PCB生产工艺与其基本知识课件.pptx

PCB 生产工艺及其基本知识,什么是PCBPCB 全称printed circuit board,是在覆铜板上贴上干膜，经曝光显影、蚀刻形成导电线路图形在电子产品起到电流导通与信号传送的作用,是电子原器件的载体.,1.早于1903年Mr. Albert Hanson（阿尔伯特汉森）首创利用“线路”(Circuit)观念应用于电话交换系统上。它是用金属箔切割成线路导体，将之粘于石蜡纸上，上面同样粘上一层石蜡纸，成了现今PCB的构造雏形。如下图： 2. 到1936年，Dr.Paul Eisner（保罗艾斯纳）真正发明了PCB的制作技术，也发表多项专利。而今天的加工工艺“图形转移技术（photoimage transfer) ，就是沿袭其发明而来的。,图,PCB的演变,PCB在基板材料、层数、制程上的多样化以适合不同的电子产品及其特殊需求。因此其种类划分比较多，以下就归纳一些通用的区别办法,来简单介绍PCB的分类以及它的制造工艺。 A. 以基板材料分 a. 有机材料 酚醛树脂、玻璃纤维/环氧树脂、聚酰亚胺、BT树脂等皆属之。 b. 无机材料 铝基板、铜基板、陶瓷基板等皆属之，主要取其散热功能。 B. 以成品软硬区分 a. 硬板 Rigid PCB b. 软板 Flexible Printed Circuit，柔性电路板，即FPC c. 软硬结合板 Rigid-Flex Printed CircuitC. 以结构分 a. 单面板 b. 双面板 c. 多层板（2/4/6/8/10/12层等）,PCB的分类,单面板,多层板,软板,软硬结合板,PCB制程,一.主要原材料介绍,1.干膜,聚乙烯保护膜,光致抗蚀层,聚酯保护膜,主要作用: 干膜是一种感光材料，用于线路板图形的转移制作。干膜感光后耐酸不耐碱，不导电，用作抗蚀刻层或抗电镀层。主要特点:一定温度与压力作用下,会牢固地贴于板面上；在一定光能量照射下,会吸收能量,发生交联反应；未被光照射到的部分，没有发生交联反映，能被弱碱液溶解。存放环境: 恒温、恒湿、黄光安全区,主要作用： 多层板内层板间的粘结、调节板厚，由树脂和玻璃纤维布组成。主要特点： 一定温度与压力作用下，树脂流动并发生固化不同的型号，其固化厚度不一致，以用来调节不同板厚存放环境： 恒温、恒湿,2.半固化片P/P(prepreg),半固化片,主要作用： 多层板顶、底层形成导线的基铜材料，使用PP将其与其它层粘结。主要特点： 一定温度与压力作用下，与半固化片结合 12um、18um、35um、70um、105um等厚度存放环境： 恒温、恒湿,3.铜箔,4.覆铜板,铜箔,绝缘介质层,铜箔,在半固化片两边黏上铜箔，即成覆铜板，一般用作PCB的最内层（core）,5.底片底片上面有单层线路或阻焊的图案，用于在对线路板干膜曝光时起遮挡作用。曝光显影后干膜上留下与底片上相对应的图案。,二、PCB生产流程介绍,我们以多层板的工艺流程作为PCB工艺介绍的引线，选择其中的图形电镀工艺进行流程说明，具体分为八部分进行介绍，分类及流程如下：,A、内层线路,C、孔金属化,D、外层干膜,E、外层线路,F、丝印,H、后工序,B、层压钻孔,G、表面工艺,A、内层线路流程介绍,流程介绍:目的:1、利用图形转移原理制作内层线路2、“DES”为显影;蚀刻;去膜连线简称,前处理,压膜,曝光,DES,开料,冲孔,内层线路-开料介绍,开料(BOARD CUT):目的:因基板材料来料尺寸较大，不符合生产设备要求的尺寸，因此需要将基板材料裁切成工作所需尺寸。主要生产物料:覆铜板覆铜板是由铜箔和绝缘层压合而成,依要求有不同板厚规格,依铜厚可分为H/H;1oz/1oz;2oz/2oz等种类覆铜板材料结构表示方法：X/X：X指铜箔，/指粘结片（树脂）。