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2013年6月6日 星期四

PCB 印刷電路板設計與製造交流及分享-蝕刻篇

十 蝕刻
10.1製程目的 將線路電鍍完成從電鍍設備取下的板子,做後加工完成線路: 
A.  剝膜:將抗電鍍用途的乾膜以藥水剝除
B. 線路蝕刻:把非導體部分的銅溶蝕掉
C. 剝錫(鉛):最後將抗蝕刻的錫(鉛)鍍層除去上述步驟是由水平連線設備一次完工.
10.2  製造流程 剝膜→線路蝕刻→剝錫鉛
10.2.1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。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。 
蝕刻機

10.2.2線路蝕刻
本節中僅探討鹼性蝕刻,酸性蝕刻則見四  內層製作  10.2.2.1  蝕銅的機構
A.  在鹼性環境溶液中,銅離子非常容易形成氫氧化銅之沉澱,需加入足夠  的氨水使產生氨銅 的錯離子團,則可抑制其沉澱的發生,同時使原有多  量的銅及繼續溶解的銅在液中形成非常安定 的錯氨銅離子,此種二價的  氨銅錯離子又可當成氧化劑使零價的金屬銅被氧化而溶解,不過氧化 還  原反應過程中會有一價亞銅離子)出現,即 此一反應之中間態亞銅離子之溶解度很差,必須輔助以氨水、氨離子及空氣中大量的氧使其繼 續氧化成為可溶的二價銅離子,而又再成為蝕銅的氧化劑週而復始的繼續蝕銅直到銅量太多而減慢 為止。故一般蝕刻機之抽風除了排除氨臭外更可供給新鮮的空氣以加速蝕銅。
B.為使上述之蝕銅反應進行更為迅速,蝕液中多加有助劑,例如:
a. 加速劑 Acceletator 可促使上述氧化反應更為快速.並防止亞銅錯離子的沉澱。
b.  護岸劑(Banking agent) 減少側蝕.
c. 壓抑劑Suppressor抑制氨在高溫下的飛散.抑制銅的沉澱加速蝕銅的氧化反應。
10.2.2.2  設備
A.  為增加蝕速故需提高溫度到48℃以上,因而會有大量的氨臭味彌漫需做適當的抽風,但抽風 量太強時會將有用的氨也大量的抽走則是很不  經濟的事,在抽風管路中可加適當節流閥以做管制 B 蝕刻品質往往因水池效應(pudding)而受限,(因新鮮藥液被積水阻撓,無法有效和銅面反應稱之 水池效應)這也是為何板子前端部份往往有over etch現象, 所以設備設計上就有如下考量:
a. 板子較細線路面朝下,較粗線路面朝上.
b.  噴嘴上,下噴液壓力調整以為補償,依實際作業結果來調整其差異.
c. 先進的蝕刻機可控制當板子進入蝕刻段時,前面幾組噴嘴會停止噴灑幾秒的時間.
d.  也有設計垂直蝕刻方式,來解決兩面不均問題,但國內使用並不多  見.目前國內有科茂公司之 自製垂直蝕刻機使用中.
10.2.2.3  補充添加控制
A.  操作條件如表
B. 自動補充添加 補充液為氨水,通常以極為靈敏的比重計,且感應 當時溫度(因不同溫度下 比重 有差),設定上下限,高於上限時開始添加氨水,直至低於下限才停止.此 時偵測點位置以及氨水加入 之管口位置就非常重要,以免因偵測delay而 加入過多氨水浪費成本(因會溢流掉)
10.2.2.4設備的日常保養
A.  不使蝕刻液有sludge產生(淺藍色一價銅污泥),所以成份控制很重要-尤其是PH,太高或太低都有可能造成.
B. 隨時保持噴嘴不被堵塞.(過濾系統要保持良好狀態) C. 比重感應添加系統要定期校驗.
10.2.2.5 Undercut 與Overhang
10.2.3  剝錫(鉛) 不管純錫或各成份比的錫鉛層,其鍍上的目的僅是抗蝕刻用,因此蝕刻完畢後,要將之剝除,所以 此剝錫(鉛)步驟僅為加工,未產生附加價值.但以下數點仍須特別注意,否則成本增加是其次,好不容易 完成外層線路卻在此處造成不良. A.一般剝錫(鉛)液直接由供應商供應,配方有多種有兩液型,也有單液型,其剝除方式有半溶型與 全溶型,溶液組成有氟系/H2O2,HNO3/H2O2等配方.
 B.不管何種配方,作業上有以下潛在問題:
a.攻擊銅面. b.剝除未盡影響後製程. c.廢液處理問題 .
所以剝錫(鉛)步驟得靠良好的設備設計,前製程鍍錫(鉛)厚度控制及藥液藥效的管理,才可得穩 定的品質.
蝕刻後外層線路分析

外層線路製作完成之後,進行 100%檢測工作.

資料來源:參考網路                                                                      paga 9

2013年6月5日 星期三

PCB 印刷電路板設計與製造交流及分享-二次銅篇

九.  二次銅
9.1  製程目的
此製程或稱線路電鍍  (Pattern Plating),有別於全板電鍍(Panel Plating)
9.2  製作流程 目前二次銅作業幾乎都是以龍門式自動電鍍線為主,是垂直浸鍍方式,上下料則採手動或自動.設 備的基本介紹後面會提及.另外值得一提的是為迎合build up新式製程,傳統垂直電鍍線無法達到一 些規格如buried hole, throwing power等,因而有水平二次銅電鍍線的研發,屆時又將是一大革命.本章 仍就傳統負片二次銅流程加以介紹:
銅面前處理→鍍銅→鍍錫(鉛)
9.2.0 Time table(時序圖): 含鍍槽在內,二銅自動電鍍線所設計的槽數,少者2,30多者4,50,輸送掛架  的天車2~3部,因此 必須由程式來控制各槽起落,停滯時間,再由天車執行各RACK流程順序等  一連串複雜的動作,電鍍 時間甚至可控制為設定安培小時,如此各天車就有一時間路線圖稱之  Time Table.拜PLC的功能愈來 愈進步所賜,利用電腦的人性化介面,在程式的設計上簡便又快速.
9.2.1  銅面前處理
二銅製程之鍍銅前處理皆為In line process,所以都是化學處理方式.一般的流程為:
脫脂→水洗→微蝕→水洗→酸浸→鍍銅→水洗…
此前處理的重點在於如何將前一製程-外層線路製作-所可能流在板面上的氧化,指紋,輕微scun等板面不潔加以處理,並予以表面的活化使鍍銅的附著力良好.
二次銅設備現場


