PCB技术与流程讲议_图文


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TONGJIANG

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PCB技術

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Traditional Multilayer Pattern Plating Process
Panel Cutting L2 L3 L4 L5 Post - Punching L2 L3 L4 L5 Outer-Layer D/F
L1 L2 L3 L4 L5 L6

Inner-Layer D/F L2 L3 L4 L5 Rivet L2 L3 L4 L5 Outer-Layer Developing
L1 L2 L3 L4 L5 L6

Inner-Layer Developing L2 L3 L4 L5 Lamination L1 L2 L3 L4 L5 L6 Pattern Plating
L1 L2 L3 L4 L5 L6

Inner-Layer Etching L2 L3 L4 L5 Outer-Layer Drilling
L1 L2 L3 L4 L5 L6

Inner-Layer Stripping L2 L3 L4 L5

Metalize &Panel Plating
L1 L2 L3 L4 L5 L6

D/F Stripping
L1 L2 L3 L4 L5 L6

Outer-Layer Etching
L1 L2 L3 L4 L5 L6

Tin-Lead Stripping
L1 L2 L3 L4 L5 L6

TDR Testing

Solder Mask Print
L1 L2 L3 L4 L5 L6

HAL or Entek
L1 L2 L3 L4 L5 L6

Punching or Routing

Cleaning

Electrical Testing

TDR Testing

F.Q.C.

Packing & Shipping

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Pictures of PCB during Pattern Plating Process

CCL AFTER PANEL CUTTING

PRE-TREATMENT BEFORE DRY-FILM LAMINATION

DRY FILM LAMINATION

CCL AFTER DRY FILM 2013-7-11 LAMINATION

CCL AFTER EXPOSURE

CCL AFTER DEVELOPING

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CCL AFTER COPPER ETCHING

CCL AFTER D/F STRIPPING

POST PUNCH FOR RIVET

CCL ON A.O.I. 2013-7-11

CCL AFTER BLACK-OXIDE TREATMENT

CCLs AFTER RIVET

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LAY UP OF CCLs AND PREPREG

LAY UP OF CCLs AND COPPER

PCB AFTER LAMINATION

WORKING PANEL ROUTING 2013-7-11

PCB EDGE BEVELING

LOADER OF PCB THICKNESS MEASUREMENT EQUIPMENT 6 TONGJIANG

PCB THICKNESS MEASUREMENT EQUIPMENT

DRILLING MACHINE

PCB AFTER EXTERNAL LAYER DRILLING

PTH AND PANEL PLATING LINE 2013-7-11

PCB AFTER PANEL PLATING

EXTERNAL LAYER D/F

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PCB AFTER PATTERN COPPER AND TIN PLATING

PCB AFTER D/F STRIPPING

PCB AFTER COPPER ETCHING

PCB AFTER TIN STRIPPING 2013-7-11

TDR Testing

PCB AFTER SOLDER MASK APPLIED 8

TONGJIANG

SURFACE TREATMENT (GOLD FINGER)

SURFACE TREATMENT
(HASL)

PANEL CNC ROUTING

ELECTRIC TESTING 2013-7-11

TDR Testing

PACKAGING

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Traditional Multilayer Tenting Process
Panel Cutting L2 L3 L4 L5 Post - Punching L2 L3 L4 L5 Outer-Layer D/F
L1 L2 L3 L4 L5 L6

Inner-Layer D/F L2 L3 L4 L5 Rivet L2 L3 L4 L5 Outer-Layer Developing
L1 L2 L3 L4 L5 L6

Inner-Layer Developing L2 L3 L4 L5 Lamination L1 L2 L3 L4 L5 L6 Outer-Layer Etching
L1 L2 L3 L4 L5 L6

Inner-Layer Etching L2 L3 L4 L5 Outer-Layer Drilling
L1 L2 L3 L4 L5 L6

Inner-Layer Stripping L2 L3 L4 L5

Metalize &Panel Plating
L1 L2 L3 L4 L5 L6

D/F Stripping
L1 L2 L3 L4 L5 L6

TDR Testing

Solder Mask Print
L1 L2 L3 L4 L5 L6

HAL or Entek
L1 L2 L3 L4 L5 L6

Punching or Routing

Cleaning

Electrical Testing

TDR Testing

F.Q.C. Packing & Shipping

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Pictures of PCB during Tenting Process

CCL AFTER PANEL CUTTING

PRE-TREATMENT BEFORE DRY-FILM LAMINATION

DRY FILM LAMINATION

CCL AFTER DRY FILM 2013-7-11 LAMINATION

CCL AFTER EXPOSURE

CCL AFTER DEVELOPING

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CCL AFTER COPPER ETCHING

CCL AFTER D/F STRIPPING

POST PUNCH FOR RIVET

CCL ON A.O.I. 2013-7-11

CCL AFTER BLACK-OXIDE TREATMENT

CCLs AFTER RIVET

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LAY UP OF CCLs AND PREPREG

LAY UP OF CCLs AND COPPER

PCB AFTER LAMINATION

WORKING PANEL ROUTING 2013-7-11

PCB EDGE BEVELING

LOADER OF PCB THICKNESS MEASUREMENT EQUIPMENT13

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PCB THICKNESS MEASUREMENT EQUIPMENT

DRILLING MACHINE

PCB AFTER EXTERNAL LAYER DRILLING

PTH AND PANEL PLATING LINE 2013-7-11

PCB AFTER PANEL PLATING

EXTERNAL LAYER D/F

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PCB AFTER COPPER ETCHING

PCB AFTER D/F STRIPPING

TDR Testing

PCB AFTER SOLDER MASK APPLIED 2013-7-11

SURFACE TREATMENT (GOLD FINGER)

SURFACE TREATMENT (HASL)

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PANEL CNC ROUTING

ELECTRIC TESTING

TDR Testing

PACKAGING 2013-7-11

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第一章. PCB演變

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1.1 PCB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。 1.2 PCB的演變 1.早於1903年Mr. Albert Hanson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。 2. 至1936年,Dr Paul Eisner真正發明了PCB的製作技術。

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1.3 PCB種類及製法 在材料、層次、製程上的多樣化以適 合 不同的電子產 品及其特殊需求。 以下就歸納一些通用的區別辦法,來簡單 介紹PCB的分類以及它的製造方 法。 1.3.1 PCB種類 A. 以材質分 a. 有機材質 酚醛樹脂、玻璃纖維/環氧樹脂、Polyimide、 BT/Epoxy等皆屬之。 b. 無機材質 鋁、Copper-invar-copper、ceramic等皆屬之。主 要取其散熱功能 B. 以成品軟硬區分 a.硬板 Rigid PCB b.軟板 Flexible PCB c.軟硬板 Rigid-Flex PCB
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C. 以結構分
a.單面板 b.雙面板 c.多層板

D. 依用途分:通信/耗用性電子/軍用/電腦/半導體/電測 板…,BGA. 另有一種射出成型的立體PCB,因使用少,不在此介紹。 1.3.2製造方法介紹

A. 減除法
B. 加成法,又可分半加成與全加成法 C. 尚有其它因應IC封裝的變革延伸而出的一些先進製程,僅提及 但不詳加介紹,因有許多尚屬機密也不易取得,或者成熟度尚不夠。 以傳統負片多層板的製程為主軸,深入淺出的介紹各個製程,再輔 以先進技術的觀念來探討未來的PCB走勢。

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第二章.製前準備

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2.1.前言 台灣PCB產業屬性,幾乎是以OEM,也就是受客戶委托製作空板 (Bare Board)而已,不像美國,很多PCB Shop是包括了線路設 計,空板製作以及裝配(Assembly)的Turn-Key業務。以前,只要 客戶提供的原始資料如Drawing, Artwork, Specification,再 以手動翻片、排版、打帶等作業,即可進行製作,但近年由於電 子產品日趨輕薄短小,PCB的製造面臨了幾個挑戰:(1)薄板(2) 高密度(3)高性能(4)高速 ( 5 ) 產品週期縮短(6)降低成 本等。以往以燈桌、筆刀、貼圖及照相機做為製前工具,現在己 被電腦、工作軟體及鐳射繪圖機所取代。過去,以手工排版,或 者還需要Micro-Modifier來修正尺寸等費時耗工的作業,今天只 要在CAM(Computer Aided Manufacturing)工作人員取得客戶的 設計資料,可能幾小時內,就可以依設計規則或DFM(Design For Manufacturing)自動排版並變化不同的生產條件。同時可以 output 如鑽孔、成型、測試治具等資料。

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2.2.相關名詞的定義與解說 A Gerber file 這是一個從PCB CAD軟體輸出的資料檔做為光繪圖語言。1960 年代一家名叫Gerber Scientific(現在叫Gerber System)專 業做繪圖機的美國公司所發展出的格式,爾後二十年,行銷於 世界四十多個國家。幾乎所有CAD系統的發展,也都依此格式 作其Output Data,直接輸入繪圖機就可繪出Drawing或Film, 因此Gerber Format成了電子業界的公認標準。 B. RS-274D

是Gerber Format的正式名稱,正確稱呼是EIA STANDARD RS-274D(Electronic Industries Association)主要兩大組成: 1.Function Code:如G codes, D codes, M codes 等。 2.Coordinate data:定義圖像(imaging)
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C. RS-274X 是RS-274D的延伸版本,除RS-274D之Code 以外,包括 RS-274X Parameters,或稱整個extended Gerber format它 以兩個字母為組合,定義了繪圖過程的一些特性。 D. IPC-350 IPC-350是IPC發展出來的一套neutral format,可以很容 易由PCB CAD/CAM產生,然後依此系統,PCB SHOP 再產生NC Drill Program,Netlist,並可直接輸入Laser Plotter繪製底 片.

E. Laser Plotter
輸入Gerber format或IPC 350 format以繪製Artwork F. Aperture List and D-Codes
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2.3.製前設計流程: 2.3.1客戶必須提供的資料:

子廠或裝配工廠,委託PCB SHOP生產空板(Bare Board)時, 必須提供下列資料以供製作。料號資料表-供製前設計使用. 有 時客戶會提供一片樣品, 一份零件圖,一份保證書(保證製程 中使用之原物料、耗料等不含某些有毒物質)等。這些額外資 料,廠商須自行判斷其重要性,以免誤了商機。
2.3.2 .資料審查 面對這麼多的資料,製前設計工程師接下來所要進行的工 作程序與重點,如下所述。 A. 審查客戶的產品規格,是否廠內製程能力可及,審查項 目見承接料號製程能力檢查表.

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B.原物料需求(BOM-Bill of Material)
根據上述資料審查分析後,由BOM的展開,來決定原物 料的廠牌、種類及規格。主要的原物料包括了:基板 (Laminate)、膠片(Prepreg)、銅箔(Copper foil)、 防焊油墨(Solder Mask)、文字油墨(Legend)等。另外 客戶對於Finish的規定,將影響流程的選擇,當然會有不同的 物料需求與規格,例如:軟、硬金、噴鍚、OSP等。歸納客 戶規範中,可能影響原物料選擇的因素。 C. 上述乃屬新資料的審查, 審查完畢進行樣品的製作.若是 舊資料,則須Check有無ECO (Engineering Change Order) , 然後再進行審查.

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D.排版 排版的尺寸選擇將影響該料號的獲利率。因為基板是主 要原料成本(排版最佳化,可減少板材浪費);而適當排版 可提高生產力並降低不良率。有些工廠認為固定某些工作尺 寸可以符合最大生產力,但原物料成本增加很多.下列是一 些考慮的方向: 一般製作成本,直、間接原物料約佔總成本30~60%,包含了 基板、膠片、銅箔、防焊、乾膜、鑽頭、重金屬(銅、鍚、 鉛),化學耗品等。而這些原物料的耗用,直接和排版尺寸 恰當與否有關係。大部份電子廠做線路Layout時,會做連片 設計,以使裝配時能有最高的生產力。因此,PCB工廠之製 前設計人員,應和客戶密切溝通,以使連片Layout的尺寸能 在排版成工作PANEL時可有最佳的利用率。要計算最恰當的 排版,須考慮以下幾個因素。
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a.基材裁切最少刀數與最大使用率(裁切方式與磨邊處理 須考慮進去)。
b.銅箔、膠片與乾膜的使用尺寸與工作PANEL的尺寸須搭 配良好,以免浪費。 c.連片時,piece間最小尺寸,以及板邊留做工具或對位 系統的最小尺寸。

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。

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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(Flow Chart) 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. B. CAD/CAM作業 a. 將Gerber Data 輸入所使用的CAM系統,此時須將 apertures和shapes定義好。目前,己有很多PCB CAM系統可接受 IPC-350的格式。部份CAM系統可產生外型NC Routing 檔,不過一 般PCB Layout設計軟體並不會產生此檔。 有部份專業軟體或獨立 或配合NC Router,可設定參數直接輸出程式. Shapes 種類有圓、正方、長方,亦有較複雜形狀,如內層之 thermal pad等。著手設計時,Aperture code和shapes的關連要 先定義清楚,否則無法進行後面一系列的設計。
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b. 設計時的Check list
依據check list審查後,當可知道該製作料號可能的良 率以及成本的預估。

c. Working Panel排版注意事項:
-PCB Layout工程師在設計時,為協助提醒或注意某些事 項,會做一些輔助的記號做參考,所以必須在進入排版前,將 之去除。下表列舉數個項目,及其影響。 -排版的尺寸選擇將影響該料號的獲利率。因為基板是主 要原料成本(排版最佳化,可減少板材浪費);而適當排版可 提高生產力並降低不良率。有些工廠認為固定某些工作尺寸可 以符合最大生產力,但原物料成本增加很多.下列是一些考慮的 方向:

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一般製作成本,直、間接原物料約佔總成本30~60%,包含了基板、 膠片、銅箔、防焊、乾膜、鑽頭、重金屬(銅、鍚、鉛、金), 化學耗品等。而這些原物料的耗用,直接和排版尺寸恰當與否有 關係。大部份電子廠做線路Layout時,會做連片設計,以使裝配 時能有最高的生產力。因此,PCB工廠之製前設計人員,應和客戶 密切溝通,以使連片Layout的尺寸能在排版成工作PANEL時可有最 佳的利用率。要計算最恰當的排版,須考慮以下幾個因素。
1.基材裁切最少刀數與最大使用率(裁切方式與磨邊處理須 考慮進去)。 2.銅箔、膠片與乾膜的使用尺寸與工作PANEL的尺寸須搭配良 好,以免浪費。

3.連片時,piece間最小尺寸,以及板邊留做工具或對位系統 的最小尺寸。
4.各製程可能的最大尺寸限制或有效工作區尺寸.
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5 . 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。-進行working Panel的排版過程 中,尚須考慮下列事項,以使製程順暢,表排版注意事項 。 d. 底片與程式: -底片Artwork 在CAM系統編輯排版完成後,配合DCode檔案,而由雷射繪圖機(Laser Plotter)繪出底片。 所須繪製的底片有內外層之線路,外層之防焊,以及文字 底片。

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由於線路密度愈來愈高,容差要求越來越嚴謹,因此底片 尺寸控制,是目前很多PCB廠的一大課題。表是傳統底片與 玻璃底片的比較表。玻璃底片使用比例已有提高趨勢。而底 片製造商亦積極研究替代材料,以使尺寸之安定性更好。例 如乾式做法的鉍金屬底片. 一般在保存以及使用傳統底片應注意事項如下: 1.環境的溫度與相對溫度的控制 2.全新底片取出使用的前置適應時間 3.取用、傳遞以及保存方式 4.置放或操作區域的清潔度 -程式 含一,二次孔鑽孔程式,以及外形Routing程 式,其中NC Routing程式一般須另行處理
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e. DFM-Design for manufacturing .Pcb lay-out 工程師大半不太了解PCB製作流程以及各製程需要 注意的事項,所以在Lay-out線路時,僅考慮電性、 邏輯、尺寸等,而甚少顧及其它。PCB製前設計工 程師因此必須從生產力,良率等考量而修正一些線 路特性,如圓形接線PAD修正成淚滴狀,為的是製 程中PAD一孔對位不準時,尚能維持最小的墊環寬 度。但是製前工程師的修正,有時卻會影響客戶產 品的特性甚或性能,所以不得不謹慎。PCB廠必須 有一套針對廠內製程上的特性而編輯的規範除了改 善產品良率以及提昇生產力外,也可做為和PCB線 路Lay-out人員的溝通語言.
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C. Tooling
指AOI與電測Netlist檔..AOI由CAD reference檔產生 AOI系統可接受的資料、且含容差,而電測Net list檔則 用來製作電測治具Fixture。 2.4 結語 頗多公司對於製前設計的工作重視的程度不若製程,這 個觀念一定要改,因為隨著電子產品的演變,PCB製作的技 術層次愈困難,也愈須要和上游客戶做最密切的溝通,現在 已不是任何一方把工作做好就表示組裝好的產品沒有問題, 產品的使用環境, 材料的物,化性, 線路Lay-out的電性, PCB的信賴性等,都會影響產品的功能發揮.所以不管軟體, 硬體,功能設計上都有很好的進展,人的觀念也要有所突破 才行.
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第三章. 基板

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印刷電路板是以銅箔基板( Copper-clad Laminate 簡 稱CCL )做為原料而製造的電器或電子的重要機構元件,故 從事電路板之上下游業者必須對基板有所瞭解:有那些種類 的基板,它們是如何製造出來的,使用於何種產品, 它們各 有那些優劣點,如此才能選擇適當的基板.表3.1簡單列出不 同基板的適用場合.

基板工業是一種材料的基礎工業, 是由介電層(樹脂 Resin ,玻璃纖維 Glass fiber ),及高純度的導體 (銅 箔 Copper foil )二者所構成的複合材料( Composite material),其所牽涉的理論及實務不輸於電路板本身的 製作。 以下即針對這二個主要組成做深入淺出的探討.

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3.1介電層 3.1.1樹脂 Resin 3.1.1.1前言
目前已使用於線路板之樹脂類別很多,如酚醛樹脂 ( Phenolic )、環氧樹脂( Epoxy )、聚亞醯胺樹脂 ( Polyimide )、聚四氟乙烯(Polytetrafluorethylene,簡 稱PTFE或稱TEFLON),B一三氮 樹脂(Bismaleimide Triazine 簡稱 BT )等皆為熱固型的樹脂(Thermosetted Plastic Resin)。 3.1.1.2 酚醛樹脂 Phenolic Resin 是人類最早開發成功而又商業化的聚合物。是由液態的酚 (phenol)及液態的甲醛( Formaldehyde 俗稱Formalin )兩 種便宜的化學品, 在酸性或鹼性的催化條件下發生立 體架橋( Crosslinkage )的連續反應而硬化成為固態的合成材 料。其反應化學式見圖3.1
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1910 年有一家叫 Bakelite 公司加入帆布纖維而做成一 種堅硬強固,絕緣性又好的材料稱為 Bakelite,俗名為電木板 或尿素板。

美 國 電 子 製 造 業 協 會 ( NEMA-Nationl Electrical Manufacturers Association) 將不同的組合冠以不同的編號 代字而為業者所廣用, 現將酚醛樹脂之各產品代字列表,如表 NEMA 對於酚醛樹脂板的分類及代碼 表中紙質基板代字的第一個 "X" 是表示機械性用途,第二 個 "X" 是表示可用電性用途。 第三個 "X" 是表示可用有無線 電波及高濕度的場所。 "P" 表示需要加熱才能沖板子 ( Punchable ),否則材料會破裂, "C" 表示可以冷沖加工 ( cold punchable ),"FR" 表示樹脂中加有不易著火的物 質使基板有難燃 (Flame Retardent) 或抗燃(Flame resistance) 性。

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紙質板中最暢銷的是XXXPC及FR-2.前者在溫度25 ℃ 以上,厚 度在.062in以下就可以沖製成型很方便,後者的組合與前完全相 同,只是在樹脂中加有三氧化二銻增加其難燃性。以下介紹幾個 較常使用紙質基板及其特殊用途: A 常使用紙質基板
a. XPC Grade:通常應用在低電壓、低電流不會引起火源的 消費性電子產品, 如玩具、手提收音機、電話機、計算機、遙 控器及鐘錶等等。UL94對XPC Grade 要求只須達到HB難燃等級即 可。 b. FR-1 Grade:電氣性、難燃性優於XPC Grade,廣泛使用 於電流及電壓比XPC Grade稍高的電器用品,如彩色電視機、監 視器、VTR、家庭音響、洗衣機及吸塵器等等。UL94要求FR-1難 燃性有V-0、V-1與V-2不同等級,不過由於三種等級板材價位差 異不大,而且考慮安全起見,目前電器界幾乎全採用V-0級板材。

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c. FR-2 Grade:在與FR-1比較下,除電氣性能要求稍高外,其 他物性並沒有特別之處,近年來在紙質基板業者努力研究改進FR-1 技術,FR-1與FR-2的性質界線已漸模糊,FR-2等級板材在不久將來 可能會在偏高價格因素下被FR-1 所取代。 B. 其他特殊用途:
a. 銅鍍通孔用紙質基板 主要目的是計劃取代部份物性要求並不高的FR-4板材,以便 降低PCB的成 本. b. 銀貫孔用紙質基板 時下最流行取代部份物性要求並不很高的FR-4作通孔板材, 就是銀貫孔用 紙質基板印刷電路板兩面線路的導通,可直接借由 印刷方式將銀膠(Silver Paste) 塗佈於孔壁上,經由高溫硬化, 即成為導通體,不像一般FR-4板材的銅鍍通 孔,需經由活化、化 學銅、電鍍銅、錫鉛等繁雜手續。
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b-1 基板材質

1) 尺寸安定性:
除要留意X、Y軸(纖維方向與橫方向)外,更要注意Z軸 (板材厚度方向),因熱脹冷縮及加熱減量因素容易造成銀膠導 體的斷裂。 2) 電氣與吸水性: 許多絕緣體在吸濕狀態下,降低了絕 緣性,以致提供金屬在電位差趨動力下 發生移行的現象,FR-4 在尺寸安性、電氣性與吸水性方面都比FR-1及XPC 佳,所以生 產銀貫孔印刷電路板時,要選用特製FR-1及XPC的紙質基板 .板 材。 b.-2 導體材質

1) 導體材質 銀及碳墨貫孔印刷電路的導電方式是利用銀 及石墨微粒鑲嵌在聚合體內, 藉由微粒的接觸來導電,而銅鍍 通孔印刷電路板,則是借由銅本身是連貫的 結晶體而產生非常 順暢的導電性。
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2) 延展性: 銅鍍通孔上的銅是一種連續性的結晶體,有非常良 好的延展性,不會像銀、 碳墨膠在熱脹冷縮時,容易發生 界面的分離而降低導電度。 3) 移行性: 銀、銅都是金屬材質,容易發性氧化、還原作用造成 銹化及移行現象,因 電位差的不同,銀比銅在電位差趨動 力下容易發生銀遷移(Silver Migration)。

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c. 碳墨貫孔(Carbon Through Hole)用紙質基板. 碳墨膠油墨中的石墨不具有像銀的移行特性,石墨所擔當 的角色僅僅是作簡 單的訊號傳遞者,所以PCB業界對積層板除 了碳墨膠與基材的密著性、翹 曲度外,並沒有特別要求.石墨 因有良好的耐磨性,所以Carbon Paste最早期 是被應用來取 代Key Pad及金手指上的鍍金,而後延伸到扮演跳線功能。 碳 墨貫孔印刷電路板的負載電流通常設計的很低,所以業界大都 採用XPC 等級,至於厚度方面,在考慮輕、薄、短、小與印刷 貫孔性因素下,常通選 用0.8、1.0或1.2mm厚板材。 d. 室溫沖孔用紙質基板 其特徵是紙質基板表面溫度約40℃以下,即可作Pitch為 1.78mm的IC密 集孔的沖模,孔間不會發生裂痕,並且以減低 沖模時紙質基板冷卻所造成線 路精準度的偏差,該類紙質基板 非常適用於細線路及大面積的印刷電路板。
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e. 抗漏電壓(Anti-Track)用紙質基板
人類的生活越趨精緻,對物品的要求且也就越講就短小輕薄, 當印刷電路板 的線路設計越密集,線距也就越小,且在高功 能性的要求下,電流負載變大 了,那麼線路間就容易因發生 電弧破壞基材的絕緣性而造成漏電,紙質基板 業界為解決該 類問題,有供應採用特殊背膠的銅箔所製成的抗漏電壓 用紙 質基板