“1”指1oz（盎司），“H”指半oz(盎司)。“oz”盎司为英制质量单位，1oz=31.1035g，“1oz铜厚”表示将1盎司的铜平铺在1平方英尺上得到的厚度，约为3536m。注意事项:避免板边毛刺影响品质,裁切后进行磨边,圆角处理。考虑涨缩影响,裁切板送下制程前进行烘烤。裁切须注意经纬方向与工程指示一致，以避免翘曲等问题。,前处理(PRETREAT):目的:去除铜面上的污染物，增加铜面粗糙度,以利於后续的压膜制程主要消耗物料：磨刷,铜箔,绝缘层,前处理后铜面状况示意图,内层线路-前处理介绍,压膜(LAMINATION):目的:将经处理之基板铜面透过热压方式贴上抗蚀干膜主要生产物料:干膜(Dry Film)工艺原理：,干膜,压膜前,压膜后,内层线路压膜介绍,曝光(EXPOSURE):目的:经光线照射作用将原始底片上的图像转移到感光底板上 主要生产工具: 底片/菲林（film)工艺原理： 白色透光部分发生光聚合反应, 黑色部分则因不透光,不发生反应，显影时发生反应的部分不能被溶解掉而保留在板面上。,UV光,曝光前,曝光后,内层线路曝光介绍,显影(DEVELOPING):目的:用弱碱液作用将未发生化学反应之干膜部分冲掉主要生产物料:K2CO3或Na2CO3工艺原理： 使用将未发生聚合反应之干膜冲掉，对应位置铜箔露出。而发生聚合反应之干膜则保留在板面上作为蚀刻时之抗蚀保护层。说明： 水溶性干膜主要是由于其组成中含有机酸根，会与弱碱反应使成为有机酸的盐类，可被水溶解掉，显露出图形,显影后,显影前,内层线路显影介绍,蚀刻(ETCHING):目的:利用药液将显影后露出的铜蚀掉,形成内层线路图形主要生产物料:蚀刻药液(CuCl2)CuCl2中Cu2+有氧化性，跟板面铜反应生成Cu+。反应如下：Cu+CuCl2=Cu2Cl2Cu2Cl2不溶于水，但有过量的Cl-存在时，可以发生络合反应：Cu2Cl2+4Cl- = 2 (CuCl3)2-,蚀刻后,蚀刻前,内层线路蚀刻介绍,去膜(STRIP):目的:利用强碱将保护铜面之抗蚀层（反应后的干膜）剥掉,露出线路图形主要生产物料:NaOH,去膜后,去膜前,内层线路退膜介绍,冲孔:目的:利用CCD对位冲出检验作业之定位孔及铆钉孔主要生产物料:钻刀,内层线路冲孔介绍,AOI检验:全称为Automatic Optical Inspection，自动光学检测 目的：通过光学反射原理将图像回馈至设备处理，与设定的逻辑判断原则或资料图形相比较，找出缺点位置注意事項：由于AOI所用的测试方式为逻辑比较，一定会存在一些误判的缺点，故需通过人工加以确认。,内层检查工艺,经AOI检测后不良的板子，送至“找点”机台，设备会自动将放大镜位置定位至AOI检出的异常位置，然后人工通过放大镜观察复判该异常点，并按以下方式处理：a.若异常点为脏污或干膜残留，线路无异常：擦除脏污后流下；b.若为线间蚀刻不完全，导致短路：使用刻刀将对短路处刻开后流下；c.若为线路过蚀刻导致线宽过小(正常宽度2/3)或开路，打出送至修板工位，对开路处用点焊镀金扁铜丝的方式进行修复后流下；,内层检查工艺,B、层压钻孔流程介绍,流程介绍:目的：层压：将铜箔（Copper)、半固化片（Prepreg)与棕化处理后的内层线路板压合成多层板。钻孔：在板面上钻出层与层之间线路连接的导通孔。