9.2.2  鍍銅
9.2.2.1電鍍基礎
A.  法拉第定律 第一定律─在鍍液進行電鍍時,陰極上所沉積(deposit)的金屬量與所通過的電量成正比。 第二定律─在不同鍍液中以相同的電量進行電鍍時,其各自附積出來的重量與其化學當量  成正 比。
B. 電極電位 當金屬浸於其鹽類之溶液中時,其表面即發生金屬溶成離子或離子沉積成為金屬之置換可逆反 應,直到某一電位下達到平衡。若在常溫常壓下以電解稀酸液時白金陰極表面之氫氣泡做為任意零 值,將各種金屬對"零值極"連通做對比時,可找各種金屬對氫   標準電極之電位來(NHE Standard Potential , Normal Hydrogen Electrode)。將金屬及其離子間之氧化或還原電位對NHE比較排列而成" 電化學次序"(Electrochemieal Series)或電動次序Electromotive Force Series)。 以還原觀點而言,比氫活潑的金屬冠以負值使其排列在氫的上位,如鋅-0.762,表示鋅很容 易氧化成離子,不容易沉積成金屬,理論上至少要外加0.762V以上才能將之鍍出。即:
Zn + 2 e →  Zn, - 0.762 V 比氫不活潑者冠以正值,排在氫的下位,如銅之: Cu + 2 e →  Cu, + 0.34 V愈在下位者愈容易還原鍍出來,也就是說其金屬態在自然情況下較安定,反之在上位者則容易生 銹了。
C. 過電壓(Overpotential): 在溶液中的帶電物體在平衡時會存在一定電位值,此電位值稱為平衡電位(E0):當該物質產 生 一反應[不論化學(氧化還原)或物理反應(擴散)等]時,都必須賦予額外能量,這種  能量在 電化學的領域我們稱為給予的反應電壓叫作"過電壓",其關係可以下式表示:
η=V(applied)-E°
C-1  電鍍的過電壓:
在電鍍過程中電壓主要表現分成下列三項:
η=ηct+ηmt+IR----------------
(1)ηct:Charge transfer overpotential:電鍍反應的過電壓 ηmt:Mass transfer overpotential:質傳反應的過電壓 IR:溶液本身的電阻 對電路板而言孔與表面為等位面,因此ηs(surface)=  ηh(Hole),因此 ηs=ηh=ηsct+ηsmt+IRs=ηhct+ηhmt+IRh---------------
(2)其中ηmt 表示帶電離子藉Diffusion作用通過Diffusion layer所造成的電位差,的意義為在距離(δ)之外的溶液,其金屬離子濃度可視為定值,其數值與整槽的 平均濃度(C)相同。而在一定距離(δ)內,金屬離子濃度會逐漸下降,此一濃度下降的區稱為 Diffusion Layer,而δ值即為 Diffusion layer thickness;由於濃度梯度的存在(Concentration gradient) 會消耗電能,此即為Mass transfer overpotential存在的原因,其大小可以下式表示: ηmt=(RT/nF)(I/iL)=0.082(J/JL)---------------------
(3) 其中J及JL分別代表電流密度及極限電流密度,而極限電流密度JL可以表達: JL=(nFDCb/δ)=K(Cb/δ)--------------------------------
(4)當系統選定(Cb)操作方式固定(δ),JL值相對也就固定。但(δ)值會大攪拌及掛架不同而修正。 一般而言,板面因攪拌而(δ)變小;因此JLS很大而造成ηmts低,反之由於攪拌方向多和  孔  方向 垂直;孔內因為金屬離子不易補充及攪拌不佳造成Cbh偏低及δ值偏高,  以致JLh偏低  ηmtL偏 高(ηmth>ηmtsL)至於IR項是溶液電阻形成的電壓降,距離愈長降愈大;一般取板面的  IR=0,而 孔內則為:EIR=(J.L2/2Kd)-----------------------------------
(5) J:電流密度  L:板厚 d:孔半徑 在一般狀況EIR>>0而ηmth>ηmtsL因此根據式(2)可知ηcth>ηcts恆成立,也就是孔內的Charge transfer potential永遠小於表面 的Charge transfer potential,而且隨著板厚愈大(即使Aspect ratio 不變),兩者差值愈大。
 C-2過電壓與電鍍
在各種過電壓中,真正決定電流密度的是ηct(charge transfer overpotential),他與電流密度 有
為不同ηct  時電流度的變化曲線(極化曲線),其內容如下:
a. 一般而言當系統被賦予電壓時會相應產生電流,其電流變化一開始時較緩,爾後會呈穩定 上升,最後趨向極限電流密度J(Limit)
b.  上述可穩定增加之區間為可操作Range,但一般為考慮電鍍品質,當選擇 J/J(Limit)=0.35~0.45為範圍 c. 當電流密度達到J/J (Limit)時,即便再加壓電流密度也不會再 上升
d.  給予電壓因分佈不均而局部過高,則當η超過η1*時會產生氫氣,造成局部燒焦及低電  流 效率的缺點
e. 若外加電壓太高(ηct>η2*),則溶液產生大量氫氣並產生金屬粉末 由前述知ηcts=ηcth成立,則由圖9.2知Jcts>Jcth亦成立此即面銅比孔銅厚的原因(Throwing
Power T.P.<=1)的主因。而由圖9.2可以發現,相同的ηcts和ηcth的前題下,Curve(II)所形   成的電 流密度差(△J2=Jcts=Jcth)比 Curve(I)為小(△J2=△J1),也就是後者(面銅/孔銅)電流密 度差較小, 因此Throwing power  較佳;其中
T.P.=(Jcth/Jcts)----------------------------------
(6) 由上可佑若適當降低極化曲線(Plating curve)的斜率將有助於T.P.的提升
D.  改善Throwing power的方法:
a. 提高Throwing power的方法很多,包括:
(1)  降低ηcts和ηcth之差值(△ηct):其方法包括:
-改善攪拌效果
-降低IR值,包括提高酸度及加入導電鹽
-強迫孔內對流(降低IR)
-添加改變Charge transfer 能力之添加劑包括載體光澤劑等
(2)  修正極化曲線:如之前所提藉降低極化曲線的斜率降低△J
b.  修正極化曲極化曲線的方法: (1)  降低金屬離子濃度: 基本上過電壓就是賦予帶電離子反應所需能量,以驅使反應進行。因此離子愈少則要維持定  量 離子在  定時間內反應之難度愈高,因此必須給予較大能量。其結困即使得J-η曲線愈平.可得幾項推論:
-CuSO4濃度愈低,Throwing power愈好
-上述結果也可推論到二次銅電鍍線路不均的板子,其Distribution也將改善
-必須強調的是隨CuSO4降低,相同電路密度下所消耗的能量更大 降低金屬離子另外衍生的問題將在後面討論
E. Additive(添加劑):
a. 基本上電鍍的Additive可分兩大類:
-導電鹽:  多為無機鹽類,用以降低IR
-修正極化曲線:  多為有機物
b.  就Additive 加入對極化曲線之影響討論如下: 有機Additive加入會吸附在被鍍物上形成一孔狀的Film,有阻絕作用以致極化曲線Shift, 使得△J由△J1降為△J2因而改良T.P.(T.P.=1-(△J/ Js))
有機Additive一般多為分子較高的分子,其Diffusion不易,故一般多在表面沉積,造成表面 所吸附的Additve比孔內多,以致孔內和表面極化曲線不一致,使對應的J值產 生變化,△J再由
△J2降到△J3,T.P.因此再度提高Additive之加入,由於表面吸附作  用,有其一定值及"邊際效用 遞減"的作用。當完全沒有時加入少量即影響甚大,其後再加  改變效果逐漸降低,最後會出現多加 無益反而有害的現象。
F.  低銅濃度鍍液的評估
a.. 主要考慮項目包括:
a-1.操作的電流密度範圍: 一般而言極限電流密度和濃度存在下列關係:
J limit=a+bCb  Cb:鍍液濃度 a,b:為常數,以CuSO4鍍液而言存在如下關係:
J limit = 1.8+1.34 Cb -----------------------
(7)而一般實際電鍍的電流密度範圍則為以下關係 :
J/J limit = 0.35~0.40 -----------------------
(8) 根據上述加以整理則有如表之結果-不同銅含量下之J limit 與  J  之值 由表可知低銅鍍液操作範圍因而下移且縮小,此為設計上必須注意的事。一般而言  若電流密 度超過上限,易導致T.P.下降或銅粗的現像,若太低則易造成白霧現像。
a-2. Cu+2 累積的問題: 在長期Running的過程中,難免因電流效率無法維持100%而導致Cu+2濃度上升;其影響如 下:
-濃度上升造成Operation range 上移,導致原設計之J值在新濃度中偏下限操作而導致  白霧 現象.
-濃度上升導致極化曲線動以T.P.下降
-濃度上升使原先的Additive不適用而導致電鍍品質惡化必需說明的是這些現像在任何鍍液中 都存在,但在低金屬濃度鍍液中特別明顯
b.  反應時間的改變 直覺上認為電流密度下降導致電鍍時間加長,其實並不盡然,因為其中有T.P.的修正效應。 表 為鍍1mil孔 銅厚度前題下,不同T.P.所需反應時間計算 。
由上表可看出:
-若原有電鍍系統之T.P.很高,則降低J值提高T.P.值的貢獻有限。因此使用低銅系統無法 縮短 電鍍時間。也就是Aspect ratio 低或板厚低時此作法浪費時間降低產能。
-若Aspect ratio 高或原有板厚大,則T.P.偏低,此時若能藉著降低電流密度改善T.P.,則 在某 一範圍內可縮  短電鍍時間。
-若電流密度太低,即使提高T.P.,也會造成電鍍時間增加 c. Additive的考慮 一般Additive多為有機物;利用該物質吸附在電極表面形成多孔性薄膜形成電鍍Gap,造成 極化曲線偏移,達到提高T.P.及改善distribution的目的。一般而言Additive在低電流區吸附效果較 差,故易形成白化問題;若欲提高低電流區的效果,一般採用分子量大吸附力較強的Additive,而 此類物質存在下列問題:
-吸附力強易在鍍層中殘留,形成鍍層的Occlusion,導致銅層易Crack及降低導電性
-分子量大的東西在操作中易老化分解,因此要注意添加及定期活性碳處理
-分子量大的物質多半電性較弱,在溶液中不易Migration吸附在陰極。
 為修正此一特性,分子量大的Additive化合物本身多具有水合性強的官能基(Functional group)。此類物質在分子量大時仍可以活性處理方式法除更新;但若分解為小分子時,會因水合性 太高去除因難而必須  Dump藥液。 為了提高T.P.,一般Additive多朝向大分子量介面活力強的分子發展。在此狀況下,上述三種 缺點會逐漸呈現影響,在評估細線厚板及高Aspect ratio 板子鍍液時必須留意。
d.  板厚的影響
一般電鍍在考慮T.P.時多考慮Aspect ratio,但事實上板厚的絕對值也是一項重要因素。
9.2.2.2  鍍  銅
A.  前言
非導體的孔壁在PTH金屬化而鍍上一層薄無電銅後,  立即進行電鍍銅。電路板以銅為主要導 體,是因銅:
-高導電度(electrical conductivity)
-高強度(strength)
-高延展性(ductility)
-低成本 而且鍍銅液配槽簡單,後製程蝕刻亦是輕而易舉,再加上廢液(硫酸銅)處理容易,因此銅被大量使 用.裝配由傳統的波焊(Wave Soldering)改成由錫膏(Solder Paste)或樹脂膠類之定位,使得孔中不再進 行灌錫,由孔銅負起導電的任務,因此對鍍銅的品質要求更嚴苛。而小孔徑勢之所趨,使得孔壁的 縱橫比(Aspect Ratio)值愈來愈大,而今Build-up製程帶來更大的挑戰, 如兩面盲孔等,  鍍液及電流 都不易深入而必須設法改善使技術升級.  以下探討鍍銅的現況及趨勢
B. 鍍銅的演進
a. 傳統式硫酸銅
這是屬高銅低酸的傳統銅液,其分佈力( Throwing Power)很不好,  故在板面上的厚度分佈很不均 勻,而且鍍層呈柱狀組織(Columnar) ,物理性質也很不好,故很快被業界放棄。
