印刷電路板(PCB)

印刷線路板,常使用英文縮寫PCB(Printed circuit board)或寫PWB(Printed wire board)是重要的電子部件,是電子元件的支撐體,是電子元器件線路連接的基礎板。
傳統的電路板,採用印刷蝕刻阻劑的工法,做出電路的線路及圖面,因此被稱為印刷電路板或印刷線路板。由於電子產品不斷微小化跟精細化,目前大多數的電路板都是採用貼附蝕刻阻劑(壓膜或塗佈),經過曝光顯影後,再以蝕刻做出電路板。

5-1

常用單位換算

板廠常用的尺寸英制單位與公制單位 : 英吋 inch ( " )1inch = 1″ = 1000 mil= 25.4mm

英絲 mil (條)
1mil = 0.001 inch= 0.0254 mm ex:板厚 63mil = 1.6mm= 25.4 µm
1mm  = 39.37mil

µ 是指10的負6次方,所以 1 µm =0.001mm PCB的規格中表面銅厚通常是以幾盎司來製作而1oz銅厚是指將1oz銅平攤到1平方英尺上所形成的銅箔的厚度1oz銅厚約0.035mm PCB的規格中表面處理的厚度常用幾 µ"來表示所以 1µ" 就是 1英吋乘上10的負6次方1µ" = 0.001mil =0.0000254mm

電路板基材介紹

基材普遍是以基板的絕緣部分作分類,常見的原料為電木板、玻璃纖維板,及各式的金屬板與塑膠板。而PCB的製造商普遍會以一種以玻璃纖維、不織物料、以及樹脂組成的絕緣部分,再以環氧樹脂和銅箔壓製成"黏合片"(Prepreg)使用。常見的基材及主要成份有:

  • CEM-1 棉紙、環氧樹脂(阻燃)
  • CEM-2 棉紙、環氧樹脂(非阻燃)
  • CEM-3 玻璃布、環氧樹脂
  • FR-1 酚醛棉紙,這基材通稱電木板
  • FR-2 酚醛棉紙
  • FR-3 棉紙(Cotton paper)、環氧樹脂
  • FR-4 玻璃布(Woven glass)、環氧樹脂
  • FR-5 玻璃布、環氧樹脂
  • FPC 聚亞醯胺(PI)、電解銅箔
  • Aluminum 鋁基板

現在基材上面的銅箔,通常是紅銅、早期有的是青銅、紅銅較青銅來說純度較高、色澤較亮,具有良好的導電性及導熱性。

PCB結構的種類

常見的印刷電路板(PCB)種類,依環氧樹脂結構可以分為三大類:
一、單面板Single Layer PCB
是指一個面鋪銅,另一面沒有鋪銅的電路板。零件一般情況是放置在沒有鋪銅的一面,鋪銅的一面用於佈線和元件焊接,而單面板因為只有一面,佈線間不能交叉而必須繞獨自的路徑,因此在設計線路上有許多限制。

二、雙面板Double Layer PCB
雙面鋪銅的電路板,兩個鋪銅層通常被稱為頂層(Top Layer)和底層(Bottom Layer),正面與背面鋪銅層都可以佈線,頂層一般為放置元件面,底層一般為元件焊接面,因為雙面板的銅面積比單面板大了一倍,而且佈線因為可以繞到另一面而互相交錯,所以它更適合用在比單面板更複雜的電路上。

三、多層板Multi Layer PCB
多個鋪銅層面的電路板,使用數片雙面板,並在每層板間放進一層絕緣層(Prepreg)後加熱加壓(壓合)。板子的層數就代表了有幾層獨立的佈線層,通常層數都是偶數,並且包含最外側的兩層。除了有頂層(Top Layer)和底層(Bottom Layer)之外還有中間層,中間層可以是導線層、信號層、電源層或接地層,層與層之間是相互絕緣的,層與層之間往往是通過孔的連結來實現的。

※各類板疊層構造

7-1
7-2

7-37-47-5

何謂GERBER FILE

1、Gerber file

Gerber File是印刷電路板(PCB)行業描述電路板(線路層、防焊層、文字層等)圖像、鑽孔及成型等檔案軟體的彙集,是PCB行業的標準格式。而Gerber file最初是一個從PCB CAD軟體輸出的資料檔做為光學繪圖語言。1960年代一家名叫Gerber Scientific專業做繪圖機的美國公司所發展出的格式,現由Ucamco公司所有,其前身Barco公司收購了Gerber系統公司,Gerber格式最初是由Gerber系統公司開發的,爾後二十年,行銷於世界四十多個國家。幾乎所有有關電路板CAD系統的發展,也都依此格式作其Output Data,將其資料直接輸入繪圖機就可繪出電路板各站所需的底片,因此Gerber Format 成為電子業界的公認’標準。

2、Gerber file 正片、負片

正片 (positive): 在線路層Gerber 描述的圖形主要是有銅的部分,就是走線的地方;若是在防焊層的話,gerber 描述的圖 形主要是有防焊檔點的部分(即需要開窗的部分)負片 (negtive)  :負片相對於正片,在線路層來說,gerber 描述的圖形主要是沒有銅的部分;若是在防焊層的話,gerber 描述的圖形主要是沒有防焊檔點的部分(即不需要開窗的部分)較直觀的解釋是所謂正片上的圖形就是要留的部分,而負片上的圖形就是要去掉的部分,會有這樣子分別的原因則是因為製程或其他的考量。