,棕化,铆合,叠板,压合,后处理,钻孔,棕化:目的: (1)粗化铜面,增加与树脂接触表面积(2)增加铜面对流动树脂之湿润性(3)使铜面钝化,避免发生不良反应 主要生产物料:棕化液MS100注意事项:棕化膜很薄,极易发生擦花问题,操作时需注意操作手势,层压工艺棕化介绍,铆合目的:(四层板不需铆钉)利用铆钉将多张内层板钉在一起,以避免后续加工时产生层间滑移主要生产物料:铆钉;半固化片（P/P)P/P(PREPREG):由树脂和玻璃纤维布组成,据玻璃布种类可分为106、1080、3313、2116、7628等几种树脂据交联状况可分为: A阶(完全未固化);B阶(半固化);C阶(完全固化)三类,生产中使用的全为B阶状态的P/P,2L,3L,4L,5L,铆钉,层压工艺铆合介绍,叠板:目的:将预叠合好之板叠成待压多层板形式主要生产物料:铜箔、半固化片电镀铜皮;按厚度可分为1/3OZ12um(代号T)1/2OZ18um(代号H)1OZ35um(代号1)2OZ70um（代号2）,层压工艺叠板介绍,2L,3L,4L,5L,压合:目的:通过热压方式将叠合板压成多层板主要生产辅料: 牛皮纸、钢板,钢板,压力,牛皮纸,承载盘,热板,可叠很多层,层压工艺压合介绍,压合:目的:通过热压方式将叠合板压成多层板主要生产辅料: 牛皮纸、钢板,钢板,压力,牛皮纸,承载盘,热板,可叠很多层,层压工艺压合介绍,后处理:目的:对层压后的板经过磨边;打靶;铣边等工序进行初步的外形处理以便后工序生产品质控制要求及提供后工序加工之工具孔。主要生产物料:钻头;铣刀,层压工艺后处理介绍,钻孔:目的:在板面上钻出层与层之间线路连接的导通孔主要原物料:钻头;盖板;垫板钻头:碳化钨,钴及有机粘着剂组合而成盖板:主要为铝片,在制程中起钻头定位;散热;减少毛头;防压力脚压伤作用垫板:主要为复合板,在制程中起保护钻机台面;防出口性毛头;降低钻针温度及清洁钻针沟槽胶渣作用,钻孔工艺钻孔介绍,流程介绍,去毛刺(Deburr),去胶渣(Desmear),化学铜(PTH),一次铜Panel plating,目的: 使孔璧上的非导体部分之树脂及玻璃纤维进行金属化 方便进行后面的电镀制程,提供足够导电及保护的金属孔璧。,C、孔金属化工艺流程介绍,去毛刺(Deburr): 毛刺形成原因:钻孔后孔边缘未切断的铜丝及未切断的玻璃布 去毛刺的目的:去除孔边缘的毛刺,防止镀孔不良 重要的原物料：磨刷,沉铜工艺去毛刺除胶渣介绍,去胶渣(Desmear): 胶渣形成原因: 钻孔时造成的高温的过玻璃化转变温度 (Tg值),而形成融熔态,产生胶渣 去胶渣的目的:裸露出各层需互连的铜环，另膨松剂可 改善孔壁结构，增强电镀铜附著力。 重要的原物料：KMnO4(除胶剂),化学銅(PTH) 化学铜之目的: 通過化学沉积的方式时表面沉积上厚度为20-40微英寸的化学铜。 孔壁变化过程：如下图化学铜原理：如右图,PTH,沉铜工艺化学铜介绍,一次铜 一次铜之目的: 镀上200-500微英寸的厚度的铜以保护仅有20-40 micro inch厚度的化学铜不被后制程破坏造成孔破。 重要生产物料: 铜球,一次銅,电镀工艺电镀铜介绍,流程介绍:,前处理,压膜,曝光,显影,目的: 经过钻孔及通孔电镀后,内外层已经连通,本制程制作外层干膜,为外层线路的制作提供图形。,D、外层干膜流程介绍,前处理: 目的:去除铜面上的污染物，增加铜面粗糙度,以利于压膜制程重要原物料：磨刷,外层干膜前处理介绍,压膜(Lamination): 目的: 通过热压法使干膜紧密附著在铜面上.重要原物料：干膜(Dry film),曝光(Exposure):目的: 通过图形转移技术在干膜上曝出所需的线路。 重要的原物料：底片,外层干膜曝光介绍,显影(Developing):目的: 把尚未发生聚合反应的区域用显像液将之冲洗掉,已感光部分则因已发生聚合反应而洗不掉而留在铜面上成为蚀刻或电镀之阻剂膜.