b.  高分佈力硫酸銅(High Throwing Power) 高分佈力硫酸銅改採高酸量低銅量的方法,從基本配方上著手,改進通孔的特性。但由於添加 劑是屬於有機染料類,其在鍍液中的裂解物不但使鍍液的顏色漸變  ,且使鍍層的延展性的惡化。酸 銅液原為藍色的,經一段時間的操作後竟然會漸漸的轉變成為綠色  ,經活性炭處理則又會回到應 有的藍色來。為了要在孔銅上有好的表現,加了較多的平整劑(leveling agent),使得延伸性(Elongation) 不理想,無法耐得住基板在"Z"方向的膨脹,而常在通孔的肩部或膝部發生斷裂,無法通過美軍規 範中的熱應力(Thermal Stress)測試  。且對溫度敏感,高電流區容易燒焦、粗糙等毛病,因此也無法 為業界接受.
c. 第三代的硫酸銅鍍液
經業者不斷的改進添加劑,  捨棄染料系統,  而進入第三代的硫酸銅鍍液。此時之銅層性質已 大有改善,多能通過漂錫試驗。不管國內外各廠牌,  基本的配方都差不多。 第三代硫酸銅雖然能符合目前的市場要求,但產速是一大問題,  若要求在板子任何地方的孔 壁要達到1mil厚度時,在25ASF,25℃的作業條件下, 需60分鐘以上的電鍍時間,  無法應付大 量作業。加以近年來線路板的裝配方式起了革命,由傳統式的插孔裝配(DIP)  進步到表面黏著 (SMT),使得線路及孔徑都變得更細更小更密。孔徑變小,縱橫比加大,  更不容易讓孔銅厚度符合 規格。
d.  鍍銅的最新發展
-高速鍍添加劑(High speed additive)
 -脈衝電鍍(Pulse plating)
-藥液快速衝擊(Impinge)設備
C. 作業實務與注意事項 a. 硫酸銅液成份 表是典型常用鍍液成份 b.  各成份及其功能:
-硫酸銅,是供給槽液銅離子的主源,配槽時要用化學級之含水硫酸銅結晶溶解使用,平時 作業中則由陽極磷銅塊解離補充之.配液後要做活性炭處理(Carbon treatment)及假鍍(Dummy plate)。
-硫酸,要使用試藥級的純酸,硫酸有導電及溶解陽極的功用,日常操作中銅量因  吹氣的 氧化作用使陽極膜的溶解增加,故液中的銅量會漸增而酸量會漸減,要逐日作分析以維持其酸與銅 之重量比在10:1以上 以維持良好的分佈力。鍍液在不  鍍時要關掉吹氣,以防銅量上升酸量 下降及
光澤之過度消耗。
-氯離子,有助陽極的溶解及光澤劑的發揮功能,使陽極溶解均勻,鍍層平滑光  澤。氯離 子正常時陽極膜呈黑色,過量時則變成灰白色,配液及添加用的水一  定要純,不可用自來水,因 其加有氯氣或漂白粉(含次氯酸鹽)會帶入大量的氯離子。
-陽極,須使用含磷0.02-0.06%的銅塊,其面積最好為陰極的兩倍。
-添加劑,主要有光澤(Brightner)、整平(Leveller)、載體(Carrier)、潤濕劑(Wetter) 等功 能,  用
'安培-小時'添加補充. c. 操作及設備:
-整流器與陰陽極 提供電流的整流器與陰,陽極間的配線方式非常重要
1.  配線的銅軸直徑:此和每隻Fly-bar須要電流及拉線距離有關
2.  最好陰陽極桿的兩端都有配接,可使電流分布均勻.
3.  陽極,陽極鈦籃與陽極袋
1.捨棄以前扁平型的,改為長條型以方便調整位置與數量.
2.陽極的長度要比陰極的掛架要短,以減少掛架下端高電流區之燒焦。至於 短多少則要視陰陽極距,槽深,掛架,攪拌方式等實施狀況而定.
3.陽極袋可用PP材質,用以前要稀硫酸浸一段時間
4.正常的陽極膜是黑色的,若呈棕色時表陽極中含磷不夠,呈銀灰色時表液中氯  離子太多 而成了氯化銅。但這只是一般判斷尚須槽液分析輔助.
5陽極袋的功用在防止陽極膜屑.碎銅粒掉落槽中,更換頻率約一年四次,但只要發現  有破 得馬上換掉.
-過濾及吹氣
1.過濾:一則使鍍液流動,再則使浮游物被濾掉,其過濾速度應每小時至少使鍍槽全 部鍍液 能循環3次,當然速度愈大愈能降低diffusion layer的厚度有利電鍍。濾 心要在5微吋以下之密度, 以達清潔之目的。
2.吹氣管放置在陰極板的正下方兩排向下45°吹氣,除降低diffusion layer 的厚度, 加速離子的補充,更可以幫助光澤發揮作用。
-擺動與震動.擺動與震動的目的也在縮小diffusion layer,並使孔內不殘留氣泡..
-溫度
第三代硫酸銅要在25℃左右操作最好,溫度高了會造成添加劑的裂解,不但用量  增加而 且造成污染非常不利。故在本省之亞熱帶氣候夏天需要冷凍降溫。但鍍液低於15℃以下時會造成導 電不良,效率降  低,故到了冬天後又要做加溫的設施,  以減少因低溫而造成的粗糙、無光澤甚 至燒焦。
-安培小時自動添加 此部份已屬標準配備 d.  維護及管理:
-日常管理:槽液之日常操作可在一個過濾機中加裝活性濾心,使裂解的有機物得以吸附使 鍍層能保有良好的性能。此種日常輕度的處理可延長鍍液的壽命,減少carbon treatment 的頻率.
-分析及補充:要每日對銅濃度、硫酸濃度及氯離子含量做化學分析,再根據實際結果做調 整,須注意做長期趨勢分析以判斷有否操作異常,或設定  條件有誤.
-光澤劑的補充分析:
1.  安培小時自動添加
2.  用哈氏槽(hull cell)模擬實驗
3. CVS分析
9.2.3鍍錫鉛
9.2.3.1  前言 二次銅後鍍錫鉛合金的目的有二:
a. 蝕刻阻劑,  保護其所覆蓋的銅導體不會在鹼性蝕銅時受到攻擊。 b.  裝配焊接,  須再經IR重熔,目前多已不使用. 由於鉛對人體有頗大的為害,廢液處理不便宜因此純錫電鍍已漸取代傳統錫鉛.
9.2.3.2  鍍液配方及其操作
A.  標準型配方(Standard Bath) 陽極組成(60%錫,40%鉛)與陰極之面積比為1/2,攪拌要做陰極桿往復式機械攪拌,及 連續過濾。
B. 高分佈力鍍液(High Throwing Power Bath) 其他攪拌、過濾、及陽極與標準液相同 高分佈液與標準液最大的不同在金屬濃度的大量降低,但同時都大大  提高游離氟硼酸量, 使板子上不會因電流密度相差太大而引起鍍層厚度的  懸殊差異,高分佈液因金屬含量低了在配液 成本及板子作業帶出也因之降低,對於廢水  的負擔也相形減輕。
C. 原理及操作 各個成份功能表
a. 鍚鉛槽以氟硼酸系為主,調配藥液成份可得不同的鍚鉛比例,從0%至100%的組成都  可能,
離子來源是氟硼酸錫及氟硼酸鉛在鍍液中水解而成二價錫離子及二價鉛離子.
b.  游離氟硼酸在鍍液中,主要功用則是陽極的溶解,增加導電度並能抑制錫鉛鹽類的分  解,尤 其是阻止二價錫氧化成為四價錫,又能幫助鍍層晶元的細膩化,扮演著重要的  角色。氟硼酸是由 氫氟酸及硼酸二者反應而得:
4HF + H3BO3 a HBF4 + 3H2O
但此為可逆反應會再水解而成為HF及H3 BO3  的,因此槽液中要掛一內裝硼酸的PP  布袋, 以抑制氟硼酸的水解。
c. 添加劑中以蛋白梀Peptone最常用.蛋白梀Peptone 是一種蛋白質水解成胺基酸的過程  的產物 多由牛肉或牛膠在酸中水解所製成;用於電鍍時多加有防腐劑以防細菌所敗  壞。其在鍍液是扮演 一種使鍍層晶粒細膩化,抑制高電流區長樹現象(Treeing),並增 加並增加鍍液的分佈力,  其含量以5-6g/l為宜.蛋白梀不易用簡單的方法分析,需用到 哈氏槽試驗作為判斷的方法
d.  鍍槽不用吹氣攪拌以免產生氧化四價錫沉澱,若前製程帶入硫酸根則會和鉛形成不溶  性硫酸 鉛沉澱,一般處理的方式是在槽前加一槽氟硼酸浸漬,如此既可防止雜物攜  入又可防止過多的水 引入後所造成的水解問題
e. 為焊接而作的鍍層仍以鍚鉛為多,最常被要求的電鍍鍚鉛組成是40%鉛60%錫.一般  在兩金屬 間會產生介面金屬(IMC),對銅鍚而言有Cu3Sn的εphase及Cu5Sn6的  η phase,前者出現是焊 錫性不利的表徵,後者是焊接之初焊接良好的產物.
f.  因環保問題,  錫鉛組成穩定度問題,很多使用者已改採純鍚作為電路板抗蝕金屬.  純  鍚製程後 面會提及.
9.2.3.3純鍚電鍍
A.  鍍純錫是一種極容易且廣泛應用於特定用途的電鍍,由於錫的High throwing power,  因此即 使特殊形狀有凹孔的鍍件,也不需要特殊形狀的陽極來改善其電鍍分布
B.商業化的錫鍍槽目前有四種,各為氟硼酸錫、酸鉀及鹵化錫氟
C.硼酸錫槽:一種不太需要控制的槽液,陰陽極效率多到達近100%,一般的錫電鍍在氟 硼酸槽 中錫為+2價,而在錫酸鹽槽中錫為+4價,因此電鍍速率有兩倍的差距,操作 溫度約為32~54℃
D.光澤系統可用的有多種,如:蛋白質(Peptone)、白明膠(Gelatin)、β-Naphthol、  鄰苯二酚 (Hydroquinone)等 E.錫槽原則上不加空氣攪拌,以免產生錫氧化而生成白色沉澱,實務上錫陽極電流密度 以不超 過25ASF為原則,以免因錫溶解過快而使槽內錫濃度增高.
9.2.3.3  污染的影響 錫鉛鍍液最容易引起污染的金屬雜質就上游流程的銅,而影響錫鉛鍍層性質及其裝配時  之可 焊性最大者也是銅。錫鉛鍍液中只要銅染濃度超過20PPM時鍍層立即會反映出各  種不良的徵狀, 現分述於後:
A.鍍面由原來正常的淺灰色變成昏暗之深灰色,若用哈氏槽印證時,在267 ml小槽中在無攪拌 之靜止鍍液中以1安培鍍10分鐘後,在黃銅試片右緣低電流密度處會發現明顯變黑的情形即為銅 污染之明證。
B.銅污染會引起鍍液中二價錫的氧化成為四價錫,並使陽極產生較多的鈍層膜,甚至引 起鍍層 中有氧化鉛的存在,因而造成重熔的困難,會產生重熔後表面的砂礫狀,錫面  不平(dewet)以及許 多小坑陷(pimpling)幸 好此種無法避免的銅污染可用低電流假鍍法可  以除去,其做法是定時用 折摺狀的不銹鋼板當成陰極假鍍板,以1-3 ASF去鍍幾小時  就可以除掉。
C.除了銅之外其他也會有銀、鋅、鎘、 等都可能存在陽極中及來自環境中鐵等的污染,  幸好 此等微量的金屬污染尚不致造成焊性的惡化,但若含量過多時也會影響鍍液的分  佈力及鍍層之組 成,不過此等金屬都比錫鉛來的活潑,在酸性溶液中容易被折鍍出來,  也就是可用假鍍方式除掉。
D.鍍液中除了金屬污染外就是有機污染了,當然其大量是來自蛋白的裂解物,應定時  用活性炭 處理除掉。
9.3  小孔或深孔鍍銅 電路板的裝配日趨緊密,其好處不外減少最後產品的體積及增加資訊處理的容量及速度。  對 板子而言細線及小孔是必然要面對的問題。就小孔而言,受衝擊最大的就是鍍銅技術,要在孔的 Aspect Ratio 很高時,既要得到1mil厚的孔壁,又不發生狗骨現象,而且鍍層的各種物性又要通過現有的各種規範,其中種種需待突破的困難實在不少。以下是一些對應的方式
A.  選擇高純度的特定助劑,如特殊的整平劑使在高電流處抑制鍍層增加,使低電流處仍能有  銅 正常登陸,並嚴格分析、小心添加、仔細處理以保持鍍液的最佳效果。
B.改變鍍槽的設計,加大陰陽間的距離,減少高低電流密度之間的差異。
C.降低電流密度至15ASF以下,改善整流器出來直流的紋波量(Ripple)至2%以下。若不行 時將 電流密度再降低到5ASF,以時間換取品質。
D.增強鍍液進出孔中的次數,或稱順孔攪拌,此點最為重要,也最不容易解決,加強過濾  循  環 每小時至少2次,或增加超音波攪拌。
E.不要增加銅的濃度但要增大硫酸與銅的濃度比值,至少要10/1以上。
F.助劑添加則應減少光澤劑用量,增加載體用量,並用安培小時計管理添加,定時用CVS  分析 助劑之裂解情形。
G.試用脈波電流(Pulse Plating)法,以減少面銅與孔銅之間的差異,並增加銅層的延展性,並 能 以不加添加劑的方式使鍍層得以整平。
9.4水平電鍍 水平電鍍方式加上脈波整流器應是徹底克服小孔,高縱橫比,細線等極高密度板子電鍍瓶 頸,panel plating已不是問題,pattern plating若能成功,對業界造福更大. 欣見國內PIOTEC(造利)耕耘此領域多年,目前品質技術已不輸國外業者.水平電鍍與垂 直電鍍比較,從中當可看出其重要性. 當然水平電鍍仍有待改善之處,如導電方式之選擇,非溶解性陽極所帶來之藥液補充維持之問題 等.希望業者多加把勁,在此領域能獨步全球. 二次銅製程介紹至此告一段落,下一製程是蝕刻(剝膜→蝕刻→剝錫鉛).