PCB內層-線路,蝕刻,壓合

內層線路、蝕刻、壓合製作方式: 5-2

乾膜:Dry Film Photo Resist
–覆膜→曝光→顯影→蝕刻→剝膜→清洗→AOI→棕化→壓合

濕膜:Liquid Photo Resist
–塗佈→預烘→曝光→顯影→蝕刻→剝膜→清洗→AOI→棕化→壓合–因無Mylar層可做較細線路

覆膜:將感光物質(乾膜或濕膜)加諸於基板表面。乾膜膜厚1.0〜1.3 mil,濕膜膜厚8〜12 µm。

曝光:內層線路影像轉移。乾膜45〜60 mj/cm2,濕膜80〜120 mj/cm2;靜候15min乾膜需撕Mylar。

顯影:去除未被曝光之乾、濕膜或殘膜。顯像操作30〜32℃,1〜2%Na2CO3碳酸鈉/鉀。

蝕刻:內層線路形成。藥水配置CuCl2氯化銅蝕刻(酸性)、FeCl3氯化鐵蝕刻(鹼性)。

剝膜:去除剩餘的乾、濕膜。剝膜操作45〜55℃,3〜5% NaOH氫氧化鈉。

清洗:去除板面殘餘藥劑。

5-4
AOI:內層線路檢查。

棕化:在銅面形成氧化層,增加內層板銅面與膠片(PP)結合力。

(黑化) 使銅面鈍化增加絕緣性;增加樹脂接觸的表面積與附著力、增加銅面對流動樹脂之潤濕性,使樹脂能流入死角並使內層線路的銅面粗化以便能和膠片產生良好的黏合性能。

規格要求:0.5oz→6lb,1oz→8lb,2oz→10lb。

壓合:將預疊好之內層板、膠片與銅箔壓合。

壓合操作:熱壓180℃/120min→冷壓降溫2.5℃/min,公差1.6mm±0.127mm

PCB外層-鑽孔,鍍銅,蝕刻,線路

5-3外層鑽孔、電鍍、乾膜線路製作方式:
鑽孔Drilling:主要為通孔製作。
原物料:
–鑽針(碳化鎢),可研磨2〜3次。孔愈小Spindle轉速愈快。
–上墊板(鋁板),鑽針定位、預防鑽入起孔毛邊。
–下墊板(尿素板、紙漿板)預防墜針鑽到機台、透孔用途。
鑽孔流程:
鑽Pin孔→壓Pin→貼膠→鑽孔→下Pin→檢查漏鑽、斷針。

電鍍:鍍通孔,使孔導通。
流程:去毛邊→除膠渣→化學銅→電鍍銅
–去毛邊:刷磨去除鑽孔在板面產生之多餘残屑。
–除膠渣:去除鑽孔高溫使孔壁樹脂融化產生膠渣。
–化學銅(PTH):以化學置換方式在孔內壁形成銅導體。Pd鈀活化→化學銅沉積0.3〜0.5mil。
在層間導通孔道成型後需於其上佈建金屬銅層,以完成層間電路的導通。先以重度刷磨及高壓沖洗的方式清理孔上的毛頭及孔中的粉屑,再以高錳酸鉀溶液去除孔壁銅面上的膠渣。在清理乾淨的孔壁上浸泡附著上錫鈀膠質層,再將其還原成金屬鈀。將電路板浸於化學銅溶液中,藉著鈀金屬的催化作用將溶液中的銅離子還原沉積附著於孔壁上,形成通孔電路。
–電鍍銅:以電鍍方式在孔內壁形成銅導體,並達到客戶指定面/孔銅厚度。
二次銅,生產方式則是在顯影後以硫酸銅浴電鍍的方式將導通孔內的銅層加厚到足夠抵抗後續加工再加錫(該區域的錫在稍後的蝕銅步驟中將被保留下來當作蝕刻阻劑)。

乾膜線路:
壓膜→曝光→顯影→線路鍍銅→鍍錫鉛→剝膜→蝕刻→剝錫鉛
–壓膜:將感光物質(乾膜)加諸於基板表面。基板壓膜前通常需先用刷磨、微蝕等方法將板面銅箔做適當的粗化處理,再以適當的溫度及壓力將乾膜光阻密合貼附其上。
–外層曝光:外層線路影像轉移。將貼好乾膜光阻的基板送入紫外線曝光機中曝光,光阻在底片透光區域受紫外線照射後會產生聚合反應(該區域的乾膜在稍後的顯影、蝕銅步驟中將被保留下來當作蝕刻阻劑),而將底片上的線路影像移轉到板面乾膜光阻上。
–外層顯影:去除未被曝光之乾膜或殘膜。撕去膜面上的保護膠膜後,先以碳酸鈉水溶液將膜面上未受光照的區域顯影去除。
–線路鍍銅:鍍二次銅電鍍線路,補足一銅後製程損失,銅厚ⅠCu+ⅡCu=至少1 mil。
–蝕刻:外層線路形成。藥水配置CuCl2氯化銅蝕刻(酸性)、FeCl3氯化鐵蝕刻(鹼性)。
–鍍錫鉛:抗蝕刻、抗鹼。
–剝膜:去除剩餘的乾膜。剝膜操作45〜50℃,3〜5% NaOH氫氧化鈉。
–蝕刻:外層線路形成。區分氯化氨蝕刻(鹼性)。過硫酸銨蝕刻(酸性),後者速度較快。
–剝錫鉛:錫剝除液硝酸系、氟硼酸系。將不需要的錫層剝除。

PCB表面處理-防焊

防焊(Sold Mask),亦即"防止"表面銅箔線路吃錫及消除焊點。一般會塗上各顏色漆層以避免線路銅箔面沾錫、氧化、防止外力撞擊斷線、絕緣線路及零件間導電、使產品耐高低溫與乾溼態下有較佳的運作功能,防焊層具使產品美觀外尚能發揮耐保存性及方便零件加工。
製作程序:

防焊預烤 Pre Cure(Tack Dry)
–第一面 75 ±5℃,25 min
–第二面 75 ±5℃,35 min
–雙面預烤 75 ±5℃,45 min
–表面硬度 2H,油墨不沾

• 防焊曝光 Exposure
–能量 400〜600 mj/cm2
–曝光時需抽真空使底片密貼板材
並隔絕氧氣使聚合反應加速完成
• 防焊後烘烤 Post Cure
–150 ±3℃,60 min
–表面硬度 6〜8H
• 顯影 Developing
–Na2CO3 1%,30℃
–表面硬度 4H
• 雙面UV硬化
–增加光澤/硬度,防止刮傷
–增強抗化性(化金)
PCB表面處理-ENTEK

