PCB多层板内层制作技巧

 
      制作流程
  依产品的不同现有三种流程
  A. Print and Etch
  发料→对位孔→铜面处理→影像转移→蚀刻→剥膜
  B. Post-etch Punch
  发料→铜面处理→影像转移→蚀刻→剥膜→工具孔
  C. Drill and Panel-plate
     发料→钻孔→通孔→电镀→影像转移→蚀刻→剥膜
     内层检测
      AOI(简单线路采目视) →电测→(修补)→确认 内层板线路成完后,必须保证通路及绝缘的完整性(integrity),即如同单面板一样先要仔细检查。因一旦完成压合后,不幸仍有缺陷时,则已为时太晚,对于高层次板子而言更是必须先逐一保证其各层品质之良好,始能进行压合,由于高层板渐多,内层板的负担加重,且线路愈来愈细,万一有漏失将会造成压合后的昂贵损失。传统目视外,自动光学检查(AOI)之使用在大厂中已非常普遍,利用计算机将原图案牢记,再配合特殊波长光线的扫瞄,而快速完美对各层板详作检查。但AOI有其极限,例如细断路及漏电(Leakage)很难找出,故各厂渐增加短、断路电性测试。
  1、发料
  发料就是依制前设计所规划的工作尺寸,依BOM来裁切基材,是一很单纯的步骤,但以下几点须注意:
  A. 裁切方式-会影响下料尺寸
  B. 磨边与圆角的考量-影响影像转移良率制程
  C. 方向要一致-即经向对经向,纬向对纬向
D. 下制程前的烘烤-尺寸安定性考量
 
  2、铜面处理
  在印刷电路板制程中,不管那一个step,铜面的清洁与粗化的效果,关系着下 一制程的成败,所以看似简单,其实里面的学问颇大。
  A. 须要铜面处理的制程有以下几个
  a. 干膜压膜
  b. 内层氧化处理前
  c. 钻孔后
  d. 化学铜前
  e. 镀铜前
  f. 绿漆前
  g. 喷锡(或其它焊垫处理流程)前
  h. 金手指镀镍前
  B. 处理方法现行铜面处理方式可分三种:
  a. 刷磨法(Brush)
  b. 喷砂法(Pumice)
  c. 化学法(Microetch)
  以下即做此三法的介绍
  C. 刷磨法
  a. 刷轮有效长度都需均匀使用到,否则易造成刷轮表面高低不均
  b. 须做刷痕实验,以确定刷深及均匀性优点
  a. 成本低
  b. 制程简单,弹性缺点
  a. 薄板细线路板不易进行
  b. 基材拉长,不适内层薄板
  c. 刷痕深时易造成D/F附着不易而渗镀
  d. 有残胶之潜在可能
  D.喷砂法
  以不同材质的细石(俗称pumice)为研磨材料优点:
  a. 表面粗糙均匀程度较刷磨方式好
  b. 尺寸安定性较好
  c. 可用于薄板及细线缺点:
  a. Pumice容易沾留板面
  b. 机器维护不易
E. 化学法(微蚀法)
 
  3、影像转移
  印刷法
  电路板自其起源到目前之高密度设计,一直都与丝网印刷(Silk Screen Printing)-或网版印刷有直接密切之关系,故称之为"印刷电路板"。目前除了最大量的应用在电路板之外,其它电子工业尚有厚膜(Thick Film)的混成电路(Hybrid Circuit)、芯片电阻(Chip Resist )、及表面黏装(Surface Mounting)之锡膏印刷等也都优有应用。
  由于近年电路板高密度,高精度的要求,印刷方法已无法达到规格需求,因此其应用范围渐缩,而干膜法已取代了大部分影像转移制作方式。下列是目前尚可以印刷法cover的制程:
  a. 单面板之线路,防焊( 大量产多使用自动印刷,以下同)
  b.单面板之碳墨或银胶 c.双面板之线路,防焊
  d.湿膜印刷
  e.内层大铜面
  f.文字
  g.可剥胶(Peelable ink)
  除此之外,印刷技术员培养困难,工资高。而干膜法成本逐渐降低因此也使两者消长明显。
  A. 丝网印刷法(Screen Printing)简介
  丝网印刷中几个重要基本原素:网材,网版,乳剂,曝光机,印刷机,刮刀,油墨,烤箱等,以下逐一简单介绍。
  a. 网布材料
  (1)依材质不同可分丝绢(silk),尼龙(nylon),聚酯(Polyester,或称特多龙),不锈钢,等。电路板常用者为后三者。
  (2)编织法:最常用也最好用的是单丝平织法 Plain Weave.