資料來源:參考網路                                                                page: 8

2013年5月29日 星期三

PCB 印刷電路板設計與製造交流及分享-鍍通孔篇

七 鍍通孔
7.1製程目的
雙面板以上完成鑽孔後即進行鍍通孔(Plated Through Hole , PTH)步驟,其目的使孔壁上之非導 體部份之樹脂及玻纖束進行金屬化( metalization ),  以進行後來之電鍍銅製程,完成足夠導電及焊接 之金屬孔壁。
1986年,美國有一家化學公司Hunt  宣佈PTH不再需要傳統的貴金屬及無電銅的金屬化製程, 可用碳粉的塗佈成為通電的媒介,商名為"Black hole"。之後陸續有其他不同base產品上市, 國內使 用者非常多.  除傳統PTH外,  直接電鍍(direct plating)本章節也會述及.
7.2製造流程 去毛頭→除膠渣→PTHa一次銅
7.2.1.  去巴里  (deburr) 鑽完孔後,若是鑽孔條件不適當,孔邊緣有1.未切斷銅絲2.未切斷玻纖的殘留,稱為burr.因其要斷 不斷,而且粗糙,若不將之去除,可能造成通孔不良及孔小,因此鑽孔後會有de-burr製程.也有de-burr 是放在Desmear之後才作業.一般de-burr是用機器刷磨,且會加入超音波及高壓沖洗的應用.可參考表