5-6

ENTEK 是PCB表面處理的一種方式,其最早為一家生產製造護銅劑的廠商(OSP)。將其產品塗佈在銅上面,可以使銅面保有焊錫性。後來有多家廠商發展出不同的護銅劑,也使用了不同的產品名稱,但是因為 ENTEK 是較早出現的OSP商品,因此後來的產品有人也以ENTEK相稱,這使得ENTEK變成了一種對護銅劑的稱呼。其實  它就是一種OSP(有機保焊膜, Organic Solderability Preservative),經過化學作用塗佈在銅表面的護銅劑。厚度越厚,保護性原則上會較完整,但是相對的需要較強活性的助焊劑才能進行焊接。使用ENTEK的優點包括成本低、加工速度快,缺點則是保存時間短(易氧化)、無法電測、無法打金線、難重工(Re-flow)、外觀檢驗困難等。
保焊劑沉積基本原理:
1. 與表面金屬銅產生絡合反應。
2. 形成有機物,厚0.15µm。
3. 在Benzimidazole上加厚至要求厚度。
※Benzimidazole(苯並咪唑):咪唑, Imidazole即1,3-二氮唑,是一個五元雜環芳香性有機化合物,化學式C3H4N2。
易溶於水(以無限比例)和其它極性溶劑。咪唑的兩個氮原子間存在永久偶極,極性很強,偶極矩為3.61D,並且分子間存在氫鍵締合,導致了咪唑具有反常高的沸點(256℃)。分子中存在一個6電子共軛大π鍵,故具有典型的芳香性。與氫以σ鍵相連的氮原子提供一對電子,環內其餘四個原子各提供一個電子成鍵。

PCB表面處理--噴錫

噴錫是印刷電路板( PCB )最常見的表面處理方式,它具有良好的可焊接性,可用於大部分電子產品,噴錫對其他表面處理來說具有成本低、容易重工、有較長的儲存時間、適合目視檢查和電測、可焊接性好的優點。其不足之處是表面相對不平整,特別是大面積開窗的時候,更容易出現錫不平整的現象,錫面也容易老化,且噴錫時銅會溶解,板子經受一次高溫,而特別厚或薄的板,噴錫有局限,生產操作不方便。
常見的噴錫設備可大分為垂直與水平兩種,噴錫的厚度一般是以量測1mm x1mm 或2mm x 2mm的pad為主,大致上會落在80~1000 MICRO INCH這個區間,若使用垂直噴錫設備,愈大的pad其厚度誤差就會愈大,因為噴錫是以板面垂直水平線的方式作業,而噴錫完成的瞬間,錫尚未完全冷卻凝固,因此越下方的厚度因為地心引力的因素就越厚,與上方的厚度差異也愈大。而且垂直噴錫設備在面對較薄的板子時,風刀容易造成板子抖動的刮傷或變形。水平噴錫設備則能達到較好的噴錫均勻度。

因應目前的環保議題,噴錫有無鉛噴錫可供選擇。然而無鉛噴錫比起有鉛噴錫來的容易脆化,產品的耐用度差了些。目前我司的有鉛噴錫(HASL – Hot-Air Solder Leveling)成分組成為錫63%、鉛37% ;無鉛噴錫(lead-free HASL)則為錫銀銅,成分組成為錫約95~96%、銀約3%、銅約1% 。有鉛噴錫和無鉛噴錫在硬度的比較上是以有鉛噴錫較硬,而熔點和導電性則是無鉛噴錫較高。
噴錫的作業流程大致上為:脫脂->微蝕->酸浸->助焊劑->噴錫->熱水洗->乾燥

PCB表面處理--電鍍金

PCB在表面處理上選項有電鍍金或化學金,而電鍍金分為「硬金」和「軟金」,工藝是將金鍍在銅皮上,而金無法直接與銅反應,因此製程上會先在銅箔鍍上一層鎳,大部分鎳的厚度落在120u"〜150u"之間,然後再把金電鍍在鎳上面,所以也有人將電鍍金稱之為電鍍鎳金。

而硬金及軟金的區別,則是因為最後鍍上去的這層金的成分,有合金和純金的選擇,因為合金的硬度較純金來的高,故電鍍合金就稱為"硬金",硬金中內含"鎢"的材質,其摩式硬度約在7.5-8中,而電鍍純金就被稱為"軟金"。

在用途上,硬金通常用在需要耐插拔、耐碰觸、耐受力摩擦的地方,例如金手指、Keypad按鍵板等;而軟金一般則用於COB(Chip On Board)上面打金線或鋁線,高阻抗及具信賴度產品運用上。

電鍍金的優點有較長的存儲時間,適合接觸開關設計和BONDING設計、適合電測等;而其缺點則有較高的成本、鍍金太厚會導致焊點脆化也就是金脆(Gold Embrittlement)的問題,其製造過程會影響強度、電流分布不均會造成電鍍表面的不均勻等現象。

5-7

PCB表面處理-化學金

在PCB表面處理中所謂的化金,大多是指化鎳浸金(Electroless Nickle Immersion Gold)。 因為ENIG的鍍金層亦屬於純金,所以也有人拿它來作為COB打鋁線的表面處理。 其優點是不需要使用電鍍的製程就可以把鎳及金附著於銅皮之上,而且因它沒有電流分佈不均的困難, 鍍件內外都顯出均勻,銳邊及角等節狀鍍層情形可完全消除,其表面也比電鍍金來得平整、針對高密度 要求信賴度高、可鍍在非導體上(需做適當前處理)、真空包裝未開封的儲存壽命佳、可多次回焊、良好 的可焊性和避免錫橋的產生。 化學金可分為置換金與還原金兩種,置換金的作法是以金離子和PCB表面金屬做置換, 而還原金則是利用藥液中的還原劑,將金直接還原析出金至PCB表面。 5-8

PCB成型-斜邊及V-CUT

成型作業5-9

成型 –Routing

成型:±5 mil –Punching

沖壓:2 mil

斜邊 –20∘,30∘,45∘ ․

V-Cut –留板厚1/3 –郵票孔

7-9

PCB檢測方式-AOI

自動光學檢測AOI (Automatic Optical Inspection),是以非接觸的方式,運用視覺處理技術,擷取影像,進行 分析,識別印刷電路板(PCB)板層中的缺點。 AOI 系統首先對要檢測的 PCB 板層進行光學掃描以獲取圖像,然後系統對測試的焊點與數據庫中的合格 的參數進行比較,經過圖像處理,檢查出PCB上缺陷,可以檢測的製造缺點種類包括短路、多銅及少銅、 斷路、缺口、毛刺、銅渣、缺件、偏斜等。 5-10