主要生产物料：弱碱(K2CO3),一次銅,乾膜,外层干膜显影介绍,流程介绍:,二次镀铜,退膜,线路蚀刻,退锡,目的: 将铜厚度镀至客户所需求的厚度。 完成客户所需求的线路外形。,镀锡,E、外层线路流程介绍,二次镀铜: 目的:将显影后的裸露铜面的厚度加后,以达到客户所要求的铜厚 重要原物料：铜球,乾膜,二次銅,外层线路电镀铜介绍,镀锡: 目的:在镀完二次铜的表面镀上一层锡保护，做为蚀刻时的保护剂。 重要原物料：锡球,乾膜,二次銅,保護錫層,退膜:目的:将抗电镀用途之干膜以药水剥除重点生产物料：退膜液(NaOH),线路蚀刻:目的:将非导体部分的铜蚀掉重要生产物料：蚀刻液、氨水,二次銅,保護錫層,二次銅,保護錫層,底板,外层线路碱性蚀刻介绍,退锡:目的:将导体部分的起保护作用之锡剥除重要生产物料:HNO3退锡液,二次銅,底板,外层线路退锡介绍,备注：以上所讲到镀锡而保护铜不被蚀刻的流程现已经被PCB厂家逐渐淘汰，原因为 保护锡流程不仅对环境造成污染，而且本身流程也要做好管控，保护锡虽然最 终会被褪去，但其对孔铜的品质有很大影响，万一控制不好很容易造成孔内无 铜而开路。 现在PCB厂家已经不再使用保护锡流程 而使用与内层相同的流程：干膜当作保 护介质，不过此流程中干膜必须把孔盖上 称为Tenting(盖孔)流程。,保护锡不良导致孔内无铜,流程介绍:,阻焊,字符,固化,目的:外层线路的保护层，以保证PCB的绝缘、护板、防焊的目的制作字符标识。,火山灰磨板,F、丝印工艺流程介绍,显影,阻焊(Solder Mask) 阻焊,俗称“绿油”,为了便于肉眼检查，故于主漆中多加入对眼睛有帮助的绿色颜料，其实防焊漆了绿色之外尚有黄色、白色、黑色等颜色目的A. 防焊：留出板上待焊的通孔及其焊盘，将所有线路及铜面都覆盖住，防止波焊时造成的短路,并节省焊锡的用量 。 B. 护板：防止湿气及各种电解质的侵害使线路氧化而危害电气性能，并防止外來的机械伤害以维持板面良好的绝缘。 C. 绝缘：由於板子愈来愈薄,线宽距愈来愈细,故导体间的绝缘问题日形突显,也增加防焊漆绝缘性能的重要性.,丝印工艺阻焊介绍,阻焊工艺流程图,预烘烤,印刷第一面,前处理,曝光,显影,固化,S/M,预烘烤,印刷第二面,前处理目的：去除表面氧化物，增加板面粗糙度，加强板面油墨附着力。主要原物料：火山灰,阻焊工艺前处理介绍,印 刷目的：利用丝网将油墨印写在板子上，如右图：主要原物料：油墨 常用的印刷方式： A 印刷型（Screen Printing) B 淋幕型 (Curtain Coating) C 喷涂型 (Spray Coating) D 滚涂型 (Roller Coating),预烤目的:赶走油墨内的溶剂，使油墨部分硬化，不致在进行曝光时粘底片。,阻焊工艺预烘介绍,制程要点温度与时间的设定，须参照供应商提供的条件双面印与单面印的预烤条件是不一样的。烤箱的选择须注意通风及过滤系统以防异物沾粘。温度及时间的设定，必须有警报器，时间一到必须马上拿出，否则over curing会造成显影不尽。,曝光目的：影像转移主要设备：曝光机制程要点： A 曝光机的清洁 B 能量的选择 C 抽真空的控制,阻焊工艺曝光显影介绍,显影 目的：将未聚合之感光油墨利用浓度为1的碳酸钾溶液去除掉。 主要生产物料：碳酸钾,S/M A/W,印字符目的：利于维修和识别原理：丝网印刷的方式主要生产物料：文字油墨,字符工艺印刷介绍,烘烤,印一面文字,印另一面文字,S/M,文字,文字,固化（后烤）目的：通过高温烘烤让油墨中的环氧树脂彻底硬化。,字符工艺固化介绍,常规的印刷电路板(PCB)在板上都有铜层，如果铜层未受保护将氧化和损坏，直接影响后续的焊接。