垂直連續式電鍍銅設備


4.1.
7.2.2.  除膠渣  (Desmear) A.目的:
a. Desmear
b. Create Micro-rough增加adhesion B. Smear產生的原因: 由於鑽孔時造成的高溫Resin超過Tg值,而形成融熔狀,終致產生膠渣。 此膠渣生於內層銅邊緣及孔壁區,會造成P.I.(Poor lnterconnection)
C. Desmear的四種方法:
硫酸法(Sulferic Acid) 、電漿法(Plasma)、鉻酸法(Cromic Acid)、 高錳酸鉀法(Permanganate). a. 硫酸法必須保持高濃度,但硫酸本身為脫水劑很難保持高濃度,且咬蝕出的孔面光滑無 微孔,並不適用。
b.  電漿法效率慢且多為批次生產,而處理後大多仍必須配合其他濕製程處理,因此除非生 產特殊板大多不予採用。
c. 鉻酸法咬蝕速度快,但微孔的產生並不理想,且廢水不易處理又有致癌的潛在風險,故 漸被淘汰。
d.  高錳酸鉀法因配合溶劑製程,可以產生微孔。同時由於還原電極的推出,使槽液安定性 獲得較佳控制,因此目前較被普遍使用。
7.2.2.1  高錳酸鉀法(KMnO4 Process): A.膨鬆劑(Sweller):
a. 功能:軟化膨鬆Epoxy,降低 Polymer 間的鍵結能,使KMnO4  更易咬蝕形成  Micro-rough
速  率  作  用  Concentration b.  影響因素
c. 安全:不可和KMnO4 直接混合,以免產生強烈氧化還原,發生火災。
d.  原理解釋:
7.2 初期溶出可降低較弱的鍵結,使其鍵結間有了明顯的差異。若浸泡過長,強  的鏈結
也漸次降低,終致整塊成為低鏈結能的表面。如果達到如此狀態,將無法形成不同強度結面。若浸 泡過短,則無法形成低鍵結及鍵結差異,如此 將使KMnO4咬蝕難以形成蜂窩面,終致影響到PTH 的效果。
(2) Surface Tension的問題: 無論大小孔皆有可能有氣泡殘留,而表面力對孔內Wetting也影響頗大。故 採用較 高溫操作有助於降低Surface Tension及去除氣泡。至於濃度的問題, 為使Drag out 降低減少消耗 而使用略低濃度,事實上較高濃度也可操作且速  度較快。 在製程中必須先Wetting孔內壁,以後才能使藥液進入作用,否則有空氣殘 留後續 製程更不易進入孔內,其Smear將不可能去除。
B. 除膠劑  (KMnO4 ):
a. 使用KMnO4的原因:選KMnO4而未選NaMnO4是因為KMnO4溶解度較佳,單 價也較 低。
b.  反應原理:
4MnO4- + C + 4OH-  →  MnO4= + CO2 + 2H2O (此為主反應式)
2MnO4- + 2OH-  →  2MnO4= + 1/2 O2 + H2O (此為高PH值時自發性分解反應) MnO4- + H2O  →  MnO2 + 2OH- + 1/2 O2 (此為自然反應會造成Mn+4沉澱)
c. 作業方式:早期採氧化添加劑的方式,目前多用電極還原的方式操作,不穩 定的問題已 獲解決。
d.  過程中其化學成份狀況皆以分析得知,但Mn+7為紫色, Mn+6為綠色,Mn+4  為黑色,可由直觀的色度來直接判斷大略狀態。若有不正常發生,則可能  是電極效率出了問題須注意。
e. 咬蝕速率的影響因素: 見圖7.3 f.  電極的好處: (1).使槽液壽命增長
(2).品質穩定且無By-product,
g. KMnO4形成Micro-rough的原因: 由於Sweller造成膨鬆,且有結合力之強弱,如此使咬 蝕時產生選擇性,  而形成所謂的Micro-rough。但如因過度咬蝕,將再度平滑。
h.  咬蝕能力也會隨基材之不同而有所改變
i. 電極必須留心保養,電極效率較難定出絕對標準,且也很難確認是否足夠  應付實際需要。 故平時所得經驗及廠商所提供資料,可加一係數做計算,  以為電極需求參考。
C. 中和劑(Neutralizer):
a. NaHSO3是可用的Neutralizer之一,其原理皆類似Mn+7 or Mm+6 or
Mn+4(Neutralizer)->Mn+2 (Soluable)
b.  為免於Pink Ring,在選擇Acid base 必須考慮。HCl及 H2SO4系列都  有,但Cl易攻擊
Oxide Layer,所以用H2SO4為Base 的酸較佳。
c .藥液使用消耗分別以H2SO4及Neutralizer,用Auto-dosing 來補充,維  護。
7.2.2.2 .整條生產線的考慮:
A.Cycle time:每Rack(Basket)進出某類槽的頻率(時間) B.產能計算:
(Working hours / Cycle time)*( FIight Bar / Hoist)*(Racks/Flight Bar)*(SF/Rack)= SF/Mon C.除膠渣前Pre-baking對板子的影響:見圖7.5 a.由於2.在壓合後己經過兩次Cure,結構會比1,3 Cure更完全,故Baking 會使結構均一, 壓板不足處得以補償。 b.多量的氧,氧化了Resin間的Bonding,使咬蝕速率加劇2~3倍。且使1,2,3 區較均一。 c.釋放Stress,減少產生Void的機會.
7.2.2.3.  製程內主要反應及化學名稱: A.化學反應:
a .主要反應
4MnO4- + 4OH- + Epoxy→ 4MnO4= + CO2↑  + 2H2O
b.  副反應:
2MnO4- + 2OH-  ←→  2MnO4= + 1/2O2 + H2O (Side reaction)
MnO4= + H2O (CI-/SO4= /Catalize Rx.)  →  MnO2↓  + 2OH- + 1/2 O2
(Precipitation formation)
2MnO4= + NaOCI + H2O  →  2MnO4- + 2OH- + NaCI
4MnO4= + NaS2O8 + H2SO4  →  4MnO4- + 2OH- + 2Na2SO4
4MnO4= + K2S2O8 + H2SO4 →  4MnO4- + 2OH- + 2K2SO4
(For Chemical regeneration type process reaction)
2MnO4= + 1/2 O2 + H2O ←→2MnO4- + 2 OH-
(Electrolytic reaction: Need replenish air for Oxgen consumption) B.化學品名稱:
MnO4- Permanganate NaS2O8 Sodium Persulfate
MnO4= Manganate S2O4- Sulfate
 OH- Hydroxide(Caustic) CO2 Carbon Dioxide
NaOCI Sodium Hydrochloride MnO2 Manganese Dioxide
7.2.2.4.典型的Desmear Process
7.2.2.5. Pocket Void的解釋:
A.說法一:Sweller殘留在Glass fiber中,在Thermal cycle時爆開。 B.說法二: 見圖7.6 a.壓板過程不良Stress積存,上鍚過程中力量釋出所致
b.在膨漲中如果銅結合力強,而Resin 釋出Stress方向呈Z軸方向,當Curing 不良而Stress 過大時則易形成a之斷裂,如果孔銅結合力弱則易形成B 之Resin recession,結合力好而內部樹 脂不夠強軔則出現c之Pocket void
C﹒如果爆開而形成銅凸出者稱為Pull away
7.2.3  化學銅(PTH) PTH系統概分為酸性及鹼性系統,特性依基本觀念而有不同。
7.2.3.1  酸性系統:
A.基本製程:
Conditioner →  Microetch→ Catalpretreatment→ Cataldeposit→ Accelerator→ Electroless
Deposit B.單一步驟功能說明: a. 整孔  Conditioner:
1. Desmear後孔內呈現Bipolar現象,其中Cu呈現高電位正電,Glass fiber、Epoxy呈負 電
2.  為使孔內呈現適當狀態,Conditioner具有兩種基本功能
(1)Cleaner: 清潔表面
(2)Conditioner: 使孔壁呈正電性,以利Pd/Sn Colloid負電離子團吸附
3.  一般而言粒子間作用力大小如表 因而此類藥液系統會有吸附過多或Colloid過多的吸附是否可洗去之顧慮
4. Conditioner若Drag In  至  Activator槽,會使Pd+離子團降低
b.  微蝕  Microetch
1. Microetching旨在清除表面之Conditioner所形成的Film
2.  此同時亦可清洗銅面殘留的氧化物
c. 預活化  Catalpretreatment
1.  為避免Microetch形成的銅離子帶入Pd/Sn槽,預浸以減少帶入
2.  降低孔壁的Surface Tension d.  活化  Cataldeposit
1.  一般Pd膠體皆以以下結構存在:  見圖7.7
2. Pd2+:Sn2+:Cl- = 1:6:12較安定
3.  一般膠體的架構方式是以以下方式結合:見圖7.8  當吸附時由於Cl會產生架橋作用, 且其半徑較大使其吸附不易良好,尤其如果孔內的Roughness不適當更可能造成問題。
4.  孔壁吸附了負離子團,即中和形成中和電性
e. 速化  Accelerator
1. Pd膠體吸附後必須去除Sn,使Pd2+曝露,如此才能在未來無電解銅中產生催化作用 形成化學銅
2.  基本化學反應為:
Pd+2/Sn+2 (HF)→Pd+2(ad) + Sn+2 (aq) Pd+2(ad) (HCHO)→Pd(s)
3.  一般而言Sn與Pd特性不同,Pd為貴金屬而Sn則不然,因此其主反應可如下:
Sn+2a Sn+4 + 6F-  →  SnF6-2 or Sn+2 + 4F-  →SnF4-2
而Pd則有兩種情形:
PH>=4 Pd+2 + 2(OH)- →  Pd(OH)2
PH<4 Pd+2 + 6F-  →  PdF6-4
4. Pd吸附在本系統中本身就不易均勻,故速化所能發揮的效果就極受限制。除去不足時 會產生P.I.,而過長時則可能因為過份去除產生破洞,這也是何以Back_light 觀察時會有缺點的原 因
5.  活化後水洗不足或浸泡太久會形成Sn+2 a Sn(OH)2  或  Sn(OH)4,此易形成膠體膜.  而
Sn+4過高也會形成Sn(OH)4,尤其在Pd吸太多時易呈PTH粗糙
6.  液中懸浮粒子多,易形成PTH粗糙
f.  化學銅沉積Electroless Deposit
1.  利用孔內沉積的Pd催化無電解銅與HCHO作用,  使化學銅沉積
2. Pd在化學銅槽的功能有二:
(1)  作為Catalyst 吸附 H-  之主體,加速HCHO的反應
(2)  作為Conductor,以利e-轉移至Cu+2上形成Cu沉積
3.  其基本反應及Mechanism見圖7.9a ; 7.9b :
4.  由於槽液在操作開始時缺少H2含量,故其活性可能不夠,而且改變溫度也易使槽液 不穩定。故在操作前一般先以Dummy boards先行提升活性再作生產,才能達到操作要求
5. Bath loading也因上述要求而有極大的影響,太高的Bath loading會造成過度的活化而 使槽液不安定。相反若太低則會因H2的流失而形成沉積速率過低。故其Max與Min值應與廠商確 認做出建議值
6.  如果溫度過高,[NaOH], [HCHO]濃度不當或者Pd+2累積過高都可能造成P.I.或PTH
粗糙的問題
g.  整個反應狀態見圖7.10所示
7.2.3.2、鹼性系統:
A.  基本製程:
Conditioner→ Etch Cleaner→ Catalpretreatment→ Activator→ Reducer→ Electroless
Copper
B. 單一步驟功能說明
a. Conditioner:Wetting agent + 10 g/l NaOH (A)
1.  以Wetting agent 的觀念,而非電性中和,如此可形成較薄的Film約300A,且均勻 而不致有附著不上或太厚之虞
2.  基本方式係以親水基與疏水基之特有Dipol特性使Wetting agent 被水排擠,快速吸 附至孔壁。因其形成之單層膜不易再附上其他Conditioner而與Cleaner共同作用洗去多餘雜質
3.  其設計是一道酸一道鹼的藥液浸泡,使各種不同來源的板子皆有良好的wetting作用,
其Formula:Wetting agent + 10 ml/l H2SO4
4.  若水質不潔而含M+2(如:Ca+2、Mg+2、Fe+2等)則Amine 及Wetting agent 易與之 結合而形成沉澱,故水質硬度應特別留意
成多層覆蓋,故無Over condition的顧慮
b. Etch cleaner:(SPS 與  H2SO4/H2O2兩種  )
基本功能與酸性系列相似(SPS:10g/l)
c. Catalpretreatmen):同Activator但少Complex d. Activator:Activator + Pd(Amine) complex
1.  基本上此系列的Pd,是由Amine類形成的Complex,
2.  其特點如下:
(1) Pd(Amine)+2呈正電荷,可吸附在Conditioner上而甚少吸附在銅上,少有P.I.問 題
(2)  沒有Sn形成的Colloid,其粒子較小,結晶較密且少有Sn(OH)2、Sn(OH)4析出 問題。也沒有Sn+2 + Fe+2 a Sn+4 +Cu作用。
(3)  無Cl-在外圍,由於Cl-會與Polyimide材料產生作用,故無Cl-會有較廣的適用 性
(4)  由於Pd(Amine)+2 asPd+2+Amine為一平衡反應,吸附反應十分快,且由於粒子 小空隙低因而緻密性佳。
(5) Impurity少有殘留,且吸附Pd+2少,故能有較少P.I.機會
(6)  由於無Cl-, 對Black-Oxide的attack相對減少,故Pink Ring較輕微
(7)  由於吸附較密,將來作無電解銅時Coverage也會較密較好
e. 整個反應狀態見圖7.11所示
7.2.4一次銅(Panel plating)
非導體的孔壁經PTH金屬化後,立即進行電鍍銅製程,  其目的是鍍上200~500微英吋以保護僅 有20~40微英吋厚的化學銅被後製程破壞而造成孔破(Void)。有關銅電鍍基本理   論及實際作 業請參
看二次銅更詳細的解說.