PCB檢測方式-飛針測試

飛針測試(Flying-Probe)是一個檢查PCB電性功能的方法之一,也就是斷短路的測試(open/short  test ; o/s test )。 飛針測試的原理很簡單,僅僅需要兩根探針作x、y、z的移動來逐一測試各線路的兩個端點,而斷路測試 原理,就是通過兩根探針同時接觸網絡的端點進行通電,所獲得的電阻與設定的斷路電阻比較,從而判 斷短路與否。

短路測試原理的測試方法則有:充/放電時間法(Charge/discharge rise time)、電感測量法(Field measurement)、 電容測量法(Capacitance measurement)、相位差(Phase difference)和相鄰網(Adjacency)法、自我調整測試法 (Adaptive measuring)等。

其特點為不須製作治具,由於不需要製作治具,也就省去存放治具的空間和管理,只需管理測試資料, 但測試效率不高,由於採用串列的測試方法,所以測試速度慢。故測試效率低是飛針測試的最大缺點, 只適用於中小批量板的測試。而且由於探針是移動的,且接觸板面需要一定的壓力,所以板面有可能會 出現刮傷或者是針痕。

成品電測 Electrical Test (ET)

–治具型

–萬用型 (飛針測試)5-11

PCB銅厚,線寬,電流的關係

PCB設計時銅箔厚度,走線寬度和電流的關係
7-10

註:

1.線路電流承載值一般常溫25℃以下以上數據

2.單位換算: 1mm=39.37mil

3. 1oz銅厚 :將1oz銅平攤到1平方英尺上所形成的銅箔的厚度 約莫為0.035mm(1.4mil)

4.NSI PCB走線寬度計算器 

PCB板材-FR4介電質特性

FR4 介電質特性參數

2016-10-27_14-09-23

註:Tg(Glass transition temperature )-

玻璃轉化溫度:基板由固態融化為橡膠態流質的臨界溫度

高裂解溫度(Td):288℃漂錫

2016-10-27_13-56-08

 

顯示的標稱值僅供參考。

註:在表中的平均值是指.062“1/1樣本

切片分析

一 、切片分析(Mircosection): 切片分析是PCB行業中重要的分析方法之一﹐常用於品質判定或品質異常分析。 係針對於壓合後的板子所做的分析,由於壓合後的板子其內層或者孔的品質無法透過測試或目檢判定, 因此便需要透過微切片分析判定。

二、切片分類: 一般的切片可以分成縱切片和水平切片

1. 縱切片(Vertical Section):沿垂直於板面的方向切開。

2. 水平切片(Horizontal Section) 除此之外也有切孔跟斜切片的方式

三、切片的制作步驟:

1.取樣

2.研磨5-13

3.拋光

4.微蝕

5.封膠

6.顯微照相

四、切片分析: 切片製作完成後,接著便是切片的分析和判讀。藉此找出不良發生的原因,並做出相對應的改善措施, 以提升良率並降低損失。 5-14

樹脂或油墨塞孔

PCB使用樹脂塞孔這製程常是因為BGA零件,因為傳統BGA可能會在PAD與PAD間做VIA到背面去走線,但是若BGA過密導致VIA走不出去時,就可以直接從PAD鑽孔做via到別層去走線,再將孔用樹脂填平鍍銅變成PAD,也就是俗稱的VIP製程(via in pad),若只是在PAD上做via而沒有用樹脂塞孔,就容易造成漏錫導致背面短路以及正面的空焊。

樹脂塞孔的製程包括鑽孔、電鍍、塞孔、烘烤、研磨,鑽孔後將孔鍍通,接著再塞樹脂烘烤,最後就是研磨將之磨平,磨平後的樹脂因為不含銅,所以還要再鍍一層銅上去將它變成PAD,這些製程都是在原本PCB鑽孔製程前做的,也就是先將要塞孔的孔處理好,然後再鑽其他孔,照原本正常的製程走。

塞孔若沒有塞好,孔內有氣泡時,因為氣泡容易吸濕,板子再過錫爐時就可能會爆板,不過塞孔的過程中若孔內有氣泡,烘烤時氣泡就會將樹脂擠出,造成一邊凹陷一邊突出的情況,此時可以將不良品檢出,而有氣泡的板子也不見得會爆板,因為爆板的主因是濕氣,所以若是剛出廠的板子或板子在上件時有經過烘烤,一般而言也不會造成爆板。

油墨塞孔Hole Plugging/Filling
油墨類型區分二類:5-15
熱硬化型油墨。網印→熱烘
UV硬化型油墨。網印→UV
方式及目的:
將板面通孔填入油墨
使噴錫時錫不會進孔
孔75〜100%滿

塞孔烘烤:
階段升溫
→ 80℃,15〜20 min
→ 130℃,10〜15 min
→ 150℃,60 min

高頻訊號板

高頻訊號之能量,在傳輸過中常會發生各種不當的損失,其一是往介質板材中漏失,稱為Dielectric Loss。其二是在導體中發熱的損失,稱為Conductor Loss。其三是形成電磁波往空氣中損失稱為Radiation Loss。針對前者可改用Df較低的板材製作,以減少導體損失,另以壓延銅箔或低稜線銅箔,取代明顯柱狀結晶的粗慥ED Foil,以因應不可避免的集膚效應(Skin Effect)。而輻射損失則需另加遮蔽(Shielding),並導之於接地層的零電位中。

板子對於訊號衰減而言(天線),板材Df要愈低愈好,例如800MHz時最好不要超過0.01。否則將對射頻(RF)的通訊產品具有不良影響,且頻率愈高板材Df要愈小。高頻用板對電路板而言,當傳送的速度越快,訊號損失在基板中的比例也跟著變大,為了達到訊號傳播高速度目的,需使用低散失因子的材料。Df低相對阻抗值小,所以除材質的選用外在設計上也可依疊構層及配合限定的線距、線寬來實現。電阻(Receptivity):銅箔之電阻於20℃下列各值參考
1/8oz:0.17820 ohm-gram/m2
1/4oz:0.16900 ohm-gram/m2
3/8oz:0.16710 ohm-gram/m2
1/2oz:0.16359 ohm-gram/m2
3/4oz:0.16200 ohm-gram/m2

5-16

孔徑、錫墊、板彎翹公差

7-12-1

印刷電路板(PCB)

