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1、PCB制造流程及说明 一. PCB演变 1.1 PCB扮演的角色 PCB的功能为提供完成第一层级构装的组件与其它必须的电子电路零件接 合的基地以组成一个具特定功能的模块或成品所以PCB在整个电子产 品中扮演了整合连结总其成所有功能的角色也因此时常电子产品功能故 障时最先被质疑往往就是PCB图1.1是电子构装层级区分示意 1.2 PCB的演变 1.早于1903年Mr. Albert Hanson首创利用线路(Circuit)观念应用于电话交换机系统它是用金属箔予以切割成线路导体将之黏着于石蜡纸上上面同样贴上一层石蜡纸成了现今PCB的机构雏型见图1.2 2. 至1936年Dr Paul Eisne
2、r真正发明了PCB的制作技术也发表多项专利而今日之print-etch (photo image transfer)的技术就是沿袭其发明而来的 1.3 PCB种类及制法 在材料层次制程上的多样化以适 合 不同的电子产品及其特殊需求 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方 法 1.3.1 PCB种类 A. 以材质分 a. 有机材质 酚醛树脂玻璃纤维/环氧树脂PolyamideBT/Epoxy等皆属之 b. 无机材质 铝Copper Inver-copperceramic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 Flexib
3、le PCB 见图1.3 c.软硬板 Rigid-Flex PCB 见图1.4 C. 以结构分 a.单面板 见图1.5 b.双面板 见图1.6 c.多层板 见图1.7 D. 依用途分通信/耗用性电子/军用/计算机/半导体/电测板,见图1.8 BGA. 另有一种射出成型的立体PCB因使用少不在此介绍 1.3.2制造方法介绍 A. 减除法其流程见图1.9 B. 加成法又可分半加成与全加成法见图1.10 1.11 C. 尚有其它因应IC封装的变革延伸而出的一些先进制程本光盘仅提及但不详加介绍因有许多尚属机密也不易取得或者成熟度尚不够 本光盘以传统负片多层板的制程为主轴深入浅出的介绍各个制程再辅以先进
4、技术的观念来探讨未来的PCB走势 二.制前准备 2.1.前言 台湾PCB产业属性几乎是以也就是受客户委托制作空板Bare Board而已不像美国很多PCB Shop是包括了线路设计空板制作以及装配(Assembly)的Turn-Key业务以前只要客户提供的原始数据如Drawing, Artwork, Specification再以手动翻片排版打带等作业即可进行制作但近年由于电子产品日趋轻薄短小PCB的制造面临了几个挑战:1薄板2高密度3高性能4高速 ( 5 ) 产品周期缩短6降低成本等以往以灯桌笔刀贴图及照相机做为制前工具现在己被计算机工作软件及激光绘图机所取代过去以手工排版或者还需要Micr
5、o-Modifier来修正尺寸等费时耗工的作业今天只要在CAM(Computer Aided Manufacturing)工作人员取得客户的设计资料可能几小时内就可以依设计规则或DFM(Design For Manufacturing)自动排版并变化不同的生产条件同时可以output 如钻孔成型测试治具等资料 2.2.相关名词的定义与解说 A Gerber file 这是一个从PCB CAD软件输出的数据文件做为光绘图语言1960年代一家名叫Gerber Scientific现在叫Gerber System专业做绘图机的美国公司所发展出的格式尔后二十年行销于世界四十多个国家几乎所有CAD系统的
6、发展也都依此格式作其Output Data直接输入绘图机就可绘出Drawing或Film因此Gerber Format成了电子业界的公认标准 B. RS-274D 是Gerber Format的正式名称正确称呼是EIA STANDARD RS-274D(Electronic Industries Association)主要两大组成1.Function Code如G codes, D codes, M codes 等2.Coordinate data定义图像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
7、称整个extended Gerber format它以两个字母为组合定义了绘图过程的一些特性 D. IPC-350 IPC-350是IPC发展出来的一套neutral format,可以很容易由PCB CAD/CAM产生,然后依此系统,PCB SHOP 再产生NC Drill Program,Netlist,并可直接输入Laser Plotter绘制底片. E. Laser Plotter 见图2.1,输入Gerber format或IPC 350 format以绘制Artwork F. Aperture List and D-Codes 见表 2.1 及图2.2,举一简单实例来说明两者关系,
8、 Aperture的定义亦见图2.1 2.3.制前设计流程 2.3.1客户必须提供的数据 电子厂或装配工厂委托PCB SHOP生产空板Bare Board时必须提供下列数据以供制作见表料号数据表-供制前设计使用. 上表数据是必备项目有时客户会提供一片样品, 一份零件图一份保证书保证制程中使用之原物料耗料等不含某些有毒物质等这些额外数据厂商须自行判断其重要性以免误了商机 2.3.2 .资料审查 面对这么多的数据制前设计工程师接下来所要进行的工作程序与重点如下所述 A. 审查客户的产品规格是否厂内制程能力可及审查项目见承接料号制程能力检查表. B.原物料需求BOM-Bill of Material