3.1.2 環氧樹脂 Epoxy Resin
是目前印刷線路板業用途最廣的底材。在液態時稱為清漆或 稱凡立水(Varnish) 或稱為 A-stage, 玻璃布在浸膠半乾 成膠片後再經高溫軟化液化而呈現黏著性而用於雙面基板製作 或多層板之壓合用稱 B-stage prepreg ,經此壓合再硬化而無 法回復之最終狀態稱為 C-stage。

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3.1.2.1傳統環氧樹脂的組成及其性質
用 於 基 板 之 環 氧 樹 脂 之 單 體 一 向 都 是 Bisphenol A 及 Epichlorohydrin 用 dicy 做為架橋劑所形成的聚合物。為了通過 燃 性 試 驗 ( Flammability test), 將 上 述 仍 在 液 態 的 樹 脂 再 與 Tetrabromo-Bisphenol A 反應而成為最熟知FR-4 傳統環氧樹脂。 現將產品之主要成份列於後: 單體 --Bisphenol A, Epichlorohydrin

架橋劑(即硬化劑) -雙氰 Dicyandiamide簡稱Dicy
速化劑 ( Accelerator)--Benzyl-Dimethylamine ( BDMA ) 及 2 Methylimidazole ( 2-MI )

溶 劑 - - Ethylene glycol monomethyl ether( EGMME ) Dimethyl formamide (DMF) 及稀釋劑 Acetone ,MEK。
填充劑(Additive) --碳酸鈣、矽化物、 及氫氧化鋁 或 化物等增 加難燃效果。 填充劑可調整其Tg.
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A. 單體及低分子量之樹脂
典型的傳統樹脂一般稱為雙功能的環氣樹脂 ( Difunctional Epoxy Resin),見圖3.2. 為了達到使用安 全的目的,特於樹脂的分子結構中加入溴原子,使產生部 份碳溴之結合而呈現難燃的效果。也就是說當出現燃燒的 條件或環境時,它要不容易被點燃,萬一已點燃在燃燒環 境消失後,能自己熄滅而不再繼續延燒。見圖3.3.此種難 燃材炓在 NEMA 規範中稱為 FR-4。(不含溴的樹脂在 NEMA 規範中稱為 G-10) 此種含溴環氧樹脂的優點很多如介電常 數很低,與銅箔的附著力很強,與玻璃纖維結合後之撓性 強度很不錯等。

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B. 架橋劑(硬化劑)
環 氧 樹 脂 的 架 橋 劑 一 向 都 是 Dicy, 它 是 一 種 隱 性 的 (latent) 催化劑 , 在高溫160℃之下才發揮其架橋作用, 常溫中很安定,故多層板 B-stage 的膠片才不致無法儲存。 但 Dicy 的 缺 點 卻 也 不 少 , 第 一 是 吸 水 性 (Hygroscopicity),第二個缺點是難溶性。溶不掉自然難以 在液態樹脂中發揮作用。早期的基板商並不瞭解下游電路板 裝配工業問題,那時的 dicy 磨的不是很細,其溶不掉的部 份混在底材中,經長時間聚集的吸水後會發生針狀的再結晶, 造成許多爆板的問題。當然現在的基板製造商都很清處它的 嚴重性,因此已改善此點. C. 速化劑 用以加速 epoxy 與 dicy 之間的架橋反應, 最常用的有兩 種即BDMA 及 2-MI。
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D. Tg 玻璃態轉化溫度 高分子聚合物因溫度之逐漸上升導致其物理性質漸起變化,由常 溫時之無定形或部份結晶之堅硬及脆性如玻璃一般的物質而轉成為 一種黏滯度非常高,柔軟如橡皮一般的另一種狀態。傳統 FR4 之 Tg 約在115-120℃之間,已被使用多年,但近年來由於電子產品各種性 能要求愈來愈高,所以對材料的特性也要求日益嚴苛,如抗濕性、抗 化性、抗溶劑性、抗熱性 ,尺寸安定性等都要求改進,以適應更廣泛 的用途, 而這些性質都與樹脂的 Tg 有關, Tg 提高之後上述各種性 質也都自然變好。例如 Tg 提高後, a.其耐熱性增強, 使基板在 X 及 Y 方向的膨脹減少,使得板子在受熱後銅線路與基材之間附著力 不致減弱太多,使線路有較好的附著力。 b.在 Z 方向的膨脹減小 後,使得通孔之孔壁受熱後不易被底材所拉斷。c. Tg 增高後,其 樹脂中架橋之密度必定提高很多使其有更好的抗水性及防溶劑性, 使板子受熱後不易發生白點或織紋顯露,而有更好的強度及介電性. 至於尺寸的安定性,由於自動插裝或表面裝配之嚴格要求就更為重要 了。因而近年來如何提高環氧樹脂之 Tg 是基板材所追求的要務。
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E. FR4 難燃性環氧樹脂
傳統的環氧樹脂遇到高溫著火後若無外在因素予以撲滅時, 會不停的一直燃燒下去直到分子中的碳氫氧或氮燃燒完畢為 止。若在其分子中以溴取代了氫的位置, 使可燃的碳氫鍵 化合物一部份改換成不可燃的碳溴鍵化合物則可大大的降低 其可燃性。此種加溴之樹脂難燃性自然增強很多,但卻降低 了樹脂與銅皮以及玻璃間的黏著力,而且萬一著火後更會放 出劇毒的溴氣,會帶來的不良後果。 3.1.2.2高性能環氧樹脂(Multifunctional Epoxy) 傳統的 FR4 對今日高性能的線路板而言已經力不從心了, 故有各種不同的樹脂與原有的環氧樹脂混合以提升其基板之 各種性質,

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A. Novolac 最 早 被 引 進 的 是 酚 醛 樹 脂 中 的 一 種 叫 Novolac 者 , 由 Novolac 與環氧氯丙烷所形成的酯類稱為 Epoxy Novolacs,見 圖3.4之反應式. 將此種聚合物混入 FR4 之樹脂, 可大大改善 其抗水性、抗化性及尺寸安定性, Tg 也隨之提高,缺點是酚醛 樹脂本身的硬度及脆性都很高而易鑽頭,加之抗化性能力增強, 對於因鑽孔而造成的膠渣 (Smear) 不易除去而造成多層板PTH製 程之困擾。 B. Tetrafunctional Epoxy 另一種常被添加於 FR4 中的是所謂 " 四功能的環氧樹脂 " (Tetrafunctional Epoxy Resin ).其與傳統 " 雙功能 " 環氧 樹脂不同之處是具立體空間架橋 ,見圖3.5,Tg 較高能抗較差的 熱環境,且抗溶劑性、抗化性、抗濕性及尺寸安定性也好很多, 而且不會發生像 Novolac那樣的缺點。最早是美國一家叫 Polyclad 的基板廠所引進的。四功能比起 Novolac來還有一種 優點就是有更好的均勻混合。
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為保持多層板除膠渣的方便起見,此種四功能的基板 在鑽孔後最好在烤箱中以 160 ℃烤 2-4 小時, 使孔壁露 出的樹脂產生氧化作用,氧化後的樹脂較容易被蝕除,而且 也增加樹脂進一步的架橋聚合,對後來的製程也有幫助。因 為脆性的關係, 鑽孔要特別注意.

上述兩種添加樹脂都無法溴化,故加入一般FR4中會降 低其難燃性. 3.1.2.3 聚亞醯胺樹脂 Polyimide(PI)

A. 成份
主要由Bismaleimide 及Methylene Dianiline 反應而 成的聚合物.
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B. 優點 電路板對溫度的適應會愈來愈重要,某些特殊高溫用途的板子, 已非環氧樹脂所能勝任,傳統式 FR4 的 Tg 約 120℃ 左右,即 使高功能的 FR4 也只到達 180-190 ℃,比起聚亞醯胺的 260 ℃ 還有一大段距離.PI在高溫下所表現的良好性質,如良好的撓性、 銅箔抗撕強度、抗化性、介電性、尺寸安定性皆遠優於 FR4。鑽 孔時不容易產生膠渣,對內層與孔壁之接通性自然比 FR4 好。 而且由於耐熱性良好,其尺寸之變化甚少,以X 及 Y方向之變化 而言,對細線路更為有利,不致因膨脹太大而降低了與銅皮之間 的附著力。就 Z 方向而言可大大的減少孔壁銅層斷裂的機會。 C. 缺點: a.不易進行溴化反應,不易達到 UL94 V-0 的難燃要求。 b.此種樹脂本身層與層之間,或與銅箔之間的黏著力較差, 不如環氧樹脂那麼強,而且撓性也較差。

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c.常溫時卻表現不佳,有吸濕性 (Hygroscopic), 而黏著性、 延性又都很差。 d.其凡立水(Varnish,又稱生膠水,液態樹脂稱之)中所使用的溶 劑之沸點較高,不易趕完,容易產生高溫下分層的現象。而且流動 性不好,壓合不易填 滿死角 。 e.目前價格仍然非常昂貴約為 FR4 的 2-3倍,故只有軍用板或 Rigid- Flex 板才用的起。 在美軍規範MIL-P-13949H中, 聚亞醯胺樹脂基板代號為GI. 3.1.2.4 聚四氟乙烯 (PTFE) 全名為 Polyterafluoroethylene ,分子式見圖3.7. 以之抽絲作 PTFE纖維的商品名為 Teflon 鐵弗龍 ,其最大的特點是阻抗很高 (Impedance) 對高頻微波 (microwave) 通信用途上是無法取代的, 美軍規範賦與 "GT"、"GX"、及 "GY" 三種材料代字,皆為玻纖補強 type,其商用基板是由3M 公司所製,目前這種材料尚無法大量投入 生產,其原因有:
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A. PTFE 樹脂與玻璃纖維間的附著力問題; 此樹脂很難 滲入玻璃束中,因其抗化性特強,許多濕式製程中都無法使 其反應及活化,在做鍍通孔時所得之銅孔壁無法固著在底材 上,很難通過 MILP-55110E 中 4.8.4.4 之固著強度試驗。 由於玻璃束未能被樹脂填滿,很容易在做鍍通孔時造成玻璃 中滲銅 (Wicking) 的出現,影響板子的可信賴度。
B. 此四氟乙烯材料分子結構,非常強勁無法用一般機械 或化學法加以攻擊, 做蝕回時只有用電漿法. C. Tg 很低只有 19 度 c, 故在常溫時呈可撓性, 也使 線路的附著力及尺寸安定性不好。

表為四種不同樹脂製造的基板性質的比較.

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3.1.2.5 BT/EPOXY樹脂
BT 樹 脂 也 是 一 種 熱 固 型 樹 脂 , 是 日 本 三 菱 瓦 斯 化 成 公 司 ( Mitsubishi Gas Chemical Co.) 在 1 9 8 0 年 研 製 成 功 。 是 由 Bismaleimide及Trigzine Resin monomer二者反應聚合而成。其 反應式見圖3.8。BT樹脂通常和環氧樹脂混合而製成基板。 A. 優點 a. Tg點高達180℃,耐熱性非常好,BT作成之板材,銅箔的抗 撕 強 度 ( peel Strength), 撓 性 強 度 亦 非 常 理 想 鉆 孔 後 的 膠 渣 (Smear)甚少 b. 可進行難燃處理,以達到UL94V-0的要求

c. 介質常數及散逸因數小,因此對於高頻及高速傳輸的電路板 非常有利。
d. 耐化性,抗溶劑性良好

e. 絕緣性佳
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B. 應用 a. COB設計的電路板 由於wire bonding過程的高溫,會使板 子表面變軟而致打線失敗。 BT/EPOXY高性能板材可克服此點。 b. BGA ,PGA, MCM-Ls等半導體封裝載板 半導體封裝測試中, 有兩個很重要的常見問題,一是漏電現象,或稱 CAF(Conductive Anodic Filament),一是爆米花現象(受濕氣及高溫衝 擊)。這兩點 也是BT/EPOXY板材可以避免的。 3.1.2.6 Cyanate Ester Resin 1970年開始應用於PCB基材,目前Ciba Geigy有製作此類樹脂。其反 應式如圖3.9。 A. 優點 a. Tg可達250℃,使用於非常厚之多層板 b. 極低的介電常數(2.5~3.1)可應用於高速產品。 B. 問題 a. 硬化後脆度高. b. 對濕度敏感,甚至可能和水起反應.
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3.1.2玻璃纖維
3.1.2.1前言 玻璃纖維(Fiberglass)在PCB基板中的功用,是作為補強材 料。基板的補強材料尚有其它種,如紙質基板的紙材, Kelvar(Polyamide聚醯胺)纖維,以及石英(Quartz)纖維。本 節僅討論最大宗的玻璃纖維。 玻璃(Glass)本身是一種混合物,其組成見表它是一些無機物 經高溫融熔合而成,再經抽絲冷卻而成一種非結晶結構的堅 硬物體。此物質的使用,已有數千年的歷史。做成纖維狀使 用則可追溯至17世紀。真正大量做商用產品,則是由OwenIllinois及Corning Glass Works兩家公司其共同的研究努力 後,組合成Owens-Corning Fiberglas Corporation於1939年 正式生產製造。
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3.1.2.2 玻璃纖維布 玻璃纖維的製成可分兩種,一種是連續式(Continuous)的 纖維另一種則是不連續式(discontinuous)的纖維前者即用 於織成玻璃布(Fabric),後者則做成片狀之玻璃蓆(Mat)。 FR4等基材,即是使用前者,CEM3基材,則採用後者玻璃蓆。 A. 玻璃纖維的特性 原始融熔態玻璃的組成成份不同,會影響玻璃纖維的特 性,不同組成所呈現的差異,表中有詳細的區別,而且各 有獨特及不同應用之處。按組成的不同(見表),玻璃的等 級可分四種商品:A級為高鹼性,C級為抗化性,E級為電子 用途,S級為高強度。電路板中所用的就是E級玻璃,主要 是其介電性質優於其它三種。

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-玻璃纖維一些共同的特性如下所述:
a.高強度:和其它紡織用纖維比較,玻璃有極高強度。在某些應用 上,其強度/重量比甚至超過鐵絲。 b.抗熱與火:玻璃纖維為無機物,因此不會燃燒 c.抗化性:可耐大部份的化學品,也不為黴菌,細菌的滲入及昆蟲 的功擊。 d.防潮:玻璃並不吸水,即使在很潮濕的環境,依然保持它的機械 強度。 e.熱性質:玻纖有很低的熬線性膨脹係數,及高的熱導係數,因此 在高溫環境下有極佳的表現。

f.電性:由於玻璃纖維的不導電性,是一個很好的絕緣物質的選擇。
PCB基材所選擇使用的E級玻璃,最主要的是其非常優秀的抗水性。因 此在非常潮濕,惡劣的環境下,仍然保有非常好的電性及物性一如尺寸 穩定度。

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3.2 銅箔(copper foil)
早期線路的設計粗粗寬寬的,厚度要求亦不挑剔,但演變 至今日線寬3,4mil,甚至更細(現國內已有工廠開發1 mil線 寬),電阻要求嚴苛.抗撕強度,表面Profile等也都詳加規定. 所以對銅箔發展的現況及驅勢就必須進一步了解. 3.2.1傳統銅箔

3.2.1.1輾軋法 (Rolled-or Wrought Method)
是將銅塊經多次輾軋製作而成,其所輾出之寬度受到 技術限制很難達到標準尺寸基板的要求 (3 呎*4呎) ,而且 很容易在輾製過程中造成報廢,因表面粗糙度不夠,所以與 樹脂之結合能力比較不好,而且製造過程中所受應力需要 做熱處理之回火軔化(Heat treatment or Annealing),故 其成本較高。
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A. 優點.
a. 延展性Ductility高,對FPC使用於動態環境下,信 賴度極佳.

b. 低 的 表 面 稜 線 Low-profile Surface, 對 於 一 些 Microwave電子應用是一利基.

B. 缺點. a. 和基材的附著力不好.

b. 成本較高.
c. 因技術問題,寬度受限.

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3.2.1.2 電鍍法 (Electrodeposited Method) 最常使用於基板上的銅箔就是ED銅.利用各種廢棄之電 線電纜熔解成硫酸銅鍍液,在殊特深入地下的大型鍍槽中, 陰陽極距非常短,以非常高的速度沖動鍍液,以 600 ASF 之高電流密度,將柱狀 (Columnar) 結晶的銅層鍍在表面 非常光滑又經鈍化的 (passivated) 不銹鋼大桶狀之轉胴 輪上(Drum),因鈍化處理過的不銹鋼胴輪上對銅層之附著 力並不好,故鍍面可自轉輪上撕下,如此所鍍得的連續銅 層,可由轉輪速度,電流密度而得不同厚度之銅箔,貼在轉 胴之光滑銅箔表面稱為光面(Drum side ), 另一面對鍍液 之粗糙結晶表面稱為毛面 (Matte side) .此種銅箔:

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A. 優點

a. 價格便宜.
b. 可有各種尺寸與厚度. B. 缺點. a. 延展性差, b. 應力極高無法撓曲又很容易折斷.

3.2.1.3 厚度單位
一般生產銅箔業者為計算成本, 方便訂價,多以每平方 呎之重量做為厚度之計算單位, 如1.0 Ounce (oz)的定義 是一平方呎面積單面覆蓋銅箔重量1 oz (28.35g)的銅層厚 度.經單位換算 35 微米 (micron)或1.35 mil. 一般厚度1 oz 及1/2 oz而超薄銅箔可達 1/4 oz,或更低.
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3.2.2 新式銅箔介紹及研發方向
3.2.2.1 超薄銅箔 一般所說的薄銅箔是指 0.5 oz (17.5 micron ) 以下, 表三種厚度則稱超薄銅箔 3/8 oz 以下因本身太薄很不容易操作故需要另加載體 (Carrier) 才能做各種操作(稱複合式copper foil),否則很 容易造成損傷。所用之載體有兩類,一類是以傳統 ED 銅箔 為載體,厚約2.1 mil.另一類載體是鋁箔,厚度約3 mil.兩者 使用之前須將載體撕離.

超薄銅箔最不易克服的問題就是 " 針孔 " 或 " 疏孔 "(Porosity),因厚度太薄,電鍍時無法將疏孔完全填滿.補 救之道是降低電流密度,讓結晶變細. 細線路,尤其是5 mil 以下更需要超薄銅箔,以減少蝕刻時的過蝕與側蝕.
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3.2.2.2 輾軋銅箔 對薄銅箔超細線路而言,導體與絕緣基材之間的接觸面 非常狹小,如何能耐得住二者之間熱膨脹係數的巨大差異而 仍維持足夠的附著力,完全依賴銅箔毛面上的粗化處理是不 夠的,而且高速鍍銅箔的結晶結構粗糙在高溫焊接時容易造 成 XY 的斷裂也是一項難以解決的問題。輾軋銅箔除了細晶 之外還有另一項長處那就是應力很低 (Stress)。ED 銅箔應 力高,但後來線路板業者所鍍上的一次銅或二次銅的應力就 沒有那麼高。於是造成二者在溫度變化時使細線容易斷製.因 此輾軋銅箔是一解決之途。若是成本的考量,Grade 2,E-Type 的 high-ductility或是Grade 2,E-Type HTE銅箔也是一種選 擇. 國際製造銅箔大廠多致力於開發ED細晶產品以解決此問 題

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3.2.2.3 銅箔的表面處理 A 傳統處理法 ED銅箔從Drum撕下後,會繼續下面的處理步驟:
a. Bonding Stage-在粗面(Matte Side)上再以高電流極短時 間內快速鍍上銅, 其長相如瘤,稱"瘤化處理""Nodulization"目 的在增加表面積,其厚度約 2000~4000A b. Thermal barrier treatments-瘤化完成後再於其上鍍一層 黃銅(Brass,是Gould 公司專利,稱為JTC處理),或鋅(Zinc是 Yates公司專利,稱為TW處理)。 也是鍍鎳處理其作用是做為耐熱 層。樹脂中的Dicy於高溫時會攻擊銅面而 生成胺類與水份,一旦 生水份時,會導致附著力降底。此層的作用即是防止 上述反應發 生,其厚度約500~1000A c. Stabilization-耐熱處理後,再進行最後的"鉻化處理 "(Chromation),光面與 粗面同時進行做為防污防銹的作用,也稱 "鈍化處理"(passivation)或"抗氧化 處理"(antioxidant)
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B新式處理法 a. 兩面處理(Double treatment)指光面及粗面皆做粗化處 理,嚴格來說,此法 的應用己有20年的歷史,但今日為降低多 層板的COST而使用者漸多. 在光面也進行上述的傳統處理方式, 如此應用於內層基板上,可以省掉壓 膜前的銅面理處理以及黑/ 棕化步驟。 美國一家Polyclad銅箔基板公司,發展出來的一種 處理方式,稱為DST 銅箔,其處理方式有異曲同工之妙。該法是 在光面做粗化處理,該面就壓 在膠片上,所做成基板的銅面為 粗面,因此對後製亦有幫助。 b. 矽化處理(Low profile) 傳統銅箔粗面處理其Tooth Profile (稜線) 粗糙度 (波峰波谷),不利於細 線路的製造 ( 影響just etch時間,造成over-etch),因此必須設法降低稜 線 的高度。上述Polyclad的DST銅箔,以光面做做處理,改善了 這個問題, 另外,一種叫"有機矽處理"(Organic Silane Treatment),加入傳統處理 方式之後,亦可有此效果。它同時 產生一種化學鍵,對於附著力有幫助。
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3.3.3 銅箔的分類

按 IPC-CF-150 將銅箔分為兩個類型,TYPE E 表電鍍銅箔, TYPE W 表輾軋銅箔,再將之分成八個等級, class 1 到 class 4 是電鍍銅箔,class 5 到 class 8 是輾軋銅箔.現將其型級及代 號分列於表
3.4 PP(膠片 Prepreg)的製作 "Prepreg"是"preimpregnated"的縮寫,意指玻璃纖維或其它 纖維浸含樹脂,並經部份聚合而稱之。其樹脂此時是B-stage。 Prepreg又有人稱之為"Bonding sheet" 3.4.1膠片製作流程 3.4.2製程品管 製造過程中,須定距離做Gel time, Resin flow, Resin Content的測試,也須做Volatile成份及Dicy成份之分析,以確保 品質之穩定。
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3.4.3 儲放條件與壽命 大部份EPOXY系統之儲放溫度要求在5℃以下,其壽命約在3~6 個月,儲放超出此時間後須取出再做3.3.2的各種分析以判定是否 可再使用。而各廠牌prepreg可參照其提供之Data sheet做為作業 時的依據。 3.4.4常見膠片種類,其膠含量及Cruing後厚度關係,見表 3.5基板的現在與未來

趨使基板不斷演進的兩大趨動力(Driving Force),一是極小 化(Miniaturization),一是高速化(或高頻化)。
3.5.1極小化

如分行動電話,PDA,PC卡,汽車定位及衛星通信等系統。 美國是尖端科技領先國家,從其半導體工業協會所預估在Chip及 Package 方面的未來演變-見表(a)與(b),可知基板面臨的挑戰頗 為艱辛。
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3.5.2高頻化 從個人電腦的演進,可看出CPU世代交替的速度愈來 愈快,消費者應接不應 暇,當然對大眾而言是好事。但 對PCB的製作卻又是進一步的挑戢。因為高頻化, 須要基 材有更低的Dk與Df值。 最後,表歸納出PCB一些特性的現 在與未來演變的指標。

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第四章.內層製作與檢驗

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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pcb lay-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.

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4.2 製作流程 依產品的不同現有三種流程 A. Print and Etch 發料→對位孔→銅面處理→影像轉移→蝕刻→剝膜

B. Post-etch Punch
發料→銅面處理→影像轉移→蝕刻→剝膜→工具孔 C. Drill and Panel-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(buried hole)設計時的流程, 將在20章介紹.本章則探討第二種( Post-etch Punch)製程-高 層次板子較普遍使用的流程.
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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。
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A. 須要銅面處理的製程有以下幾個
a. 乾膜壓膜 d. 化學銅前 b. 內層氧化處理前 e. 鍍銅前 c. 鉆孔後 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)
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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
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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。
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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(Silk Screen Printing)-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(Hybrid Circuit)、晶片電阻(Chip Resist )、及表面黏裝 (Surface Mounting)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(Peelable ink) 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.
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B. 絲網印刷法(Screen Printing)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 Plain Weave. (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),Half heavy duty(H),Heavy duty(HD),Super heavy duty(SHD)

圖4.2顯示印刷過程網布各元素扮演角色.