有多种不同的保护层可以使用，最普遍的有：热风整平（HASL)、有机涂覆(OSP)、电镀镍金(plating gold)、化学沉镍金(ENIG)、金手指、沉银（IS)和沉锡(IT) 等。 （）热风整平(HASL):板子完全覆盖焊料后，接着经过高压热风将表面和孔内多余焊料吹掉，并且整平附着于焊盘和孔壁的焊料；分有铅喷锡和无铅喷锡两种。优势：成本低，在整个制造过程中保持可焊接性。 （）有机涂覆(OSP):在PCB的铜表面上形成一层薄的、均匀一致的保护层。 优点：在成本上与HASL具有可比性、好的共面性、无铅工艺。 （）电镀镍金(plating gold)：通过电镀的方式在铜面上电镀上镍和保护层金。优点：良好的可焊接性，平整的表面、长的储存寿命、可承受多次的回流焊。（4）化学沉镍金(ENIG)：通过化学反应在铜面上置换上镍磷层，再在镍层上置换一层金。优点：良好的可焊接性，平整的表面、长的储存寿命、可承受多次的回流焊。 （5）金手指：通过电镀的方式在同面上电镀上镍和金，因为镀金中含有其他金属区别（3）。（6）沉银(IS):银沉浸在铜层上0.1到0.6微米的金属层，以保护铜面。 优点：好的可焊接性、表面平整、HASL沉浸的自然替代。 （7）沉锡(IT):锡沉浸在铜层上0.到.um的金属层，以保护铜面。 优点：良好的可焊接性、表面平整、相对低的成本。,G、表面工艺的选择介绍,流程介绍:,外形,终检/实验室,目的: 根据客户外形完成加工。 根据电性能的要求进行裸板测试。 出货前做最后的品质审核。,电测,H、后工序工艺流程介绍,外形目的：让板子裁切成客户所需规格尺寸原理：数位机床机械切割主要生产物料：铣刀,后工序外形工艺流程介绍,电测目的：对PCB的电性能即开短路进行裸板测试，以满足客户要求。电测的种类：A 、专用机（dedicated)测试优点：产速快缺点： 测试针不能回收使用，治具成本高。B 、通用机（Universal on Grid)测试 优点：a 治具成本较低缺点：a 设备成倍高 C、飞针测试（Moving probe) 不需制做昂贵的治具，用两根探针做x、y、z的移动来逐一测试各线路的两端点。优点:.不需治具成本低,. 缺点:效率低。,后工序电测工艺流程介绍,终验/实验室目的：终验/实验室是制程中进行的最后品质查核。（）检验的主要项目：外形尺寸 Outline Dimension各尺寸与板边 Hole to Edge板厚 Board Thickness孔径 Holes Diameter线宽Line width/space孔环大小 Annular Ring等外观和长度方面的项目！（）实验室的主要项目：1.可焊性 Solderability 2.线路剥离强度 Peel strength 3.切片 Micro Section .热冲击 Thermal Shock .离子污染度 Ionic Contamination .湿气与绝缘 Moisture and Insulation Resistance .阻抗 Impedance 等可靠性方面的项目 。,终检/实验室介绍,包装发货了！,PCB流程示意图,1、内层,2、压膜,3、曝光,4、显影,6、退膜,5、蚀刻,7、叠板,8、压合,9、钻孔,10、孔化,11、压膜,12、曝光,13、显影,14、镀铜锡,15、退膜,16、蚀刻,17、退锡,18、丝印,19、表面工艺,以上介绍到流程为普通通孔板的制作流程，现在我司410019、410015即为此流程，但是我司的主板的所使用的流程要远比此流程复杂，手机主板都为HDI。,HDI为High Density Interconnect的缩写，为高密度互连电路板，即使用微孔(孔直径小于1.5um)和盲孔技术。一般我们所说几阶，是指有几层盲孔 ，如图即为1阶板。