PCB制作流程工艺简介

主讲人:吴灏日期:2005-5-15单位:深圳统信电子有限公司工艺部PCB的演变•1.早於1903年Mr.AlbertHanson首創利用“線路”(Circuit)觀念應用於電話交換機系統。它是用金屬箔予以切割成線路導體，將之黏著於石蠟紙上，上面同樣貼上一層石蠟紙，成了現今PCB的機構雛型。見下圖:•2.至1936年，DrPaulEisner真正發明了PCB的製作技術，也發表多項專利。而今日之print-etch(photoimagetransfer)的技術，就是沿襲其發明而來的。PCB的种类•A.以材質分a.有機材質酚醛樹脂、玻璃纖維/環氧樹脂、聚酰亚胺等。b.無機材質鋁、陶瓷等皆屬之。主要起散熱功能•B.以成品軟硬區分a.硬板RigidPCBb.軟板FlexiblePCB見下左圖:•c.軟硬板Rigid-FlexPCB見右圖C.以结构分1.单面板2.双面板3.多层板D.依用途分：通信/耗用性電子/軍用/電腦/半導體/電測板…双面喷锡板正片生产工艺流程图开料刨边倒角烤板钻孔双面喷锡板生产工艺流程图制作：工艺部统信电路电子有限公司统赢实业外层线路图形电镀退膜蚀刻退锡防焊字符喷锡电测终检包装出货沉铜板面电镀镀铅锡二钻成型双面喷锡板负片生产工艺流程图开料刨边倒角烤板钻孔双面喷锡板生产工艺流程图制作：工艺部统信电路电子有限公司统赢实业退膜防焊字符喷锡电测终检包装出货沉铜板面电镀负片干膜成型蚀刻双面沉镍金板正片工艺流程图:开料刨边倒角烤板钻孔双面沉镍金板生产工艺流程图制作：工艺部统信电路电子有限公司统赢实业外层线路图形电镀退膜蚀刻退锡防焊字符电测终检包装出货沉铜板面电镀二钻成型除钯沉镍金双面沉锡/沉银板正片工艺流程图:开料刨边倒角烤板钻孔双面沉锡\沉银板生产工艺流程图制作：工艺部统信电路电子有限公司统赢实业外层线路图形电镀退膜蚀刻退锡防焊字符电测成检二包装出货沉铜板面电镀二钻成型成检一沉锡\沉银1.钻孔•制程目的•单面或双面板的制作都是在下料之后直接进行非导通孔或导通孔的钻孔,多层板则是在完成压板之后才去钻孔。传统孔的种类除以导通与否简单的区分外,以功能的不同尚可分:零件孔,工具孔,通孔(Via),盲孔(Blindhole),埋孔(Buriedhole)(后二者亦为viahole的一种).近年电子产品'轻.薄.短.小.快.'的发展趋势,使得钻孔技术一日千里,机钻,雷射烧孔,感光成孔等.•流程:•上PIN→钻孔→检查钻头的介绍:•钻针材料钻针组成材料主要有三:a.硬度高耐磨性强的碳化钨(TungstenCarbide,WC)b.耐冲击及硬度不错的钴(Cobalt)c.有机黏着剂.三种粉末按比例均匀混合之后,于精密控制的焚炉中于高温中在模子中烧结(Sinter)而成.其成份约有94%是碳化钨,6%左右是钴。耐磨性和硬度是钻针评估的重点其合金粒子愈细能提高硬度以及适合钻小孔.通常其合金粒子小于1micron.B.外型结构钻针之外形结构可分成三部份,见下图,即钻尖(drillpoint)、退屑槽(或退刃槽Flute)、及握柄(handle,shank)。盖板EntryBoard(进料板)的作用•A.盖板的功用有:a.定位b.散热c.减少毛头d.钻头的清扫e.防止压力脚直接压伤铜面B.盖板的材料:以下简述其种类及优缺点a.复合材料-是用木浆纤维或纸材,配合酚醛树脂当成黏着剂热压而成的。其材质与单面板之基材相似。此种材料最便宜.b.铝箔压合材料─是用薄的铝箔压合在上下两层，中间填去脂及去化学品的纯木屑.c.铝合金板─5~30mil,各种不同合金组成,价格最贵上述材料依各厂之产品层次,环境及管理.成本考虑做最适当的选择.其质量标准必须:表面平滑,板子平整,没有杂质,油脂,散热要好.•垫板Back－upboard•A.垫板的功用有：a.保护钻机之台面，b.防止出口性毛头(ExitBurr）c.降低钻针温度。d.清洁钻针沟槽中之胶渣。B.材料种类：ａ.