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b.網版(Stencil)的種類
(1).直接網版(Direct Stencil) 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(Indirect Stencil) 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.

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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:
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(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Shore A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。
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(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(Off Contact Distance)( 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 data sheet,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.
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(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 check list 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Break point 維持50~70% ,溫度30+_2,須 auto dosing.
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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(CuCl2)、 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
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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 (Poly Vinyl chloride)或PP (Poly Propylene)。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 etching factor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.
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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++→2 Cu+ ------------- (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:
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Cu° +
金屬銅

H2CuCl4 +
銅離子

2HCl →
CuCl2

2H2CuCl3 -------- (2)
亞銅離子 + 2HCl

其中H2CuCl4

實際是

2H2CuCl3

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 → CuCl + 2HCl → 2H2CuCl3 + CuCl (不溶) ---- (3) 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。

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1. 側蝕 (undercut ) 增大,或者etching factor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Auto dosing設備,以維持 蝕銅速率,控制因子有五:
1. 比重

2. HCl
3. H2O2 4. 溫度 5. 蝕刻速度

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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,其使用之化 學藥液多為NaOH或KOH濃 度在1~3%重量比。注意事項如下: A.硬化後之乾膜在此溶液下部份溶解,部份剝成片狀,為維持藥液 的效果及後水洗能徹底,過濾系統的效能非常重要. B.有些設備設計了輕刷或超音波攪拌來確保剝膜的徹底,尤其是在 外層蝕刻後 的剝膜, 線路邊被二次銅微微卡住的乾膜必須被徹底剝下, 以免影響線路 品質。所以也有在溶液中加入BCS幫助溶解,但有違環 保,且對人體有害。

C.有文獻指K(鉀)會攻擊錫,因此外層線路蝕刻前之剝膜液之選擇須 謹慎評 估。剝膜液為鹼性,因此水洗的徹底與否,非常重要,內層之 剝膜後有加 酸洗中和,也有防銅面氧化而做氧化處理者。

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4.2.5對位系統 4.2.5.1傳統方式
A. 四層板內層以三明治方式,將2.3層底片事先對準,黏貼於一壓條上 (和內層同厚), 緊貼於曝光檯面上,己壓膜內層則放進二底片間, 靠邊 即可進行曝光。見圖4.4 B. 內層先鑽(6層以上)粗對位工具孔(含對位孔及方向孔,板內監測孔 等), 再以雙面曝光方式進行內層線路之製作。兩者的對位度好壞,影響 成品良率極大,也是M/L對關鍵。 4.2.5.2蝕後沖孔(post Etch Punch)方式 A. Pin Lam理論 此方法的原理極為簡單,內層預先沖出4個Slot孔,見圖4.5 ,包括 底片, prepreq都沿用此沖孔系統,此4個SLOT孔,相對兩組,有一組不 對稱, 可防止套反。每個SLOT孔當置放圓PIN後,因受溫壓會有變形時, 仍能 自由的左右、上下伸展,但中心不變,故不會有應力產生。待冷卻, 壓力釋 放後,又回復原尺寸,是一頗佳的對位系統。

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B. Mass Lam System

沿用上一觀念Multiline發展出"蝕後沖孔"式的PPS系統, 其作業重點如下:
1 . 透 過 CAM 在 工 作 底 片 長 方 向 邊 緣 處 做 兩 " 光 學 靶 點 "(Optical Target)以及四 角落之pads見圖4.6 2.將上、下底片仔細對準固定後,如三明治做法,做曝 光、顯影蝕刻, 剝膜等步驟。

3.蝕刻後已有兩光學靶點的內層板,放進Optiline PE 機器上,讓CCD瞄準 該光學靶點,依各廠自行設定,沖出板 邊4個Slot孔或其它圖形工具孔。 如圖4.7 4.若是圓形工具孔、即當做鉚釘孔,內層黑化後,即可 以鉚釘將內層及膠片 鉚合成冊,再去進行無梢壓板。

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4.2.5.2各層間的對準度
A. 同心圓的觀念 a. 利用輔助同心圓,可check內層上、下的對位度 b. 不同內層同心圓的偏位表示壓合時候的Shift滑動 B. 設計原則

a.見圖4.8 所示
b.同心圓之設計,其間距為4mil,亦是各層間可容許 的對位偏差,若超出同心圓以外,則此片可能不良。 c.因壓合有Resin Cure過程故pattern必須有預先放大 的設計才能符合最終產品尺寸需求。

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4.3 內層檢測 AOI(簡單線路採目視) →電測→(修補)→確認 內層板線路 成完後,必須保證通路及絕緣的完整性(integrity),即如同單 面板一樣先要仔細檢查。因一旦完成壓合後,不幸仍有缺陷時, 則已為時太晚,對於高層次板子而言更是必須先逐一保證其各 層品質之良好,始能進行壓合, 由於高層板漸多,內層板的負 擔加重,且線路愈來愈細,萬一有漏失將會造成壓合後的昂貴 損失.傳統目視外,自動光學檢查(AOI)之使用在大廠中已非常 普遍, 利用電腦將原圖案牢記,再配合特殊波長光線的掃瞄, 而快速完成對各層板詳作檢查。但AOI有其極限,例如細斷路 及漏電(Leakage)很難找出,故各廠漸增加短、斷路電性測試。 AOI及測試後面有專題,在此不詳述. 內層製作至此完成, 下一流程為壓合.
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第五章.壓合

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5.1. 製程目的: 將銅箔(Copper Foil),膠片(Prepreg)與氧化處理(Oxidation)後的 內層線路板,壓合成多層基板.本章仍介紹氧化處理,但未來因成本及 縮短流程考量,取代製程會逐漸普遍. 5.2. 壓合流程,如下圖5.1: 5.3. 各製程說明 5.3.1 內層氧化處理(Black/Brown Oxide Treatment) 5.3.1.1 氧化反應

A. 增 加 與 樹 脂 接 觸 的 表 面 積 , 加 強 二 者 之 間 的 附 著 力 (Adhesion).
B. 增加銅面對流動樹脂之潤濕性,使樹脂能流入各死角而在硬 化後有更強的抓地力。 C. 在裸銅表面產生一層緻密的鈍化層(Passivation)以阻絕高溫 下液態樹脂中胺類(Amine)對銅面的影響。
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5.3.1.2. 還原反應
目的在增加氣化層之抗酸性,並剪短絨毛高度至恰當水準以使 樹脂易於填充並能減少粉紅圈( pink ring ) 的發生。

5.3.1.3. 黑化及棕化標準配方:
表一般配方及其操作條件 上表中之亞氯酸鈉為主要氧化劑,其餘二者為安定劑,其氧化反應式。

此三式是金屬銅與亞氯酸鈉所釋放出的初生態氧,先生成中間 體氧化亞銅,2Cu+[O] →Cu2O,再繼續反應成為氧化銅CuO,若反應 能徹底到達二價銅的境界,則呈現黑巧克力色之"棕氧化"層,若層膜 中尚含有部份一價亞銅時則呈現無光澤的墨黑色的"黑氧化"層。
5.3.1.4. 製程操作條件( 一般代表 ),典型氧化流程及條件。

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5.3.1.5 棕化與黑化的比較
A. 黑化層因液中存有高鹼度而雜有Cu2O,此物容易形成長針狀或 羽毛狀結晶。此種亞銅之長針在高溫下容易折斷而大大影響銅與樹 脂間的附著力,並隨流膠而使黑點流散在板中形成電性問題,而且也容 易出現水份而形成高熱後局部的分層爆板。棕化層則呈碎石狀瘤狀 結晶貼銅面,其結構緊密無疏孔,與膠片間附著力遠超過黑化層,不受 高溫高壓的影響,成為聚亞醯胺多層板必須的製程。 B. 黑化層較厚,經PTH後常會發生粉紅圈(Pink ring),這是因 PTH 中的微蝕或活化或速化液攻入黑化層而將之還原露出原銅色之故。 棕化層則因厚度很薄.較不會生成粉紅圈。內層基板銅箔毛面經鋅化 處理與底材抓的很牢,但光面的黑化層卻容易受酸液之側攻而現出銅 之原色,見圖5.2.

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C. 黑化因結晶較長厚度較厚故其覆蓋性比棕化要好,一般銅面 的瑕疪較容易蓋過去而能得到色澤 均勻的外表 。棕化則常因銅 面前處理不夠完美而出現斑駁不齊的外觀,常不為品管人員所認同。 不過處理時間長或溫度高一些會比較均勻。事實上此種外觀之不 均勻並不會影響其優良之剝離強度(Peel Strength). 一般商品常加 有厚度仰制劑(Self-Limiting)及防止紅圈之封護劑 (Sealer)使能耐 酸等,則棕化之性能會更形突出。
表5.4顯示同樣時間及溫度下,不同濃度氧化槽液,其氧化層顏色, 顆粒大小及厚度變化 5.3.1.6製程說明 內層板完成蝕刻後需用鹼液除去乾膜或油墨阻劑,經烘乾後要 做檢修,測試,之後才進入氧化製程。此製程主要有鹼洗、酸浸,微 蝕、預浸、氧化,還原,抗氧化及後清洗吹乾等步驟,現分述於後:

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A. 鹼性清洗- 也有使用酸洗.市售有多種專業的化藥,能清除 手指紋、油脂,scum或有機物。 B. 酸浸-調整板面PH,若之前為酸洗,則可跳過此步驟. C.微蝕- 微蝕主要目的是蝕出銅箔之柱狀結晶組織(grain structure)來增加表面積,增加氧化後對膠片的抓地力。通常此

一微蝕深度以50-70微英吋為宜。微蝕對棕化層的顏色均勻上 非常重要
D. 預浸中和- 板子經徹底水洗後,在進入高溫強鹼之氧化處 理前宜先做板面調整 ,使新鮮的銅面生成- 暗紅色的預處理,並 能檢查到是否仍有殘膜未除盡的亮點存在。

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E. 氧化處理-市售的商品多分為兩液,其一為氧化劑常含以亞 氯酸鈉為主,另一為氫氧化鈉及添加物,使用時按比例調配加水加 溫即可。通常氫氧化鈉在高溫及攪動下容易與空氣中的二氧化碳 形成碳酸鈉而顯現出消耗很多的情況,因鹼度的降低常使棕化的 顏色變淺或不均勻,宜分析及補充其不足。溫度的均勻性也是影 響顏色原因之一,加熱器不能用石英,因高溫強鹼會使矽化物溶解。 操作時最好讓槽液能合理的流動及交換。 F. 還原-此步驟的應用影響後面壓合成敗甚巨。
G. 抗氧化-此步驟能讓板子的信賴度更好,但視產品層次,不一 定都有此步驟. H. 後清洗及乾燥-要將完成處理的板子立即浸入熱水清洗,以 防止殘留藥液在空氣中乾涸在板面上而不易洗掉,經熱水徹底洗 淨後,才真正完工。
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5.3.1.7 設備 氧化處理並非製程中最大的瓶頸,大部分仍用傳統的浸 槽式獨臂或龍門吊車的輸送。所建立的槽液無需太大量,以 便於更換或補充,建槽材料以CPVC或PP都可以。

水平連續自動輸送的處理方式,對於薄板很適合,可解決 RACK及板彎翹的情形.水平方式可分為噴液法(Spray)及 溢流法(Flood),前者的設備昂貴,溫度控制不易,又因大量與 空氣混合造成更容易沉澱的現象,為縮短板子在噴室停留的 時間,氧化液中多加有加速劑(Accelerator)使得槽液不夠穩 定.溢流法使用者較多 .

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5.3.1.8氧化線生產品質控制重點
A.檢測方法及管制範圍 a.氧化量(o/w)之測定〔管制範圍:0.3±0.07(mg/cm2)〕

(1) 取一試片9cm×10cm 1oz規格厚度之銅片,隨流程做氧化 處理。
(2) 將氧化處理後之試片置於130℃之烤箱中烘烤10min.去除 水分,置於密閉容器冷卻至室溫,稱重得重量-w1(g)。 (3) 試片置於20%H2SO4中約10min去除氧化表層,重覆上一 步驟,稱重得重量-w2(g)

(4) 計算公式: O/W = (W1-W2/9×10×2)×1000
又稱weight gain,一般在In-processQC會用此法

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b.剝離強度( Peel Strength )之測定

(管制範圍:4~8 lb/in)

(1) 取一試片1oz規格厚度之銅箔基板,做氧化處理後圖-做疊板 ( lay up )後做壓合處理。 (2) 取一1cm寬之試片,做剝離拉力測試,得出剝離強度( 依使 用設備計算 ). c.蝕刻銅量(Etch Amount) 之測定(管制範圍:70±30u in) (1) 取一試片9cm×10cm 1oz規格厚度之銅片,置於130℃之烤 箱中烘烤10min去除水份,置於密閉容器中冷卻至室溫,稱重量得 -w1(g) (2) 將試片置於微蝕槽中約2'18"(依各廠實際作業時間),做水洗 處理後,重覆上一個步驟,稱得重量-w2(g)。 (3) 計算公式: d.氧化後抽檢板子以無亮點為判斷標準
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5.3.2 疊板 進壓合機之前,需將各多層板使用原料準備好,以便疊板 (Lay-up)作業.除已氧化處理之內層外,尚需膠片(Prepreg),銅 箔(Copper foil),以下就敘述其規格種類及作業:

5.3.2.1 P/P(Prepreg)之規格
P/P的選用要考慮下列事項: -絕緣層厚度 -內層銅厚 -樹脂含量

-內層各層殘留銅面積
-對稱

最重要還是要替客戶節省成本
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P/P主要的三種性質為:膠流量(Resin Flow)、膠化時間(Gel time) 及膠含量(Resin Content)其進料測試方式及其他特性介紹如下所 述: A. 膠流量(Resin Flow) 1.流量試驗法Flow test-與經緯斜切截取4吋見方的膠片四張 精稱後再按原經向對經向或 緯 對緯的上下疊在一起,在已預熱到 170°±2.8°之壓床用200±25PSI去壓10分鐘,待其熔 合 及冷卻 後,在其中央部份沖出直徑3.192吋的圓片來,精稱此圓片重量,然後 計算膠流之百分流量為: 式中分子相減之差即表示流出去的膠量,因原面積為16m2,而壓後 所沖之圓片面積為(3.196÷ 2)2× 3.14×2=16.045m2, 故可以解釋為壓後圓片以外的東西是"流"出去的 。
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2,比例流量Scaled flow test-是指面積大時用大的壓力強
度,面積小時用小的壓力強度其作法 是正切膠片成 7in×5.5in之樣片並使 7in長向與原捲之經向平行 ,薄膠片 (104,106,108)者要 18-20張,中度者(12.113.116)切10張,比116 更厚者就不太準了。熱板先預熱到150°±20 ℃並加上脫膜

紙,將膠放上以31PSI或840磅±5%在8吋見方的壓床上壓
10±1分鐘,冷卻後 對角切開,並以測微卡尺量對角線的厚度, 其計算如下:

ho=[Wo/n(5.54×10-2)-Wg]×21.2×10-2
ho-每張膠片原應有的厚度,Wo-原樣片的總重,Wg-

單位面積上之玻璃布重(g/in2),n-張數。
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B.膠化時間 (Gel time or Tack Time)
膠片中的樹脂為半硬化的 B-Stage 材料,在受到高溫後即會軟化及 流動,經過一段軟化而流動的時間後,又逐漸吸收能量而發生聚合反應 使得黏度增大再真正的硬化成為 C-Stage 材料。上述在壓力下可以流 動的時間,或稱為可以做趕氣及填隙之工作時間,稱為膠化時間或可流 膠時間。當此時段太長時會造成板中應有的膠流出太多,不但厚度變薄 浪費成本而且造成銅箔直接壓到玻璃上使結構強度及抗化性不良。但 此時間太短時則又無法在趕完板藏氣体之前因黏度太大無法流動而形 成氣泡(air bubble)現象。 C. 膠含量 (Resin Content) 是指膠片中除了玻璃布以外之膠所占之重量比。可以用以下兩種 方法測量之 c-1燒完法 (Burn Out) 其他尚有注意事項如下
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c-2處理重量法 (Treated Weight)

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D. 用偏光鏡 (Polarizing Filter) 檢查膠片中的硬化劑 dicy 是否大量的集中, 以防其發生再結晶現象, 因再結晶後會吸水 則會有爆板的危險。將膠片在光源經兩片互相垂直的偏光鏡 而可以看到膠片中的dicy 的集中再結晶現象。
E. 檢查膠片中的玻璃紗束數目是否正確, 可將膠片放在 焚爐中在540℃下燒15分鐘除去樹脂露出玻璃布,在 20X 顯微 鏡下計數每吋中的經緯紗束是否合乎規範。 F. 揮發成份 (Volatile), 在膠片捲上斜切下4 吋×4 吋的樣 片 4 片, 在天平上精稱到 1mg, 然後置入163 °±2.8℃通風良 好的烤箱中烤15 ±1分鐘, 再取出放入密閉的乾燥皿中冷到 室 溫,再迅速重稱烤後重量。其失重與原重之比值以百分法 表示之即為揮發成份含量。
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5.3.2.2. P/P的切割 ,見圖5.3 機械方向就是經向,可要求廠商於不同Prepreg膠卷側邊 上不同顏色做為辨識 5.3.2.3 銅箔規格 詳細銅箔資料請見'基板'章節 ,常見銅箔厚度及其重要 規格表。 5.3.2.4 疊板作業

壓板方式一般區分兩種:一是Cap-lamination,一是Foillamination,本節僅討論Foil-lamination.

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A. 組合的原則
組合的方法依客戶之規格要求有多種選擇,考量對稱,銅厚,樹脂含量, 流量等以最低成本達品質要求: (a) 其基本原則是兩銅箔或導體層間的絕緣介質層至少要兩張膠片所 組成,而且其壓合後之厚度不得低於3.5 mil(已有更尖端板的要求更薄於 此),以防銅箔直接壓在玻璃布上形成介電常數太大之絕緣不良情形,而且 附著力也不好。 (b) 為使流膠能夠填滿板內的空隙 ,又不要因膠量太多造成偏滑或以 後Z方向的過度膨脹,與銅面接觸的膠片,其原始厚度至少要銅厚的兩倍 以上才行。最外層與次外層至少要有5 mil以保證 絕緣的良好。 (c) 薄基板及膠片的經緯方向不可混錯,必須經對經,緯對緯,以免造成 後來的板翹板扭無法補救的結果。膠片的張數一定要上下對稱,以平衡 所產生的應力。少用已經硬化C-Stage的材料來墊補厚度,此點尤其對厚 多層板最為要緊,以防界面處受熱後分離。在不得及使用時要注意其水 份的烘烤及表面的粗化以增附著力。

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(d) 要求阻抗 (Impedance)控制的特殊板,應改用低稜線

(Low Profile)的銅箔,使其毛面(Matte side)之峰谷間垂直相 差在6微米以下,傳統銅皮之差距則達12微米。使用薄銅箔 時與其接壤的膠片流量不可太大,以防無梢大面積壓板後可 能發常生的皺折(Wrinkle)。銅箔疊上後要用除塵布在光面 上輕輕均勻的擦動,一則趕走空氣減少皺折,二則消除銅面 的雜質外物減少後來板面上的凹陷。但務必注意不可觸及 毛面以免附著力不良。
(e) 選擇好組合方式,6層板以上內層及膠片先以鉚釘固 定以防壓合時shift.此處要考慮的是卯釘的選擇(長度,深度 材質),以及鉚釘機的操作(固定的緊密程度)等.
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C. 疊板環境及人員 疊板現場溫度要控制在20°±2℃,相對濕度應在50% ±5%, ,

人員要穿著連身裝之抗靜電服裝、戴罩帽、手套、口罩(目
的在防止皮膚接觸及濕氣),布鞋, 進入室內前要先經空氣吹 浴30秒,私人物品不宜帶入,入口處更要在地面上設一膠墊以 黏鞋底污物。膠片自冷藏庫取出及剪裁完成後要在室內穩定 至少24小時才能用做疊置。完成疊置的組合要在1小時以內

完成上機壓合。若有抽真空裝置 ,應在壓合前先抽一段時間,
以趕走水氣。膠片中濕氣太大時會造成Tg降低及不易硬化 現象。
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D.疊板法
(a) 無梢壓板法-此法每一個開口中每個隔板間的多層板散冊要上下左右 對準,而且各隔板間也絕對要上下對準,自然整個壓床之各開口間也要對準 在中心位置。 對準的方式有兩種方式: -一種是投影燈式,在疊板台正上方裝一投影機,先將鋁載板放在定位並 加上牛皮紙,將光影按板冊之尺寸投影在鋁板上,再將各板冊之內容及隔板 逐一疊齊,最後再壓上牛皮紙及鋁蓋板即完成一個開口間的組合。 -另一種是無投影燈時,將板冊之各材料每邊找出中點來,鋁皮鋼板也找出 中點,也可進行上下對準。 六層板則先將2個內層雙面板分別鑽出鉚釘孔,每片雙面板的四個鉚釘孔要 與板內各孔及線 路有絕對準確的關係再取已有鉚釘梢的樣板套在所用夾心 的膠片,此等膠片已有稍大一點的鉚孔,於是小心將四邊中心的鉚釘孔對準 並套上鉚釘,再小心用沖釘器把四個鉚釘逐一沖開壓扁而將兩內層及其間的 膠片夾死,其上下兩面再疊上膠片及銅箔如四層板一樣去壓合。此時可用X 光檢查兩薄內層板間的對準情形再進行壓合或折掉重鉚。一般六層板只在 第二層上做出箭靶即可。層間對位方式另參考內層製作檢驗.
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(b) 有梢套孔疊置-將已精準鑽出的工具孔的內層一一 套在下載鋁板定位梢上,並套上沖孔較大的膠片、牛皮紙、 脫模紙、隔皮等。 (c)壓力艙式疊置法-將板冊內容按上無梢法疊鋁載板上, 此載板與液壓法不同,其反面有導氣的井字形溝槽,正 面

平坦用以承載板冊,連同隔板以多孔性的毯子包住放在導
氣板上,外面再包以兩層防漏絕氣特殊隔膜,最後以有彈性 可耐壓的特殊膠帶將隔膜四周貼合氣板上,推入壓力艙內,

關上門後先把包裹內抽至極低之氣壓使板冊死處的藏氣都
被抽出,再於艙內壓入高溫的二氧化碳或氮氣至150200PSI,進行真空壓合。
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5.3.3 壓合製程操作

5.3.3.1壓合機種類
壓合機依其作動原理不同可分為三大類: A.艙壓式壓合機(Autoclave): 壓合機構造為密閉艙體,外艙加壓、內袋抽真空受熱壓合 成型,各層板材所承受之熱力與壓力, 來自四面八方加壓 加溫之惰性氣體,其基本構造如下圖5.4 優點: -因壓力熱力來自於四面八方,故其成品板厚均 勻、流膠小。 -可使用於高樓層 缺點: 設備構造複雜,成本高,且產量小。
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B.液壓式壓合機(Hydraulic) 液壓式壓合機構造有真空式與常壓式,其各層開口之板 材夾於上下兩熱壓盤問,壓力由下往上壓,熱力藉由上下 熱壓盤加熱傳至板材。其基本構造如下圖5.5 優點:a.設備 構造簡單,成本低,且產量大。 b.可加裝真空設備,有 利排氣及流膠 缺點: 板邊流膠量較大,板厚較不均勻。 C. ADARA SYSTEM Cedal 壓合機 Cedal為一革命性壓合機,其作動原理為在一密 閉真空艙體中,利用連續卷狀銅箔疊板,在兩端通電流, 因其電阻使銅箔產生高溫,加熱Prepreg,用熱傳係數低之 材質做壓盤,藉由上方加 壓,達到壓合效果,因其利用 夾層中之銅箔加熱,所以受熱均勻、內外層溫差小,受壓 均勻, 比傳統式壓合機省能源,故其操作成本低廉,其 構造如下圖5.6
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優點: a. 利用上下夾層之銅板箔通電加熱,省能源,操作 成本低。 b. 內外層溫差小、受熱均勻,產品品質佳。 c. 可加裝真空設備,有利排氣及流膠。

d. Cycle time短約4Omin.
e. 作業空間減小很多. f. 可使用於高樓層 缺點: 設備構造複雜,成本高,且單機產量小疊板耗時。 C-1. Cedal Adara壓合機其加熱方式,為利用上下夾層之 銅箔通電加熱,其Stack結構簡圖見圖5.7
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5.3.3.2. 壓合機熱源方式: A.電熱式: 於壓合機各開口中之壓盤內,安置電加熱器,直接加熱。

優點: 設備構造簡單,成本低,保養簡易。
缺點: a.電力消耗大。 b.加熱器易產生局部高溫,使溫度分佈不均。 B.加熱軟水使其產生高溫高壓之蒸汽,直接通入熱壓盤。 優點: 因水蒸汽之熱傳係數大,熱媒為水較便宜。

缺點: a.蒸氣鍋爐必需專人操作,設備構造複雜且易銹蝕, 保 養麻煩。
b.高溫高壓操作,危險性高。
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C.藉由耐熱性油類當熱媒,以強制對流方式輸送,將熱量以間接 方式傳至熱壓盤。 優點: 昇溫速率及溫度分佈皆不錯,操作危險性較蒸汽式操作 低。 缺點: 設備構造複雜,價格不便宜,保養也不易。 D.通電流式: 利用連續卷狀銅箔疊板,在兩端通電流因其電阻使銅箔產生高 溫加熱Prepreg,用熱傳係數低之材質做壓盤,減少熱流失。 優點: 均勻。 a.昇溫速率快(35℃/min.)、內外層溫差小,及溫度分 佈 b.省能源,操作成本低廉。 缺點: a.構造複雜,設備成本高。 b.產量少。
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5.3.3.3. 開口(Opening)疊板之方式:

A.一般壓合機疊板結構:
若壓合機有十二個開口,每一開口有上下熱壓盤,共十三 個熱壓盤,疊板方式以鋼質載盤為底盤,放入十二張牛皮紙 及一張銅箔基板,中間以一層鏡面鋼板一層板材的方式,疊 入十二層板材,上面再加一層鏡面鋼板及一張銅箔基板和十 二張牛皮紙,再蓋上鋼質蓋板,其結構如圖5.8. A-1 疊板結構各夾層之目的 a. 鋼質載盤,蓋板(Press plate): 早期為節省成本多用鋁板,近 年來因板子精密度的提升已漸改成硬化之鋼板,供均勻傳熱用.

b. 鏡面鋼板(Separator plate): 因鋼材鋼性高, 可防止表層銅 箔皺摺凹陷.與拆板容易。鋼板使用後,如因刮傷表面,或流 膠殘留無法去除就應加以研磨。
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c. 牛皮紙: 因紙質柔軟透氣的特性,可達到緩衝受壓均 勻施壓的效果,且可防止滑動,因熱傳係數低可延遲熱傳、 均勻傳熱之目的。在高溫下操作,牛皮紙逐漸失去透氣的 特性,使用三次後就應更換。 d.銅箔基板:其位於夾層中牛皮紙與鏡面鋼板之間,可防 止牛皮紙碳化後污染鏡面鋼板或黏在 上面,及緩衝受壓均 勻施壓。 e. 其 他 有 脫 模 紙 ( Release sheet) 及 壓 墊 ( Press pad) Conformal press的運用,大半都用在軟板coverlayer壓合上.