  (3)网目数(mesh),网布厚度(thickness),线径(diameter),开口(opening)的关系
开口:
  网目数:每inch或cm中的开口数
  线径: 网布织丝的直径 网布
  厚度:厚度规格有六,Slight(S),Medium(M),Thick(T),Half heavy duty(H),Heavy duty(HD),Super heavy duty(SHD)
   b.网版(Stencil)的种类
  (1).直接网版(Direct Stencil)
  将感光乳胶调配均匀直接涂布在网布上,烘干后连框共同放置在曝光设备台面上并覆以原稿底片,再抽真空使其密接感光,经显像后即成为可印刷的网 版。通常乳胶涂布多少次,视印刷厚度而定。此法网版耐用,安定性高,用于大 量生产。但制作慢,且太厚时可能因厚薄不均而产生解像不良。
  (2).间接网版(Indirect Stencil)
  把感光版膜以曝光及显像方式自原始底片上把图形转移过来,然后把已有图形的版膜贴在网面上,待冷风干燥后撕去透明之载体护膜,即成间接性网版。 其厚度均匀,分辨率好,制作快,多用于样品及小量产。
  c. 油墨
  油墨的分类有几种方式
  (1).以组成份可分单液及双液型。
  (2).以烘烤方式可分蒸发干燥型、化学反应型及紫外线硬化型(UV)
  (3).以用途可分抗蚀,抗镀,防焊,文字,导电,及塞孔油墨。 不同制程选用何种油墨,须视各厂相关制程种类来评估,如碱性蚀刻和酸性蚀刻选择之抗蚀油墨考虑方向就不一样。
  d. 印刷作业
  网版印刷目前有三种方式:手印、半自动印及全自动印刷。手印机须要印刷熟 手操作,是最弹性与快速的选择,尤以样品制作。较小工厂及协力厂仍有不少采 手印。 半自动印则除loading/unloading以人工操作外,印刷动作由机器代劳,但对位还是人工操作。也有所谓3/4机印,意指loading亦采自动,印好后人工放入 Rack中。 全自动印刷则是loading/unloading及对位,印刷作业都是自动。其对位方式有靠边, pinning及ccd三种。 以下针对几个要素加以解说:
  (1)张力:
  张力直接影响对位,因为印刷过程中对网布不断拉扯,因此新网张力的要求非 常重要一。般张力测试量五点,即四角和中间。
  (2)刮刀Squeege
  刮刀的选择考量有三,
  第一是材料,常用者有聚氨酯类(Polyure-thane,简称PU)。
  第二是刮刀的硬度,电路板多使用Shore A之硬度值60度-80度者。平坦基板铜面上线路阻剂之印刷可用70-80度; 对已有线路起伏之板面上的印绿漆及文字,则需用较软之60-70度。
  第三点是刮刀的长度,须比图案的宽度每侧长出3/4-1寸左右。 刮刀在使用一段时间后其锐利的直角会变圆,与网布接触的面积增大,就 无法印出边缘毕直的细条,需要将刮刀重新磨利才行,需且刮刀刃在线 不 可出现缺口,否则会造成印刷的缺陷。
  (3). 对位及试印
  -此步骤主要是要将三个定位pin固定在印刷机台面上,调整网版及离板间隙(Off Contact Distance)(指版膜到基板铜面的距离,应保持在2m/m-5m/m做为网布弹回的应有距离 ),然后覆墨试印。若有不准再做微调。
  -若是自动印刷作业则是靠边, pinning及ccd等方式对位。因其产量大,适合 极大量的单一机种生产。
  (4). 烘烤
  不同制程会选择不同油墨, 烘烤条件也完全不一样,须follow厂商提供的 data sheet,再依厂内制程条件的差异而加以modify.一般因油墨组成不一, 烘烤方式有风干,UV,IR等。烤箱须注意换气循环,温控,时控等。
