pcb 印刷電路板設計與製造--內層篇

四.內層製作與檢驗

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.

內層gerber設計

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.

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，關係著下製程的成敗， 所以看似簡單，其實裡面的學問頗大。

A.  須要銅面處理的製程有以下幾個

a. 乾膜壓膜

b.  內層氧化處理前

c. 鉆孔後

d.  化學銅前

e. 鍍銅前

f.  綠漆前

g.  噴錫(或其它焊墊前處理流程)

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) 以下即做此三法的介紹 C. 刷磨法

刷磨動作之機構,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 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.

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。

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(Thick Film)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. 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: 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. 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.

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:

(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。

(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.

(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.

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(CaCl2)、 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

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.

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：

Cu° + H2CuCl4 + 2HCl →  2H2CuCl3 ------------- (2)

金屬銅  銅離子  亞銅離子

其中H2CuCl4 實際是  CuCl2 + 2HCl

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

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

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。

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。

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，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。

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。

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。

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。

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,而快速完美 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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