B. CEDAL ADARA 疊板結構與方式 :見圖5.9
CEDAL疊板作業依圖5.9分四個主要步驟,一個Stack最多 可疊65個Panel,並可利用固定架固定,其構造圖見圖5.10
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5.3.3.4. 壓合時升溫速率與升壓速率對板子之影響 典型Profile見圖 5.11 A.溫度: a.升溫段:以最適當的升溫速率,控制流膠。 b.恆溫段:提供硬化所需之能量及時間。 c.降溫段:逐步冷卻以降低內應力(Internal stress)減少板彎、 板翹(Warp、Twist)。 B.壓力:

a.初壓(吻壓 Kiss pressure):每冊(Book)緊密接合傳熱,驅趕揮 發物及殘餘氣體。
b.第二段壓:使膠液順利填充並驅趕膠內氣泡,同時防止一 次壓力過高導致的皺折及應力。

c.第三段壓:產生聚合反應,使材料硬化而達到C-stage。
d.第四段壓:降溫段仍保持適當的壓力,減少因冷卻伴隨而來 之內應力。
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B-1壓力的計算 傳統式的初壓及全壓,大量法的低壓及高壓都是對板面 面積而言的,機台上的設定壓力強度則與頂起的活塞軸有直 接的關係,故應先有板面壓力強度的規範數值後再去換算成 為機台設定 壓力,即: 低壓設定壓力 = 40PSI×A(板子面積)÷活塞軸截面積 (所得數值仍為壓力強度) 高壓設定壓力 = 560PSI×A ÷活塞軸截面積 壓力換算法:1㎏/㎝2 =14.22PSI(pound/in2) 1PSI = 0.07㎏/㎝2 ,1㎏/㎝2 = 1ATM。

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5.3.3.5. 壓合流程品質管制重點:
a. 板厚、板薄、板翹 b. 銅箔皺折、

c. 異物,pits & dents
d. 內層氣泡 e. 織紋顯露

f. 內層偏移
5.3.4 後處理作業 5.3.4.1. 目的 A. 設立加工之基準靶位,及基板外框成型。 B. IPQC (In Process Quality Control) 作業,提升品質管制。
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5.3.4.2.後處理之流程: A.後烤(post cure, post lamination)-通常後烤條件是150℃,4小時 以上.如果先前壓合步 驟curing很完整,可不做後烤,否則反而有害 ( 降低Tg ).可以測量Tg,判斷curing是否完 整.後烤的目的有如下三 個: a.讓聚合更完全. b.若外表有彎翹,則可平整之. c.消除內部應力並可改善對位.

B. 銑靶,打靶-完成壓合後板上的三個箭靶會明顯的出現浮雕 (Relief),
a.手動作業:將之置於普通的單軸鑽床下用既定深度的平頭銑 刀銑出箭靶及去掉原貼的耐熱膠 帶,再置於有投影燈的單軸鑽床或 由下向上沖的沖床上沖出靶心的定位孔,再用此定位孔定 在鑽床上 即行鑽孔作業。注意要定時校正及重磨各使用工具,
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b.X-Ray透視打靶: 有單軸及雙軸,雙軸可自動補償取均 值,減少公差.
C. 剪邊(CNC裁板)-完成壓合的板子其邊緣都會有溢膠,必 須用剪床裁掉以便在後續製程中作業 方便及避免造成人員 的傷害,剪邊最好沿著邊緣直線內1公分處切下,切太多會造 成電鍍夾點 的困擾,最好再用磨邊機將四個角落磨圓及邊緣 毛頭磨掉,以減少板子互相間的刮傷及對槽液 的污染。或者 現在很普遍直接以CNC成型機做裁邊的作業.

壓合製程至此結束,接下來的步驟是鑽孔.

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第六章.钻孔

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6.1 製程目的
單面或雙面板的製作都是在下料之後直接進行非導通孔 或導通孔的鑽孔, 多層板則是在完成壓板之後才去鑽孔。 傳統孔的種類除以導通與否簡單的區分外,以功能的不同尚 可 分 : 零 件 孔 , 工 具 孔 , 通 孔 ( Via), 盲 孔 ( Blind hole), 埋 孔 (Buried hole)(後二者亦為via hole的一種).近年電子產品'輕. 薄.短.小.快.'的發展趨勢,使得鑽孔技術一日千里,機鑽,雷射 燒孔,感光成孔等,不同設備技術應用於不同層次板子.本章 僅就機鑽部分加以介紹,其他新技術會在20章中有所討論. 6.2 流程

上PIN→鑽孔→檢查

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6.3上PIN作業 鑽孔作業時除了鑽盲孔,或者非常高層次板孔位精準度要求 很嚴,用單片鑽之外,通常都以多片鑽,意即每個stack兩片或以上. 至於幾片一鑽則視1.板子要求精度2.最小孔徑3.總厚度4.總銅層 數.來加以考量. 因為多片一鑽,所以鑽之前先以pin將每片板子 固定住,此動作由上pin機(pinning maching)執行之. 雙面板很簡 單,大半用靠邊方式,打孔上pin連續動作一次完成.多層板比較複 雜,另須多層板專用上PIN機作業. 6.4. 鑽孔 6.4.1鑽孔機

鑽孔機的型式及配備功能種類非常多,以下List評估重點
A. 軸數:和產量有直接關係 B. 有效鑽板尺寸
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C. 鑽孔機檯面:選擇振動小,強度平整好的材質。
D. 軸承(Spindle) E. 鑽盤:自動更換鑽頭及鑽頭數

F. 壓力腳
G. X、Y及Z軸傳動及尺寸:精準度,X、Y獨立移動 H. 集塵系統:搭配壓力腳,排屑良好,且冷卻鑽頭功能 I. Step Drill的能力 J. 斷針偵測

K. RUN OUT

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6.4.1.1鑽孔房環境設計 A. 溫濕度控制 B. 乾淨的環境

C. 地板承受之重量
D. 絕緣接地的考量 E. 外界振動干擾 6.4.2 物料介紹 鑽孔作業中會使用的物料有鑽針(Drill Bit),墊板(Back-up board),蓋板(Entry board)等.以下逐一介紹:圖6.1為鑽孔作業中 幾種物料的示意圖. 6.4.2.1 鑽針(Drill Bit), 或稱鑽頭,

其品質對鑽孔的良窳有直接立即的影響, 以下將就其材料, 外型構、及管理簡述之。 2013-7-11 TONGJIANG 133

A. 鑽針材料 鑽針組成材料主要有三:
a. 硬度高耐磨性強的碳化鎢 (Tungsten Carbide ,WC) b.耐衝擊及硬度不錯的鈷 (Cobalt)

c.有機黏著劑.
三種粉末按比例均勻混合之後,於精密控制的焚爐中於 高溫中在模子中燒結 (Sinter) 而成.其成份約有 94% 是碳化鎢, 6% 左右是鈷。 耐磨性和硬度是鑽針評估的重點其合金粒子 愈細能提高硬度以及適合鑽小孔.通常其合金粒子小於1 micron.

B. 外型結構
鑽針之外形結構可分成三部份,見圖6.2,即鑽尖 (drill point)、退屑槽 ( 或退刃槽 Flute )、 及握柄 (handle,shank)。 以下用圖示簡介其功能:
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a. 鑽尖部份 (Drill Point)- 圖6.3 (1) 鑽尖角 (Point Angle) (2) 第一鑽尖面 (Primary Face)及角 (3) 第二鑽尖面 (Secondary face)及角 (4) 橫刃 (Chisel edge) (5) 刃筋 (Margin)
鑽尖是由兩個窄長的第一鑽尖面 及兩個呈三角形鉤狀的第二鑽 尖面 所構成的, 此四面會合於鑽尖點,在中央會合處形成兩條短刃稱 為橫刃 (Chisel edge), 是最先碰觸板材之處, 此橫刃在壓力及旋轉下 即先行定位而鑽入stack中, 第一尖面的兩外側各有一突出之方形帶 片稱為刃筋 (Margin), 此刃筋一 直隨著鑽體部份盤旋而上,為鑽針與 孔壁的接觸部份.而刃筋與刃唇交接處之 直角刃角 (Corner) 對孔壁 的品質非常重要,鑽尖部份介於第一尖面與第二尖面之間有長刃,兩 長刃在與兩橫刃在中間 部份相會而形成突出之點是為尖點, 此兩長 刃所形成的夾角稱鑽尖角 (Point angle), 鑽紙質之酚醛樹脂基板時因 所受阻力較少, 其鑽尖角約為 90 ° ~ 110 °,
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鑽 FR4 的玻纖板時則尖角需稍鈍為115 ° ~ 135 °, 最 常見者 為 130 °者。 第一尖面與長刃之水平面所呈之夾面角 約為 15°稱為第一尖面角 (Primary Face Angle), 而第二尖面 角則約為 30 °, 另有橫刃與刃唇所形成的夾角稱為橫刃角 (cheisel Edge Angle)。 b. 退屑槽 (Flute) 鑽針的結構是由實體與退屑的空槽二者所組成。實 體之最外緣上是刃筋, 使 鑽針實體部份與孔壁之間保持一小間 隙以減少發熱。其盤旋退屑槽 (Flute) 側斷面上與水平所成的 旋角稱為螺旋角(Helix or Flute Angle),此螺旋角度 小時, 螺紋 較稀少,路程近退屑快, 但因廢屑退出以及鑽針之進入所受阻力 較 大, 容易升溫造成尖部積屑積熱,形成樹脂之軟化而在孔壁 上形成膠渣 (smear)。此螺旋角大時鑽針的進入及退屑所受之 磨擦阻力較小而不易發熱, 但退料太慢。
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c. 握柄 (Shank) 被 Spindle 夾具夾住的部份, 為節省材料有用不銹鋼的。 鑽針整體外形有4種形狀: (1) 鑽部與握柄一樣粗細的 Straight Shank, (2) 鑽部比主幹粗的稱為 Common Shank。 (3) 鑽部大於握柄的大孔鑽針

(4) 粗細漸近式鑽小孔鑽針。
C. 鑽針的檢查與重磨 a. 檢查方法 20~40倍實體顯微鏡檢查,見圖6.4 b. 鑽針的重磨 (Re-Sharpping) 為孔壁品質鑽針壽命,可依下表 做重磨管理。 一般鑽針以四層板之三個疊高 (High) 而言, 壽命可達 5000-6000 擊(Hit), 總 共可以重磨三次。(應重磨擊數表)
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6.4.2.2. 蓋板 Entry Board(進料板) A. 蓋板的功用有: a. 定位 b. 散熱 c. 減少毛頭 d. 鑽頭的清掃 e.防止壓力腳直接壓傷銅面 B. 蓋板的材料:以下簡述其種類及優缺點 a. 複合材料- 是用木漿纖維或紙材,配合酚醛樹脂當成黏著劑 熱壓而 成的。其材質與單面板之基材相似。此種材料最便宜. b. 鋁箔壓合材料─ 是用薄的鋁箔壓合在上下兩層,中間填去 脂及去化學品的 純木屑.

c. 鋁合金板─ 5~30mil,各種不同合金組成,價格最貴

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上述材料依各廠之產品層次,環境及管理.成本考量做最適當的選擇. 其品質標準 必須:表面平滑,板子平整,沒有雜質,油脂,散熱要好. 6.4.2.3 墊板 Back-up board A. 墊板的功用有: a.保護鑽機之檯面 , b.防止出口性毛頭(Exit Burr) c.降低鑽針溫度。 d.清潔鑽針溝槽中之膠渣。 B. 材料種類:

a. 複合材料-其製造法與紙質基板類似,但以木屑為基礎, 再混合含酸或鹽類的黏著劑,高溫高壓下壓合硬化成為一體而硬 度很高的板子.

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b. 酚醛樹脂板(phenolic)─ 價格比上述的合板要貴一些, 也就是一般單面板的基材. c. 鋁箔壓合板─ 與蓋板同

VBU墊板──是指Vented Back Up墊板,上下兩面鋁箔, 中層為折曲同質的純鋁箔,空氣可以自由流通其間,一如石棉浪 一樣。 墊板的選擇一樣依各廠條件來評估.其重點在:不含有機油 脂,屑夠軟不傷孔壁,表面夠硬,板厚均勻,平整等.
6.4.3 操作 6.4.3.1 CNC控制 現有CAD/CAM工作站都可直接轉換鑽孔機接受之語言只要設定 一些參數如各孔號代表之孔徑等即可.大部分工廠鑽孔機數量動輒 幾十臺因此多有連網作業由工作站直接指示.若加上自動 Loading/Unloading則人員可減至最少.
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6.4.3.2 作業條件 鑽孔最重要兩大條件就是"Feeds and Speeds"進刀速度及旋轉速 度,以下做一 敘述 A. 進刀速度(Feeds): 每分鐘鑽入的深度,多以吋/分(IPM)表示。 上式已為"排屑量"(Chip Load)取代,鑽針之所以能刺進材料中心 須要退出相同體積的鑽屑才行,其表示的方法是以鑽針每旋轉一週 後所能刺進的吋數(in/R)。 B. 旋 轉 速 度 ( Speeds) 一 每 分 鐘 所 旋 轉 圈 數 ( Revolution Per Minute RPM) 通常轉數約為6萬-8萬RPM,轉速太高時會造成積熱及磨 損鑽針。 當進刀速度約為120in/min左右,轉速為6萬RPM時,其 每一轉所能刺入的深度為其排屑量 排屑量高表示鑽針快進快出而與孔壁接觸時間短,反之排屑量低 時表示鑽針進出緩慢與孔壁磨擦時間增長以致孔溫升高。
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設定排屑量高或低隨下列條件有所不同: 1. 孔徑大小 2. 基板材料 3. 層數 4. 厚度 6.4.4作業注意事項 A. 轉數、進刀數的設定,應依實際的作業狀況,機器所附 手冊上的條件僅為參考,仍須修正。 B. 定期測量轉數、進刀數,Run out等數值. C. 真空吸塵極為重要,設計時應over實際需要,以達100% 效率,定期更換。 D. Spindle及夾頭需隨時保持清潔 E. Run out一定要保持在0.0005"以下 F. 檯面上塵屑要用吸塵器去除,切勿用吹氣的方式。
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6.5 小孔鑽 6.5.1 小孔定義: 直徑0.6 mm以下稱小孔,0.3 mm以下稱微孔(micro hole) 6.5.2 小孔加工現有機鑽及非機鑽,現就機鑽加以探討

小直徑鑽孔加工
小直徑鑽頭的規格依使用人、廠商而略有不同, 一般0.3mm的稱 極小徑鑽頭, 由於表面黏著技術(Surface Mount Techology)大量應 用,小徑、極小徑的鑽孔 也日益增多,因此PC板鑽頭與鑽孔機的 問題就油然而生;而怎樣來防止鑽頭 的折斷是鑽孔加工最主要的癥 結,其折斷的主要原因如下: 1. 鑽頭的形狀和材質 2. 鑽頭的外徑與縱橫比(Aspect) 3. PC板的種類(材質、厚度與層數)
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4. 鑽孔機的振動和主軸的振動 5. 鑽孔條件(轉數與進刀速度) 6. 蓋板、墊板的選擇 A小孔徑鑽孔機

實施小孔徑鑽孔時必須考慮到機械的精度,而其最主要在於位 置的精度;一 般通稱的位置精度包括以下幾個因素而言:
1. 程式設計的位置與實際工作台上位置精度的誤差。最近的新機 種通常亦有 ±10~15μm左右的誤差。 2. 因主軸振動所造成的誤差。(尤其必須考慮到運轉時的誤差) 3. 鑽頭鑽入PC瞬間的偏差,大時可達10μm,其原因很複雜;主 軸、鑽頭、 壓板等等都有關連。 4. 鑽頭本身的彎曲;鑽入的點至穿通止之間的彎曲度即孔位彎 曲精度。孔位曲的原因經歸納如表所示。
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為了要提高孔位精度,只歸因於鑽頭是不合理的,鑽孔 機等其他的因素也應 加以改善: -適當條件:如進刀速、轉 速的調整,分段鉆的作業等。 -STACK的置放 在生產線上 做小徑鑽孔加工時,以操縱大直徑的方法來處理小徑時,常 會有忽略的問題產生;其實最重要的是將PCB牢牢的固定於 工作台上,使其成為一個整體,鑽頭在剛開始鑽孔時,若PC 板固定不牢則易滑動,造成鑽頭易折斷的可能,為了防止鑽 折斷,以下幾點要特別注意:
1. 將壓板、PC板、墊板用膠布貼牢後,於指定地方用固 定針釘牢。

2. 儘量避免使用變形的PC板。
3. 壓板儘量使用厚度為0.15~0.2mm的鋁板或0.3~0.4mm 的合成樹脂板為 主。

4. 墊板並非取質硬,而是需追求厚度的一致。
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6.6 檢查及品質重點 6.6.1 品質重點 1. 少鑽 2. 漏鑽 3. 偏位 (上述以底片check)

4. 孔壁粗糙
5. 釘頭 (切片) 6. 巴里(burr)

6.6.2鑽孔結束板邊coupon設計(見圖6.5)
板邊設計coupon的用意如下: 1. 檢查各孔徑是否正確

2. 檢查有否斷針漏孔
3. 可設定每1000,2000,3000 hit鑽一孔來檢查孔壁品質. 鑽孔製程至此告一段落,下一步驟將進行孔壁金屬化即所謂鍍 通孔.
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第七章.镀通孔

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7.1製程目的 雙面板以上完成鑽孔後即進行鍍通孔(Plated Through Hole , PTH)步驟,其目的使孔壁上之非導體部份之樹脂及玻纖束進 行金屬化( metalization ), 以進行後來之電鍍銅製程,完成足夠導 電及焊接之金屬孔壁。

1986年,美國有一家化學公司Hunt 宣佈PTH不再需要傳 統的貴金屬及無電銅的金屬化製程,可用碳粉的塗佈成為通電的 媒介,商名為"Black hole"。之後陸續有其他不同base產品上 市, 國內使用者非常多. 除傳統PTH外, 直接電鍍(direct plating) 本章節也會述及.