  (5). 注意事项
  不管是机印或手印皆要注意下列几个重点
  -括刀行进的角度,包括与版面及xy平面的角度,
  -须不须要回墨。
  -固定片数要洗纸,避免阴影。
  -待印板面要保持清洁
  -每印刷固定片数要抽检一片依 check list 检验品质。
  干膜法
  更详细制程解说请参读外层制作。本节就几个内层制作上应注意事项加以分析。
  A. 一般压膜机(Laminator)对于0.1mm厚以上的薄板还不成问题,只是膜皱要多 注意
  B. 曝光时注意真空度
  C. 曝光机台的平坦度
  D. 显影时Break point 维持50~70% ,温度30+_2,须 auto dosing.
  3、蚀刻
  现业界用于蚀刻的化学药液种类,常见者有两种,一是酸性氯化铜(CaCl2)、 蚀刻液,一种是碱性氨水蚀刻液。
  A。两种化学药液的比较,见表氨水蚀刻液& 氯化铜蚀刻液比较
  两种药液的选择,视影像转移制程中,Resist是抗电镀之用或抗蚀刻之用。在内层制程中D/F或油墨是作为抗蚀刻之用,因此大部份选择酸性蚀刻。外层制程中,若为传统负片流程,D/F仅是抗电镀,在蚀刻前会被剥除。其抗蚀刻层是钖铅合金或纯钖,故一定要用碱性蚀刻液,以免伤及抗蚀刻金属层。
  B.操作条件见表为两种蚀刻液的操作条件
  C. 设备及药液控制
  两种 Etchant 对大部份的金属都是具腐蚀性,所以蚀刻槽通常都用塑料,如 PVC (Poly Vinyl chloride)或PP (Poly Propylene)。唯一可使用之金属是 钛 (Ti)。为了得到很好的蚀刻品质-最笔直的线路侧壁,(衡量标准为蚀刻因子 etching factor其定义见图4.3),不同的理论有不同的观点,且可能相冲突。但有一点却是不变的基本观念,那就是以最快速度的让欲蚀刻铜表面接触愈多 新鲜的蚀刻液。因为作用之蚀刻液Cu+浓度增高降低了蚀刻速度,须迅速补充新液以维持速度。在做良好的设备设计规划之前,就必须先了解及分析蚀铜过 程的化学反应。本章为内层制作所以探讨酸性蚀刻,碱性蚀刻则于第十章再介 绍。
  a. CuCl2酸性蚀刻反应过程之分析
  铜可以三种氧化状态存在,原子形成Cu°, 蓝色离子的Cu++以及较不常见 的亚铜离子Cu+。金属铜可在铜溶液中被氧化而溶解,见下面反应式(1)
  Cu°+Cu++→2 Cu+ ------------- (1)
  在酸性蚀刻的再生系统,就是将Cu+氧化成Cu++,因此使蚀刻液能将更多的 金属铜咬蚀掉。
  以下是更详细的反应机构的说明。
  b. 反应机构
  直觉的联想,在氯化铜酸性蚀刻液中,Cu++ 及Cu+应是以CuCl2 及CuCl存 在才对,但事实非完全正确,两者事实上是以和HCl形成的一庞大错化物存在的:
  Cu° +  H2CuCl4 + 2HCl → 2H2CuCl3 ------------- (2)
  金属铜   铜离子       亚铜离子
  其中H2CuCl4 实际是 CuCl2 + 2HCl
  2H2CuCl3  实际是 CuCl + 2HCl
  在反应式(2)中可知HCl是消耗品。即使(2)式已有些复杂,但它仍是以下两 个反应式的简式而已。
  Cu°+ H2CuCl4 → 2H2CuCl3 + CuCl (不溶) ---------- (3)
  CuCl + 2HCl → 2H2CuCl3 (可溶) ---------- (4)
  式中因产生CuCl沈淀,会阻止蚀刻反应继续发生,但因HCl的存在溶解 CuCl,维持了蚀刻的进行。由此可看出HCl是氯化铜蚀刻中的消耗品,而且 是蚀刻速度控制的重要化学品。
  虽然增加HCl的浓度往往可加快蚀刻速度,但亦可能发生下述的缺点。