9、 根据上述资料审查分析后由BOM的展开来决定原物料的厂牌种类及规格主要的原物料包括了基板Laminate胶片Prepreg铜箔Copper foil防焊油墨Solder Mask文字油墨Legend等另外客户对于Finish的规定,将影响流程的选择,当然会有不同的物料需求与规格例如软硬金喷钖OSP等 表归纳客户规范中可能影响原物料选择的因素 C. 上述乃属新数据的审查, 审查完毕进行样品的制作.若是旧资料,则须Check有无户ECO (Engineering Change Order) .再进行审查. D.排版 排版的尺寸选择将影响该料号的获利率因为基板是主要原料成本排版最佳化可减少板材浪费而
10、适当排版可提高生产力并降低不良率 有些工厂认为固定某些工作尺寸可以符合最大生产力但原物料成本增加很多.下列是一些考虑的方向 一般制作成本直间接原物料约占总成本3060%包含了基板胶片铜箔防焊干膜钻头重金属铜钖铅化学耗品等而这些原物料的耗用直接和排版尺寸恰当与否有关系大部份电子厂做线路Layout时会做连片设计以使装配时能有最高的生产力因此PCB工厂之制前设计人员应和客户密切沟通以使连片Layout的尺寸能在排版成工作PANEL时可有最佳的利用率要计算最恰当的排版须考虑以下几个因素 a.基材裁切最少刀数与最大使用率裁切方式与磨边处理须考虑进去 b.铜箔胶片与干膜的使用尺寸与工作PANEL的尺寸须
11、搭配良好以免浪费 c.连片时piece间最小尺寸以及板边留做工具或对位系统的最小尺寸 d.各制程可能的最大尺寸限制或有效工作区尺寸. e.不同产品结构有不同制作流程及不同的排版限制例如金手指板其排版间距须较大且有方向的考量其测试治具或测试次序规定也不一样 较大工作尺寸可以符合较大生产力但原物料成本增加很多,而且设备制程能力亦需提升如何取得一个平衡点设计的准则与工程师的经验是相当重要的 2.3.3 着手设计 所有数据检核齐全后开始分工设计 A. 流程的决定(Flow Chart) 由数据审查的分析确认后设计工程师就要决定最适切的流程步骤 传统多层板的制作流程可分作两个部分:内层制作和外层制作.以
12、下图标几种代 表性流程供参考.见图2.3 与 图2.4 B. CAD/CAM作业 a. 将Gerber Data 输入所使用的CAM系统此时须将apertures和shapes定义好目前己有很多PCB CAM系统可接受IPC-350的格式部份CAM系统可产生外型NC Routing 档不过一般PCB Layout设计软件并不会产生此文件 有部份专业软件或独立或配合NC Router,可设定参数直接输出程序. Shapes 种类有圆正方长方,亦有较复杂形状如内层之thermal pad等着手设计时Aperture code和shapes的关连要先定义清楚否则无法进行后面一系列的设计 b. 设计时
13、的Check list 依据check list审查后当可知道该制作料号可能的良率以及成本的预估 c. Working Panel排版注意事项 PCB Layout工程师在设计时为协助提醒或注意某些事项会做一些辅助的记号做参考所以必须在进入排版前将之去除下表列举数个项目及其影响 排版的尺寸选择将影响该料号的获利率因为基板是主要原料成本排版最佳化可减少板材浪费而适当排版可提高生产力并降低不良率 有些工厂认为固定某些工作尺寸可以符合最大生产力但原物料成本增加很多.下列是一些考虑的方向 一般制作成本直间接原物料约占总成本3060%包含了基板胶片铜箔防焊干膜钻头重金属铜钖铅金化学耗品等而这些原物料的耗
14、用直接和排版尺寸恰当与否有关系大部份电子厂做线路Layout时会做连片设计以使装配时能有最高的生产力因此PCB工厂之制前设计人员应和客户密切沟通以使连片Layout的尺寸能在排版成工作PANEL时可有最佳的利用率要计算最恰当的排版须考虑以下几个因素 1.基材裁切最少刀数与最大使用率裁切方式与磨边处理须考虑进去 2.铜箔胶片与干膜的使用尺寸与工作PANEL的尺寸须搭配良好以免浪费 3.连片时piece间最小尺寸以及板边留做工具或对位系统的最小尺寸 4.各制程可能的最大尺寸限制或有效工作区尺寸. 5不同产品结构有不同制作流程及不同的排版限制例如金手指板其排版间距须较大且有方向的考量其测试治具或测试
15、次序规定也不一样 较大工作尺寸可以符合较大生产力但原物料成本增加很多,而且设备制程能力亦需提升如何取得一个平衡点设计的准则与工程师的经验是相当重要的 进行working Panel的排版过程中尚须考虑下列事项以使制程顺畅表排版注意事项 d. 底片与程序 底片Artwork 在CAM系统编辑排版完成后配合D-Code档案而由雷射绘图机Laser Plotter绘出底片所须绘制的底片有内外层之线路外层之防焊以及文字底片 由于线路密度愈来愈高容差要求越来越严谨因此底片尺寸控制是目前很多PCB厂的一大课题表是传统底片与玻璃底片的比较表玻璃底片使用比例已有提高趋势而底片制造商亦积极研究替代材料以使尺寸之安定性更好例如干式做法的铋金属底片. 一般在保存以及使用传统底片应注意事项如下 1.环境的温度与相对温度的控制 2.全新底片取出使用的前置适应时间 3.取用传递以及保存方式 4.置放或操作区域的清洁度 程序 含一,二次孔钻孔程序以及外形Routing程序其中NC Routing程序一般须另行处理 e. DFMDesign for manufacturing .PCB layout 工程师大半不太了解PCB制作流程以及各制程需要注意的事项所以在Lay-out线路时仅考虑电性逻辑尺寸等而甚少顾及其它PCB制前设计工程师因此必须从生产力良率等考量而修正一些线路特性如圆形接线PAD修正成泪滴状