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7.2製造流程
去毛頭→除膠渣→PTHa一次銅 7.2.1. 去巴里 (deburr)

鑽完孔後,若是鑽孔條件不適當,孔邊緣有1.未切斷銅絲2.未 切斷玻纖的殘留,稱為burr.因其要斷不斷,而且粗糙,若不將之去 除,可能造成通孔不良及孔小,因此鑽孔後會有de-burr製程.也 有de-burr是放在Desmear之後才作業.一般de-burr是用機器刷 磨,且會加入超音波及高壓沖洗的應用.可參考表4.1.
7.2.2. 除膠渣 (Desmear)

A.目的:
a. Desmear b. Create Micro-rough增加adhesion
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B. Smear產生的原因:

由於鑽孔時造成的高溫,Resin超過Tg值,而形成融熔狀, 終致產生膠渣。
此 膠 渣 生 於 內 層 銅 邊 緣 及 孔 壁 區 , 會 造 成 P.I.(Poor lnterconnection) C. Desmear的四種方法: 硫酸法(Sulferic Acid) 、電漿法(Plasma)、鉻酸法(Cromic Acid)、 高錳酸鉀法(Permanganate). a. 硫酸法必須保持高濃度,但硫酸本身為脫水劑很難保持 高濃度,且咬蝕出的孔面光滑無微孔,並不適用。 b. 電漿法效率慢且多為批次生產,而處理後大多仍必須配 合其他濕製程處理,因此除非生產特殊板大多不予採用。 c. 鉻酸法咬蝕速度快,但微孔的產生並不理想,且廢水不 易處理又有致癌的潛在風險,故漸被淘汰。
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d. 高錳酸鉀法因配合溶劑製程,可以產生微孔。同時由於 還原電極的推出,使槽液安定性獲得較佳控制,因此目前較被 普遍使用。 7.2.2.1 高錳酸鉀法(KMnO4 Process): A.膨鬆劑(Sweller):

a. 功能:軟化膨鬆Epoxy,降低 Polymer 間的鍵結能,使 KMnO4 更易咬蝕形成 Micro-rough 速 率 作 用 Concentration
b. 影響因素: 見圖7.1

c. 安全:不可和KMnO4 直接混合,以免產生強烈氧化還原, 發生火災。
d. 原理解釋:
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(1) 見圖7.2
初期溶出可降低較弱的鍵結,使其鍵結間有了明顯的差異。 若浸泡過長,強 的鏈結也漸次降低,終致整塊成為低鏈結能的 表面。如果達到如此狀態,將無法形成不同強度結面。若浸泡 過短,則無法形成低鍵結及鍵結差異,如此 將使KMnO4咬蝕 難以形成蜂窩面,終致影響到PTH的效果。 (2) Surface Tension的問題: 無論大小孔皆有可能有氣泡殘留,而表面力對孔內Wetting 也影響頗大。故 採用較高溫操作有助於降低Surface Tension及 去除氣泡。至於濃度的問題, 為使Drag out降低減少消耗而使 用略低濃度,事實上較高濃度也可操作且速 度較快。 在製程中必須先Wetting孔內壁,以後才能使藥液進入作用, 否則有空氣殘 留後續製程更不易進入孔內,其Smear將不可能 去除。
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B. 除膠劑 (KMnO4 ):

a. 使 用 KMnO4的 原 因 : 選 KMnO4而 未 選 NaMnO4 是 因 為 KMnO4溶解度較佳,單價也較低。 b. 反應原理: 4MnO4- + C + 4OH- → MnO4= + CO2 + 2H2O (此為主反應式)
2MnO4- + 2OH- → 2MnO4= + 1/2 O2 + H2O (此為高PH值時自 發性分解反應)

MnO4- + H2O → MnO2 + 2OH- + 1/2 O2 (此為自然反應會造 成Mn+4沉澱)
c. 作業方式:早期採氧化添加劑的方式,目前多用電極還原 的方式操作,不穩 定的問題已獲解決。 d. 過程中其化學成份狀況皆以分析得知,但Mn+7為紫色, Mn+6為綠色,Mn+4 為黑色,可由直觀的色度來直接判斷大略 狀態。若有不正常發生,則可能 是電極效率出了問題須注意。
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e. 咬蝕速率的影響因素: 見圖7.3 f. 電極的好處: (1).使槽液壽命增長

(2).品質穩定且無By-product,其兩者比較如圖7.4:
g. KMnO4形成Micro-rough的原因: 由於Sweller造成膨鬆, 且有結合力之強弱,如此使咬蝕時產生選擇性, 而形成所謂 的Micro-rough。但如因過度咬蝕,將再度平滑。 h. 咬蝕能力也會隨基材之不同而有所改變 i. 電極必須留心保養,電極效率較難定出絕對標準,且也 很難確認是否足夠 應付實際需要。故平時所得經驗及廠商所 提供資料,可加一係數做計算, 以為電極需求參考。

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C. 中和劑(Neutralizer):
a. NaHSO3是可用的Neutralizer之一,其原理皆類似 Mn+7 or Mm+6 or Mn+4(Neutralizer)->Mn+2 (Soluable)

b. 為免於Pink Ring,在選擇Acid base必須考慮。HCl 及 H2SO4系列都 有,但Cl易攻擊 Oxide Layer,所以用H2SO4 為Base 的酸較佳。 c .藥液使用消耗分別以H2SO4及Neutralizer,用Autodosing 來補充,維 護。

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7.2.2.2 .整條生產線的考慮:
A.Cycle time:每Rack(Basket)進出某類槽的頻率(時間) B.產能計算:

( Working hours / Cycle time)*( FIight Bar / Hoist)*(Racks/Flight Bar)*(SF/Rack)= SF/Mon
C.除膠渣前Pre-baking對板子的影響:見圖7.5 a.由於2.在壓合後己經過兩次Cure,結構會比1,3 Cure 更完全,故Baking 會使結構均一,壓板不足處得以補償。 b.多量的氧,氧化了Resin間的Bonding,使咬蝕速率加 劇2~3倍。且使1,2,3 區較 均一。

c.釋放Stress,減少產生Void的機會.
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7.2.2.3. 製程內主要反應及化學名稱: A.化學反應: a .主要反應

4MnO4- + 4OH- + Epoxy→ 4MnO4= + CO2↑ + 2H2O

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b. 副反應: 2MnO4- + 2OH- ←→ 2MnO4= + 1/2O2 + H2O (Side reaction) MnO4= + H2O (CI-/SO4= /Catalize Rx.) → MnO2↓ + 2OH- + 1/2 O2 Precipitation formation) 2MnO4= + NaOCI + H2O → 2MnO4- + 2OH- + NaCI

4MnO4= + NaS2O8 + H2SO4 → 4MnO4- + 2OH- + 2Na2SO4
4MnO4= + K2S2O8 + H2SO4 → 4MnO4- + 2OH- + 2K2SO4 (For Chemical regeneration type process reaction) 2MnO4= + 1/2 O2 + H2O ←→2MnO4- + 2 OH(Electrolytic reaction: Need replenish air for Oxgen consumption)
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B.化學品名稱:
MnO4Permanganate Sodium Persulfate MnO4= OHDioxide Manganate Hydroxide(Caustic) S2O4CO2 NaS2O8 Sulfate Carbon

NaOCI Sodium Manganese Dioxide

Hydrochloride

MnO2

7.2.2.4.典型的Desmear Process: 見表

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7.2.2.5. Pocket Void的解釋: A.說法一:Sweller殘留在Glass fiber中,在Thermal cycle時 爆開。 B.說法二: 見圖7.6 a.壓板過程不良Stress積存,上鍚過程中力量釋出所致 b.在膨漲中如果銅結合力強,而Resin釋出Stress方向呈 Z軸方向,當Curing 不良而Stress過大時則易形成a之斷裂,如 果孔銅結合力弱則易形成B 之Resin recession,結合力好而內 部樹脂不夠強軔則出現c之Pocket void C﹒如果爆開而形成銅凸出者稱為Pull away

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7.2.3 化學銅(PTH)

PTH系統概分為酸性及鹼性系統,特性依基本觀念而有不同。
7.2.3.1 酸性系統: A.基本製程: Conditioner → Microetch→ Catalpretreatment→ Cataldeposit→ Accelerator→ Electroless Deposit B.單一步驟功能說明: a. 整孔 Conditioner: 1. Desmear後孔內呈現Bipolar現象,其中Cu呈現高電位 正電,Glass fiber、Epoxy呈負電 2. 為使孔內呈現適當狀態,Conditioner具有兩種基本功能 (1)Cleaner: 清潔表面 (2)Conditioner:使孔壁呈负電 性,以利Pd/Sn Colloid正電離子團吸附
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3. 一般而言粒子間作用力大小如表 因而此類藥液系統會有吸附過多或Colloid過多的吸附是否 可洗去之顧慮 4. Conditioner若Drag In 至 Activator槽,會使Pd+離子團降 低 b. 微蝕 Microetch

1. Microetching旨在清除表面之Conditioner所形成的Film
2. 此同時亦可清洗銅面殘留的氧化物 c. 預活化 Catalpretreatment 1. 為避免Microetch形成的銅離子帶入Pd/Sn槽,預浸以減 少帶入 2. 降低孔壁的Surface Tension
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d. 活化 Cataldeposit

1. 一般Pd膠體皆以以下結構存在: 見圖7.7
2. Pd2+:Sn2+:Cl- = 1:6:12較安定 3. 一般膠體的架構方式是以以下方式結合:見圖7.8 當吸附 時由於Cl會產生架橋作用,且其半徑較大使其吸附不易良好, 尤其如果孔內的Roughness不適當更可能造成問題。 4. 孔壁吸附了負離子團,即中和形成中和電性 e. 速化 Accelerator 1. Pd膠體吸附後必須去除Sn,使Pd2+曝露,如此才能在 未來無電解銅中產生催化作用形成化學銅 2. 基本化學反應為: Pd+2/Sn+2 (HF)→Pd+2(ad) + Sn+2 (aq)
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Pd+2(ad) (HCHO)→Pd(s)

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3. 一般而言Sn與Pd特性不同,Pd為貴金屬而Sn則不然,因 此其主反應可如下: Sn+2a Sn+4 + 6F- → SnF6-2 or Sn+2 + 4F- →SnF4-2 而Pd則有兩種情形: PH>=4 Pd+2 + 2(OH)- → Pd(OH)2 PH<4 Pd+2 + 6F- → PdF6-4

4. Pd吸附在本系統中本身就不易均勻,故速化所能發揮的效 果就極受限制。除去不足時會產生P.I.,而過長時則可能因為過 份去除產生破洞,這也是何以Back_light觀察時會有缺點的原 因
5. 活化後水洗不足或浸泡太久會形成Sn+2 a Sn(OH)2 或 Sn(OH)4,此易形成膠體膜. 而Sn+4過高也會形成Sn(OH)4,尤 其在Pd吸太多時易呈PTH粗糙
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6. 液中懸浮粒子多,易形成PTH粗糙

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f. 化學銅沉積Electroless Deposit
1. 利用孔內沉積的Pd催化無電解銅與HCHO作用, 使化學銅 沉積 2. Pd在化學銅槽的功能有二: (1) 作為Catalyst吸附 H- 之主體,加速HCHO的反應 (2) 作為Conductor,以利e-轉移至Cu+2上形成Cu沉積 3. 其基本反應及Mechanism見圖7.9a ; 7.9b : 4. 由於槽液在操作開始時缺少H2含量,故其活性可能不夠, 而且改變溫度也易使槽液不穩定。故在操作前一般先以 Dummy boards先行提升活性再作生產,才能達到操作要求

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5. Bath loading也因上述要求而有極大的影響,太高的Bath loading會造成過度的活化而使槽液不安定。相反若太低則會因 H2的流失而形成沉積速率過低。故其Max與Min值應與廠商確 認做出建議值

6. 如果溫度過高,[NaOH], [HCHO]濃度不當或者Pd+2累積過 高都可能造成P.I. 或PTH粗糙的問題
g. 整個反應狀態見圖7.10所示

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7.2.3.2、鹼性系統: A. 基本製程: Conditioner→ Etch Cleaner→ Catalpretreatment→ Activator→ Reducer→ Electroless Copper B. 單一步驟功能說明 a. Conditioner:Wetting agent + 10 g/l NaOH (A)

1. 以Wetting agent的觀念,而非電性中和,如此可形成較薄 的Film約300A,且均勻而不致有附著不上或太厚之虞
2. 基本方式係以親水基與疏水基之特有Dipol特性使Wetting agent被水排擠,快速吸附至孔壁。因其形成之單層膜不易再附 上其他Conditioner而與Cleaner共同作用洗去多餘雜質 3. 其設計是一道酸一道鹼的藥液浸泡,使各種不同來源的板 子皆有良好的wetting作用,其Formula:Wetting agent + 10 ml/l H2SO4 2013-7-11 TONGJIANG 167

4 . 若 水 質 不 潔 而 含 M+2( 如 : Ca+2、Mg+2、Fe+2 等 ) 則 Amine及Wetting agent易與之結合而形成沉澱,故水質硬度應 特別留意 5. 當板子浸入水中,Cu正電迅速與OH-中和而呈負電。而 Dipol靜電力有限,不致形成多層覆蓋,故無Over condition的 顧慮 b. Etch cleaner:(SPS 與 H2SO4/H2O2兩種 )

基本功能與酸性系列相似(SPS:10g/l)
c. Catalpretreatmen):同Activator但少Complex d. Activator:Activator + Pd(Amine) complex 1. 基本上此系列的Pd,是由Amine類形成的Complex,

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2. 其特點如下: (1) Pd(Amine)+2呈正電荷,可吸附在Conditioner上而甚少吸 附在銅上,少有P.I.問題 (2) 沒有Sn形成的Colloid,其粒子較小,結晶較密且少有 Sn(OH)2、Sn(OH)4析出問題。也沒有Sn+2 + Fe+2 a Sn+4 +Cu 作用。 (3) 無Cl-在外圍,由於Cl-會與Polyimide材料產生作用,故 無Cl-會有較廣的適用性 (4) 由於Pd(Amine)+2 asPd+2+Amine為一平衡反應,吸附反 應十分快,且由於粒子小空隙低因而緻密性佳。 (5) Impurity少有殘留,且吸附Pd+2少,故能有較少P.I.機會 (6) 由於無Cl-, 對Black-Oxide的attack相對減少,故Pink Ring較輕微
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(7) 由於吸附較密,將來作無電解銅時Coverage也會較密較
好 e. 整個反應狀態見圖7.11所示

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7.2.4一次銅(Panel plating) 非導體的孔壁經PTH金屬化後,立即進行電鍍銅製程, 其目 的是鍍上200~500微英吋以保護僅有20~40微英吋厚的化學銅被 後製程破壞而造成孔破(Void)。有關銅電鍍基本理論及實際作 業請參看二次銅更詳細的解說. 7.3. 厚化銅 傳統金屬化之化學銅的厚度僅約20~30微吋,無法單獨存在 於製程 中,必須再做一次全板面的電鍍銅始能進行圖形的轉移 如印刷或乾膜。但 若能把化學銅層的厚度提高到100微吋左右, 則自然可以直接做線路轉移的工 作,無需再一道全板的電鍍銅 步驟而省卻了設備,藥水、人力、及時間,並達 簡化製程減少 問題的良好目標。 因此有厚化銅製程出現,此一方式已經實際 生產線上進行十數年,由於鍍液管理困難分析添加之設備需要 較高層次之技 術,成本居高不下等, 此製程已經勢微.
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厚化銅的領域又可分為 : A."半加成Semi-Additive"式是完全為了取代全板面電鍍銅製程. B."全加成Fully Additive"式則是用於製造加成法線路板所用 的。日本某些商 用消費性電子產品用24小時以上的長時間的全 加成鍍銅,而且只鍍在孔及線 路部份.日本之外尚不多見, 高雄 日立化成數年前尚有CC-41製程, 目前已關掉該生產線 7.3.1 厚化銅基本觀念 a. 厚化銅也仍然採用與傳統無電銅相似的配方,即仍以銅離 子、強鹼、及甲醛做為反應的原動力,但與溫度及其所產生的 副產物關係較大。 b. 無電銅因厚度很薄, 內應力(inner Stress) 影響不大故不需重 視,但厚化銅則必須考慮。也就是說厚化銅與板面銅箔間的附 著力也為關鍵 ,應特別注意其鍍前活化之過程如整孔及微蝕是 否完美。控制不好時可能發生孔壁剝離(pull away)及板面脫皮。
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c. 厚化銅之外表能接受油墨或乾膜之附著,所以印刷前

儘少做磨刷或其他化學粗化。在阻劑完成轉移後又要能耐得環 境的氧化, 而且也要耐得最低起碼的活性清洗及活化。 d. 厚化銅主要的目的是既能完成非導體的金屬化同時又 可取代一次鍍銅 ,能夠發揮大量的設備、人力、物料、及操 作時間的節省,但化學銅槽本身比傳統的無電銅要貴,管理不 易,要利用特定的自動添加設備。

e. 前處理之各製程比傳統PTH要更謹慎,原因是化學銅的 沉積是靠銅離子在板子上之活化生長點(Active sites)還原出 銅金屬並增厚,當此等生長點被銅覆蓋後其他板面上又逐次出 現新的生長點再接受銅的沉積,電鍍銅的沉積則不但向上發展, 也能橫向延伸。故萬一底材未能在前處理製程中完成良好的活 化時則會造成孔破(Hole Void),而且經過乾膜或印刷後, 可 能進一步的惡化,終必成為板子品質上極大的隱憂。
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7.4 直接電鍍(Direct plating) 由於化學銅的製程中,有很多對人體健康有害的成份(如甲醛 會致癌),以及廢水處理(如有Chelate)有不良影響的成份,因 此早在10多年前就有取代傳統PTH所謂Direct Plating(不須靠 化學銅的銅當導體)商品出現,至今在台灣量產亦有很多條線。 但放眼國外,除歐洲應用者很多以外,美、日(尤其是美國)並 不普偏,一些大的電子公司(如製造電腦、大哥大等)並不 Approve直接電鍍製程,這也是國內此製程普及率尚低的原因之 一。 7.4.1直接電鍍種類 大致上可歸為三種替代銅的導體 A. Carbon-碳粉(Graphite同) B. Conductive Polymer-導體高分子

C. Palladium-鈀金屬
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7.4.2直接電鍍後續製程有兩種方式:

A. 一次鍍銅後,再做影像轉移及二銅
B. 直接做影像轉移及線路電鍍 7.4.3表歸納目前國內己使用中的直接電鍍各商品之分析,供業界參考。

本章中介紹了傳統薄化銅, 厚化銅以及直接電鍍等幾種鍍通孔方式.未 來製程走勢:
A. 縮短製程

B. 減少污染
C. 小孔通孔能力 D. 降低成本

E. 底材多樣化處理能力
而此製程是PCB製作的基礎工程,若處理不好影響良率及信賴度因此要 仔細評估與選擇何種藥水及設備.

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第八章.外层

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8.1 製程目的 經鑽孔及通孔電鍍後, 內外層已連通, 本製程在製作外層線 路, 以達電性的完整. 8.2 製作流程 銅面處理→壓膜→曝光→顯像 8.2.1 銅面處理

詳細資料請參考4.內層製作.
8.2.2 壓膜 8.2.2.1乾膜介紹 乾膜(dry film)的構造見圖8.1, 1968年由杜邦公司開發出來 這種感光性聚合物的乾膜後,PCB的製作就進入另一紀元, 到 1984年末杜邦的專利到期後日本的HITACHI也有自己的品牌 問世。爾後就陸續有其他廠牌加入此一戰場. 2013-7-11 177
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依乾膜發展的歷史可分下列三種Type: -溶劑顯像型 -半水溶液顯像型 -鹼水溶液顯像型 現在幾乎是後者的天下,所以本章僅探討此類乾膜. A. 乾膜之組成

水溶性乾膜主要是由於其組成中含有機酸根,會與強鹼反應使 成為有機酸的鹽類,可被水溶掉。其組成見圖8.1 水溶性乾膜最早由 Dynachem 推出, 以碳酸鈉顯像,用稀氫氧化鈉剝膜,當然經不斷改 進才有今日成熟而完整的產品線.
B. 製程步驟 乾膜作業的環境,需要在黃色照明,通風良好,溫濕度控制的 無塵室中操作,以減少污染增進阻劑之品質。其主要的步驟如下:
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壓膜─停置─曝光─停置─顯像

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8.2.2.2 壓膜(Lamination)作業 A. 壓膜機 壓膜機可分手動及自動兩種,有收集聚烯類隔層 的捲輪,乾膜主輪,加熱輪,抽風設備等四主要部份, 進行連 續作業, 其示意見圖8.2 一般壓膜條件為: 壓膜熱輪溫度 120°±10℃

板面溫度
壓膜速度 壓力

50±10℃
1.5~2.5米/分 15-40 psi

a. 傳統手動壓膜機須兩人作業,一人在機前送板,一人 在機後收板並切斷乾膜,此方式用在樣品、小量多料號適合, 對人力、物料的耗用浪費頗多。
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b. 自動壓膜機市面上HAKUTO,CEDAL,SCHMID等多種廠牌, 其機構動作在板前緣黏壓乾膜方式及壓膜後緣切膜動作多有不 同,但都朝產速加快,節 省乾膜以及黏貼能力上在改進。

c. 國內志勝幾年前開發自動壓膜機頗為成功國內多家大廠 均有使用.
d. 乾膜在上述之溫度下達到其玻璃態轉化點而具有流動性 及填充性,而能覆蓋銅面。但溫度不可太高,否則會引起乾膜 的聚合而造成顯像的困難。壓膜前板子若能預熱,可增強其附著 力。 e. 為達細線路高密度板之高品質,必須從環境及設備上著 手,乾膜之壓膜需要在無塵室中進行(10K 級以上),環境溫 度應控制在23°±3℃,相對濕度應 保持50%RH±5%左右。 操作人員也要帶手套及抗靜電之無塵衣帽。
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8.2.3 曝光 Exposure
8.2.3.1 曝光機種類 -手動與自動

-平行光與非平行光
-LDI雷射直接暴光 A. 手動曝光機,是將將欲曝板子上下底片以手動定PIN 對位後,送入機台面, 吸真空後曝光。 B. 自動曝機一般含Loading/unloading,須於板子外框 先做好工具孔,做初步定位再由機台上之CCD,Check底片與孔 的對位狀況,並做微調後入曝光區曝 光。依目前的精密須求 程度,不以視覺機器自動對位,恐怕做不到好品質的 板子。

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C. 如何量測及評估曝光機的平行度:
-定義:從平行度(collimate)字面的意思就是使直向行 進,而從光的眼光而言則是讓光行進同時垂直於照射面。圖 8.3是平行光與非平行光之比較. -平行度的影響:而研判平行直進的方法有兩個值可供 參 考 , 平 行 羊 角 ( Collimate Half Angle) 及 偏 斜 (Declination Angle)。此二值可大略判斷 曝光機的平行度及 曝光可能造成的側向偏移,也因此若使用非平行曝光機 曝光 其影像會有偏料及底部側向顯像的問題。 -量測方法及工具:

一般量測平行度的方法是用一種叫平行度像機 (Collimation Camera) 其量測方式是以此工具置於感光紙或 感光物上曝光,之後再量偏移度,其示意圖如下(圖 8.4(a,b)):
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D. 非平行光與平行光的差異,平行光可降低Under-Cut。 其差異點,可見圖8.5,顯影後的比較。做細線路(4mil以下) 非得用平行光之曝光機。
E. 另有一種LDI(Laser Direct Imaging)鐳射直接感光 之設備與感光方式。是利用 特殊之感光膜coating在板面, 不須底片直接利用鐳射掃描曝光。其細線可做 到2mil以內, 利用多beam方式18in×24in的板子,已有號稱曝光時間僅30 秒。

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8.2.3.2 作業注意事項 A. 偶氮棕片的使用 手動曝光因仰賴人目視對位,因此棕片是有必要的,但自 動曝光機由機器負責對位所以一般黑白底片即可。棕片的壽命 較短 B. 能量的設定

曝光機中有光能量之累積計算器,光能量子 (以焦耳或毫 焦耳為單位)是指 光強度(瓦特或毫瓦特)與時間的乘積,即
mili - Joule = mili Watt ╳ Sec. 焦耳=瓦特╳秒

曝光機上有可以調動的光能量數字鍵,並有測光強度之裝 置,當設定某一光 能量數字後即可做定能量之曝光,每當光 源紫外燈老化而光強度衰減時,該 設定系統即會自動延長時 間以達到所需的光能量。 定期以"Photometer" 或 "Radiometer"做校正工作。 2013-7-11 184
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C. Stouffer 21 Step Tablet Stouffer 21 step tablet是IN-process監測曝光顯像後 的條件是否正常,見圖8.6。 它是放於板邊與正常板一樣曝光, 停置及顯像後,其21格上之乾膜殘留有 顏色漸淡,至完全露 銅的變化,最重要視其已顯像及仍殘存板面之交界是落 於第幾 格。一般標準是8~10格,Follow各廠牌所給的Data Sheet。 D. 吸真空的重要

非平行光的作業中,吸真空的程度是影響曝光品質的重 大因素。因底片與膜 面有間隙會擴大under-cut。一般判斷貼 緊程度是從光罩上之Mylar面出現的 牛頓環(Newton Ring)的 狀況,以手碰觸移動,若牛頓環並不會跟著移動,則 表吸真空 良好。手動作業,時常作業員尚要以"刮刀"輔助刮除空氣,此 小動 作事實上極易影響對位及底片的壽命。平行光源則此問題 可降至最低。
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E. 對位

對於自動曝光機來說,偏位不是不問題,只要評估好設備 的製程能力以及維 護工作底片的準確度即可,但手動曝光機作 業影響對準度的變數就很多: <1> PIN孔大小的選擇 <2> 上製程通孔電鍍的厚度分析 <3> 孔位準確度 <4> 底片套板的方式 <5> 人目視誤差
上述僅舉常見因素,各廠應就產品層次來提升乾膜作業的製 程能力。 F. 靜置 曝光後板子須問隔板置放10~15分鐘讓吸收UV能量後的 resist Film聚合更完全。
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G.高強度的UV光對細線路而言是十分重要的,因為所有的 光阻都含有遮蔽劑 (Inhibitor),而此遮蔽劑遇UV光時會在數 秒內大量消耗。因此如果用弱光曝 光,則須用較長時間來達到 必須的能量,如此有較多的時間讓未見光區的遮蔽劑擴散至曝 光區,如此只要有一點折光或散射就會形成聚合,產生殘膠顯 影不 潔等問題。 因此使用強光曝光機有助於細線的製作,有 殘膠並不是代表只是顯影不潔或水洗不良的問題。 一般而言5mW/cm2能量密度對一般的線路已有不錯的效果, 如果要有更佳的解析度則高一些的光強度有助於改善之。 H. 影響解析度的因子互動關係有:(I)曝光時間長短(2)未 曝光區遮蔽劑的量 (3)散射折射光的多少.其中第二項是來自 供應商的調配較無法調整,第(1)項 可考慮控制光強度來改善 其品質,第(3)項則使用平行曝光機及加強曝光前真空作業會 有幫助.
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8.2.4. 顯像Developing 8.2.4.1槽液成份及作業條件

溶液配方
溫度

1-2%之碳酸鈉(重量比)
30 +_2 ℃

噴壓 15-20 PSI 水洗 27°-29℃,水壓40 PSI pH 10.5 -10.7,

Break point 50~70% Auto dosing

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8.2.4.2作業注意事項 A. 顯像是把尚未發生聚合反應的區域用顯像液將之沖洗掉, 已感光部份則因已發生聚合反應而洗不掉仍留在銅面上成為蝕 刻或電鍍之阻劑膜。注意在 顯像前不可忘記把表面玻璃紙撕掉。 B. 顯像點Break point ( 從設備透明外罩看到已經完全顯 現出圖樣的該點的距離稱之 )應落於50~70%間,不及,銅面有 scun殘留,太過,則線邊有膜屑或 undercut過大. 最好有自動添 加系統(auto-dosing). 另外噴灑系統設計良否也會影響顯像點. 可參考表8.1(本表僅供參考) C. 顯像良好的側壁應為直壁式者,顯像不足時容易發生膜 渣(Scum) 造成蝕刻板的短路、銅碎、及鋸齒突出之線邊,顯像 機噴液系統之過濾不良時也會 造成此種缺點。檢查Scum的方法 可用5%之氯化銅溶液(Cupric Chloride CuCl 2) 或氯化銨溶 液浸泡, 若銅面上仍有鮮亮的銅色時,即可判斷有 Scum殘留,
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D. 顯像完成板子切記不可疊放,須用Rack插立.