  1. 侧蚀(undercut ) 增大,或者etching factor降低。
  2. 若补充药液是使用氯化钠,则有可能产生氯气,对人体有害。
  3. 有可能因此补充过多的氧化剂(H2O2),而攻击钛金属H2O2 。
  c.自动监控添加系统。目前使用CuCl2酸性蚀铜水平设备者,大半都装置Auto dosing设备,以维持蚀铜速率,控制因子有五:
  1. 比重
  2. HCl
  3. H2O2
  4. 温度
  5. 蚀刻速度
  4、剥膜
  剥膜在pcb制程中,有两个step会使用,一是内层线路蚀刻后之D/F剥除,二 是外层线路蚀刻前D/F剥除(若外层制作为负片制程)D/F的剥除是一单纯简易 的制程,一般皆使用联机水平设备,其使用之化学药液多为NaOH或KOH浓 度在1~3%重量比。注意事项如下:
  A. 硬化后之干膜在此溶液下部份溶解,部份剥成片状,为维持药液的效果及后水洗能彻底,过滤系统的效能非常重要。
  B. 有些设备设计了轻刷或超音波搅拌来确保剥膜的彻底,尤其是在外层蚀刻后的剥膜, 线路边被二次铜微微卡住的干膜必须被彻底剥下,以免影响线路 品质。所以也有在溶液中加入BCS帮助溶解,但有违环保,且对人体有害。
  C. 有文献指K(钾)会攻击锡,因此外层线路蚀刻前之剥膜液之选择须谨慎评 估。剥膜液为碱性,因此水洗的彻底与否,非常重要,内层之剥膜后有加酸洗中和,也有防铜面氧化而做氧化处理者。
  5、对位系统
  传统方式
  A. 四层板内层以三明治方式,将2.3层底片事先对准,黏贴于一压条上(和内层同厚), 紧贴于曝光台面上,己压膜内层则放进二底片间,靠边即可进行曝光。见图4.4
  B. 内层先钻(6层以上)粗对位工具孔(含对位孔及方向孔,板内监测孔等), 再以双面曝光方式进行内层线路之制作。两者的对位度好坏,影响成品良率极大,也是M/L对关键。
  蚀后冲孔(post Etch Punch)方式
  A. Pin Lam理论
  此方法的原理极为简单,内层预先冲出4个Slot孔,见图4.5 ,包括底片, prepreq都沿用此冲孔系统,此4个SLOT孔,相对两组,有一组不对称,可防止套反。每个SLOT孔当置放圆PIN后,因受温压会有变形时,仍能自由的左右、上下伸展,但中心不变,故不会有应力产生。待冷却,压力释 放后,又回复原尺寸,是一颇佳的对位系统。
  B. Mass Lam System
  沿用上一观念Multiline发展出"蚀后冲孔"式的PPS系统,其作业重点如下:
  1.透过CAM在工作底片长方向边缘处做两"光学靶点"(Optical Target)以及四 角落之pads见  2.将上、下底片仔细对准固定后,如三明治做法,做曝光、显影蚀刻,剥膜等步骤。
  3.蚀刻后已有两光学靶点的内层板,放进Optiline PE机器上,让CCD瞄准 该光学靶点,依各厂自行设定,冲出板边4个Slot孔或其它图形工具孔。 如图4.7
  4.若是圆形工具孔、即当做铆钉孔,内层黑化后,即可以铆钉将内层及胶片铆合成册,再去进行无梢压板。
  各层间的对准度
  A. 同心圆的观念
  a. 利用辅助同心圆,可check内层上、下的对位度
  b. 不同内层同心圆的偏位表示压合时候的Shift滑动
  B. 设计原则
  b.同心圆之设计,其间距为4mil,亦是各层间可容许的对位偏差,若超出同心圆以外,则此片可能不良。
  c.因压合有Resin Cure过程故pattern必须有预先放大的设计才能符合最终产品尺寸需求。
  
 

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