,现将1阶6层HDI的流程描述如下：,四层板-此处四层板指线路制作完成，未进行防焊以及后工序,叠板,压合,激光孔-利用CO2能量烧灼击穿而成孔,机械孔,外层压膜、曝光、显影、蚀刻,防焊、文字-现在我司主板设计已经要求去除文字而提高焊接良率,表面处理-我司现阶段主要使用化金+OSP,检查,2.1 Short/Open Short/Open为PCB最常出现失效模式，重点对此类失效进行重点分析。Short/Open分析步骤: 确认现象-量测是否存在; 查找Short/Open位置所在的网络，以及网络相关状况; 观察外层线路是否存在异常(Short/Open)； 若外层未发现异常(Short/Open点)，可以判断为内层异常导致Short/Open； 对比layout，从网络边缘位置进行分割、测量，逐步缩小异常区域； 切片分析，找到异常位置。,二、常见失效模式,2.1 Short-410019产线短路以410019发生批量Short为例子进行分析。步骤一&二、首先确认“4”、“5”、“6”键对地短路，在layout图中可以找到失效点 所在网络(右图layout中白色标识部分)。,二、常见失效模式,步骤三、按照网络对外层线路检查，观察有无残铜(有时需要把PCB表面绿油褪掉， 方便检查)，检查外层线路未发现残铜。,分割1,左边,右边,二、常见失效模式,2.1 Short-410019短路分析,步骤四、逐步分割缩小问题点网络,分割,2,上部分,下部分,分割1后，左边仍然short，右边对地短路消失；分割2后，上部分仍然对地短路，下部分短路消失。分割的目的是逐步缩小异常点位置，最后可以使用切片分析，找出最终失效点。,二、常见失效模式,2.1 Short-410019短路分析,步骤五、切片分析，确定最终失效点。,从失效点可以判断导致此缺陷的根本原因为内层压膜曝光显影段出现异常。上面例子可以得出PCB失效分析的原则即：先外层(包括外观)，再内层；先不破坏再破坏切片分析。,2.2 Open-10051市场退机,二、常见失效模式,市场投诉触摸屏无功能，经过分析为PCB开路导致，具体现象如下(由于实际失效板已经破坏，以报废PCB光板为例子),测量OK,测量NG,测量OK,测量OK,观察外层相应线路，未发现有线路断开或者缺口，可以判断为孔铜异常导致此失效。,2.2 Open-10051市场退机,从失效图片可以分析出为孔裂导致开路，导致此失效的原因为与孔连接线路撞歪，致使孔裂。,二、常见失效模式,2.3 分层,导致分层主要原因如下： 棕化不良导致结合力差 层间异物导致结合力差 吸湿受潮导致分层，此为发生分层的最常见原因 一般发生在SMT过炉后，管控好温湿度很重要。,二、常见失效模式,2.4 镍腐蚀,镍腐蚀缺陷图片,正常镍面图片,二、常见失效模式,镍腐蚀产生的原因简单描述为在金与镍的反应过程中，金水活性太强，镍氧化速度超过金还原速度，导致有镍的氧化物生成。镍腐蚀的危害很大，容易造成焊接后掉件，一般发生在以化镍金为表面方式的PCB板上，镍腐蚀在PCB行业至今没有有效的方法杜绝，只有通过管理药水，缩短药水使用寿命。,从对例13的分析可以看出，最终失效都是通过切片分析得出。对于PCB的切片分析，就如同医院的CT，可以看到“病因”的根本，切片分析是一门技术，不仅要掌握严谨的制作样品能力，而且要对PCB流程充分熟悉，同时还要具备一定经验。,以上图片为11059的IC载板孔铜开裂，并且可以看到孔已经被铜填满,最后，PCB的相关标准做介绍： IPC-TM-650 PCB实验验证的步骤和标准 IPC-A-600 PCB检验标准 IPC-6012 刚性PCB相关标准(只针对硬板),谢谢！,