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8.3. 乾膜環境的要求

線路板之細線及高密度要求漸嚴,其成功的契機端賴各種精密 的控制。乾膜 轉移影像之精準除了上述各種生產技術外,環境的完 善也占有很大的比重。
A. 首先要注意到的是無塵室(Clean Room) 的建立,一般常說 的無塵室是以 美國聯邦標準Fed. STD 209 做為分級的規範,是以 每立方呎的空氣中 所含大於0.5微米的塵粒之數目(PPCF) 作為分級 的,可分為三級,見表

三者間之維護與安裝費用相差極大,class 100 級多用在積體 電路程(IC) 之晶圓製造上。至於精密線路板之乾膜壓膜及曝光區則 10,000級已夠。
B. 無塵室品質之控制有三要件,防止外界塵埃之進入、避免 內部產生、及清 除內部既有之塵量;需在環境系統上加裝進氣之過 濾設備、工作人員穿戴 不易起塵之工作服、鞋、手套、頭罩。室內 裝配則應採表面平滑的牆板、 無縫地板、氣密式之照明及公共設施、 進出口之 Air Shower,室內送風則 採水平層流(Laminar Flow) 及 垂直層流方式以消除氣流的死角, 避免塵埃的 聚積。 2013-7-11 190
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C. 乾膜區之照明為黃色光源以避免乾膜於正式曝光前先 感光,此種黃光波長 必須在500 n m(naro-meter為10 m,或 5000A) ,比500nm短的光源中含 有紫外線而導致乾膜之局部 感光,市面上有金黃色日光燈管出售,在一般 日光燈外加裝 橘黃色燈罩也可使用。 8.4 高密度細線路技桁

電路板的密度以往主要受限於鑽孔的尺寸,因此似乎線路 密度成長的迫切性也就沒有那麼高。細線路由於鑽孔技術的進 步及MCM-L技術的需求,近來備受重視。而運用傳統的Tenting & Etching技術,想作到小於1OOμ m的線路走十分困難的。 Additive process能降低甚至避免蝕刻的問題,只是必須使用 特定的物料與流程,因此在電子封裝領域較少被運用。

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A. Additive Process其銅線路是用電鍍光阻定義出線路 區,以電鍍方式填入銅來 達形成線路。此類製程分為Semi Additive與Fully Additive兩類,Semi Additive 利用壓合薄 銅於各類樹脂上,再以電鍍及蝕刻達到形成線路的目的。 Fully Additive則是利用樹脂表面粗化,其後塗布加強黏合層 以改善無電銅與板面連 結強度,之後以無電解銅長出線路。典 型的線形式Subtractive/Semi Additive/Fully Additive示意 如下圖:(圖8.7) B. 無電解銅在Additive製程方面是極為重要的尤其是高 品質高選擇性的無電解 銅,是高密度高信賴度板使用該製程的 必要條件。然而一般無電解銅析出速率約 為2~2.5μ m/Hr其析 鍍時間相對可縮短為2~4分之一。 C. 對無電解銅而言,抗鍍光阻的剝離是最嚴苛的問題,由 於光阻會操作在70℃的 鹼性化學銅液中,介面間的應力及光 阻膨鬆是被認為剝離的主要動力。化學銅反 應產生的氫氣,原 有的薄氧化銅表層因還原反應而失去鍵結力,都是剝離的可能 2013-7-11 原因。 TONGJIANG 192

D. 較有效的防止剝離方式可以考慮對表面施以不同的 金屬處理。底銅的化學電位相 對於氫為-600mV,氧化銅相 對於氫的還原位為-355mV,由於還原電位高於電化反 應因 此還原反應極易產生剝離。若要保持良好的鍵結力就必須找 一個更低電位的 金屬覆於其上以防止反應。Zn/Sn/Ni都是 有機會的金屬,以鋅而言經實驗證明 適當的覆蓋厚度可得 到承受浸泡化學銅40Hr仍不會剝離的結合效果,其經驗厚 度約為0.5±0.1mg/cm2,金也是可選擇加強結合力的金屬。

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E. 傳統的光阻是以溶劑型為主,但因環保問題而使業界對配方 有所調整,加入親水 性物質,光阻可使用水溶液顯影。但一般水溶 性光阻由於是鹼性顯影系統,用 化學銅抗電鍍將因親水分子過多而 產生膨鬆問題。因此有新系統發展出來,親水 分子調整至最佳狀況 後以低鹼性鹽及高揮發點溶劑組合成顯影液,顯影液之最大 成份仍 為水,如此不會有燃燒的危險。而此光阻劑可承受約40小時化學銅 浸泡 不致有問題,只是光阻難免有溶出物會影響鍍液析出速度及鍍 出品質,因此其配 方是必須考慮以減少影響為目標。一般負型光阻 其本身會吸收光源能量,因此改 善光阻透光性以獲得良好筆直的壁 面,是光阻改善的方向。有部份光阻已可作到 光阻厚度76μ m厚度 以下,30μ m線寬間距的解析度。 F. 電鍍過程中如何防止雜質顆粒的產生,對細線路而言將是一 大課題。對Semi additive製程而言,電鍍若先使用高溫鍍銅(化學 或電鍍),再以較冷的鍍錫槽 鍍保護層,由於光阻會因熱脹冷縮而 在銅線路與光阻頂端產生約1μ m的空隙, 因此鍍錫時線邊緣也會大 部份被錫鍍上,因此可加強保護效果獲得更好的線路。
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G. 薄膜技術也可用於細線製程,一薄層Cr-Cu底層金屬 以 濺 鍍 鍍 於 底 材 上 , 以 2 2 μ m 厚 的 光 阻 作 業 , 以 Semi additive製程化學銅浸約4Hr,去除光阻後由於底 層薄膜很薄, 因此用Ion milling即可,不必作錫保護。 H. Fully additive是另一種方式,其作業是以UV型乾膜 式增黏劑(Adhesive)壓覆 於樹脂面,UV聚合後鑽孔粗化再以 活化劑(觸媒)覆於表面,其後以光阻定義出 備鍍區,為使光 阻能抗鹼可用UV光將光阻固化,再以化銅填入備鍍區,其後光 阻本身也保留成板面的一部份。觸媒一般多用錫鈀膠體,若附 以適當厚度既可啟 始化銅反應同時能保有一定絕緣電阻。

外層線路之影像轉移至此結束,抽檢通過的板子以Rack送 至二銅區(線路電鍍)進行下一製程.
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第九章.二次铜

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9.1 製程目的 此製程或稱線路電鍍 (Pattern Plating),有別於全板電鍍 (Panel Plating) 9.2 製作流程 目前二次銅作業幾乎都是以龍門式自動電鍍線為主,是垂直 浸鍍方式,上下料則採手動或自動.設備的基本介紹後面會提及. 另外值得一提的是為迎合build up新式製程,傳統垂直電鍍線無 法達到一些規格如buried hole, throwing power等,因而有水平 二次銅電鍍線的研發,屆時又將是一大革命.本章仍就傳統負片 二次銅流程加以介紹: 銅面前處理→鍍銅→鍍錫(鉛)

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9.2.0 Time table(時序圖):

含鍍槽在內,二銅自動電鍍線所設計的槽數,少者2,30多者4,50, 輸送掛架 的天車2~3部,因此必須由程式來控制各槽起落,停滯時 間,再由天車執行各RACK流程順序等 一連串複雜的動作,電鍍 時間甚至可控制為設定安培小時,如此各天車就有一時間路線圖 稱之 Time Table.拜PLC的功能愈來愈進步所賜,利用電腦的人性 化介面,在程式的設計上簡便又快速.
9.2.1 銅面前處理 二銅製程之鍍銅前處理皆為In line process,所以都是化學處 理方式.一般的流程為: 脫脂→水洗→微蝕→水洗→酸浸→鍍銅→水洗… 此前處理的重點在於如何將前一製程-外層線路製作-所可能 流在板面上的氧化,指紋,輕微 scun等板面不潔加以處理,並予以 表面的活化使鍍銅的附著力良好.
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9.2.2 鍍銅 9.2.2.1電鍍基礎 A. 法拉第定律 第一定律─在鍍液進行電鍍時,陰極上所沉積(deposit)的金屬 量與所通過的電量成正比。 第二定律─在不同鍍液中以相同的電量進行電鍍時,其各自 附積出來的重量與其化學當量 成正比。 B. 電極電位 當金屬浸於其鹽類之溶液中時,其表面即發生金屬溶成離 子或離子沉積成為金屬之置換可逆反應,直到某一電位下達到 平衡。若在常溫常壓下以電解稀酸液時白金陰極表面之氫氣泡 做為任意零值,將各種金屬對"零值極"連通做對比時,可找各 種 金 屬 對 氫 標 準 電 極 之 電 位 來 ( NHE Standard Potential , Normal Hydrogen Electrode)。將金屬及其離子間之氧化或還原 電位對NHE比較排列而成"電化學次序"(Electrochemieal Series) 2013-7-11 或電動次序(Electromotive Force Series)。 TONGJIANG 199

以還原觀點而言,比氫活潑的金屬冠以負值使其排列在氫 的上位,如鋅為-0.762,表示鋅很容易氧化成離子,不容易沉積 成金屬,理論上至少要外加0.762V以上才能將之鍍出。即: Zn + 2 e → Zn, - 0.762 V 比氫不活潑者冠以正值,排在氫的下位,如銅之: Cu + 2 e → Cu, + 0.34 V 愈在下位者愈容易還原鍍出來,也就是說其金屬態在自然情 況下較安定,反之在上位者則容易生銹了。

C. 過電壓(Overpotential):
在溶液中的帶電物體在平衡時會存在一定電位值,此電位 值稱為平衡電位(E0):當該物質產 生一反應〔不論化學(氧化 還原)或物理反應(擴散)等〕時,都必須賦予額外能量,這 種 能量在電化學的領域我們稱為給予的反應電壓叫作"過電壓", 其關係可以下式表示: 2013-7-11 TONGJIANG 200

η=V(applied)-E° C-1 電鍍的過電壓: 在電鍍過程中電壓主要表現分成下列三項:

η=ηct+ηmt+IR----------------(1)
ηct:Charge transfer overpotential:電鍍反應的過電壓 ηmt:Mass transfer overpotential:質傳反應的過電壓 IR:溶液本身的電阻 對 電 路 板 而 言 孔 與 表 面 為 等 位 面 , 因 此 ηs(surface)= ηh(Hole),因此 ηs=ηh=ηsct+ηsmt+IRs=ηhct+ηhmt+IRh---------------(2)

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其中ηmt表示帶電離子藉Diffusion作用通過Diffusion layer 所造成的電位差,其狀況可以下圖9.1表示圖9.1顯示的意義為在 距離(δ)之外的溶液,其金屬離子濃度可視為定值,其數值與整 槽的平均濃度(C)相同。而在一定距離(δ)內,金屬離子濃度會 逐漸下降,此一濃度下降的區稱為 Diffusion Layer,而δ值即為 Diffusion layer thickness;由於濃度梯度的存在(Concentration gradient)會消耗電能,此即為Mass transfer overpotential存在 的原因,其大小可以下式表示:
ηmt=(RT/nF)(I/iL)=0.082(J/JL)---------------------(3) 其中J及JL分別代表電流密度及極限電流密度,而極限電流 密度JL可以表達: JL=(nFDCb/δ)=K(Cb/δ)--------------------------------(4)

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當系統選定(Cb)操作方式固定(δ),JL值相對也就固定。但 (δ)值會大攪拌及掛架不同而修正。 一般而言,板面因攪拌而 (δ)變小;因此JLS很大而造成ηmts低,反之由於攪拌方向多和 孔 方向垂直;孔內因為金屬離子不易補充及攪拌不佳造成Cbh 偏低及δ值偏高, 以致JLh偏低 ηmtL偏高(ηmth>ηmtsL)至於IR 項是溶液電阻形成的電壓降,距離愈長降愈大;一般取板面的 IR=0,而孔內則為:
EIR=(J.L2/2Kd)-----------------------------------(5) J:電流密度 L:板厚 d:孔半徑 在一般狀況EIR>>0而ηmth>ηmtsL

因此根據式(2)可知ηcth>ηcts恆成立,也就是孔內的 Charge transfer potential永遠小於表面 的Charge transfer potential,而且隨著板厚愈大(即使Aspect ratio不變),兩者差 值愈大。
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C-2過電壓與電鍍 在 各 種 過 電 壓 中 , 真 正 決 定 電 流 密 度 的 是 ηct(charge transfer overpotential),他與電流密度 有如下圖9.2的關係: 圖9.2為不同ηct時電流度的變化曲線(極化曲線),其內容如下: a. 一般而言當系統被賦予電壓時會相應產生電流,其電流 變化一開始時較緩,爾後會呈穩定上升,最後趨向極限電流密 度J(Limit) b. 上述可穩定增加之區間為可操作Range,但一般為考慮 電鍍品質,當選擇 J/J(Limit)=0.35~0.45為範圍 c. 當電流密度達到J/J (Limit)時,即便再加壓電流密度也不 會再上升 d. 給予電壓因分佈不均而局部過高,則當η超過η1*時會產 生氫氣,造成局部燒焦及低電 流效率的缺點 2013-7-11 204
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e. 若外加電壓太高(ηct>η2*),則溶液產生大量氫氣並產生 金屬粉末
由前述知ηcts=ηcth成立,則由圖9.2知Jcts>Jcth亦成立此 即面銅比孔銅厚的原因(Throwing Power T.P.<=1)的主因。而由 圖9.2可以發現,相同的ηcts和ηcth的前題下,Curve(II)所形 成 的電流密度差(△J2=Jcts=Jcth)比 Curve(I)為小(△J2=△J1), 也就是後者(面銅/孔銅)電流密 度差較小,因此Throwing power 較佳;其中 T.P.=(Jcth/Jcts)----------------------------------(6) 由上可佑若適當降低極化曲線(Plating curve)的斜率將有助 於T.P.的提升

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D. 改善Throwing power的方法:
a. 提高Throwing power的方法很多,包括: (1) 降低ηcts和ηcth之差值(△ηct):其方法包括:

-改善攪拌效果

-降低IR值,包括提高酸度及加入導電鹽
-強迫孔內對流(降低IR) -添加改變Charge transfer 能力之添加劑包括載體光澤 劑等 (2) 修正極化曲線:如之前所提藉降低極化曲線的斜率降低 △J
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b. 修正極化曲極化曲線的方法:
(1) 降低金屬離子濃度: 基本上過電壓就是賦予帶電離子反應所需能量,以驅使反 應進行。因此離子愈少則要維持定量離子在定時間內反應之難 度愈高,因此必須給予較大能量。其結困即使得J-η曲線愈平 (見圖9.3 ),由圖上可得幾項推論: -CuSO4濃度愈低,Throwing power愈好 -上述結果也可推論到二次銅電鍍線路不均的板子,其 Distribution也將改善

-必須強調的是隨CuSO4降低,相同電路密度下所消耗的 能量更大
降低金屬離子另外衍生的問題將在後面討論
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E. Additive(添加劑):見圖9.4 a. 基本上電鍍的Additive可分兩大類: -導電鹽: 多為無機鹽類,用以降低IR -修正極化曲線: 多為有機物 b. 就Additive 加入對極化曲線之影響討論如下:
有機Additive加入會吸附在被鍍物上形成一孔狀的Film,有 阻絕作用以致極化曲線Shift,

使得△J由△J1降為△J2因而改良T.P.(T.P.=1-(△J/ Js))
有機Additive一般多為分子較高的分子,其Diffusion不易, 故一般多在表面沉積,造成表面所吸附的Additve比孔內多,以 致孔內和表面極化曲線不一致,使對應的J值產 生變化,△J再 由△J2降到△J3,T.P.因此再度提高Additive之加入,由於表面 吸附作 用,有其一定值及"邊際效用遞減"的作用。當完全沒有 時加入少量即影響甚大,其後再加 改變效果逐漸降低,最後會 出現多加無益反而有害的現象。
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F. 低銅濃度鍍液的評估
a.. 主要考慮項目包括: a-1.操作的電流密度範圍:

一般而言極限電流密度和濃度存在下列關係:
J limit=a+bCb Cb:鍍液濃度 a,b:為常數,以CuSO4鍍液而言存在如 下關係: J limit = 1.8+1.34 Cb ----------------------- (7)

而一般實際電鍍的電流密度範圍則為以下關係:
J/J limit = 0.35~0.40 ----------------------- (8) 根據上述加以整理則有如表之結果-不同銅含量下之J limit 與 J 之值
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由表可知低銅鍍液操作範圍因而下移且縮小,此為設計上必須 注意的事。一般而言 若電流密度超過上限,易導致T.P.下降或 銅粗的現像,若太低則易造成白霧現像。 a-2. Cu+2 累積的問題:

在長期Running的過程中,難免因電流效率無法維持100% 而導致Cu+2濃度上升;其影響如下: -濃度上升造成Operation range 上移,導致原設計之J值 在新濃度中偏下限操作而導致 白霧現象. -濃度上升導致極化曲線動以T.P.下降 -濃度上升使原先的Additive不適用而導致電鍍品質惡化 必需說明的是這些現像在任何鍍液中都存在,但在低金屬濃度 鍍液中特別明顯
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b. 反應時間的改變
直覺上認為電流密度下降導致電鍍時間加長,其實並不盡 然,因為其中有T.P.的修正效應。 表為鍍1mil孔 銅厚度前題下, 不同T.P.所需反應時間計算 。 由上表可看出: -若原有電鍍系統之T.P.很高,則降低J值提高T.P.值的貢獻 有限。因此使用低銅系統無法 縮短電鍍時間。也就是Aspect ratio低或板厚低時此作法浪費時間降低產能。 -若Aspect ratio高或原有板厚大,則T.P.偏低,此時若能藉 著降低電流密度改善T.P.,則 在某一範圍內可縮短電鍍時間。 -若電流密度太低,即使提高T.P.,也會造成電鍍時間增加

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c. Additive的考慮 一般Additive多為有機物;利用該物質吸附在電極表面形 成多孔性薄膜形成電鍍Gap,造成極化曲線偏移,達到提高T.P. 及改善distribution的目的。一般而言Additive在低電流區吸附 效果較差,故易形成白化問題;若欲提高低電流區的效果,一 般採用分子量大吸附力較強的Additive,而此類物質存在下列 問題:

-吸附力強易在鍍層中殘留,形成鍍層的Occlusion,導致 銅層易Crack及降低導電性
-分子量大的東西在操作中易老化分解,因此要注意添加 及定期活性碳處理 -分子量大的物質多半電性較弱,在溶液中不易 Migration吸附在陰極。
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為修正此一特性,分子量大的Additive化合物本身多具有水合 性強的官能基(Functional group)。此類物質在分子量大時仍可 以活性處理方式法除更新;但若分解為小分子時,會因水合性 太高去除因難而必須Dump藥液。

為了提高T.P.,一般Additive多朝向大分子量介面活力強的 分子發展。在此狀況下,上述三種缺點會逐漸呈現影響,在評 估細線厚板及高Aspect ratio板子鍍液時必須留意。 d. 板厚的影響 一般電鍍在考慮T.P.時多考慮Aspect ratio,但事實上板厚 的絕對值也是一項重要因素。

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9.2.2.2 鍍 銅 A. 前言 非導體的孔壁在PTH金屬化而鍍上一層薄無電銅後,立即進 行電鍍銅。電路板以銅為主要導體,是因銅: -高導電度(electrical conductivity) -高強度(strength) -高延展性(ductility) -低成本 而且鍍銅液配槽簡單,後製程蝕刻亦是輕而易舉,再加上廢 液(硫酸銅)處理容易,因此銅被大量使用.裝配由傳統的波焊 (Wave Soldering)改成由錫膏(Solder Paste)或樹脂膠類之定位, 使得孔中不再進行灌錫,由孔銅負起導電的任務,因此對鍍銅 的品質要求更嚴苛。而小孔徑勢之所趨,使得孔壁的縱橫比 (Aspect Ratio)值愈來愈大,而今Build-up製程帶來更大的挑戰, 如兩面盲孔等, 鍍液及電流都不易深入而必須設法改善使技術 升級. 以下探討鍍銅的現況及趨勢 2013-7-11 TONGJIANG 214

B. 鍍銅的演進

a. 傳統式硫酸銅
這是屬高銅低酸的傳統銅液,其分佈力( Throwing Power)很 不好, 故在板面上的厚度分佈很不均勻,而且鍍層呈柱狀組織 (Columnar) ,物理性質也很不好,故很快被業界放棄。 b. 高分佈力硫酸銅(High Throwing Power) 高分佈力硫酸銅改採高酸量低銅量的方法,從基本配方上 著手,改進通孔的特性。但由於添加劑是屬於有機染料類,其在 鍍液中的裂解物不但使鍍液的顏色漸變 ,且使鍍層的延展性的惡 化。酸銅液原為藍色的,經一段時間的操作後竟然會漸漸的轉 變成為綠色 ,經活性炭處理則又會回到應有的藍色來。為了要 在孔銅上有好的表現,加了較多的平整劑(leveling agent),使得 延伸性(Elongation)不理想,無法耐得住基板在"Z"方向的膨脹, 而常在通孔的肩部或膝部發生斷裂,無法通過美軍規範中的熱 應力(Thermal Stress)測試 。且對溫度敏感,高電流區容易燒焦、 2013-7-11 粗糙等毛病,因此也無法為業界接受. TONGJIANG 215

c. 第三代的硫酸銅鍍液 經業者不斷的改進添加劑, 捨棄染料系統, 而進入第三代的 硫酸銅鍍液。此時之銅層性質已大有改善,多能通過漂錫試驗。 不管國內外各廠牌, 基本的配方都差不多。 第三代硫酸銅雖然能符合目前的市場要求,但產速是一大 問題, 若要求在板子任何地方的孔壁要達到1mil厚度時,在 25ASF,25℃的作業條件下, 需60分鐘以上的電鍍時間,無法 應付大量作業。加以近年來線路板的裝配方式起了革命,由傳 統式的插孔裝配(DIP) 進步到表面黏著(SMT),使得線路及孔 徑都變得更細更小更密。孔徑變小,縱橫比加大, 更不容易 讓孔銅厚度符合規格。 d. 鍍銅的最新發展 -高速鍍添加劑(High speed additive) -脈衝電鍍(Pulse plating) -藥液快速衝擊(Impinge)設備
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C. 作業實務與注意事項
a. 硫酸銅液成份 表是典型常用鍍液成份

b. 各成份及其功能:
-硫酸銅,是供給槽液銅離子的主源,配槽時要用化學級 之含水硫酸銅結晶溶解使用,平時作業中則由陽極磷銅塊解離 補 充 之 . 配 液 後 要 做 活 性 炭 處 理 ( Carbon treatment) 及 假 鍍 (Dummy plate)。 -硫酸,要使用試藥級的純酸,硫酸有導電及溶解陽極的 功用,日常操作中銅量因 吹氣的氧化作用使陽極膜的溶解增加, 故液中的銅量會漸增而酸量會漸減,要逐日作分析以維持其酸 與銅之重量比在10:1以上以維持良好的分佈力。鍍液在不 鍍時 要關掉吹氣,以防銅量上升酸量下降及光澤之過度消耗。
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-氯離子,有助陽極的溶解及光澤劑的發揮功能,使陽 極溶解均勻,鍍層平滑光 澤。氯離子正常時陽極膜呈黑色,過 量時則變成灰白色,配液及添加用的水一 定要純,不可用自來 水,因其加有氯氣或漂白粉(含次氯酸鹽)會帶入大量的氯離 子。 -陽極,須使用含磷0.02-0.06%的銅塊,其面積最好為 陰極的兩倍。 -添加劑,主要有光澤(Brightner)、整平(Leveller)、載 體(Carrier)、潤濕劑(Wetter) 等功 能, 用 '安培-小時'添加補充.