复合材料-其制造法与纸质基板类似，但以木屑为基础，再混合含酸或盐类的黏着剂，高温高压下压合硬化成为一体而硬度很高的板子.b.酚醛树脂板（phenolic）─价格比上述的合板要贵一些，也就是一般单面板的基材.c.铝箔压合板─与盖板同上下两面铝箔，中层为折曲同质的纯铝箔，空气可以自由流通其间，一如石棉浪一样。垫板的选择一样依各厂条件来评估.其重点在:不含有机油脂,屑够软不伤孔壁,表面够硬,板厚均匀,平整等.2.沉铜工艺(PTH)•制程目的•双面板以上完成钻孔后即进行镀通孔(PlatedThroughHole,PTH)步骤，其目的使孔壁上之非导体部份之树脂及玻纤束进行金属化(metalization),以进行后来之电镀铜制程,完成足够导电及焊接之金属孔壁。1986年，美国有一家化学公司Hunt宣布PTH不再需要传统的贵金属及无电铜的金属化制程,可用碳粉的涂布成为通电的媒介，商名为“Blackhole”。•流程:•去毛刺→上板→膨松→水洗→水洗→除胶渣→预中和→水洗×2→中和•→水洗→水洗→整孔→水洗→水洗→微蚀→水洗→水洗→酸洗(H2SO4)→•水洗→水洗→预浸→活化→水洗→水洗→加速→水洗→水洗→沉铜→水洗•→水洗→下板各缸的作用:•（一）碱性除油•①作用与目的：除去板面油污，指印，氧化物，孔内粉尘；对孔壁基材进行极性调整（使孔壁由负电荷调整为正电荷）便于后工序中胶体钯的吸附；②多为碱性除油体系，也有酸性体系，但酸性除油体系较碱性除油体系无论除油效果，还是电荷调整效果都差，表现在生产上即沉铜背光效果差，孔壁结合力差，板面除油不净，容易产生脱皮起泡现象。③碱性体系除油与酸性除油相比：操作温度较高，清洗较困难；因此在使用碱性除油体系时，对除油后清洗要求较严④除油调整的好坏直接影响到沉铜背光效果；•（二）微蚀：作用与目的：除去板面的氧化物，粗化板面，保证后续沉铜层与基材底铜之间良好的结合力；新生成的铜面具有很强的活性，可以很好吸附胶体钯；•（三）预浸/活化：预浸目的与作用：主要是保护钯槽免受前处理槽液的污染，延长钯槽的使用寿命，主要成分除氯化钯外与钯槽成份一致，可有效润湿孔壁，便于后续活化液及时进入孔内活化使之进行足够有效的活化；•活化的目的与作用：经前处理碱性除油极性调整后，带正电的孔壁可有效吸附足够带有负电荷的胶体钯颗粒，以保证后续沉铜的均匀性，连续性和致密性；因此除油与活化对后续沉铜的质量起着十分重要的作用.•（四）加速：作用与目的：可有效除去胶体钯颗粒外面包围的亚锡离子，使胶体颗粒中的钯核暴露出来，以直接有效催化启动化学沉铜反应，•（五）沉铜①作用与目的：通过钯核的活化诱发化学沉铜自催化反应，新生成的化学铜和反应副产物氢气都可以作为反应催化剂催化反应，使沉铜反应持续不断进行。通过该步骤处理后即可在板面或孔壁上沉积一层化学铜。•②原理：利用甲醛在碱性条件下的还原性来还原被络合的可溶性铜盐。③空气搅拌：槽液要保持正常的空气搅拌，目的是氧化槽液中的亚铜离子和槽液中的铜粉，使之转化为可溶性的二价铜。厚化铜基本观念•a.厚化铜也仍然采用与传统无电铜相似的配方，即仍以铜离子、强碱、及甲醛做为反应的原动力，但与温度及其所产生的副产物关系较大。b.无电铜因厚度很薄,内应力(innerStress)影响不大故不需重视，但厚化铜则必须考虑。也就是说厚化铜与板面铜箔间的附着力也为关键，应特别注意其镀前活化之过程如整孔及微蚀是否完美。控制不好时可能发生孔壁剥离(pullaway)及板面脱皮。c.厚化铜之外表能接受油墨或干膜之附着，所以印刷前尽少做磨刷或其它化学粗化。在阻剂完成转移后又要能耐得环境的氧化,而且也要耐得最低起码的活性清洗及活化。d.厚化铜主要的目的是既能完成非导体的金属化同时又可取代一次镀铜，能够发挥大量的设备、人力、物料、及操作时间的节省，但化学铜槽本身比传统的无电铜要贵，管理不易，要利用特定的自动添加设备。•直接电镀种类•大致上可归为三种替代铜的导体A.Carbon-碳粉(Graphite同)B.ConductivePolymer-导体高分子C.Palladium-钯金属3.