pcb 印刷電路板設計與製造--工程篇

工程設計

 一. PCB  演變

gerber layout 圖示

1.1 PCB扮演的角色

PCB  制造流程及說明

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，也發表多項專利。而今日之

print-etch(photoimage transfer)的技術，就是沿襲其發明而來的。

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

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…等.

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，其流程

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，本光碟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。 本光碟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。

二.製前準備

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。

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。

cam gerber

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）

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

2.3.製前設計流程：

2.3.1客戶必須提供的資料：

電子廠或裝配工廠，委託PCB SHOP生產空板（Bare Board）時，必須提供下列資料以供製作。見表 料號資料表-供製前設計使用.

上表資料是必備項目，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. 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。

表歸納客戶規範中，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有無戶ECO(Engineering Change Order) ,然後再進行審查. 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。 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。

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。

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： 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.

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D-Code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。 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

底片

－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

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.

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.

資來來源:参考網路                                                                       page1