印刷線路板,常使用英文縮寫PCB(Printed circuit board)或寫PWB(Printed wire board)是重要的電子部件,是電子元件的支撐體,是電子元器件線路連接的基礎板。
傳統的電路板,採用印刷蝕刻阻劑的工法,做出電路的線路及圖面,因此被稱為印刷電路板或印刷線路板。由於電子產品不斷微小化跟精細化,目前大多數的電路板都是採用貼附蝕刻阻劑(壓膜或塗佈),經過曝光顯影後,再以蝕刻做出電路板。

5-1

常用單位換算

板廠常用的尺寸英制單位與公制單位 : 英吋 inch ( " )1inch = 1″ = 1000 mil= 25.4mm

英絲 mil (條)
1mil = 0.001 inch= 0.0254 mm ex:板厚 63mil = 1.6mm= 25.4 µm
1mm  = 39.37mil

µ 是指10的負6次方,所以 1 µm =0.001mm PCB的規格中表面銅厚通常是以幾盎司來製作而1oz銅厚是指將1oz銅平攤到1平方英尺上所形成的銅箔的厚度1oz銅厚約0.035mm PCB的規格中表面處理的厚度常用幾 µ"來表示所以 1µ" 就是 1英吋乘上10的負6次方1µ" = 0.001mil =0.0000254mm

電路板基材介紹

基材普遍是以基板的絕緣部分作分類,常見的原料為電木板、玻璃纖維板,及各式的金屬板與塑膠板。而PCB的製造商普遍會以一種以玻璃纖維、不織物料、以及樹脂組成的絕緣部分,再以環氧樹脂和銅箔壓製成"黏合片"(Prepreg)使用。常見的基材及主要成份有:

  • CEM-1 棉紙、環氧樹脂(阻燃)
  • CEM-2 棉紙、環氧樹脂(非阻燃)
  • CEM-3 玻璃布、環氧樹脂
  • FR-1 酚醛棉紙,這基材通稱電木板
  • FR-2 酚醛棉紙
  • FR-3 棉紙(Cotton paper)、環氧樹脂
  • FR-4 玻璃布(Woven glass)、環氧樹脂
  • FR-5 玻璃布、環氧樹脂
  • FPC 聚亞醯胺(PI)、電解銅箔
  • Aluminum 鋁基板

現在基材上面的銅箔,通常是紅銅、早期有的是青銅、紅銅較青銅來說純度較高、色澤較亮,具有良好的導電性及導熱性。

PCB結構的種類

常見的印刷電路板(PCB)種類,依環氧樹脂結構可以分為三大類:
一、單面板Single Layer PCB
是指一個面鋪銅,另一面沒有鋪銅的電路板。零件一般情況是放置在沒有鋪銅的一面,鋪銅的一面用於佈線和元件焊接,而單面板因為只有一面,佈線間不能交叉而必須繞獨自的路徑,因此在設計線路上有許多限制。

二、雙面板Double Layer PCB
雙面鋪銅的電路板,兩個鋪銅層通常被稱為頂層(Top Layer)和底層(Bottom Layer),正面與背面鋪銅層都可以佈線,頂層一般為放置元件面,底層一般為元件焊接面,因為雙面板的銅面積比單面板大了一倍,而且佈線因為可以繞到另一面而互相交錯,所以它更適合用在比單面板更複雜的電路上。

三、多層板Multi Layer PCB
多個鋪銅層面的電路板,使用數片雙面板,並在每層板間放進一層絕緣層(Prepreg)後加熱加壓(壓合)。板子的層數就代表了有幾層獨立的佈線層,通常層數都是偶數,並且包含最外側的兩層。除了有頂層(Top Layer)和底層(Bottom Layer)之外還有中間層,中間層可以是導線層、信號層、電源層或接地層,層與層之間是相互絕緣的,層與層之間往往是通過孔的連結來實現的。

※各類板疊層構造

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7-2

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何謂GERBER FILE

1、Gerber file

Gerber File是印刷電路板(PCB)行業描述電路板(線路層、防焊層、文字層等)圖像、鑽孔及成型等檔案軟體的彙集,是PCB行業的標準格式。而Gerber file最初是一個從PCB CAD軟體輸出的資料檔做為光學繪圖語言。1960年代一家名叫Gerber Scientific專業做繪圖機的美國公司所發展出的格式,現由Ucamco公司所有,其前身Barco公司收購了Gerber系統公司,Gerber格式最初是由Gerber系統公司開發的,爾後二十年,行銷於世界四十多個國家。幾乎所有有關電路板CAD系統的發展,也都依此格式作其Output Data,將其資料直接輸入繪圖機就可繪出電路板各站所需的底片,因此Gerber Format 成為電子業界的公認’標準。

2、Gerber file 正片、負片

正片 (positive): 在線路層Gerber 描述的圖形主要是有銅的部分,就是走線的地方;若是在防焊層的話,gerber 描述的圖 形主要是有防焊檔點的部分(即需要開窗的部分)負片 (negtive)  :負片相對於正片,在線路層來說,gerber 描述的圖形主要是沒有銅的部分;若是在防焊層的話,gerber 描述的圖形主要是沒有防焊檔點的部分(即不需要開窗的部分)較直觀的解釋是所謂正片上的圖形就是要留的部分,而負片上的圖形就是要去掉的部分,會有這樣子分別的原因則是因為製程或其他的考量。