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c. 操作及設備: -整流器與陰陽極 提供電流的整流器與陰,陽極間的配線方式非常重要 1. 配線的銅軸直徑:此和每隻Fly-bar須要電流及拉線距離 有關

2. 最好陰陽極桿的兩端都有配接,可使電流分布均勻.
3. 參考圖9.5(a.b)

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-陽極,陽極鈦籃與陽極袋 1.捨棄以前扁平型的,改為長條型以方便調整位置與數量. 2.陽極的長度要比陰極的掛架要短,以減少掛架下端高電 流區之燒焦。見圖9.6(a.b),至於短多少則要視陰陽極距,槽深,掛 架,攪拌方式等實施狀況而定. 3.陽極袋可用PP材質,用以前要稀硫酸浸一段時間 4.正常的陽極膜是黑色的,若呈棕色時表陽極中含磷不夠, 呈銀灰色時表液中氯 離子太多而成了氯化銅。但這只是一般判 斷尚須槽液分析輔助. 5.陽極袋的功用在防止陽極膜屑.碎銅粒掉落槽中,更換頻率 約一年四次,但只要發現 有破得馬上換掉.

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-過濾及吹氣
1.過濾:一則使鍍液流動,再則使浮游物被濾掉,其過濾速 度應每小時至少使鍍槽全 部鍍液能循環3次,當然速度愈大愈 能降低diffusion layer的厚度有利電鍍。濾 心要在5微吋以下之 密度,以達清潔之目的。 2.吹氣管放置在陰極板的正下方兩排向下45°吹氣,見圖9.7 除降低diffusion layer 的厚度,加速離子的補充,更可以幫助 光澤發揮作用。

-擺動與震動 擺動與震動的目的也在縮小diffusion layer,並使孔內不殘 留氣泡..

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-溫度 第三代硫酸銅要在25℃左右操作最好,溫度高了會 造成添加劑的裂解,不但用量 增加而且造成污染非常不利。 故在本省之亞熱帶氣候夏天需要冷凍降溫。但鍍液低於15℃ 以下時會造成導電不良,效率降低,故到了冬天後又要做加 溫的設施, 以減少因低溫而造成的粗糙、無光澤甚至燒焦。

-安培小時自動添加
此部份已屬標準配備

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d. 維護及管理:
-日常管理:槽液之日常操作可在一個過濾機中加裝活性 濾心,使裂解的有機物得以吸附使鍍層能保有良好的性能。此 種日常輕度的處理可延長鍍液的壽命,減少carbon treatment 的頻率. -分析及補充:要每日對銅濃度、硫酸濃度及氯離子含量 做化學分析,再根據實際結果 做調整,須注意做長期趨勢分析 以判斷有否操作異常,或設定 條件有誤. -光澤劑的補充分析:

1. 安培小時自動添加
2. 用哈氏槽(hull cell)模擬實驗 3. CVS分析
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9.2.3鍍錫鉛
9.2.3.1 前言 二次銅後鍍錫鉛合金的目的有二:

a. 蝕刻阻劑, 保護其所覆蓋的銅導體不會在鹼性蝕銅時受到攻擊。
b. 裝配焊接, 須再經IR重熔,目前多已不使用. 由於鉛對人體有頗大的為害,廢液處理不便宜因此純錫電鍍已漸 取代傳統錫鉛. 9.2.3.2 鍍液配方及其操作 A. 標準型配方(Standard Bath)

陽極組成(60%錫,40%鉛)與陰極之面積比為1/2,攪拌要 做陰極桿往復式機械攪拌,及連續過濾。
B. 高分佈力鍍液(High Throwing Power Bath)

其他攪拌、過濾、及陽極與標準液相同
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高分佈液與標準液最大的不同在金屬濃度的大量降低,但同時都 大大 提高游離氟硼酸量,使板子上不會因電流密度相差太大而引起鍍 層厚度的 懸殊差異,高分佈液因金屬含量低了在配液成本及板子作業 帶出也因之降低,對於廢水 的負擔也相形減輕。

C. 原理及操作 各個成份功能表 a. 鍚鉛槽以氟硼酸系為主,調配藥液成份可得不同的鍚鉛比 例,從0%至100%的組成都 可能,離子來源是氟硼酸錫及氟硼酸 鉛在鍍液中水解而成二價錫離子及二價鉛離子. b. 游離氟硼酸在鍍液中,主要功用則是陽極的溶解,增加導 電度並能抑制錫鉛鹽類的分 解,尤其是阻止二價錫氧化成為四 價錫,又能幫助鍍層晶元的細膩化,扮演著重要的 角色。氟硼 酸是由氫氟酸及硼酸二者反應而得: 4HF + H3BO3 a HBF4 + 3H2O
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但此為可逆反應會再水解而成為HF及H3 BO3 的,因此槽 液中要掛一內裝硼酸的PP 布袋,以抑制氟硼酸的水解。
c. 添加劑中以蛋白梀Peptone最常用.蛋白梀Peptone 是一 種蛋白質水解成胺基酸的過程 的產物多由牛肉或牛膠在酸中 水解所製成;用於電鍍時多加有防腐劑以防細菌所敗 壞。其 在鍍液是扮演一種使鍍層晶粒細膩化,抑制高電流區長樹現象 (Treeing),並增 加並增加鍍液的分佈力, 其含量以5-6g/l為宜. 蛋白梀不易用簡單的方法分析,需用到 哈氏槽試驗作為判斷 的方法 d. 鍍槽不用吹氣攪拌以免產生氧化四價錫沉澱,若前製程 帶入硫酸根則會和鉛形成不溶 性硫酸鉛沉澱,一般處理的方 式是在槽前加一槽氟硼酸浸漬,如此既可防止雜物攜 入又可 防止過多的水引入後所造成的水解問題

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e. 為焊接而作的鍍層仍以鍚鉛為多,最常被要求的電鍍鍚鉛 組成是40%鉛60%錫.一般 在兩金屬間會產生介面金屬(IMC), 對銅鍚而言有Cu3Sn的εphase及Cu5Sn6的 η phase,前者出現 是焊錫性不利的表徵,後者是焊接之初焊接良好的產物. f. 因環保問題, 錫鉛組成穩定度問題,很多使用者已改採純 鍚作為電路板抗蝕金屬. 純 鍚製程後面會提及.

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9.2.3.3純鍚電鍍

A. 鍍純錫是一種極容易且廣泛應用於特定用途的電鍍,由 於錫的High throwing power,因此即使特殊形狀有凹孔的鍍 件,也不需要特殊形狀的陽極來改善其電鍍分布 B.商業化的錫鍍槽目前有四種,各為氟硼酸錫、酸鉀及鹵 化錫氟
C.硼酸錫槽:一種不太需要控制的槽液,陰陽極效率多到 達近100%,一般的錫電鍍在氟 硼酸槽中錫為+2價,而在錫酸 鹽槽中錫為+4價,因此電鍍速率有兩倍的差距,操作溫度約 為32~54℃ D.光澤系統可用的有多種,如:蛋白質(Peptone)、白明膠 (Gelatin)、β-Naphthol、 鄰苯二酚(Hydroquinone)等 E.錫槽原則上不加空氣攪拌,以免產生錫氧化而生成白色 沉澱,實務上錫陽極電流密度 以不超過25ASF為原則,以免 因錫溶解過快而使槽內錫濃度增高. 2013-7-11 TONGJIANG 228

9.2.3.3 污染的影響
錫鉛鍍液最容易引起污染的金屬雜質就上游流程的銅,而影 響錫鉛鍍層性質及其裝配時之可焊性最大者也是銅。錫鉛鍍液 中只要銅染濃度超過20PPM時鍍層立即會反映出各種不良的徵 狀,現分述於後: A.鍍面由原來正常的淺灰色變成昏暗之深灰色,若用哈氏 槽印證時,在267 ml小槽中在無攪拌之靜止鍍液中以1安培鍍 10分鐘後,在黃銅試片右緣低電流密度處會發現明顯變黑的情 形即為銅污染之明證。 B.銅污染會引起鍍液中二價錫的氧化成為四價錫,並使陽 極產生較多的鈍層膜,甚至引 起鍍層中有氧化鉛的存在,因而 造成重熔的困難,會產生重熔後表面的砂礫狀,錫面 不平 (dewet)以及許多小坑陷(pimpling)幸好此種無法避免的銅污染 可用低電流假鍍法可 以除去,其做法是定時用折摺狀的不銹鋼 板當成陰極假鍍板,以1-3 ASF去鍍幾小時 就可以除掉。
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C.除了銅之外其他也會有銀、鋅、鎘、等都可能存在陽 極中及來自環境中鐵等的污染,幸好此等微量的金屬污染尚 不致造成焊性的惡化,但若含量過多時也會影響鍍液的分佈 力及鍍層之組成,不過此等金屬都比錫鉛來的活潑,在酸性 溶液中容易被折鍍出來, 也就是可用假鍍方式除掉。 D.鍍液中除了金屬污染外就是有機污染了,當然其大量是 來自蛋白的裂解物,應定時 用活性炭處理除掉。

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9.3 小孔或深孔鍍銅 電路板的裝配日趨緊密,其好處不外減少最後產品的體積 及增加資訊處理的容量及速度。 對板子而言細線及小孔是必 然要面對的問題。就小孔而言,受衝擊最大的就是鍍銅技術, 要在孔的Aspect Ratio很高時,既要得到1mil厚的孔壁,又不 發生狗骨現象,而且鍍層的各種物性又要通過現有的各種規範, 其中種種需待突破的困難實在不少。以下是一些對應的方式 A. 選擇高純度的特定助劑,如特殊的整平劑使在高電流處 抑制鍍層增加,使低電流處仍能有銅正常登陸,並嚴格分析、 小心添加、仔細處理以保持鍍液的最佳效果。 B.改變鍍槽的設計,加大陰陽間的距離,減少高低電流密度 之間的差異。 C.降低電流密度至15ASF以下,改善整流器出來直流的紋波 量(Ripple)至2%以下。若不行 時將電流密度再降低到5ASF, 以時間換取品質。
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D.增強鍍液進出孔中的次數,或稱順孔攪拌,此點最為重 要,也最不容易解決,加強過濾 循 環每小時至少2次,或增加 超音波攪拌。 E.不要增加銅的濃度但要增大硫酸與銅的濃度比值,至少要 10/1以上。 F.助劑添加則應減少光澤劑用量,增加載體用量,並用安培 小時計管理添加,定時用CVS 分析助劑之裂解情形。

G.試用脈波電流(Pulse Plating)法,以減少面銅與孔銅之間 的差異,並增加銅層的延展性,並能以不加添加劑的方式使鍍 層得以整平。

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9.4水平電鍍
水平電鍍方式加上脈波整流器應是徹底克服小孔,高縱橫比, 細 線 等 極 高 密 度 板 子 電 鍍 瓶 頸 , panel plating 已 不 是 問 題,pattern plating若能成功,對業界造福更大. 欣見國內PIOTEC(造利)耕耘此領域多年,目前品質技術已 不輸國外業者.表9.5是水平電鍍與垂直電鍍比較,從中當可看出 其重要性. 當然水平電鍍仍有待改善之處,如導電方式之選擇,非溶解 性陽極所帶來之藥液補充維持之問題等.希望業者多加把勁,在 此領域能獨步全球. 二次銅製程介紹至此告一段落,下一製程是蝕刻(剝膜→蝕刻 →剝錫鉛).

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第十章.蚀刻

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10.1製程目的 將線路電鍍完成從電鍍設備取下的板子,做後加工完成線路:

A. 剝膜:將抗電鍍用途的乾膜以藥水剝除
B. 線路蝕刻:把非導體部分的銅溶蝕掉 C. 剝錫(鉛):最後將抗蝕刻的錫(鉛)鍍層除去上述步驟是由 水平連線設備一次完工. 10.2 製造流程 剝膜→線路蝕刻→剝錫鉛

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10.2.1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,其使用之化學藥液多為NaOH或KOH濃 度在1~3%重量 比。注意事項如下:
A. 硬化後之乾膜在此溶液下部份溶解,部份剝成片狀,為 維持藥液的效果及後水洗能徹底,過濾系統的效能非常重要. B. 有些設備設計了輕刷或超音波攪拌來確保膜的徹底,尤 其是在外層蝕刻後的剝膜, 線路邊被二次銅微微卡住的乾膜必 須被徹底剝下,以免影響線路品質。也有在溶液中加入BCS幫 助溶解,但有違環保,且對人體有害。 C. 有文獻指K(鉀)會攻擊錫,因此外層線路蝕刻前之剝膜 液之選擇須謹 慎評估。剝膜液為鹼性,因此水洗的徹底與否, 非常重要,內層之剝膜 後有加酸洗中和,也有防銅面氧化而做 2013-7-11 氧化處理者。 TONGJIANG 236

10.2.2線路蝕刻
本節中僅探討鹼性蝕刻,酸性蝕刻則見四內層製作 10.2.2.1 蝕銅的機構

A. 在鹼性環境溶液中,銅離子非常容易形成氫氧化銅之 沉澱,需加入足夠的氨水使產生氨銅的錯離子團,則可抑制其 沉澱的發生,同時使原有多 量的銅及繼續溶解的銅在液中形成 非常安定的錯氨銅離子,此種二價的 氨銅錯離子又可當成氧化 劑使零價的金屬銅被氧化而溶解,不過氧化還 原反應過程中會 有一價亞銅離子)出現,即
此一反應之中間態亞銅離子之溶解度很差,必須輔助以氨 水、氨離子及空氣中大量的氧使其繼續氧化成為可溶的二價銅 離子,而又再成為蝕銅的氧化劑週而復始的繼續蝕銅直到銅量 太多而減慢為止。故一般蝕刻機之抽風除了排除氨臭外更可供 給新鮮的空氣以加速蝕銅。
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B. 為使上述之蝕銅反應進行更為迅速,蝕液中多加有助 劑,例如:
a. 加速劑 Acceletator 可促使上述氧化反應更為快速, 並防止亞銅錯離子的沉澱。 b. 護岸劑(Banking agent) 減少側蝕. c. 壓抑劑Suppressor 抑制氨在高溫下的飛散,抑制銅的 沉澱加速蝕銅的氧化反應。

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10.2.2.2 設備

A. 為增加蝕速故需提高溫度到48℃以上,因而會有大量的 氨臭味彌漫需做適當的抽風,但抽風量太強時會將有用的氨也 大量的抽走則是很不 經濟的事,在抽風管路中可加適當節流閥 以做管制
B 蝕刻品質往往因水池效應(pudding)而受限,(因新鮮藥液 被積水阻撓,無法有效和銅面反應稱之水池效應)這也是為何板 子前端部份往往有over etch現象, 所以設備設計上就有如下考 量: a. 板子較細線路面朝下,較粗線路面朝上. b. 噴嘴上,下噴液壓力調整以為補償,依實際作業結果來調 整其差異. c. 先進的蝕刻機可控制當板子進入蝕刻段時,前面幾組噴嘴 會停止噴 灑幾秒的時間.
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d. 也有設計垂直蝕刻方式,來解決兩面不均問題,但國內使 TONGJIANG 239

10.2.2.3 補充添加控制 A. 操作條件如表 B. 自動補充添加 補充液為氨水,通常以極為靈敏的比重計,且 感應 當時溫度(因不同溫度下 比重有差),設定上下限,高於上限 時開始添加氨水,直至低於下限才停止.此 時偵測點位置以及氨 水加入之管口位置就非常重要,以免因偵測delay而 加入過多氨 水浪費成本(因會溢流掉)

10.2.2.4設備的日常保養
A. 不使蝕刻液有sludge產生(淺藍色一價銅污泥),所以成份控 制很重要-尤 其是PH,太高或太低都有可能造成. B. 隨時保持噴嘴不被堵塞.(過濾系統要保持良好狀態) C. 比重感應添加系統要定期校驗.
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10.2.2.5 Undercut 與Overhang
見圖10.1 10.2.3 剝錫(鉛) 不管純錫或各成份比的錫鉛層,其鍍上的目的僅是抗蝕刻用, 因此蝕刻完畢後,要將之剝除,所以此剝錫(鉛)步驟僅為加工,未 產生附加價值.但以下數點仍須特別注意,否則成本增加是其次, 好不容易完成外層線路卻在此處造成不良.

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A.一般剝錫(鉛)液直接由供應商供應,配方有多種有兩液型, 也有單液型,其剝除方式有半溶型與全溶型,溶液組成有氟系 /H2O2,HNO3/H2O2等配方.
B.不管何種配方,作業上有以下潛在問題: a.攻擊銅面. b.剝除未盡影響後製程.

c.廢液處理問題 .
所以剝錫(鉛)步驟得靠良好的設備設計,前製程鍍錫(鉛)厚 度控制及藥液藥效的管理,才可得穩定的品質.

外層線路製作完成之後,進行100%檢測工作.

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第十一章.外層檢查

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11.1前言 一般pcb製作會在兩個步驟完成後做全檢的作業:一是線 路完成(內層與外層)後二是成品,本章針對線路完成後的檢查 來介紹. 11.2檢查方式 11.2.1電測-請參讀第16章

11.2.2目檢
以放大鏡附圓形燈管來檢視線路品質以及對位準確度,若 是外層尚須檢視孔及鍍層 品質,通常會在備有10倍目鏡做進 一步確認,這是很傳統的作業模式,所以人力的須 求相當大. 但目前高密度設計的板子幾乎無法在用肉眼檢查,所以下面所 介紹的AOI 會被大量的使用.

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11.2.3 AOI-Automated optical Inspection 自動光學檢驗 因線路密度逐漸的提高,要求規格也愈趨嚴苛,因此目視加 上放大燈鏡已不足以 過濾所有的缺點,因而有AOI的應用。 11.2.3.1應用範圍 A. 板子型態 -信號層,電源層,鑽孔後(即內外層皆可).

-底片,乾膜,銅層.(工作片, 乾膜顯像後,線路完成後)
B. 目前AOI的應用大部分還集中在內層線路完成後的檢測, 但更 大 的 一 個 取 代 人力的製程是綠漆後已作焊墊表面加工 (surface finish) 的板子.尤其如BGA,板尺寸小,線又細,數量 大,單人力的須求就非常驚人.可是應用於這領域者仍有待技術 上的突破.
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11.2.3.2 原理

一般業界所使用的"自動光學檢驗CCD及Laser兩種;前者 主要是利用鹵素燈通光線,針對板面未黑化的銅面,利用其反 光效果,進行斷、短路或碟陷的判讀。應用於黑化前的內層或 線漆前的外層。後者Laser AOI主要是針對板面的基材部份, 利用對基材(成銅面)反射後產螢光(Fluorescences)在強弱上 的不同,而加以判讀。早期的Laser AOI對"雙功能"所產生的 螢光不很強,常需加入少許"螢光劑"以增強其效果,減少錯誤 警訊當基板薄於6mil時,雷射光常會穿透板材到達板子對另 一面的銅線帶來誤判。"四功能"基材,則本身帶有淡黃色"已 具增強螢光的效果。Laser自動光學檢驗技術的發展較成熟, 是近年來AOI燈源的主力.
現在更先進的鐳射技術之AOI,利用鐳射螢光,光面金屬 反射光,以及穿入孔中鐳射光之信號偵測,使得線路偵測的能 力提高許多,其原理可由圖11.1 , 圖11.2簡單闡釋。
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11.2.3.3偵測項目
各廠牌的capability,由其data sheet可得.一般偵測項 目如下List

A. 信號層線路缺點,見圖11.3
B. 電源與接地層,見圖11.4 C. 孔, 見圖11.5 D. SMT, 見圖11.6

AOI是一種非常先進的替代人工的檢驗設備,它應用了鐳射, 光學,智慧判斷軟體等技術,理論來完成其動作.在這裡我們應 注意的是其未來的發展能否完全取代PCB各階段所有的目視檢 查.
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第十二章.防焊

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12.1 製程目的
A. 防焊:留出板上待焊的通孔及其pad,將所有線路及 銅面都覆蓋住,防 止波焊時造成的短路,並節省焊錫之用量 。

B. 護板:防止濕氣及各種電解質的侵害使線路氧化而危害 電氣性質,並防 止外來的機械傷害以維持板面良好的絕緣,
C. 絕緣:由於板子愈來愈薄,線寬距愈來愈細,故導體間的 絕緣問題日形突 顯,也增加防焊漆絕緣性質的重要性.

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12.2製作流程
防焊漆,俗稱"綠漆",(Solder mask or Solder Resist),為便 於肉眼檢查,故於主漆中多加入對眼睛有幫助的綠色顏料,其 實防焊漆了綠色之外尚有黃色、白色、黑色等顏色. 防焊的種類有傳統環氧樹脂IR烘烤型,UV硬化型, 液態感 光型(LPISM-Liquid Photo Imagable Solder Mask)等型油墨, 以 及乾膜防焊型(Dry Film, Solder Mask),其中液態感光型為目前 製程大宗.所以本單元只介紹液態感光作業 . 其步驟如下所敘: 銅面處理→印墨→預烤→曝光→顯影→後烤 上述為網印式作業,其它coating方式如Curtain coating ,Spray coating等有其不錯的發展潛力,後面也有介紹.
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12.2.0液態感光油墨簡介: A. 緣起: 液態感光油墨有三種名稱: -液態感光油墨(Liquid Photoimagable Resist Ink)

-液態光阻油墨(Liquid Photo Resist Ink)
-濕膜(Wet Film以別於Dry Film) 其別於傳統油墨的地方, 在於電子產品的輕薄短小所帶來的尺寸精度需求,傳統網版技 術無法突破。網版能力一般水準線寬可達7-8mil間距可達10- l5mil,而現今追求的目標則 Five & Five,乾膜製程則因密接不 良而可能有焊接問題,此為液態綠漆發展之原因。 B. 液態油墨分類 a.依電路板製程分類: -液態感光線路油墨(Liquid Photoimagable Etching & Plating Resist Ink)
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-液態感光防焊油墨(Liquid Photoimagable Solder Resist Ink) b.依塗佈方式分類: -浸塗型(Dip Coating) -滾塗型(Roller Coating)

-簾塗型(Curtain Coating)
-靜電噴塗型(Electrostatic Spraying) -電著型(Electrodeposition) -印刷型(Screen Printing)

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C.液態感光油墨基本原理 a. 要求

-感光度解像度高-Photosensitivity & Resolution-感光
性樹脂 -密著性平坦性好-Adhesion & Leveling

-耐酸鹼蝕刻 -Acid & Alkalin Resistance
-安定性-Stability -操作條件寬-Wide Operating Condition -去墨性-Ink Removing

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b. 主成分及功能
-感光樹脂 -感光

-反應性單體
-稀釋及反應 -感光劑 -啟動感光 -填料

-提供印刷及操作性
-溶劑 -調整流動性
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c. 液態感光綠漆化學組成及功能 -合成樹脂(壓克力脂) -UV及熱硬化 -光啟始劑(感光劑) -啟動UV硬化 -填充料(填充粉及搖變粉)

-印刷性及尺寸安定性
-色料(綠粉) -顏色

-消泡平坦劑(界面活性劑)
-消泡平坦 -溶濟(脂類)

-流動性
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利用感光性樹脂加硬化性樹脂,產生互穿式聚合物網狀結 構(lnter-penetrating Net-Work),以達到綠漆的強度。
顯影則是利用樹脂中含有酸根鍵,可以Na2CO3溶液顯像, 在後烘烤後由於此鍵已被融入樹脂中,因此無法再被洗掉. 12.2.1. 銅面處理 請參讀四內層製作

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12.2.2. 印墨
A 印刷型(Screen Printing) a. 檔墨點印刷 網板上僅做孔及孔環的檔點阻墨,防止油墨流入孔內此法 須注意檔點積墨,問題 b. 空網印 不做檔墨點直接空網印但板子或印刷機臺面可小幅移動 使不因積墨流入孔內

c. 有些要求孔塞墨者一般在曝光顯像後針對那些孔在印一 次的方式居多
d. 使用網目在80~120刮刀硬度60~70
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B. 簾塗型(Curtain Coating) 1978 Ciba-Geigy首先介紹此製程商品名為Probimer52, Mass of Germany則首 度展示Curtain Coating設備,作業圖示見圖12.1

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a. 製程特點
1 Viscosity 較網印油墨低 2.Solid Content較少

3.Coating厚度由Conveyor的速度來決定
4.可混合不同尺寸及不同厚度要求的板子一起生產但一 次僅能單面coating b. 效益 1. 作業員不必熟練印刷技術 2. 高產能

3. 較平滑
4. VOC較少 5. Coating厚度控制範圍大且均勻

6. 維護容易
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C. Spray coating 可分三種 a. 靜電spray b. 無air spray c. 有air spray 其設備有水平與垂直方式,此法的好處是對板面不平整十時 其cover性非常好. 另外還有roller coating方式可進行很薄的 coating.

