[影片]電路板生產線製程簡介(PCB Production Process)

PCB_process

這是網路YouTube上一段關於ENIG表面處理的電路板生產製程介紹影片,而且還是高解析度影片,因為內容拍的不錯,雖然是英文,但解說很簡潔 ,稍微用耳朵聽一下,再加上影片的輔助,相信應該可以讓大多數朋友更加了解PCB的生產流程。

基本上影片總共分成20段,每一段大概都只有1~3分鐘,但因為影片已經被設定成從頭連續播放了,也就是只要一開始播放,除非按暫停或停止鍵,否則影片會從開始一直播放到最後一段影片結束,如果是使用有流量限制網路的朋友請特別注意一下。

如果真的聽不懂英文也沒關係啦!可以從設定中選擇字幕,不過連英文的字幕都怪怪的,就更別說中文的字幕了,不過也沒關係,底下工作熊有幫大家稍微整理一下影片的內容,還做了許多的註解,幫助你看了有給它懂啦!不過這只是簡介,如果想要更深入探討電路板裸板的生產製程,還是得多花點心找課去上,或是直接到板廠參觀一下生產線。







有疑問可以討論,但工作熊不一定能回答,因為,工作熊也沒有在電路板產線待過,所以有些細節不一定清楚~

底下的影片工作熊只放了兩段,免得每一段都播放相同的內容浪費資源。

1. Front end tool data preparation(Gerber前置作業資料處理)

製作印刷電路板(PCB,Printed Circuit Board)裸板的第一個步驟是檢查客戶傳送過來的Gerber檔設計是否符合可以生產的標準。一般來說PCB的佈線走向以及其功能特性都是由客戶所設計,而PCB板廠只負責其製作,所以就跟大部分的設計者與製造者之間經常存在鴻溝是一樣的道理,板廠經常會發現客戶所送過來的Gerber(註1)設計檔在現今的製程能力下是無法達到的,比如說線與線、線與孔、孔與孔之間的間距太小,生產的時候容易造成短路,或是線寬太細容易造成斷路無法生產,這時候板廠就會產生所謂的EQ(Engineering Question)或DFM(Design For Manufacture)「工程溝通文章」送給客戶做確認,因為有些地方可能是客戶的特殊需求設計,如果隨便更改可能會造成PCB達不到設計者預期的要求;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,有些導通孔是否使用防焊覆蓋或填銅塞孔等,溝通完成才能進入下一個生產的步驟,將PCB生產的每道製程條件從Gerber上拆解出來,例如各層線路、防焊層、絲印層、表面處理、鑽孔資訊,再送到各製程的生產線上生產,後續會對這些工序製程加以說明。

註1:
所謂的Gerber就是定義PCB製作圖像的通用標準格式,內容包含有內外線路層、防焊層、絲印層、鑽孔層等資料,有點類似機構3D設計的IGS檔或是STEP檔。想進一步了解可以參考
維基百科對Gerber的解釋

2. Preparing the phototools(電路板底片輸出)

在溫濕度環境控制下使用雷射底片繪圖機來繪製電路板的底片(Film),這些底片在後續的電路板製程中會拿來當作每一層線路的影像曝光時的光罩使用,防焊綠漆製程也需要用到底片。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後續不同線路層的定位使用。

這種底片其實就是透明的PET材質印上黑色的圖像,就類似早期使用類似紙張的投影片放在投影機上的東東,現在已經完全被數位投影機所取代,年輕人大概不清楚這玩意了。

3. Print inner layers(電路板內層線路成型)

銅面酸洗清潔 》銅面表面粗化 》壓乾膜 》內層曝光 》顯影

PCB乾膜多層電路板(四層以上)的內層結構通常以一整張的CCL(Copper Clad Laminate,銅箔基板)註2當材料,大部分的CCL都是以樹脂及補強材當基礎,兩面鋪有整片銅箔(Copper foil)的基材,影片中作業員拿取的就是CCL,拿取之後第一個步驟會經由酸洗來清潔銅箔表面,以確保沒有其他的灰塵或雜質在上面,只要有任何一丁點的異物,會對後續的線路造成影響,接著會用機械研磨來粗化銅箔表面,以增強乾膜與銅箔的附著力,接著會在銅箔標面塗上一層乾膜。在CCL的兩面各貼上一張內層的線路底片並架設於曝光機台上,利用定位孔及吸真空將底片與CCL緊密貼合,在黃光區內使用紫外光照射,使底片上未被遮光處之乾膜產生化學變化而固化於CCL上,最後再用顯影液將未曝光之乾膜去除,這時候影片中看到的黑色就是清洗掉外曝光的乾膜殘留處,注意看這裡用的是「負片」,其他的顯現出銅面的區域在後面的製程中將會被蝕刻掉。