PCB內層-線路,蝕刻,壓合

內層線路、蝕刻、壓合製作方式: 5-2

乾膜:Dry Film Photo Resist
–覆膜→曝光→顯影→蝕刻→剝膜→清洗→AOI→棕化→壓合

濕膜:Liquid Photo Resist
–塗佈→預烘→曝光→顯影→蝕刻→剝膜→清洗→AOI→棕化→壓合–因無Mylar層可做較細線路

覆膜:將感光物質(乾膜或濕膜)加諸於基板表面。乾膜膜厚1.0〜1.3 mil,濕膜膜厚8〜12 µm。

曝光:內層線路影像轉移。乾膜45〜60 mj/cm2,濕膜80〜120 mj/cm2;靜候15min乾膜需撕Mylar。

顯影:去除未被曝光之乾、濕膜或殘膜。顯像操作30〜32℃,1〜2%Na2CO3碳酸鈉/鉀。

蝕刻:內層線路形成。藥水配置CuCl2氯化銅蝕刻(酸性)、FeCl3氯化鐵蝕刻(鹼性)。

剝膜:去除剩餘的乾、濕膜。剝膜操作45〜55℃,3〜5% NaOH氫氧化鈉。

清洗:去除板面殘餘藥劑。

5-4
AOI:內層線路檢查。

棕化:在銅面形成氧化層,增加內層板銅面與膠片(PP)結合力。

(黑化) 使銅面鈍化增加絕緣性;增加樹脂接觸的表面積與附著力、增加銅面對流動樹脂之潤濕性,使樹脂能流入死角並使內層線路的銅面粗化以便能和膠片產生良好的黏合性能。

規格要求:0.5oz→6lb,1oz→8lb,2oz→10lb。

壓合:將預疊好之內層板、膠片與銅箔壓合。

壓合操作:熱壓180℃/120min→冷壓降溫2.5℃/min,公差1.6mm±0.127mm

PCB外層-鑽孔,鍍銅,蝕刻,線路

5-3外層鑽孔、電鍍、乾膜線路製作方式:
鑽孔Drilling:主要為通孔製作。
原物料:
–鑽針(碳化鎢),可研磨2〜3次。孔愈小Spindle轉速愈快。
–上墊板(鋁板),鑽針定位、預防鑽入起孔毛邊。
–下墊板(尿素板、紙漿板)預防墜針鑽到機台、透孔用途。
鑽孔流程:
鑽Pin孔→壓Pin→貼膠→鑽孔→下Pin→檢查漏鑽、斷針。

電鍍:鍍通孔,使孔導通。
流程:去毛邊→除膠渣→化學銅→電鍍銅
–去毛邊:刷磨去除鑽孔在板面產生之多餘残屑。
–除膠渣:去除鑽孔高溫使孔壁樹脂融化產生膠渣。
–化學銅(PTH):以化學置換方式在孔內壁形成銅導體。Pd鈀活化→化學銅沉積0.3〜0.5mil。
在層間導通孔道成型後需於其上佈建金屬銅層,以完成層間電路的導通。先以重度刷磨及高壓沖洗的方式清理孔上的毛頭及孔中的粉屑,再以高錳酸鉀溶液去除孔壁銅面上的膠渣。在清理乾淨的孔壁上浸泡附著上錫鈀膠質層,再將其還原成金屬鈀。將電路板浸於化學銅溶液中,藉著鈀金屬的催化作用將溶液中的銅離子還原沉積附著於孔壁上,形成通孔電路。
–電鍍銅:以電鍍方式在孔內壁形成銅導體,並達到客戶指定面/孔銅厚度。
二次銅,生產方式則是在顯影後以硫酸銅浴電鍍的方式將導通孔內的銅層加厚到足夠抵抗後續加工再加錫(該區域的錫在稍後的蝕銅步驟中將被保留下來當作蝕刻阻劑)。

乾膜線路:
壓膜→曝光→顯影→線路鍍銅→鍍錫鉛→剝膜→蝕刻→剝錫鉛
–壓膜:將感光物質(乾膜)加諸於基板表面。基板壓膜前通常需先用刷磨、微蝕等方法將板面銅箔做適當的粗化處理,再以適當的溫度及壓力將乾膜光阻密合貼附其上。
–外層曝光:外層線路影像轉移。將貼好乾膜光阻的基板送入紫外線曝光機中曝光,光阻在底片透光區域受紫外線照射後會產生聚合反應(該區域的乾膜在稍後的顯影、蝕銅步驟中將被保留下來當作蝕刻阻劑),而將底片上的線路影像移轉到板面乾膜光阻上。
–外層顯影:去除未被曝光之乾膜或殘膜。撕去膜面上的保護膠膜後,先以碳酸鈉水溶液將膜面上未受光照的區域顯影去除。
–線路鍍銅:鍍二次銅電鍍線路,補足一銅後製程損失,銅厚ⅠCu+ⅡCu=至少1 mil。
–蝕刻:外層線路形成。藥水配置CuCl2氯化銅蝕刻(酸性)、FeCl3氯化鐵蝕刻(鹼性)。
–鍍錫鉛:抗蝕刻、抗鹼。
–剝膜:去除剩餘的乾膜。剝膜操作45〜50℃,3〜5% NaOH氫氧化鈉。
–蝕刻:外層線路形成。區分氯化氨蝕刻(鹼性)。過硫酸銨蝕刻(酸性),後者速度較快。
–剝錫鉛:錫剝除液硝酸系、氟硼酸系。將不需要的錫層剝除。

PCB表面處理-防焊

防焊(Sold Mask),亦即"防止"表面銅箔線路吃錫及消除焊點。一般會塗上各顏色漆層以避免線路銅箔面沾錫、氧化、防止外力撞擊斷線、絕緣線路及零件間導電、使產品耐高低溫與乾溼態下有較佳的運作功能,防焊層具使產品美觀外尚能發揮耐保存性及方便零件加工。
製作程序:

防焊預烤 Pre Cure(Tack Dry)
–第一面 75 ±5℃,25 min
–第二面 75 ±5℃,35 min
–雙面預烤 75 ±5℃,45 min
–表面硬度 2H,油墨不沾

• 防焊曝光 Exposure
–能量 400〜600 mj/cm2
–曝光時需抽真空使底片密貼板材
並隔絕氧氣使聚合反應加速完成
• 防焊後烘烤 Post Cure
–150 ±3℃,60 min
–表面硬度 6〜8H
• 顯影 Developing
–Na2CO3 1%,30℃
–表面硬度 4H
• 雙面UV硬化
–增加光澤/硬度,防止刮傷
–增強抗化性(化金)
PCB表面處理-ENTEK