鍍銅後切片圖

盲孔填孔切片圖

7.3.  厚化銅
傳統金屬化之化學銅的厚度僅約20~30微吋,無法單獨存在於製程  中,必須再做一次全板面 的電鍍銅始能進行圖形的轉移如印刷或乾膜。但  若能把化學銅層的厚度提高到100微吋左右,則 自然可以直接做線路轉移的工  作,無需再一道全板的電鍍銅步驟而省卻了設備,藥水、人力、及 時間,並達  簡化製程減少問題的良好目標。  因此有厚化銅製程出現,此一方式已經實際  生產線 上進行十數年,由於鍍液管理困難分析添加之設備需要較高層次之技  術,成本居高不下等,  此製程 已經勢微.
厚化銅的領域又可分為  :
A."半加成Semi-Additive"式是完全為了取代全板面電鍍銅製程.
B."全加成Fully Additive"式則是用於製造加成法線路板所用的。日本某些商 用消費性電子產 品用24小時以上的長時間的全加成鍍銅,而且只鍍在孔及線  路部份.日本之外尚不多見,  高雄日立 化成數年前尚有CC-41製程, 目前已關掉該生產線
7.3.1  厚化銅基本觀念
a. 厚化銅也仍然採用與傳統無電銅相似的配方,即仍以銅離子、強鹼、及甲醛做為反應的原動 力,但與溫度及其所產生的副產物關係較大。
b.  無電銅因厚度很薄,  內應力(inner Stress) 影響不大故不需重視,但厚化銅則必須考慮。也就 是說厚化銅與板面銅箔間的附著力也為關鍵  ,應特別注意其鍍前活化之過程如整孔及微蝕是否完美。控制不好時可能發生孔壁剝離(pull away)及板面脫皮。
c. 厚化銅之外表能接受油墨或乾膜之附著,所以印刷前儘少做磨刷或其他化學粗化。在阻劑完 成轉移後又要能耐得環境的氧化,  而且也要耐得最低起碼的活性清洗及活化。
d.  厚化銅主要的目的是既能完成非導體的金屬化同時又可取代一次鍍銅  ,能夠發揮大量的設 備、人力、物料、及操作時間的節省,但化學銅槽本身比傳統的無電銅要貴,管理不易,要利用特 定的自動添加設備。
e. 前處理之各製程比傳統PTH要更謹慎,原因是化學銅的沉積是靠銅離子在板子上之活化生 長點(Active sites)還原出銅金屬並增厚,當此等生長點被銅覆蓋後其他板面上又逐次出現新的生長 點再接受銅的沉積,電鍍銅的沉積則不但向上發展,  也能橫向延伸。故萬一底材未能在前處理製程 中完成良好的活化時則會造成孔破(Hole Void),而且經過乾膜或印刷後,  可能進一步的惡化,終必 成為板子品質上極大的隱憂。
7.4  直接電鍍(Direct plating) 由於化學銅的製程中,有很多對人體健康有害的成份(如甲醛會致癌),以及廢水處理(如有 Chelate)有不良影響的成份,因此早在10多年前就有取代傳統PTH所謂Direct Plating(不須靠化學 銅的銅當導體)商品出現,至今在台灣量產亦有很多條線。但放眼國外,除歐洲應用者很多以外, 美、日(尤其是美國)並不普偏,一些大的電子公司(如製造電腦、大哥大等)並不Approve直接電鍍 製程,這也是國內此製程普及率尚低的原因之一。
7.4.1直接電鍍種類 大致上可歸為三種替代銅的導體 A. Carbon-碳粉(Graphite同)
B. Conductive Polymer-導體高分子
C. Palladium-鈀金屬
7.4.2直接電鍍後續製程有兩種方式: A.  一次鍍銅後,再做影像轉移及二銅 B. 直接做影像轉移及線路電鍍
7.4.3表歸納目前國內己使用中的直接電鍍各商品之分析,供業界參考。 本章中介紹了傳統薄化銅,  厚化銅以及直接電鍍等幾種鍍通孔方式.未來製程走勢: A.  縮短製程
B. 減少污染
C. 小孔通孔能力
D.  降低成本
E. 底材多樣化處理能力 而此製程是PCB製作的基礎工程,若處理不好影響良率及信賴度因此要仔細評估與選擇何種 藥水及設備.

資料來源:參考網路                                                                       page:6

2013年5月17日 星期五

pcb 印刷電路板介紹



目錄
導論
什麼是PCB
PCB的種類
零件封裝技術
設計流程
電磁相容問題
製造流程
節省製造成本的方法


導論

我們在Tom's硬體指南上為各位介紹的主機板,或是顯示卡等等的電腦零件,它們最重要的部份,莫過於印刷電路板(Printed circuit boardPCB)了。您可以由它身上測得各項生硬的規格以及測試數據,不過另一方面,您也可以仔細研究它,看看許多設計者將他們的藝術才能,都發揮在這精密的製造過程上。PCB本身可說是電子設計之美,以及純熟技術的結合。接下來我們將帶領各位看看PCB的世界,雖然我們不敢說探討到多艱深的技術,不過我們儘可能的讓這篇文章涵蓋的範圍更廣,為各位讀者們提供一個大概的觀念。

什麼是PCB

印刷電路板(Printed circuit boardPCB)幾乎會出現在每一種電子設備當中。如果在某樣設備中有電子零件,那麼它們也都是鑲在大小各異的PCB上。除了固定各種小零件外,PCB的主要功能是提供上頭各項零件的相互電流連接。隨著電子設備越來越複雜,需要的零件越來越多,PCB上頭的線路與零件也越來越密集了。

什麼是PCB?

