PCB入门_硬件工程师入门

P.C.B.制程综览LONGWIDTHVIOLATIONNICKSPROTRUSIONDISHDOWNFINEOPENSURFACESHORTWIDESHORTFINESHORTSHAVEDPADSPACINGWIDTHVIOLATIONPINHOLENICKOVERETCHEDPADCOPPERSPLASHMISSINGPADMissingJunctionMissingOpen一.PCB演變1.1PCB扮演的角色PCB的功能為提供完成第一層級構裝的元件與其它必須的電子電路零件接合的基地，以組成一個具特定功能的模組或成品。所以PCB在整個電子產品中，扮演了整合連結總其成所有功能的角色，也因此時常電子產品功能故障時，最先被質疑往往就是PCB。圖1.1是電子構裝層級區分示意。圖1.1晶圓第0層次第1層次(Module)第2層次(Card)第3層次(Board)第4層次(Gate)1.2PCB的演變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。見圖1.22.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。圖1.21.3PCB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。1.3.1PCB种类A.以材质分a.有机材质酚醛树脂、玻璃纤维/环氧树脂、Polyimide、BT/Epoxy等皆属之。b.无机材质铝、Copper-invar-copper、ceramic等皆属之。主要取其散热功能B.以成品软硬区分a.硬板RigidPCBb.软板FlexiblePCB见图1.3c.软硬板Rigid-FlexPCB见图1.4C.以结构分a.单面板见图1.5b.双面板见图1.6c.多层板见图1.7圖1.3圖1.4圖1.5圖1.6圖1.7圖1.8D.依用途分：通信/耗用性电子/军用/计算机/半导体/电测板…,见图1.8BGA.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1.9B.加成法，又可分半加成与全加成法，见图1.101.11C.尚有其它因应IC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。图1.9减除法铜箔基板钻孔化铜+镀铜影像转移蚀刻防焊图1.11铜箔基板钻孔化铜+镀铜影像转移蚀刻镀铜,锡铅防焊图1.10全加成法树脂积层板(不含铜箔)钻孔树脂表面活化印阻剂(抗镀也抗焊)化学铜析镀防焊半加成法二.制前准备2.1.前言台湾PCB产业属性，几乎是以ＯＥＭ，也就是受客户委托制作空板（BareBoard）而已，不像美国，很多PCBShop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(ComputerAidedManufacturing)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(DesignForManufacturing)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AGerberfile这是一个从PCBCAD软件输出的数据文件做为光绘图语言。1960年代一家名叫GerberScientific（现在叫GerberSystem）专业做绘图机的美国公司所发展出的格式，尔后二十年，营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OutputData，直接输入绘图机就可绘出Drawing或Film，因此GerberFormat成了电子业界的公认标准。B.RS-274D是GerberFormat的正式名称，正确称呼是EIASTANDARDRS-274D(ElectronicIndustriesAssociation)主要两大组成：1.FunctionCode：如Gcodes,Dcodes,Mcodes等。2.Coordinatedata：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-274XParameters，或称整个extendedGerberformat它以两个字母为组合，定义了绘图过程的一些特性。D.IPC-350IPC-350是IPC發展出來的一套neutralformat,可以很容易由PCBCAD/CAM產生,然後依此系統,PCBSHOP再產生NCDrillProgram,Netlist,並可直接輸入LaserPlotter繪製底片.E.LaserPlotter見圖2.1,輸入Gerberformat或IPC-350format以繪製ArtworkF.ApertureListandD-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图2.2图2.1表2.1Gerber资料代表意义X002Y002D02*移至(0.2,0.2),快门开关D11*选择Aperture2D03*闪现所选择ApertureD10*选择Aperture1X002Y0084D01*移至(0.2,0.84),快门开关D11*选择Aperture2D03*闪现所选择ApertureD10*选择Aperture1X0104Y0084D01*移至(1.04,0.84),快门开关D11*选择Aperture2D03*闪现所选择ApertureD12*选择Aperture3X0104Y0048D02*移至(1.04,0.48),快门开关D03*闪现所选择ApertureX0064Y0048D02*移至(0.64,0.48),快门开关D03*闪现所选择Aperture2.3.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PCBSHOP生产空板（BareBoard）时，必须提供下列数据以供制作。见表料号数据表-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.料号资料表项目内容格式1.料号资料(PartNumber)包含此料号的版别,更改历史,日期以及发行信息.和Drawing一起或另有一Text檔.2.工程图(Drawing)A.料号工程图:包括一些特殊需求,如原物料需求,特性阻抗控制,防焊,文字种类,颜色,尺寸容差,层次等.HPGL及PostScript.B.钻孔图:此图通常标示孔位及孔号.HPGL及PostScript.HPGL及PostScript.HPGL及PostScript.C.连片工程图:包含每一小片的位置,尺寸,折断边,工具孔相关规格,特殊符号以及特定制作流程和容差.D.迭合结构图:包含各导体层,绝缘层厚度,阻抗要求,总厚度等.3.底片资料(ArtworkData)A:线路层B:防焊层C:文字层Gerber(RS-274)4.ApertureList定义:各种pad的形状,一些特别的如thermalpad并须特别定义construction方法.Textfile文本文件5.钻孔资料ExcellonFormat定义:A:孔位置,B:孔号,C:PTH&NPTHD:盲孔或埋孔层6.钻孔工具档定义:A:孔径,B:电镀状态,C:盲埋孔D:檔名Textfile文本文件7.Netlist资料定义线路的连通IPC-356or其它从CAD输出之各种格式8.制作规范1.指明依据之国际规格,如IPC,MIL2.客户自己PCB进料规范3.特殊产品必须meet的规格如PCMCIATextfile文本文件B.原物料需求（BOM-BillofMaterial）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（Copperfoil）、防焊油墨（SolderMask）、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。C.上述乃属新资料的审查,审查完毕进行样品的制作.若是旧资料,则须Check有无户ECO(EngineeringChangeOrder),然后再进行审查.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（排版优化，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、间接原物料约占总成本30~60%，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,piece间最小尺寸,以及板边留做工具或对位系统的最小尺寸。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。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(FlowChart)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图2.3图2.4多层盲/埋孔制程B.CAD/CAM作业a.将GerberData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PCBCAM系统可接受IPC-350的格式。部份CAM系统可产生外型NCRouting档，不过一般PCBLayout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NCRouter,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thermalpad等。着手设计时，Aperturecode和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Checklist依据