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12.2.3. 預烤 A. 主要目的趕走油墨內的溶劑,使油墨部分硬化,不致在進行 曝光時黏底片. B. 溫度與時間的設定,須參照供應商的data shee.t雙面印與單 面印的預烤條件是不一樣.(所謂雙面印,是指雙面印好同時預烤) C. 烤箱的選擇須注意通風及過濾系統以防異物四沾. D. 溫時的設定,必須有警報器,時間一到必須馬上拿出,否則 overcuring會造成顯像不盡. E. Conveyor式的烤箱,其產能及品 質都較佳,唯空間及成本須考量.

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12.2.4. 曝光
A. 曝光機的選擇: IR光源,7~10KW之能量,須有冷卻系統維持 檯面溫度25~30°C. B. 能量管理:以Step tablet結果設定能量. C. 抽真空至牛頓環不會移動 D. 手動曝光機一般以pin對位,自動曝光機則以CCD對位,以 現在高密度的板子設計,若沒有自動對位勢必無法達品質要求. 12.2.5. 顯像 A. 顯 像 條 件 藥 液 1 ~ 2 % Na2CO3 溫 度 3 0 ± 2 ° C 噴 壓 2.5~3Kg/cm2 B. 顯像時間因和厚度有關,通常在50~60sec,Break-point約在 50~70%.
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12.2.6. 後烤
A. 通常在顯像後墨硬度不足,會先進行UV硬化,增加其硬度以 免做檢修時刮傷. B. 後烤的目的主要讓油墨之環氧樹脂徹底硬化,文字印刷條 件一般為150°C,30min. 12.3文字印刷

目前業界有的將文字印刷放在噴錫後,也有放在噴錫前,不 管何種程序要注意以下幾點:
A. 文字不可沾Pad

B. 文字油墨的選擇要和S/M油墨Compatible.
C. 文字要清析可辨識.
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12.4. 品質要求
根據IPC 840C對S/M要求分了三個等級: Class 1:用在消費性電子產品上如電視、玩具,單面板之 直接蝕刻而無需電鍍之板類,只要有漆覆蓋即可。 Class 2:為一般工業電子線路板用,如電腦、通訊設備、 商用機器及儀 器類,厚度要0.5mil以上。

Class 3:為高信賴度長時間連續操作之設備,或軍用及太 空電子設備之用途,其厚度至少要1mil 以上。
實務上,表一般綠漆油墨測試性質項目可供參考

綠漆製程至此介紹完畢,接下來的製程是表面焊墊的各種處理方 式.

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第十三章.
金手指与HAL

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13.1製程目的 A.金手指(Gold Finger,或稱 Edge Connector)設計的目的,在 於藉由connector連接器的插接作為板對外連絡的出口,因此須要 金手指製程.之所以選擇金是因為 它優越的導電度及抗氧化性. 但因為金的成本極高所以只應用於金手指,局部鍍或化學金,如 bonding pad等.圖13.1是金手指差入連接器中的示意圖.

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B. 噴錫的目的,在保護銅表面並提供後續裝配製程的良好焊接 基地.
13.2製造流程 金手指→噴錫 13.2.1 金手指 A. 步驟: 貼膠→割膠→自動鍍鎳金→撕膠→水洗吹乾 B. 作業及注意事項

a. 貼膠,割膠的目的,是讓板子僅露出欲鍍金手指之部份線路, 其它則以膠帶貼住防鍍.此步驟是最耗人力的,不熟練的作業員還 可能割傷板材.現有自動貼,割膠機上市,但仍不成熟.須注意殘膠 的問題.
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b. 鍍 鎳 在 此 是 作 為 金 層 與 銅 層 之 間 的 屏 障 , 防 止 銅 migration.為提高生產速率及節省金用量,現在幾乎都用輸送 帶式直立進行之自動鍍鎳金設備,鎳液則是鎳含量甚高而鍍層 應力極低的氨基磺酸鎳(Nickel Sulfamate Ni(NH2SO3)2 )

c. 鍍 金 無 固 定 的 基 本 配 方 , 除 金 鹽 ( Potassium Gold Cyanide 金氰化鉀,簡稱 PGC ) 以外,其餘各種成份都是專密 的,目前不管酸性中性甚至鹼性鍍金所用的純金都 是來自純 度很高的金鹽為純白色的結晶,不含結晶水,依結晶條件不同 有大結晶及細小的結晶,前者在高濃度的 PGC 水溶液中緩慢 而穩定自然形成的,後者是 快速冷卻並攪拌而得到的結晶, 市場上多為後者. d. 酸性鍍金(PH 3.5~5.0)是使用非溶解性陽極,最廣用的 是鈦網上附著有白金,或鉭網 (Tantalam) 上附著白金層,後 者較貴壽命也較長。
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e. 自動前進溝槽式的自動鍍金是把陽極放在構槽的兩旁, 由輸送帶推動板子行進於槽中央,其電流的接通是由黃銅電 刷(在槽上方輸送帶兩側)接觸板子上方突出 槽外的線路所導 入,只要板子進鍍槽就立即接通電流,各鍍槽與水洗槽間皆 有緩衝室並用橡膠軟墊隔絕以降低drag in/out,故減少鈍化的 發生,降低脫皮的可能。

f. 酸金的陰極效率並不好,即使全新鍍液也只有30-40% 而已,且因逐漸老化及污染而降低到15% 左右。 故酸金鍍液 的攪拌是非常重要,

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g. 在鍍金的過程中陰極上因效率降低而發生較多的氫氣使 液中的氫離子減少,因而PH值有漸漸上升的情形,此種現象 在鈷系或鎳系或二者並用之酸金製程中都會發生。當PH值漸 升高時鍍層中的鈷或鎳量會降低,會影響鍍層的硬度甚至疏孔 度,故須每日測其PH值。通常液中都有大量的緩衝導電鹽類, 故 PH 值不會發生較大 的變化,除非常異常的情形發生。

h. 金屬污染 鉛:對鈷系酸金而言,鉛是造成鍍層疏孔 (pore) 最直接的原因.(剝錫鉛製程要注意) 超出10ppm即有不良影響. 銅:是另一項容易帶入金槽的污染,到達100ppm時會造成鍍層 應力破製,不過液中的銅會漸被鍍在金層中,只要消除了帶入 來源銅的污染不會造成太大的害處。 鐵:鐵污染達50ppm時也 會造成疏孔,也需要加以處理。
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C.金手指之品質重點 a.厚度 b.硬度 c.疏孔度 (porosity) d.附著力 Adhesion e.外觀:針點,凹陷,刮傷,燒焦等.

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13.2.2 噴錫HASL(Hot Air Solder Leveling)

A 歷史
從1970年代中期HASL就己發展出來。早期製程,即所謂" 滾錫"(Roll tinning),板子輸送進表面沾有熔融態錫鉛之滾輪, 而將一層薄的錫鉛轉移至板子銅表面。目前仍有低層次單面硬 板,或單面軟板使用此種製程。接下來因有鍍通孔的發展及錫 鉛平坦度問題,因此垂直將板子浸入熔解的熱錫爐中,再將多 餘錫鉛以高壓空氣將之吹除。此製程逐漸改良成今日的噴錫製 程,同時解決表面平整和孔塞的問題。但是垂直噴錫仍計多的 缺點,例如受熱不平均Pad下緣有錫垂(Solder Sag),銅溶出量 太多等,因此,於1980年初期,水平噴錫被發展出來,其製程 能力,較垂直噴錫好很多,有眾多的優點,如細線路可到 15mil以下,錫鉛厚度均勻也較易控制,減少熱衝擊,減少銅 溶出以及降低IMC層厚度。

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B. 流程 不管是垂直、噴錫or水平噴錫,正確的製造流程一樣如下: 兩種噴錫機的示意圖見圖13.2與圖13.3

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C. 貼金手指保護膠 此步驟目的在保護金手指以免滲錫,其 選擇很重要,要能耐熱,貼緊,不沾膠. D. 前清潔處理 前清潔處理主要的用意,在將銅表面的有 機污染氧化物等去除,一般的處理方式如下 脫脂→清洗→微蝕→水洗→酸洗(中和)→水洗→熱風乾。 使用脫脂劑者,一般用酸性,且為浸泡方式而非噴灑方 式,此程序依各廠前製程控制狀況為選擇性。微蝕則是關鍵步 驟,若能控制微蝕深度在0.75~1.0μm(30~40μ in),則可確保銅 面之有機污染去除乾淨。至於是否須有後酸洗(中和),則視使 用微蝕劑種類,見表。 此微蝕最佳方式,是以水平噴灑的設備為之維持一定的微蝕速 率,以及控制後面水洗,熱風吹乾間隔的時間,防止再氧化的 情形出現;並和噴錫速度密切搭配,使生 產速率一致。
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屬於前製程嚴重的問題,例如S/M殘留,或者顯影不淨問 題,則再強的微蝕都 無法解決這個問題。
前清潔處理的好壞,有以下幾個因素的影響: -化學劑的種類 -活性劑的濃度(如氧化劑,酸) -微蝕劑的銅濃度 -溫度 -作用時間

槽液壽命,視銅濃度而定,所以為維持etch rate的穩定, 可以分析銅濃度來控制添加新鮮的藥液。

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E. 預熱
預熱段一般使用於水平噴錫,其功能有三, 一為減少進入錫爐時熱衝擊,

二是避免孔塞或孔小。
三、接觸錫爐時較快形成IMC以利上錫。 若能加進此程序,當然最 好,否則浸錫時間須增加,尤其是厚 度大於1.6.mm的厚板,預熱方式有使用烤箱者,水平方式則大 半用IR做預熱,in-line輸送以控制速度及溫度。以1.6mm厚 度 而言,其預熱條件應維持表面溫度在144~174℃間。若板子是 高層次,高縱橫比 (Aspect Ratio),以及內層為散熱層,則熱傳 效果是非常重要的。有些公司的預熱放在 Coating flux之後, 但根據實驗顯示如此會將flux中的活性成份破壞,而不利於吃 錫。前述提到很多垂直噴灑式。不管用何種方式,均勻與完全 的塗覆是最為主要的。 2013-7-11 278
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助焊劑的選擇,要考慮的因素非常的多。助焊劑要考量 的是它的黏度與酸度(活 性),其適用範圍和產品的種類, 製程以及設備有很大的關連。譬如,水平噴錫的助焊劑黏度的 選擇,就必須較垂直噴錫低很多。因水平噴錫之浸錫時間短, 所以助 焊劑須以較快速度接觸板面與孔內。 除了這些以外,尚有以下的考慮: -與錫爐的抗氧化油是否相容

-是何不易清潔,而有殘留物
所以,為了易於清潔,大部份flux主成份為glycol,可溶 於水.活化劑則使用如 HCl或HBr等酸。 最後,因設備的差異,flux的一些特質可能因使用的過程 而有變化,如黏度以及揮發性成份。因此須考慮自動添加系統, 除補充液之外,亦補充揮發性成份。
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F上錫鉛 此段程序,是將板子完全浸入熔融態的錫爐中,液態 Sn/Pb表面則覆蓋乙二醇類(glycol)的抗氧化油,此油須與助 焊劑相容,此步驟最重要的是停留時間,以及因在高溫錫爐中, 如何克服板彎問題的產生。 板子和錫接觸的瞬間,銅表面即產生一薄層IMC Cu6Sn5, 有助後續零件焊接。此IMC層在一般儲存環境下,厚度的成長 有限,但若高溫下,則厚度增長快速, 反而會造成吃錫不良。 垂直噴錫和水平噴錫極大的不同點,在於垂直噴錫從進入錫爐 瞬間至離開錫爐瞬間的時間約是水平噴錫的二倍左右。整個 PANEL受熱的時間 亦不均勻,而且水平噴錫板子有細小的滾 輪壓住,讓板子維持同一平面。所以垂直噴錫一直有熱衝擊板 子彎翹的問題存在。雖有些公司特別設計夾具,減少其彎翹的 情形,但產能卻也因此減少。
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G. 整平
當板子完全覆蓋錫鉛後,接著經高壓熱風段將表面孔內多餘 的錫鉛吹除,並且整平附著於PAD及孔壁的錫鉛。此熱氣的產 生由空壓機產生的高壓空氣,經加溫 後,再通過風刀吹出. 其 溫度一般維持在210~260℃。溫度太低,會讓仍是液狀的錫鉛表 面白霧化及粗糙,溫度太高則浪費電力。空氣壓力的範圍,一 般在12~30psi 之間,視下列幾個條件來找出最佳壓力:1. 設備 種類2. 板厚3. 孔縱橫比4風刀角度及距離(以板子做基準) 下列幾個變數,會影響整個錫鉛層厚度,平整度,甚至後 續焊錫性的良窳。

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1.風刀的結構
2.風刀口至板子的距離 3.風刀角度 4.空氣壓力大小 5.板子通過風刀的速度

6.外層線路密度及結構
其中,前五項都是可調整到最佳狀況,但是第六項則和製程 設備的選擇或者後處理設備有極大的關係,例如垂直噴錫,在 PAD下緣,或孔下半部會有錫垂造成 厚度不均及孔徑問題。

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H. 後清潔處理
後清潔水洗目的,在將殘留的助焊劑或其由錫爐帶出之殘 油類物質洗除,本步驟是噴錫最後一個程序,看似沒什麼,但 若不用心建置,反而會功敗垂成,以下是 幾個要考慮的因素: 1.冷卻段及Holder的設計 2.化學洗

3.水洗水的水質、水溫及循環設計
4.各段的長度(接觸時間) 5.輕刷段

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成功的後清潔製程的設計必須是板子清洗後: 1.板彎翹維持最小比率 2.離子污染必須小於最高標準(一般為6.5μg/cm2)

3.表面絕緣阻抗(SIR)必須達最低要求。(一般標準:3×10 9Ω -噴錫水洗後35℃, 85%RH,24小時後)
13.3 錫爐中各種金屬雜質的影響

噴錫品質的好壞,因素複雜,除上述之錫爐溫度高壓噴氣溫 度以及浸錫時間外,另一個頗為重要的因素是污染的程度。溫 度與時間的控制以各種方式做監控。但是 雜質的in-line監控卻 是不可能的是,它是須要特殊的分析設備來做精確分析,如AA 等,規模夠大,有自已的化驗室者,通常由化驗人員做定期分 析;或者由提供錫鉛 的供應商定期取回分析。

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決定錫爐壽命的主要兩個因素,一是銅污染,二是錫的濃 度,當然其他的金屬污染若有異常現象,亦不可等閒視之。 A. 銅 銅污染是最主要的,且產生來源亦是清楚不過。銅表面在 Soldering時,會產生一層IMC,那是因銅migrates至Solder中, 形成種化學μ(Cu3Sn和Cu5Sn6),隨 著處理的面積增加,銅 溶入Solder的濃度會增加,但它的飽和點,是0.36%(在243 ℃),當超過飽和點時,錫面就會呈現顆粒狀粗糙表面,這是 因為IMC的密度低於 熔溶態錫鉛,它會nigrate到錫鉛表面,呈 樹狀結晶,因此看起來粗糙,這種現像會有兩個問題,一是外 觀,二是焊錫性。因PAD表面錫鉛內含銅濃度高,因此在 組配 零件,會額外增加如Wave Solder或IR Reflow時的設定溫度,甚 至根本無法吃錫。

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B. 錫

錫和鉛合金的最低熔點183℃,其比例是63:37,因此其比 例若因製作過程而有變化,極可能因差異太大,而造成裝配時 的條件設定不良。一般,錫含量比例變化 在61.5~63.5%之間, 尚不致有影響。若高於或低於此範圍,除了改變其熔點外,並 因此改變其表面張力,伴隨的後果是助焊劑的功能被打折扣。 助焊劑最大的作用在 清潔銅面並使達到較低的自由狀態。而且 後續裝配時使用高速,低溫的焊錫應用亦會大受影響而使表現 不如預期。
C. 金 金也是一個常見的金屬污染,若金手指板產量多時,更須 注意控管。若Solder接觸金面,會形成另一IMC層-AuSn4。 金溶入Solder的溶解度是銅的六倍對焊接點 有絕對的傷害。有 金污染的solder畫面看似結霜,且易脆。要徹底避免金的污染, 可將金手指製程放在噴之後。一旦金污染超過限度只有換新一 途。
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D. 銻Antimony 銻對於焊錫和銅間的wetting亦有影響,其含量若超出 0.5%,即對焊性產生不良影響。 E. 硫(Sulfur) 硫的污染會造成很嚴重的焊錫性問題,即使是百萬之幾的 含量,而且它會和錫及鉛起化學反應。因此要儘所有可能防止 它污染的可能性,包括進料的檢驗,製程中帶 入的可能。 F. 表13.1是一般可容許的雜質百分比,所訂的數字會比較嚴 苛,這是因為個別的污染雖有較高的容忍度,但若同時有幾個 不同污染體,則有可能即使僅有容忍上限 的. 1/2,但仍會造成 製程的不良焊錫性變差。因此,製程管理者須謹慎從事。 SMOBC(Solder Mask Of Bare Copper)之噴錫製程完成後即進 行成型步驟(十五)
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第十四章.

其他焊墊表面處理 (OSP,化學鎳金,)

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14.1 前言 錫鉛長期以來扮演著保護銅面,維持焊性的角色, 從熔錫板到 噴錫板,數十年光陰至此,碰到 幾個無法克服的難題,非得用替 代製程不可: A. Pitch 太細造成架橋(bridging) B. 焊接面平坦要求日嚴 C. COB(chip on board)板大量設計使用 D. 環境污染 本章就兩種最常用製程OSP及化學鎳金介紹之

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14.2 OSP OSP是Organic Solderability Preservatives 的簡稱,中譯為 有機保焊膜,又稱護銅劑,英文亦稱之Preflux,本章就以護銅劑稱 之. 14.2.1 種類及流程介紹

A. BTA(苯駢三氯唑):BENZOTRIAZOLE
BTA是白色帶淡黃無嗅之晶狀細粉,在酸鹼中都很安定, 且不易發生氧化還原反應,能與金屬形成安定化合物。 ENTHON將之溶於甲醇與水溶液中出售 ,作銅面抗氧化劑 (TARNISH AND OXIDE RESIST),商品名為CU-55及CU-56, 經CU-56處理之銅面可產生保護膜,防止裸銅迅速氧化。 操作流程如表。
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B. AI(烷基咪唑) ALKYLIMIDAZOLE PREFLUX是早期 以ALKYLIMIDAZOLE作為護銅劑而開始,由日本四國化學 公司首先 開發之商品,於1985年申請專利,用於蝕刻阻劑 (ETCHING RESIST),但由於色呈透明檢 測不易,未大量使 用。其後推出GLICOAT等,係由其衍生而來。
GLICOAT-SMD(E3)具以下特性: -與助焊劑相容,維持良好焊錫性 -可耐高熱銲錫流程 -防止銅面氧化

操作流程如表。

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C. ABI (烷基苯咪唑) ALKYLBENZIMIDZOLE 由日本三和公司開發,品名為CUCOATA ,為一種耐濕 型護銅劑。能與銅原子產生錯合物(COMPLEX COMPOUND), 防止銅面氧化,與各類錫膏皆相容,對焊錫性有正面效果。 操作流程如表。 D. 目前市售相關產品有以下幾種代表廠家:

醋酸調整系統:
GLICOAT-SMD (E3) OR (F1) WPF-106A (TAMURA)

ENTEK 106A (ENTHON)
MEC CL-5708 (MEC) MEC CL-5800(MEC)
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甲酸調整系統:

SCHERCOAT CUCOAT A
KESTER 大半藥液為使成長速率快而升溫操作,水因之蒸發快速, PH控制不易,當PH提高時會導致MIDAZOLE不溶而產生結晶, 須將PH調回。一般採用醋酸(ACETIC ACID)或甲酸 (FORMIC ACID)調整。

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14.2.2 有機保焊膜一般約0.4μm的厚度就可以達到多次熔焊的目的, 雖然廉價及操作單純,但有以下缺點: A. OSP透明不易測量,目視亦難以檢查 B. 膜厚太高不利於低固含量,低活性免洗錫膏作業,有利於焊 接之Cu6Sn5 IMC也不易形成

C. 多次組裝都必須在含氮環境下操作
D. 若有局部鍍金再作OSP,則可能在其操作槽液中所含的銅 會沉積於金上,對某些產品會形成問題

E. OSP Rework必須特別小心

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14.3 化學鎳金 14.3.1基本步驟 脫脂→水洗→中和→水洗→微蝕→水洗→預浸→鈀活化→吹 氣攪拌水洗→無電鎳→熱水洗 → 無電金→回收水洗→後處理水洗→乾燥.

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14.3.2無電鎳 A. 一般無電鎳分為"置換式"與"自我催化"式其配方極多,但 不論何者仍以高溫鍍層品質較佳 B.一般常用的鎳鹽為氯化鎳(Nickel Chloride) C. 一 般 常 用 的 還 原 劑 有 次 磷 酸 鹽 類 ( Hypophosphite)/ 甲 醛 (Formaldehyde)/聯氨 (Hydrazine)/硼氬化合物(Borohydride)/硼 氫化合物(Amine Borane) D.螯合劑以檸檬酸鹽(Citrate)最常見 E.槽液酸鹼度需調整控 制 , 傳 統 使 用 氨 水 ( Amonia), 也 有 配 方 使 用 三 乙 醇 氨 (Triethanol Amine),除可調整PH及比氨水在高溫下穩定,同時 具有與檸檬酸鈉結合共為鎳金屬螯合劑,使鎳可順利有效地沉 積於鍍件上 F.選用次磷二氫鈉除了可降低污染問題,其所含的磷對鍍層 品質也有極大影率
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G.此為化學鎳槽的其中一種配方 配方特性分析: a.PH值的影響:PH低於8會有混濁現像發生,PH高於10會 有分解發生,對磷含量及沉 積速率及磷含量並無明顯影響 b.溫度的影響:溫度影響析出速率很大,低於70°C反應 緩慢,高於95°C速率快而無 法控制.90°C最佳

c.組成濃度中檸檬酸鈉含量高,螯合劑濃度提高,沉積速率 隨之下降,磷含量則隨螯合 劑濃度增加而升高,三乙醇氨系統 磷含量甚至可高到15.5%上下
d.還原劑次磷酸二氫鈉濃度增加沉積速

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