PCB材质与制造流程

PCB制造流程及說明1PCB制造流程一.PCB演变1.1PCB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。1.2PCB的演变1.早于1903年Mr.AlbertHanson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1.22.至1936年，DrPaulEisner真正发明了PCB的制作技术，也发表多项专利。而今日之print-etch(photoimagetransfer)的技术，就是沿袭其发明而来的。1.3PCB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、Polyamide、BT/Epoxy等皆属之。b.无机材质铝、CopperInver-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1.7D.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1.9PCB制造流程及說明2B.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。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，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PCB制造流程及說明3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发展出来的一套neutralformat,可以很容易由PCBCAD/CAM产生,然后依此系统,PCBSHOP再产生NCDrillProgram,Netlist,并可直接输入LaserPlotter绘制底片.E.LaserPlotter见图2.1,输入Gerberformat或IPC350format以绘制ArtworkF.ApertureListandD-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2.12.3.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.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。PCB制造流程及說明4C.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(EngineeringChangeOrder).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(FlowChart)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2.4B.CAD/CAM作业PCB制造流程及說明5a.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checklist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.WorkingPanel排版注意事项：－PCBLayout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、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。PCB制造流程及說明6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workingPanel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（LaserPlotter）绘出底片。所须绘制的底片有内外层之线路，外层之防焊，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NCRouting程序一般须另行处理e.DFM－Designformanufacturing.PCBlayout工程师大半不太了解，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