標準的PCB長得就像這樣。裸板(上頭沒有零件)也常被稱為「印刷線路板Printed Wiring BoardPWB)」。

板子本身的底座是由絕緣隔熱、並無法彎曲的材質所製作成。在表面可以看到的細小線路材料是銅箔,原本銅箔是覆蓋在整個板子上的,而在製造過程中部份被蝕刻處理掉,留下來的部份就變成網狀的細小線路了。這些線路被稱作導線(conductor pattern)或稱佈線,並用來提供PCB上零件的電路連接。

什麼是PCB?
導線(Conductor Pattern

為了將零件固定在PCB上面,我們將它們的接腳直接焊在佈線上。在最基本的PCB(單面板)上,零件都集中在其中一面,導線則都集中在另一面。這麼一來我們就需要在板子上打洞,這樣接腳才能穿過板子到另一面,所以零件的接腳是焊在另一面上的。因為如此,PCB的正反面分別被稱為零件面(Component Side)與焊接面(Solder Side)。

如果PCB上頭有某些零件,需要在製作完成後也可以拿掉或裝回去,那麼該零件安裝時會用到插座(Socket)。由於插座是直接焊在板子上的,零件可以任意的拆裝。下面看到的是ZIFZero Insertion Force,不費力式)插座,它可以讓零件(這裡指的是CPU)可以輕鬆插進插座,也可以拆下來。插座旁的固定桿,可以在您插進零件後將其固定。

什麼是PCB?(續)
ZIF插座

如果要將兩塊PCB相互連結,一般我們都會用到俗稱「金手指」的邊接頭(edge connector)。金手指上包含了許多裸露的銅墊,這些銅墊事實上也是PCB佈線的一部份。通常連接時,我們將其中一片PCB上的金手指插進另一片PCB上合適的插槽上(一般叫做擴充槽Slot)。在電腦中,像是顯示卡,音效卡或是其他類似的界面卡,都是藉著金手指來與主機板連接的。

什麼是PCB?(續)
邊接頭(俗稱金手指)

什麼是PCB?(續)
AGP擴充槽

PCB上的綠色或是棕色,是防焊漆(solder mask)的顏色。這層是絕緣的防護層,可以保護銅線,也可以防止零件被焊到不正確的地方。在防焊層上另外會印刷上一層網版印刷面(silk screen)。通常在這上面會印上文字與符號(大多是白色的),以標示出各零件在板子上的位置。網版印刷面也被稱作圖標面(legend)。

什麼是PCB?(續)
有白色圖標面的綠色PCB

什麼是PCB?(續)
沒有圖標面的棕色PCB

PCB的種類

1. 單面板(Single-Sided Boards

我們剛剛提到過,在最基本的PCB上,零件集中在其中一面,導線則集中在另一面上。因為導線只出現在其中一面,所以我們就稱這種PCB叫作單面板(Single-sided)。因為單面板在設計線路上有許多嚴格的限制(因為只有一面,佈線間不能交叉而必須繞獨自的路徑),所以只有早期的電路才使用這類的板子。

單面板(Single-Sided Boards)
單面PCB表面

單面板(Single-Sided Boards)
單面PCB底面

2. 雙面板(Double-Sided Boards

這種電路板的兩面都有佈線。不過要用上兩面的導線,必須要在兩面間有適當的電路連接才行。這種電路間的「橋樑」叫做導孔(via)。導孔是在PCB上,充滿或塗上金屬的小洞,它可以與兩面的導線相連接。因為雙面板的面積比單面板大了一倍,而且因為佈線可以互相交錯(可以繞到另一面),它更適合用在比單面板更複雜的電路上。

雙面板(Double-Sided Boards)
雙面PCB表面

雙面板(Double-Sided Boards)
雙面PCB底面

多層板(Multi-Layer Boards

為了增加可以佈線的面積,多層板用上了更多單或雙面的佈線板。多層板使用數片雙面板,並在每層板間放進一層絕緣層後黏牢(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。大部分的主機板都是48層的結構,不過技術上可以做到近100層的PCB板。大型的超級電腦大多使用相當多層的主機板,不過因為這類電腦已經可以用許多普通電腦的群組代替,超多層板已經漸漸不被使用了。因為PCB中的各層都緊密的結合,一般不太容易看出實際數目,不過如果您仔細觀察主機板,也許可以看出來。

我們剛剛提到的導孔(via),如果應用在雙面板上,那麼一定都是打穿整個板子。不過在多層板當中,如果您只想連接其中一些線路,那麼導孔可能會浪費一些其他層的線路空間。埋孔(Buried vias)和盲孔(Blind vias)技術可以避免這個問題,因為它們只穿透其中幾層。盲孔是將幾層內部PCB與表面PCB連接,不須穿透整個板子。埋孔則只連接內部的PCB,所以光是從表面是看不出來的。

在多層板PCB中,整層都直接連接上地線與電源。所以我們將各層分類為訊號層(Signal),電源層(Power)或是地線層(Ground)。如果PCB上的零件需要不同的電源供應,通常這類PCB會有兩層以上的電源與地線層。

零件封裝技術

1. 插入式封裝技術(Through Hole Technology

將零件安置在板子的一面,並將接腳焊在另一面上,這種技術稱為「插入式(Through Hole TechnologyTHT)」封裝。這種零件會需要佔用大量的空間,並且要為每隻接腳鑽一個洞。所以它們的接腳其實佔掉兩面的空間,而且焊點也比較大。但另一方面,THT零件和SMTSurface Mounted Technology,表面黏著式)零件比起來,與PCB連接的構造比較好,關於這點我們稍後再談。像是排線的插座,和類似的界面都需要能耐壓力,所以通常它們都是THT封裝。

插入式封裝技術(Through Hole Technology)
THT零件(焊接在底部)

2. 表面黏著式封裝技術(Surface Mounted Technology

使用表面黏著式封裝(Surface Mounted TechnologySMT)的零件,接腳是焊在與零件同一面。這種技術不用為每個接腳的焊接,而都在PCB上鑽洞。

表面黏著式封裝技術(Surface Mounted Technology)    表面黏著式封裝技術(Surface Mounted Technology)
表面黏著式零件

表面黏著式的零件,甚至還能在兩面都焊上。

表面黏著式封裝技術(Surface Mounted Technology)
表面黏著式的零件焊在PCB上的同一面。

SMT也比THT的零件要小。和使用THT零件的PCB比起來,使用SMT技術的PCB板上零件要密集很多。SMT封裝零件也比THT的要便宜。所以現今的PCB上大部分都是SMT,自然不足為奇。

因為焊點和零件的接腳非常的小,要用人工焊接實在非常難。不過如果考慮到目前的組裝都是全自動的話,這個問題只會出現在修復零件的時候吧。

設計流程

PCB的設計中,其實在正式佈線前,還要經過很漫長的步驟,以下就是主要設計的流程:

1. 系統規格
首先要先規劃出該電子設備的各項系統規格。包含了系統功能,成本限制,大小,運作情形等等。

2. 系統功能區塊圖
接下來必須要製作出系統的功能區塊圖。區塊間的關係也必須要標示出來。

3. 將系統分割幾個PCB
將系統分割數個PCB的話,不僅在尺寸上可以縮小,也可以讓系統具有升級與交換零件的能力。系統功能區塊圖就提供了我們分割的依據。像是電腦就可以分成主機板、顯示卡、音效卡、軟碟和電源供應器等等。

4. 決定使用封裝方法,和各PCB的大小
當各PCB使用的技術和電路數量都決定好了,接下來就是決定板子的大小了。如果設計的過大,那麼封裝技術就要改變,或是重新作分割的動作。在選擇技術時,也要將線路圖的品質與速度都考量進去。

5. 繪出所有PCB的電路概圖
概圖中要表示出各零件間的相互連接細節。所有系統中的PCB都必須要描出來,現今大多採用CAD(電腦輔助設計,Computer Aided Design)的方式。下面就是使用CircuitMakerTM設計的範例。
CircuitMakerTM: http://www.circuitmaker.com/products/cm2000.htm


PCB的電路概圖

初步設計的模擬運作 為了確保設計出來的電路圖可以正常運作,這必須先用電腦軟體來模擬一次。這類軟體可以讀取概圖,並且用許多方式顯示電路運作的情況。這比起實際做出一塊樣本PCB,然後用手動測量要來的有效率多了。

將零件放上PCB

零件放置的方式,是根據它們之間如何相連來決定的。它們必須以最有效率的方式與路徑相連接。所謂有效率的佈線,就是牽線越短並且通過層數越少(這也同時減少導孔的數目)越好,不過在真正佈線時,我們會再提到這個問題。下面是匯流排在PCB上佈線的樣子。為了讓各零件都能夠擁有完美的配線,放置的位置是很重要的。

將零件放上PCB
導線構成的匯流排

測試佈線可能性,與高速下的正確運作

現今的部份電腦軟體,可以檢查各零件擺設的位置是否可以正確連接,或是檢查在高速運作下,這樣是否可以正確運作。這項步驟稱為安排零件,不過我們不會太深入研究這些。如果電路設計有問題,在實地導出線路前,還可以重新安排零件的位置。

導出PCB上線路

在概圖中的連接,現在將會實地作成佈線的樣子。這項步驟通常都是全自動的,不過一般來說還是需要手動更改某些部份。下面是2層板的導線範本。紅色和藍色的線條,分別代表PCB的零件層與焊接層。白色的文字與四方形代表的是網版印刷面的各項標示。紅色的點和圓圈代表鑽洞與導孔。最右方我們可以看到PCB上的焊接面有金手指。這個PCB的最終構圖通常稱為工作底片(Artwork)。

