pcb材質與制造流程(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 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。 表為四種不同樹脂制造的基板性質的比較. 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1980年研制成功。是由Bismaleimide及Trigzine Resin monomer二者反應聚合而成。BT樹脂通常和環氧樹脂混合而制成基板。 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后的膠渣(Smear)甚少 　　 b. 可進行難燃處理，以達到UL94V0的要求 　　 c. 介質常數及散逸因子小，因此對于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 B. 應用 　　 a. COB設計的電路板 由于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, MCMLs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(受濕氣及高溫沖 擊)。這兩點也是BT/EPOXY板材可以避免的。 Cyanate Ester Resin 　　1970年開始應用于PCB基材，目前Chiba Geigy有制作此類樹脂。 A. 優點 　　 a. Tg可達250℃，使用于非常厚之多層板 　　 b. 極低的介電常數(~)可應用于高速產品。B. 問題 　　 a. 硬化后脆度高. 　　 b. 對濕度敏感，甚至可能和水起反應. 　　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后，組合成OwensCorning Fiberglas Corporation于1939年正式生產制造。 玻璃纖維布 　　玻璃纖維的制成可分兩種，一種是連續式(Continuous)的纖維另一種則是不連續式(discontinuous)的纖維前者即用于織成玻璃布(Fabric)，后者則做成片狀之玻璃席(Mat)。FR4等基材，即是使用前者，CEM3基材，則采用后者玻璃席。 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級為高堿性，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于其它三種。　　－玻璃纖維一些共同的特性如下所述：　　　 ：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。 　　　 ：玻璃纖維為無機物，因此不會燃燒 　　　 ：可耐大部份的化學品，也不為霉菌，細菌的滲入及昆蟲的功擊。 　　　 ：玻璃并不吸水，即使在很潮濕的環境，依然保持它的機械強度。 　　　 ：玻纖有很低的熬線性膨脹系數，及高的熱導系數，因此在高溫環境下有極佳的表現。 　　　 ：由于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。 　　－玻纖布的制作： 　　　 玻璃纖維布的制作，是一系列專業且投資全額龐大的制程本章略而不談． 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),. (Rolledor Wrought Method) 　　是將銅塊經多次輾軋制作而成，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) ,而且很容易在輾制過程中造成報廢，因表面粗糙度不夠,所以與樹脂之結合能力比較不好，而且制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。 A. 優點. 　　 a. 延展性Ductility高,對FPC使用于動態環境下,信賴度極佳. 　　 b. 低的表面棱線Lowprofile Surface,對于一些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. 電鍍法 (Electrodeposited Method) 　　，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并不好，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: 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. 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， Ounce (oz)的定義是一平方呎面積單面覆蓋銅箔重量1 oz () 35 微米 (micron) mil. 一般厚度1 oz 及1/2 oz而超薄銅箔可達 1/4 oz,或更低. 新式銅箔介紹及研發方向 超薄銅箔 　　　　一般所說的薄銅箔是指 oz ( 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(稱復合式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, ,厚度約3 . 　　 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,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. 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系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，但后來線路板業者所鍍上的一次銅或二次銅的應力就沒有那么高。若是成本的考量,Grade 2,EType的 highductility或是Grade 2,EType HTE銅箔也是一種選擇. 國際制造銅箔大廠多致力于開發ED細晶產品以解決此問題.　 銅箔的表面處理 A 傳統處理法 　　 ED銅箔從Drum撕下后，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瘤化完成后再于其上鍍一層黃銅(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于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－耐熱處理后，再進行最后的鉻化處理(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) 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，如此應用于內層基板上，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，因此對后制亦有幫助。 　　 b. 硅化處理(Low profile) 傳統銅箔粗面處理其Tooth Profile (棱線) 粗糙度 (波峰波谷)，不利于細 線路的制造( 影響just etch時間,造成overetch)，因此必須設法降低棱線 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，一種叫有機硅處理（Organic Silane Treatment），加入傳統處理 方式之后，亦可有此效果。它同時產生一種化學鍵，對于附著力有幫助。 銅箔的分類　　按 IPCCF150 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 PP(膠片 Prepreg)的制作 　　Prepreg是preimpregnated的縮寫，意指玻璃纖維或其它纖維浸含樹脂，并經部份聚合而稱之。其樹脂此時是Bstage。Prepreg又有人稱之為Bonding sheet 　　制造過程中，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。 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。而各廠牌prepreg可參照其提供之Data sheet做為作業時的依據。 ，其膠含量及Cruing后厚度關系，見表 　　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)。 　　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。 　　從個人計算機的演進，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的制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。 最后，表歸納出PCB一些特性的現在與未來演變的指標。 制程目的 　　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么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)宣布自1984年10月以后，所有上市的電器產品若有涉及電傳通訊者，或有參與網絡聯機者，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 layout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，. 制作流程 　　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. Postetch Punch 　　 發料→銅面處理→影像轉移→蝕刻→剝膜→工具孔 C. Drill and Panelplate 　　 發料→鉆孔→通孔→電鍍→影像轉移→蝕刻→剝膜 　　上述三種制程中,第三種是有埋孔(buried hole)設計時的流程,( Postetch Punch)制程－高層次板子較普遍使用的流程. 　　發料就是依制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制程 　　 C. 方向要一致即經向對經向，緯向對緯向 　　 D. 下制程前的烘烤尺寸安定性考量 銅面處理 　　在印刷電路板制程中，不管那一個step，銅面的清潔與粗化的效果，關系著下 一制程的成敗，所以看似簡單，其實里面的學問頗大。 A. 須要銅面處理的制程有以下幾個 　　 a. 干膜壓膜 　　 b. 內層氧化處理前 　　 c. 鉆孔后 　　 d. 化學銅前 　　 e. 鍍銅前 　　 f. 綠漆前 　　 g. 噴錫(或其它