外层线路•制程目的•经钻孔及通孔电镀后,内外层已连通,本制程在制作外层线路,以达电性的完整.•制作流程•铜面处理→压膜→曝光→显像•依干膜发展的历史可分下列三种类型:－溶剂显像型－半水溶液显像型－碱水溶液显像型•一般压膜条件为：•压膜热轮温度120°±10℃板面温度50±10℃压膜速度1.0~2.5米／分压力40-60psi•曝光Exposure曝光机种类•－手动与自动－平行光与非平行光－LDI雷射直接暴光A.手动曝光机，是将将欲曝板子上下底片以手动定PIN对位后，送入机台面，吸真空后曝光。B.自动曝机一般含装载/卸载，须于板子外框先做好工具孔，做初步定位再由机台上之CCD，检查底片与孔的对位状况，并做微调后入曝光区曝光。依目前的精密须求程度，不以视觉机器自动对位，恐怕做不到好质量的板子。•平行光与非平行光曝光机的对比:干膜环境的要求•线路板之细线及高密度要求渐严，其成功的契机端赖各种精密的控制。干膜转移影像之精准除了上述各种生产技术外，环境的完善也占有很大的比重。A.首先要注意到的是无尘室(CleanRoom)的建立，一般常说的无尘室是以美国联邦标准Fed.STD209做为分级的规范，是以每立方呎的空气中所含大于0.5微米的尘粒之数目(PPCF)作为分级的，可分为三级，见表••三者间之维护与安装费用相差极大，class100级多用在集成电路程(IC)之晶圆制造上。至于精密线路板之干膜压膜及曝光区则10,000级已够。B.无尘室质量之控制有三要件，防止外界尘埃之进入、避免内部产生、及清除内部既有之尘量；需在环境系统上加装进气之过滤设备、工作人员穿戴不易起尘之工作服、鞋、手套、头罩。室内装配则应采表面平滑的墙板、无缝地板、气密式之照明及公共设施、进出口之AirShower，室内送风则采水平层流(LaminarFlow)及垂直层流方式以消除气流的死角,避免尘埃的聚积。C.干膜区之照明为黄色光源以避免干膜于正式曝光前先感光，此种黄光波长必须在500nm(naro-meter为10m，或5000A)，比500nm短的光源中含有紫外线而导致干膜之局部感光，市面上有金黄色日光灯管出售，在一般日光灯外加装橘黄色灯罩也可使用。4.电镀•利用电解的方法使金属或合金沉积在工件表面,以形成均匀.致密.结合力良好的金属层过程叫电镀.•全板电镀铜：又叫一次铜，板电•①作用与目的：保护刚刚沉积的薄薄的化学铜，防止化学铜氧化后被酸浸蚀掉，通过电镀将其加后到一定程度②全板电镀铜相关工艺参数：槽液主要成分有硫酸铜和硫酸，采用高酸低铜配方，保证电镀时板面厚度分布的均匀性和对深孔小孔的深镀能力；硫酸含量多在180克/升，多者达到240克/升；硫酸铜含量一般在75克/升左右，另槽液中添加有微量的氯离子，作为辅助光泽剂和铜光剂共同发挥光泽效果；铜光剂的添加量或开缸量一般在3-5ml/L.•图形电镀铜：又叫二次铜，线路镀铜①目的与作用:为满足各线路额定的电流负载，各线路和孔铜铜后需要达到一定的厚度，线路镀铜的目的及时将孔铜和线路铜加厚到一定的厚度；电镀锡•①目的与作用:图形电镀纯锡目的主要使用纯锡单纯作为金属抗蚀层，保护线路蚀刻；②槽液主要由硫酸亚锡，硫酸和添加剂组成；硫酸亚锡含量控制在30克/升左右，硫酸控制在10%左右；•镀镍①目的与作用：镀镍层主要作为铜层和金层之间的阻隔层，防止金铜互相扩散，影响板子的可焊性和使用寿命；同时又镍层打底也大大增加了金层的机械强度；电镀金：•分为电镀硬金（金合金）和水金（纯金）工艺，镀硬金与软金槽液组成基本一致，只不过硬金槽内多了一些微量金属镍或钴或铁等元素；①目的与作用：金作为一种贵金属，具有良好的可焊性，耐氧化性，抗蚀性，接触电阻小，合金耐磨性好等等优良特点；硫酸铜镀液成分:序号项目要求范围最佳值1CuSO4.5H2O60-90g/l70-75g/l2H2SO410-12%11%3Cl-40-80ppm50ppm4电流密度15-2