5-6

ENTEK 是PCB表面處理的一種方式,其最早為一家生產製造護銅劑的廠商(OSP)。將其產品塗佈在銅上面,可以使銅面保有焊錫性。後來有多家廠商發展出不同的護銅劑,也使用了不同的產品名稱,但是因為 ENTEK 是較早出現的OSP商品,因此後來的產品有人也以ENTEK相稱,這使得ENTEK變成了一種對護銅劑的稱呼。其實  它就是一種OSP(有機保焊膜, Organic Solderability Preservative),經過化學作用塗佈在銅表面的護銅劑。厚度越厚,保護性原則上會較完整,但是相對的需要較強活性的助焊劑才能進行焊接。使用ENTEK的優點包括成本低、加工速度快,缺點則是保存時間短(易氧化)、無法電測、無法打金線、難重工(Re-flow)、外觀檢驗困難等。
保焊劑沉積基本原理:
1. 與表面金屬銅產生絡合反應。
2. 形成有機物,厚0.15µm。
3. 在Benzimidazole上加厚至要求厚度。
※Benzimidazole(苯並咪唑):咪唑, Imidazole即1,3-二氮唑,是一個五元雜環芳香性有機化合物,化學式C3H4N2。
易溶於水(以無限比例)和其它極性溶劑。咪唑的兩個氮原子間存在永久偶極,極性很強,偶極矩為3.61D,並且分子間存在氫鍵締合,導致了咪唑具有反常高的沸點(256℃)。分子中存在一個6電子共軛大π鍵,故具有典型的芳香性。與氫以σ鍵相連的氮原子提供一對電子,環內其餘四個原子各提供一個電子成鍵。

PCB表面處理--噴錫

噴錫是印刷電路板( PCB )最常見的表面處理方式,它具有良好的可焊接性,可用於大部分電子產品,噴錫對其他表面處理來說具有成本低、容易重工、有較長的儲存時間、適合目視檢查和電測、可焊接性好的優點。其不足之處是表面相對不平整,特別是大面積開窗的時候,更容易出現錫不平整的現象,錫面也容易老化,且噴錫時銅會溶解,板子經受一次高溫,而特別厚或薄的板,噴錫有局限,生產操作不方便。
常見的噴錫設備可大分為垂直與水平兩種,噴錫的厚度一般是以量測1mm x1mm 或2mm x 2mm的pad為主,大致上會落在80~1000 MICRO INCH這個區間,若使用垂直噴錫設備,愈大的pad其厚度誤差就會愈大,因為噴錫是以板面垂直水平線的方式作業,而噴錫完成的瞬間,錫尚未完全冷卻凝固,因此越下方的厚度因為地心引力的因素就越厚,與上方的厚度差異也愈大。而且垂直噴錫設備在面對較薄的板子時,風刀容易造成板子抖動的刮傷或變形。水平噴錫設備則能達到較好的噴錫均勻度。

因應目前的環保議題,噴錫有無鉛噴錫可供選擇。然而無鉛噴錫比起有鉛噴錫來的容易脆化,產品的耐用度差了些。目前我司的有鉛噴錫(HASL – Hot-Air Solder Leveling)成分組成為錫63%、鉛37% ;無鉛噴錫(lead-free HASL)則為錫銀銅,成分組成為錫約95~96%、銀約3%、銅約1% 。有鉛噴錫和無鉛噴錫在硬度的比較上是以有鉛噴錫較硬,而熔點和導電性則是無鉛噴錫較高。
噴錫的作業流程大致上為:脫脂->微蝕->酸浸->助焊劑->噴錫->熱水洗->乾燥

PCB表面處理--電鍍金

PCB在表面處理上選項有電鍍金或化學金,而電鍍金分為「硬金」和「軟金」,工藝是將金鍍在銅皮上,而金無法直接與銅反應,因此製程上會先在銅箔鍍上一層鎳,大部分鎳的厚度落在120u"〜150u"之間,然後再把金電鍍在鎳上面,所以也有人將電鍍金稱之為電鍍鎳金。

而硬金及軟金的區別,則是因為最後鍍上去的這層金的成分,有合金和純金的選擇,因為合金的硬度較純金來的高,故電鍍合金就稱為"硬金",硬金中內含"鎢"的材質,其摩式硬度約在7.5-8中,而電鍍純金就被稱為"軟金"。

在用途上,硬金通常用在需要耐插拔、耐碰觸、耐受力摩擦的地方,例如金手指、Keypad按鍵板等;而軟金一般則用於COB(Chip On Board)上面打金線或鋁線,高阻抗及具信賴度產品運用上。

電鍍金的優點有較長的存儲時間,適合接觸開關設計和BONDING設計、適合電測等;而其缺點則有較高的成本、鍍金太厚會導致焊點脆化也就是金脆(Gold Embrittlement)的問題,其製造過程會影響強度、電流分布不均會造成電鍍表面的不均勻等現象。

5-7

PCB表面處理-化學金

在PCB表面處理中所謂的化金,大多是指化鎳浸金(Electroless Nickle Immersion Gold)。 因為ENIG的鍍金層亦屬於純金,所以也有人拿它來作為COB打鋁線的表面處理。 其優點是不需要使用電鍍的製程就可以把鎳及金附著於銅皮之上,而且因它沒有電流分佈不均的困難, 鍍件內外都顯出均勻,銳邊及角等節狀鍍層情形可完全消除,其表面也比電鍍金來得平整、針對高密度 要求信賴度高、可鍍在非導體上(需做適當前處理)、真空包裝未開封的儲存壽命佳、可多次回焊、良好 的可焊性和避免錫橋的產生。 化學金可分為置換金與還原金兩種,置換金的作法是以金離子和PCB表面金屬做置換, 而還原金則是利用藥液中的還原劑,將金直接還原析出金至PCB表面。 5-8

PCB成型-斜邊及V-CUT

成型作業5-9

成型 –Routing

成型:±5 mil –Punching

沖壓:2 mil

斜邊 –20∘,30∘,45∘ ․

V-Cut –留板厚1/3 –郵票孔

7-9

PCB檢測方式-AOI

自動光學檢測AOI (Automatic Optical Inspection),是以非接觸的方式,運用視覺處理技術,擷取影像,進行 分析,識別印刷電路板(PCB)板層中的缺點。 AOI 系統首先對要檢測的 PCB 板層進行光學掃描以獲取圖像,然後系統對測試的焊點與數據庫中的合格 的參數進行比較,經過圖像處理,檢查出PCB上缺陷,可以檢測的製造缺點種類包括短路、多銅及少銅、 斷路、缺口、毛刺、銅渣、缺件、偏斜等。 5-10

