗很高 (Impedance) 对高频微波 (
41、microwave) 通信用途上是无法取代的美军规范赋与 “GT“GX“及 “GY“ 三种材料代字,皆为玻纤补强 type其商用基板是由 3M 公司所制目前这种材料尚无法大量投入生产其原因有: A. PTFE 树脂与玻璃纤维间的附着力问题 此树脂很难渗入玻璃束中因其抗化性特强许多湿式制程中都无法使其反应及活化在做镀通孔时所得之铜孔壁无法固着在底材上很难通过 MILP-55110E 中 4.8.4.4 之固着度试验 由于玻璃束未能被树脂填满很容易在做镀通孔时造成玻璃中渗铜 (Wicking) 的出现影响板子的可信赖度 B. 此四氟乙烯材料分子结构非常强劲无法用一般机械或化学法加以攻击 做蚀回时只
42、有用电浆法. C. Tg 很低只有 19 度 c, 故在常温时呈可挠性 也使线路的附着力及尺寸安定性不好 表为四种不同树脂制造的基板性质的比较. 3.1.2.5 BT/EPOXY 树脂 BT 树脂也是一种热固型树脂是日本三菱瓦斯化成公司(Mitsubishi Gas Chemical Co.)在 1980 年研制成功是由 Bismaleimide 及 Trigzine Resin monomer 二者反应聚合而成其反应式见图 3.8BT 树脂通常和环氧树脂混合而制成基板 A. 优点 a. Tg 点高达 180 耐热性非常好 BT 作成之板材铜箔的抗撕强度(peel Strength)12 资料
43、收藏 http:/ PCB 收藏天地 PCB 制造流程及说明 挠性强度亦非常理想钻孔后的胶渣(Smear)甚少 b. 可进行难燃处理以达到 UL94V-0 的要求 c. 介质常数及散逸因子小因此对于高频及高速传输的电路板非常有利 d. 耐化性抗溶剂性良好 e. 绝缘性佳 B. 应用 a. COB 设计的电路板 由于 wire bonding 过程的高温会使板子表面变软而致打线失败 BT/EPOXY 高性能板材可克服此点 b. BGA ,PGA, MCM-Ls 等半导体封装载板 半导体封装测试中有两个很重要的常见问题一是漏电现象或称 CAF(Conductive Anodic Filament)
44、,一是爆米花现象 (受湿气及高温冲 击)这两点也是 BT/EPOXY 板材可以避免的 3.1.2.6 Cyanate Ester Resin 1970 年开始应用于 PCB 基材目前 Chiba Geigy 有制作此类树脂其反应式如图 3.9 A. 优点 a. Tg 可达 250 使用于非常厚之多层板 b. 极低的介电常数(2.53.1)可应用于高速产品 B. 问题 a. 硬化后脆度高. b. 对湿度敏感甚至可能和水起反应 . 3.1.2 玻璃纤维 3.1.2.1 前言 玻璃纤维(Fiberglass)在 PCB 基板中的功用是作为补强材料基板的补强材料尚有其它种如纸质基板的纸材 Kelvar
45、(Polyamide 聚醯胺) 纤维以及石英(Quartz)纤维本节仅讨论最大宗的玻璃纤维 玻璃(Glass) 本身是一种混合物其组成见表它是一些无机物经高温融熔合而成再经抽丝冷却而成一种非结晶结构的坚硬物体此物质的使用已有数千年的历史做成纤维状使用则可追溯至 17 世纪真正大量做商用产品则是由 Owen-Illinois 及 Corning Glass Works 两家公司其共同的研究努力后组合成 Owens-Corning Fiberglas Corporation 于 1939年正式生产制造 3.1.2.2 玻璃纤维布 玻璃纤维的制成可分两种一种是连续式(Continuous)的纤维另一
46、种则是不连续式13 资料收藏 http:/ PCB 收藏天地 PCB 制造流程及说明 (discontinuous)的纤维前者即用于织成玻璃布(Fabric)后者则做成片状之玻璃席(Mat)FR4等基材即是使用前者 CEM3 基材则采用后者玻璃席 A. 玻璃纤维的特性 原始融熔态玻璃的组成成份不同会影响玻璃纤维的特性不同组成所呈现的差异表中有详细的区别而且各有独特及不同应用之处按组成的不同(见表) 玻璃的等级可分四种商品 A 级为高碱性 C 级为抗化性 E 级为电子用途 S 级为高强度电路板中所用的就是 E 级玻璃主要是其介电性质优于其它三种 玻璃纤维一些共同的特性如下所述 a.高强度和其它纺
47、织用纤维比较玻璃有极高强度在某些应用上其强度/重量比甚至超过铁丝 b.抗热与火玻璃纤维为无机物因此不会燃烧 c.抗化性可耐大部份的化学品也不为霉菌细菌的渗入及昆虫的功击 d.防潮玻璃并不吸水即使在很潮湿的环境依然保持它的机械强度 e.热性质玻纤有很低的熬线性膨胀系数及高的热导系数因此在高温环境下有极佳的表现 f.电性由于玻璃纤维的不导电性是一个很好的绝缘物质的选择 PCB 基材所选择使用的 E 级玻璃最主要的是其非常优秀的抗水性因此在非常潮湿恶劣的环境下仍然保有非常好的电性及物性一如尺寸稳定度 玻纤布的制作 玻璃纤维布的制作是一系列专业且投资全额庞大的制程本章略而不谈 3.2 铜箔(coppe
48、r foil) 早期线路的设计粗粗宽宽的,厚度要求亦不挑剔, 但演变至今日线宽 3,4mil,甚至更细( 现国内已有工厂开发 1 mil 线宽),电阻要求严苛.抗撕强度,表面 Profile 等也都详加规定.所以对铜箔发展的现况及驱势就必须进一步了解. 3.2.1 传统铜箔 3.2.1.1 辗轧法 (Rolled-or Wrought Method) 是将铜块经多次辗轧制作而成其所辗出之宽度受到技术限制很难达到标准尺寸基板的要求 (3 呎*4 呎) ,而且很容易在辗制过程中造成报废因表面粗糙度不够, 所以与树脂之结合能力比较不好而且制造过程中所受应力需要做热处理之回火轫化(Heat treat
49、ment or Annealing),故其成本较高 14 资料收藏 http:/ PCB 收藏天地 PCB 制造流程及说明 A. 优点 . a. 延展性 Ductility 高,对 FPC 使用于动态环境下, 信赖度极佳. b. 低的表面棱线 Low-profile Surface,对于一些 Microwave 电子应用是一利基. B. 缺点. a. 和基材的附着力不好. b. 成本较高. c. 因技术问题, 宽度受限. 3.2.1.2 电镀法 (Electrodeposited Method) 最常使用于基板上的铜箔就是 ED 铜.利用各种废弃之电线电缆熔解成硫酸铜镀液在殊特深入地下的大型镀槽中阴阳极距非常短,以非常高的速度冲动镀液以 600 ASF 之高电流密度将柱状 (Columnar) 结晶的铜层镀在表面非常光滑又经钝化的 (passivated