顯影的意思是用顯影液將未曝光之乾膜去除僅留下需要的部份。

註2:
PCB的材料核心為基板材,基板材是由樹脂、補強材和銅箔三者所組成,最常見的基板為CCL。銅箔基板依據基材材質的不同分為三類,分別為紙質基板、複合基板及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基板普遍應用在電腦零組件及周邊配備,例如主機板、硬碟機等產品使用的印刷電路板都是由FR-4基板加工製成。

更多的資料請參考「PCB板材的結構與功用介紹」一文。

4. Etch inner layers(內層線路蝕刻)

蝕刻 》剝膜

一般會使用強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乾膜覆蓋住的銅面,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並保留更寬的線路,因為蝕刻時除了會腐蝕掉暴露出來的銅面,在乾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乾膜去除,最後CCL上只會留下設計中該有的線路銅箔 。

5. register punch and Automatic Optical Inspection(影像定位打靶孔)

為了使內層CCL(一般稱為[inner core])與外層銅皮(outer layer)可以準確對位,所以使用CCD定位找到事先在底片上已經預設好的靶位並鑽出需要的定位靶孔。打靶孔的動作也必須作業在所有的內層與外層的線路上,這樣後續製程中才能將內外層的銅箔線路定位在同一個基準上。

6. Lay up and bond(疊板壓合)

銅表面氧化處理 》疊板 》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,使之產生黑色的氧化銅,此氧化銅的結晶為針狀物,可以用來加強層與層之間的接著力度。

接著將製作完成的內層(core)與膠片(PI)及外層的銅皮重疊在一起,這裡必須借助前面事先鑽好的定位孔來將內層與外層精確定位,接著透過高溫高壓的壓合機將彼此緊密結合在一起。

7. Drilling the PCB(機械鑽孔)

鑽孔的主要目的在製作導通孔(vias)用以連接各層之間需要連通的線路。

多層板的導通孔會有各種不一樣導通需求,這裡僅以最簡單的四層板為例做製程說明,所以尚不涉及盲孔及埋孔。為了節省時間及提高效率,鑽孔作業可以同時堆疊三片PCB一起作業,為了避免毛邊的產生,上方會鋪上鋁板,另外,下方會放置墊板以避免鑽頭直接撞擊檯面。其實也不一定是三片PCB一起作業,板廠會依照PCB厚度、孔徑大小、孔位精度等因素來決定PCB響堆疊數量。

可以參考這篇文章以了解更多導通孔的說明:PCB名詞解釋:通孔、盲孔、埋孔

依據經驗,鑽頭的轉速、鑽孔進刀的速度,鑽頭的壽命都是影響電路板成型後品質的重要因素,比如說毛邊產生會影響到後續的電鍍品質,進刀速度太快則會引起玻璃纖維的孔隙並造成日後的CAF現象

另外也有雷射鑽孔製程給要求更高的的板子使用,雷射可以鑽出更細小的孔洞 (Micro via),但費用也就相對高昂,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 》化學銅 》電鍍銅

因為鑽頭的高速旋轉會產生高溫,當高溫超過基材的Tg點(玻璃轉化溫度)時便會產生膠渣,若不將其去除,則內層的銅箔將無法透過電鍍銅形成通道,或形成通道但不穩定。除膠渣時會使用蓬鬆劑浸泡經1~10分鐘,讓各種膠渣發生腫脹鬆弛,在利用Mn+7攻入咬蝕。

接著會以無電解方式,在不導電之孔壁先上一層薄銅。

相關閱讀:何謂玻璃轉移溫度(Tg, Glass Transition Temperature)

9. Image the outer layers(外層壓膜顯影)

其製作方式及原理同內層壓模顯影,只是此時版面上已經有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「負片」的方式,不過其製程就會類似前面用「負片」的製程,可以想一下,為何這裡會選擇用「正片」呢?跟後面的步驟10及步驟11有關喔!