PCB檢測方式-飛針測試

飛針測試(Flying-Probe)是一個檢查PCB電性功能的方法之一,也就是斷短路的測試(open/short  test ; o/s test )。 飛針測試的原理很簡單,僅僅需要兩根探針作x、y、z的移動來逐一測試各線路的兩個端點,而斷路測試 原理,就是通過兩根探針同時接觸網絡的端點進行通電,所獲得的電阻與設定的斷路電阻比較,從而判 斷短路與否。

短路測試原理的測試方法則有:充/放電時間法(Charge/discharge rise time)、電感測量法(Field measurement)、 電容測量法(Capacitance measurement)、相位差(Phase difference)和相鄰網(Adjacency)法、自我調整測試法 (Adaptive measuring)等。

其特點為不須製作治具,由於不需要製作治具,也就省去存放治具的空間和管理,只需管理測試資料, 但測試效率不高,由於採用串列的測試方法,所以測試速度慢。故測試效率低是飛針測試的最大缺點, 只適用於中小批量板的測試。而且由於探針是移動的,且接觸板面需要一定的壓力,所以板面有可能會 出現刮傷或者是針痕。

成品電測 Electrical Test (ET)

–治具型

–萬用型 (飛針測試)5-11

PCB銅厚,線寬,電流的關係

PCB設計時銅箔厚度,走線寬度和電流的關係
7-10

註:

1.線路電流承載值一般常溫25℃以下以上數據

2.單位換算: 1mm=39.37mil

3. 1oz銅厚 :將1oz銅平攤到1平方英尺上所形成的銅箔的厚度 約莫為0.035mm(1.4mil)

4.NSI PCB走線寬度計算器 

PCB板材-FR4介電質特性

FR4 介電質特性參數

2016-10-27_14-09-23

註:Tg(Glass transition temperature )-

玻璃轉化溫度:基板由固態融化為橡膠態流質的臨界溫度

高裂解溫度(Td):288℃漂錫

2016-10-27_13-56-08

 

顯示的標稱值僅供參考。

註:在表中的平均值是指.062“1/1樣本

切片分析

一 、切片分析(Mircosection): 切片分析是PCB行業中重要的分析方法之一﹐常用於品質判定或品質異常分析。 係針對於壓合後的板子所做的分析,由於壓合後的板子其內層或者孔的品質無法透過測試或目檢判定, 因此便需要透過微切片分析判定。

二、切片分類: 一般的切片可以分成縱切片和水平切片

1. 縱切片(Vertical Section):沿垂直於板面的方向切開。

2. 水平切片(Horizontal Section) 除此之外也有切孔跟斜切片的方式

三、切片的制作步驟:

1.取樣

2.研磨5-13

3.拋光

4.微蝕

5.封膠

6.顯微照相

四、切片分析: 切片製作完成後,接著便是切片的分析和判讀。藉此找出不良發生的原因,並做出相對應的改善措施, 以提升良率並降低損失。 5-14

樹脂或油墨塞孔

PCB使用樹脂塞孔這製程常是因為BGA零件,因為傳統BGA可能會在PAD與PAD間做VIA到背面去走線,但是若BGA過密導致VIA走不出去時,就可以直接從PAD鑽孔做via到別層去走線,再將孔用樹脂填平鍍銅變成PAD,也就是俗稱的VIP製程(via in pad),若只是在PAD上做via而沒有用樹脂塞孔,就容易造成漏錫導致背面短路以及正面的空焊。

樹脂塞孔的製程包括鑽孔、電鍍、塞孔、烘烤、研磨,鑽孔後將孔鍍通,接著再塞樹脂烘烤,最後就是研磨將之磨平,磨平後的樹脂因為不含銅,所以還要再鍍一層銅上去將它變成PAD,這些製程都是在原本PCB鑽孔製程前做的,也就是先將要塞孔的孔處理好,然後再鑽其他孔,照原本正常的製程走。

塞孔若沒有塞好,孔內有氣泡時,因為氣泡容易吸濕,板子再過錫爐時就可能會爆板,不過塞孔的過程中若孔內有氣泡,烘烤時氣泡就會將樹脂擠出,造成一邊凹陷一邊突出的情況,此時可以將不良品檢出,而有氣泡的板子也不見得會爆板,因為爆板的主因是濕氣,所以若是剛出廠的板子或板子在上件時有經過烘烤,一般而言也不會造成爆板。

油墨塞孔Hole Plugging/Filling
油墨類型區分二類:5-15
熱硬化型油墨。網印→熱烘
UV硬化型油墨。網印→UV
方式及目的:
將板面通孔填入油墨
使噴錫時錫不會進孔
孔75〜100%滿

塞孔烘烤:
階段升溫
→ 80℃,15〜20 min
→ 130℃,10〜15 min
→ 150℃,60 min

高頻訊號板

高頻訊號之能量,在傳輸過中常會發生各種不當的損失,其一是往介質板材中漏失,稱為Dielectric Loss。其二是在導體中發熱的損失,稱為Conductor Loss。其三是形成電磁波往空氣中損失稱為Radiation Loss。針對前者可改用Df較低的板材製作,以減少導體損失,另以壓延銅箔或低稜線銅箔,取代明顯柱狀結晶的粗慥ED Foil,以因應不可避免的集膚效應(Skin Effect)。而輻射損失則需另加遮蔽(Shielding),並導之於接地層的零電位中。

板子對於訊號衰減而言(天線),板材Df要愈低愈好,例如800MHz時最好不要超過0.01。否則將對射頻(RF)的通訊產品具有不良影響,且頻率愈高板材Df要愈小。高頻用板對電路板而言,當傳送的速度越快,訊號損失在基板中的比例也跟著變大,為了達到訊號傳播高速度目的,需使用低散失因子的材料。Df低相對阻抗值小,所以除材質的選用外在設計上也可依疊構層及配合限定的線距、線寬來實現。電阻(Receptivity):銅箔之電阻於20℃下列各值參考
1/8oz:0.17820 ohm-gram/m2
1/4oz:0.16900 ohm-gram/m2
3/8oz:0.16710 ohm-gram/m2
1/2oz:0.16359 ohm-gram/m2
3/4oz:0.16200 ohm-gram/m2

5-16

孔徑、錫墊、板彎翹公差

7-12-1