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電路板生產(chǎn)線制程簡介(PCB Production Process)

發(fā)布時間 :2016-07-04 13:45 閱讀 : 來源 :技術(shù)文章責(zé)任編輯 :深圳宏力捷PCB制板部
關(guān)于ENIG表面處理的電路板生產(chǎn)制程如下:
1. Front end tool data preparation(Gerber前置作業(yè)資料處理)
制作印刷電路板(PCB,Printed Circuit Board)裸板的第一個步驟是檢查客戶傳送過來的Gerber檔設(shè)計是否符合可以生產(chǎn)的標(biāo)淮。一般來說PCB的布線走向以及其功能特性都是由客戶所設(shè)計,而PCB板廠只負(fù)責(zé)其制作,所以就跟大部分的設(shè)計者與制造者之間經(jīng)常存在鴻溝是一樣的道理,板廠經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)客戶所送過來的Gerber(注1)設(shè)計檔在現(xiàn)今的制程能力下是無法達(dá)到的,比如說線與線、線與孔、孔與孔之間的間距太小,生產(chǎn)的時候容易造成短路,或是線寬太細(xì)容易造成斷路無法生產(chǎn),這時候板廠就會產(chǎn)生所謂的工程問卷EQ(Engineering Question)或DFM(Design For Manufacture)「工程溝通文章」送給客戶做確認(rèn),因為有些地方可能是客戶的特殊需求設(shè)計,如果隨便更改可能會造成PCB達(dá)不到設(shè)計者預(yù)期的要求;另外,這些工程文章中也會包含許多的工程最佳化建議,比如說IC腳間的防焊是否可以取消,有些導(dǎo)通孔是否使用防焊覆蓋或填銅塞孔等,溝通完成才能進(jìn)入下一個生產(chǎn)的步驟,將PCB生產(chǎn)的每道制程條件從Gerber上拆解出來,例如各層線路、防焊層、絲印層、表面處理、鉆孔資料,再送到各制程的生產(chǎn)線上生產(chǎn),后續(xù)會對這些工序制程加以說明。
注1: 
所謂的Gerber就是定義PCB制作圖像的通用標(biāo)淮格式,內(nèi)容包含有內(nèi)外線路層、防焊層、絲印層、鉆孔層等資料,有點類似機(jī)構(gòu)3D設(shè)計的IGS檔或是STEP檔。想進(jìn)一步了解可以參考維基百科對Gerber的解釋。
2. Preparing the phototools(電路板底片輸出)
在溫濕度環(huán)境控制下使用雷射底片繪圖機(jī)來繪制電路板的底片(Film),這些底片在后續(xù)的電路板制程中會拿來當(dāng)作每一層線路的影像曝光時的光罩使用,防焊綠漆制程也需要用到底片。為了讓每一層線路X-Y相對位置的正確性,會在每一張底片用雷射打孔以作為后續(xù)不同線路層的定位使用。
這種底片其實就是透明的PET材質(zhì)印上黑色的圖像,就類似早期使用類似紙張的投影片放在投影機(jī)上的東東,現(xiàn)在已經(jīng)完全被數(shù)位投影機(jī)所取代,年輕人大概不清楚這玩意了。
3. Print inner layers(電路板內(nèi)層線路成型)
銅面酸洗清潔 》銅面表面粗化 》壓干膜 》內(nèi)層曝光 》顯影
PCB干膜
多層電路板(四層以上)的內(nèi)層結(jié)構(gòu)通常以一整張的CCL(Copper Clad Laminate,銅箔基板)注2當(dāng)材料,大部分的CCL都是以樹脂及補(bǔ)強(qiáng)材當(dāng)基礎(chǔ),兩面鋪有整片銅箔(Copper foil)的基材,影片中作業(yè)員拿取的就是CCL,拿取之后第一個步驟會經(jīng)由酸洗來清潔銅箔表面,以確保沒有其他的灰塵或雜質(zhì)在上面,只要有任何一丁點的異物,會對后續(xù)的線路造成影響,接著會用機(jī)械研磨來粗化銅箔表面,以增強(qiáng)干膜與銅箔的附著力,接著會在銅箔標(biāo)面涂上一層干膜。在CCL的兩面各貼上一張內(nèi)層的線路底片并架設(shè)于曝光機(jī)臺上,利用定位孔及吸真空將底片與CCL緊密貼合,在黃光區(qū)內(nèi)使用紫外光照射,使底片上未被遮光處之干膜產(chǎn)生化學(xué)變化而固化于CCL上,最后再用顯影液將未曝光之干膜去除,這時候影片中看到的黑色就是清洗掉外曝光的干膜殘留處,注意看這里用的是「負(fù)片」,其他的顯現(xiàn)出銅面的區(qū)域在后面的制程中將會被蝕刻掉。
顯影的意思是用顯影液將未曝光之干膜去除僅留下需要的部份。
注2: 
