PCB制造之内层板加工工艺

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pcblay-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.PrintandEtch發料→對位孔→銅面處理→影像轉移→蝕刻→剝膜B.Post-etchPunch發料→銅面處理→影像轉移→蝕刻→剝膜→工具孔C.DrillandPanel-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(buriedhole)設計時的流程,將在20章介紹.本章則探討第二種(Post-etchPunch)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(SilkScreenPrinting)－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(ThickFilm)的混成電路(HybridCircuit)、晶片電阻(ChipResist)、及表面黏裝(SurfaceMounting)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(Peelableink)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(ScreenPrinting)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PlainWeave.(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),Halfheavyduty(H),Heavyduty(HD),Superheavyduty(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(DirectStencil)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(IndirectStencil)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ShoreA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(OffContactDistance)(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datasheet,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checklist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Breakpoint維持50~70%,溫度30+_2,須autodosing.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(PolyVinylchloride)或PP(PolyPropylene)。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etchingfactor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+。金屬銅可在銅溶液中被氧化而溶解，見下面反應式（1）Cu°+Cu++→2Cu+-------------(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+2HCl2H2CuCl3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etchingfactor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Autodosing設備,以維持蝕銅速率,控制因子有五:1.比重2.HCl3.H2O24.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