導出PCB上線路
使用CAD軟體作PCB導線設計

每一次的設計,都必須要符合一套規定,像是線路間的最小保留空隙,最小線路寬度,和其他類似的實際限制等。這些規定依照電路的速度,傳送訊號的強弱,電路對耗電與雜訊的敏感度,以及材質品質與製造設備等因素而有不同。如果電流強度上升,那導線的粗細也必須要增加。為了減少PCB的成本,在減少層數的同時,也必須要注意這些規定是否仍舊符合。如果需要超過2層的構造的話,那麼通常會使用到電源層以及地線層,來避免訊號層上的傳送訊號受到影響,並且可以當作訊號層的防護罩。

導線後電路測試

為了確定線路在導線後能夠正常運作,它必須要通過最後檢測。這項檢測也可以檢查是否有不正確的連接,並且所有連線都照著概圖走。

建立製作檔案

因為目前有許多設計PCBCAD工具,製造廠商必須有符合標準的檔案,才能製造板子。標準規格有好幾種,不過最常用的是Gerber files規格。一組Gerber files包括各訊號、電源以及地線層的平面圖,防焊層與網板印刷面的平面圖,以及鑽孔與取放等指定檔案。

電磁相容問題

沒有照EMC(電磁相容)規格設計的電子設備,很可能會散發出電磁能量,並且干擾附近的電器。EMC對電磁干擾(EMI),電磁場(EMF)和射頻干擾(RFI)等都規定了最大的限制。這項規定可以確保該電器與附近其他電器的正常運作。EMC對一項設備,散射或傳導到另一設備的能量有嚴格的限制,並且設計時要減少對外來EMFEMIRFI等的磁化率。換言之,這項規定的目的就是要防止電磁能量進入或由裝置散發出。這其實是一項很難解決的問題,一般大多會使用電源和地線層,或是將PCB放進金屬盒子當中以解決這些問題。電源和地線層可以防止訊號層受干擾,金屬盒的效用也差不多。對這些問題我們就不過於深入了。

電路的最大速度得看如何照EMC規定做了。內部的EMI,像是導體間的電流耗損,會隨著頻率上升而增強。如果兩者之間的的電流差距過大,那麼一定要拉長兩者間的距離。這也告訴我們如何避免高壓,以及讓電路的電流消耗降到最低。佈線的延遲率也很重要,所以長度自然越短越好。所以佈線良好的小PCB,會比大PCB更適合在高速下運作。

製造流程

PCB的製造過程由玻璃環氧樹脂(Glass Epoxy)或類似材質製成的「基板」開始。

Step1: 影像(成形/導線製作)

製作的第一步是建立出零件間連線的佈線。我們採用負片轉印(Subtractive transfer)方式將工作底片表現在金屬導體上。這項技巧是將整個表面鋪上一層薄薄的銅箔,並且把多餘的部份給移除。追加式轉印(Additive Pattern transfer)是另一種比較少人使用的方式,這是只在需要的地方加上銅線的方法,不過我們在這裡就不多談了。

如果製作的是雙面板,那麼PCB的基板兩面都會鋪上銅箔,如果製作的是多層板,接下來的步驟則會將這些板子黏在一起。

接下來的流程圖,介紹了導線如何焊在基板上。

影像(成形/導線製作)

正光阻劑(positive photoresist)是由感光劑製成的,它在照明下會溶解(負光阻劑則是如果沒有經過照明就會分解)。有很多方式可以處理銅表面的光阻劑,不過最普遍的方式,是將它加熱,並在含有光阻劑的表面上滾動(稱作乾膜光阻劑)。它也可以用液態的方式噴在上頭,不過乾膜式提供比較高的解析度,也可以製作出比較細的導線。

遮光罩只是一個製造中PCB層的模板。在PCB板上的光阻劑經過UV光曝光之前,覆蓋在上面的遮光罩可以防止部份區域的光阻劑不被曝光(假設用的是正光阻劑)。這些被光阻劑蓋住的地方,將會變成佈線。

在光阻劑顯影之後,要蝕刻的其他的裸銅部份。蝕刻過程可以將板子浸到蝕刻溶劑中,或是將溶劑噴在板子上。一般用作蝕刻溶劑的有,氯化鐵(Ferric Chloride),鹼性氨(Alkaline Ammonia),硫酸加過氧化氫(Sulfuric Acid + Hydrogen Peroxide),和氯化銅(Cupric Chloride)等。蝕刻結束後將剩下的光阻劑去除掉。這稱作脫膜(Stripping)程序。

您可以由下面的圖片看出銅線是如何佈線的。

影像(成形/導線製作),續
這項步驟可以同時作兩面的佈線。

Step2: 鑽孔與電鍍

如果製作的是多層PCB板,並且裡頭包含埋孔或是盲孔的話,每一層板子在黏合前必須要先鑽孔與電鍍。如果不經過這個步驟,那麼就沒辦法互相連接了。

在根據鑽孔需求由機器設備鑽孔之後,孔璧裡頭必須經過電鍍(鍍通孔技術,Plated-Through-Hole technologyPTH)。在孔璧內部作金屬處理後,可以讓內部的各層線路能夠彼此連接。在開始電鍍之前,必須先清掉孔內的雜物。這是因為樹脂環氧物在加熱後會產生一些化學變化,而它會覆蓋住內部PCB層,所以要先清掉。清除與電鍍動作都會在化學製程中完成。

Step3: 多層PCB壓合

各單片層必須要壓合才能製造出多層板。壓合動作包括在各層間加入絕緣層,以及將彼此黏牢等。如果有透過好幾層的導孔,那麼每層都必須要重複處理。多層板的外側兩面上的佈線,則通常在多層板壓合後才處理。

Step4: 處理防焊層、網版印刷面和金手指部份電鍍

接下來將防焊漆覆蓋在最外層的佈線上,這樣一來佈線就不會接觸到電鍍部份外了。網版印刷面則印在其上,以標示各零件的位置,它不能夠覆蓋在任何佈線或是金手指上,不然可能會減低可焊性或是電流連接的穩定性。金手指部份通常會鍍上金,這樣在插入擴充槽時,才能確保高品質的電流連接。

Step5: 測試

測試PCB是否有短路或是斷路的狀況,可以使用光學或電子方式測試。光學方式採用掃描以找出各層的缺陷,電子測試則通常用飛針探測儀(Flying-Probe)來檢查所有連接。電子測試在尋找短路或斷路比較準確,不過光學測試可以更容易偵測到導體間不正確空隙的問題。

Step6: 零件安裝與焊接

最後一項步驟就是安裝與焊接各零件了。無論是THTSMT零件都利用機器設備來安裝放置在PCB上。

THT零件通常都用叫做波峰焊接(Wave Soldering)的方式來焊接。這可以讓所有零件一次焊接上PCB。首先將接腳切割到靠近板子,並且稍微彎曲以讓零件能夠固定。接著將PCB移到助溶劑的水波上,讓底部接觸到助溶劑,這樣可以將底部金屬上的氧化物給除去。在加熱PCB後,這次則移到融化的焊料上,在和底部接觸後焊接就完成了。

自動焊接SMT零件的方式則稱為再流回焊接(Over Reflow Soldering)。裡頭含有助溶劑與焊料的糊狀焊接物,在零件安裝在PCB上後先處理一次,經過PCB加熱後再處理一次。待PCB冷卻之後焊接就完成了,接下來就是準備進行PCB的最終測試了。

節省製造成本的方法

為了讓PCB的成本能夠越低越好,有許多因素必須要列入考量:

1.      板子的大小自然是個重點。板子越小成本就越低。部份的PCB尺寸已經成為標準,只要照著尺寸作那麼成本就自然會下降。CustomPCB網站上有一些關於標準尺寸的資訊。
CustomPCB: http://www.custompcb.com/pcbsize.shtml
2.      使用SMT會比THT來得省錢,因為PCB上的零件會更密集(也會比較小)。
3.      另一方面,如果板子上的零件很密集,那麼佈線也必須更細,使用的設備也相對的要更高階。同時使用的材質也要更高級,在導線設計上也必須要更小心,以免造成耗電等會對電路造成影響的問題。這些問題帶來的成本,可比縮小PCB尺寸所節省的還要多。
4.      層數越多成本越高,不過層數少的PCB通常會造成大小的增加。
5.      鑽孔需要時間,所以導孔越少越好。
6.      埋孔比貫穿所有層的導孔要貴。因為埋孔必須要在接合前就先鑽好洞。
7.      板子上孔的大小是依照零件接腳的直徑來決定。如果板子上有不同類型接腳的零件,那麼因為機器不能使用同一個鑽頭鑽所有的洞,相對的比較耗時間,也代表製造成本相對提升。
8.      使用飛針式探測方式的電子測試,通常比光學方式貴。一般來說光學測試已經足夠保證PCB上沒有任何錯誤。

總而言之,廠商在設備上下的工夫也是越來越複雜了。了解PCB的製造過程是很有用的,因為當我們在比較主機板時,相同效能的板子成本可能不同,穩定性也各異,這也讓我們得以比較各廠商的能力。

好的工程師可以光看主機板設計,就知道設計品質的好壞。您也許自認沒那麼強,不過下次您拿到主機板或是顯示卡時,不妨先鑑賞一下PCB設計之美吧!
 資料來源:參考網路