PCB的材料核心為基板材,基板材是由樹脂、補(bǔ)強(qiáng)材和銅箔三者所組成,最常見的基板為CCL。銅箔基板依據(jù)基材材質(zhì)的不同分為三類,分別為紙質(zhì)基板、復(fù)合基板FR-4基板三大類,其特性與用途也不同,其中以FR-4為目前主流。FR-4基板普遍應(yīng)用在電腦零組件及周邊配備,例如主機(jī)板、硬碟機(jī)等產(chǎn)品使用的印刷電路板都是由FR-4基板加工制成。 
更多的資料請參考「PCB板材的結(jié)構(gòu)與功用介紹」一文。
4. Etch inner layers(內(nèi)層線路蝕刻)
蝕刻 》剝膜
一般會使用強(qiáng)鹼性的溶液來溶解或蝕刻掉暴露出來的銅面,也就是去除掉沒有被干膜覆蓋住的銅面,蝕刻的時候需注意配方與時間,越厚的銅箔需要越長的時間與越寬的間隙并保留更寬的線路,因為蝕刻時除了會腐蝕掉暴露出來的銅面,在干膜邊緣的銅面也會受到或多或少的腐蝕。接著用去膜液將原本覆蓋在銅箔上的固化干膜去除,最后CCL上只會留下設(shè)計中該有的線路銅箔 。
5. register punch and Automatic Optical Inspection(影像定位打靶孔)
為了使內(nèi)層CCL(一般稱為[inner core])與外層銅皮(outer layer)可以淮確對位,所以使用CCD定位找到事先在底片上已經(jīng)預(yù)設(shè)好的靶位并鉆出需要的定位靶孔。打靶孔的動作也必須作業(yè)在所有的內(nèi)層與外層的線路上,這樣后續(xù)制程中才能將內(nèi)外層的銅箔線路定位在同一個基淮上。
6. Lay up and bond(迭板壓合)
銅表面氧化處理 》迭板 》壓合 》撈邊銑靶
PCB壓合
一般會先使用鹼性溶劑將銅表面做氧化處理,使之產(chǎn)生黑色的氧化銅,此氧化銅的結(jié)晶為針狀物,可以用來加強(qiáng)層與層之間的接著力度。
接著將制作完成的內(nèi)層(core)與膠片(PI)及外層的銅皮重迭在一起,這里必須借助前面事先鉆好的定位孔來將內(nèi)層與外層精確定位,接著透過高溫高壓的壓合機(jī)將彼此緊密結(jié)合在一起。
7. Drilling the PCB(機(jī)械鉆孔)
鉆孔的主要目的在制作導(dǎo)通孔(vias)用以連接各層之間需要連通的線路。
多層板的導(dǎo)通孔會有各種不一樣導(dǎo)通需求,這里僅以最簡單的四層板為例做制程說明,所以尚不涉及盲孔及埋孔。為了節(jié)省時間及提高效率,鉆孔作業(yè)可以同時堆迭三片PCB一起作業(yè),為了避免毛邊的產(chǎn)生,上方會鋪上鋁板,另外,下方會放置墊板以避免鉆頭直接撞擊檯面。其實也不一定是三片PCB一起作業(yè),板廠會依照PCB厚度、孔徑大小、孔位精度等因素來決定PCB響堆迭數(shù)量。
可以參考這篇文章以了解更多導(dǎo)通孔的說明:PCB名詞解釋:通孔、盲孔、埋孔
依據(jù)經(jīng)驗,鉆頭的轉(zhuǎn)速、鉆孔進(jìn)刀的速度,鉆頭的壽命都是影響電路板成型后品質(zhì)的重要因素,比如說毛邊產(chǎn)生會影響到后續(xù)的電鍍品質(zhì),進(jìn)刀速度太快則會引起玻璃纖維的孔隙并造成日后的CAF現(xiàn)象。
另外也有雷射鉆孔制程給要求更高的的板子使用,雷射可以鉆出更細(xì)小的孔洞 (Micro via),但費(fèi)用也就相對高昂,一般高密度(HDI,High Density Interconnect)板會使用雷射,有盲孔或埋孔的板子也大多採用雷射成孔。
8. Electroless copper deposition(無電鍍銅)
除膠渣 》化學(xué)銅 》電鍍銅
因為鉆頭的高速旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生高溫,當(dāng)高溫超過基材的Tg點(玻璃轉(zhuǎn)化溫度)時便會產(chǎn)生膠渣,若不將其去除,則內(nèi)層的銅箔將無法透過電鍍銅形成通道,或形成通道但不穩(wěn)定。除膠渣時會使用蓬鬆劑浸泡經(jīng)1~10分鐘,讓各種膠渣發(fā)生腫脹鬆弛,在利用Mn+7攻入咬蝕。
接著會以無電解方式,在不導(dǎo)電之孔壁先上一層薄銅。
9. Image the outer layers(外層壓膜顯影)
其制作方是及原理銅內(nèi)層壓模顯影,只是此時版面上已經(jīng)有PTH(Plating Through Hole)在。請注意,影片中這次的顯影為「正片」。另外,也可以用「負(fù)片」的方式,不過其制程就會類似前面用「負(fù)片」的制程,可以想一下,為何這里會選擇用「正片」呢?跟后面的步驟10及步驟11有關(guān)喔!
10. Plating(電鍍銅/阻蝕層)
接著以電鍍的方式,將銅電鍍到通孔中直至符合客戶的要求,一般會要求25um以上。請注意這時候有干膜的地方可以防止被鍍上銅,但其他為被干膜覆蓋的地方也會增加大約25um厚度的銅。
因為影片的PCB採用線路電鍍制程,所以在電鍍的制程中除了電鍍銅之外,電鍍的最后還會再鍍上金屬蝕刻阻膜作為下個蝕刻制程時的阻蝕層。影片中鍍上薄錫當(dāng)阻蝕膜。
11. Etch outer layers(蝕刻外層線路)
電路板蝕刻后外層線路已然成型,而且與設(shè)計的線路一樣了,這時候蝕刻阻膜已經(jīng)沒有需要也必須去除,以免影響后續(xù)的表面處理,剝除阻蝕層通常以高壓噴灑藥劑的方式進(jìn)行。
12. Apply soldermask(防焊層印刷)
制作「防焊層」的主要目的在區(qū)分焊接組裝區(qū)與非焊接區(qū),另外也可以防止銅面氧化且達(dá)到美觀的要求。
原本以為防焊是選擇性印刷上去的,沒想到是將整片板子全部印上防焊漆,接著進(jìn)烘烤做預(yù)烘烤,然后也是使用底片(Film)做接觸式的曝光動作,將底片上的影像轉(zhuǎn)移到防焊漆上面,接著用UV將沒有被光罩遮住的地方烘干讓防焊漆真正附著于電路板上,最后在進(jìn)化學(xué)槽清洗掉光罩的區(qū)域,露出可以焊接的銅面。
如果是比較簡單的防焊層或是尺寸公差比較大的防焊,也可以使用絲網(wǎng)印刷的選擇性印刷防焊喔。
13. Surface finishes electroless gold over nickel(化鎳浸金)
ENIG表面處理工藝一般是先在銅焊盤制作化學(xué)鎳沉積,通過控制時間及溫度來控制鎳層的厚度;再利用剛沉積完成的新鮮鎳活性,將鎳的焊盤浸入酸性的金水中,通過化學(xué)置換反應(yīng)將金從溶液中置換到焊盤表面,也就是置換掉鎳,而部分表面的鎳則會溶入金水中。置換上來的「金」會逐漸將鎳層覆蓋,直到鎳層全部覆蓋后該置換反應(yīng)將自動停止,清洗焊盤表面的污物后工藝即可完成。
14. Plated gold edge connectors (電鍍硬金)
電鍍硬金屬于選擇性電鍍,其目的是為了增加其耐摩擦性,所以影片中可以看到使用膠帶把不需要電鍍硬金的部份貼起來,只有露出來的地方會被電鍍到,影片中只有部份PCB浸泡在電鍍液當(dāng)中。
相關(guān)閱讀:何謂硬金、軟金、電鍍金、化金、閃金?
15. Silk screen and cure(絲?。?/strong>
早期的文字(白漆)幾乎都是使用絲印的方式完成,不過絲印的油墨需要填加溶劑且具有揮發(fā)性,對人體不利,現(xiàn)在有些新式的文字印刷已經(jīng)改用噴墨印刷,而且還非常的快速與淮確。不論是絲印或噴墨印刷后都需要經(jīng)過烤箱固化白漆。不過現(xiàn)在大陸量產(chǎn)的PCB還是有大部份用絲印制程。
到此電路板的制程算是完成了,后面就是電測、分板及包裝而已。
16. Electrical test(電測)
電路板的測試通常使用飛針測試,如果數(shù)量多的時候也可以使用針床測試以節(jié)省時間,其測是主要為開/短路測試。
17. Profiling(成型分板)
電路板的外觀成型,通常使用銑床分板機(jī),透過CNC電腦控制來制作出電路板的外型并分板,這里的分板是從基板尺寸分成拼板 (Panel)。
18. V-cut scoring
如果有V-cut需求的板子材需要在定義的地方切出V型槽。
19. Final inspection(外觀檢查包裝)
最后的外觀檢查及包裝。


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