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。請注意這時候有乾膜的地方可以防止被鍍上銅,但其他為被乾膜覆蓋的地方也會增加大約25um厚度的銅。

因為影片的PCB採用線路電鍍製程,所以在電鍍的製程中除了電鍍銅之外,電鍍的最後還會再鍍上金屬蝕刻阻膜作為下個蝕刻製程時的阻蝕層。影片中鍍上薄錫當阻蝕膜。

11. Etch outer layers(蝕刻外層線路)

電路板蝕刻後外層線路已然成型,而且與設計的線路一樣了,這時候蝕刻阻膜已經沒有需要也必須去除,以免影響後續的表面處理,剝除阻蝕層通常以高壓噴灑藥劑的方式進行。

12. Apply soldermask(防焊層印刷)

製作「防焊層」的主要目的在區分焊接組裝區與非焊接區,另外也可以防止銅面氧化且達到美觀的要求。

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,接著進烘烤做預烘烤,然後也是使用底片(Film)做接觸式的曝光動作,將底片上的影像轉移到防焊漆上面,接著用UV將沒有被光罩遮住的地方烘乾讓防焊漆真正附著於電路板上,最後在進化學槽清洗掉光罩的區域,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製作化學鎳沈積,通過控制時間及溫度來控制鎳層的厚度;再利用剛沈積完成的新鮮鎳活性,將鎳的焊盤浸入酸性的金水中,通過化學置換反應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,直到鎳層全部覆蓋後該置換反應將自動停止,清洗焊盤表面的污物後工藝即可完成。

14. Plated gold edge connectors (電鍍硬金)

電鍍硬金屬於選擇性電鍍,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浸泡在電鍍液當中。

相關閱讀:何謂硬金、軟金、電鍍金、化金、閃金?

15. Silk screen and cure(絲印)

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性,對人體不利,現在有些新式的文字印刷已經改用噴墨印刷,而且還非常的快速與準確。不論是絲印或噴墨印刷後都需要經過烤箱固化白漆。不過現在大陸量產的PCB還是有大部份用絲印製程。

到此電路板的製程算是完成了,後面就是電測、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,如果數量多的時候也可以使用針床測試以節省時間,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,透過CNC電腦控制來製作出電路板的外型並分板,這裡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。

相關閱讀:影片:V-Cut電路板分板機作業

19. Final inspection(外觀檢查包裝)

最後的外觀檢查及包裝。


延伸閱讀:
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訪客留言內容(Comments)

影片介紹的是Pattern Plating作法,另外一種相對簡單的作法是Panel Plating. 以下針對各製程的介紹做補充:

2)除了線路製程外,圖案複雜的防焊綠漆製程也需要用到底片(mask)。
5).6)一般4L PCB可以不需要先做固定動作,6L或更多層的PCB就需要。
7)不一定是三片PCB一起作業,PCB厚度.孔徑大小.孔位精度等因素都會影響堆疊數量。
12)如果是單面板PCB可以用選擇性印刷,雙面或多層PCB還是會搭配曝光底片。
15)噴墨印刷的速度還是不及絲印(網版印刷),但用在樣品或小量訂單時就很適合。
16)量產品通常不用飛針電測,原因是太慢太貴。

其實除了上述製程外,如果對品質要求較高的PCB板廠還會在線路完成後追加AOI確認。

銀河漂流;
感謝留言及資料補充。

10年PCB經驗 ,補充一些:

1. 目前先進的PCB廠,曝光製程(線路/綠漆)已使用不用底片的曝光機(LDI/DI),減少底片的耗用,等待的時間,及提升生產的速度,精度.
2.目前消費性產品(例如:手機)的產品 ,目前多使用到所謂HDI產品(高密度多層板),使用大量的盲孔作為導通, 反而機械鑽孔的比例已明顯降低 , 所以雷射鑽孔需求相當大.
3.接上所述,因為產品難度線路等級提升,所以電性測試機台也需提升,從傳統2線測試(1條線路上二個測試點)到4線測試(1條線路四個測試點),所以一個測試的模具費用,從20~40萬提升到100~140萬.

以上一些PCB經驗分享

chenginway;
謝謝您的經驗分享!
就如同您所言比較先進的製程確實不需要在用到實體底片,HDI的盲埋孔也都使用雷射鑽孔。
至於測試一線四點就有點不是很明白?

説明何謂4線測試,
目前—般電性測試為二線,即在導通的内部線路的外部二個端點,各有一個測試pin去接觸測試(2-wire);所謂四線為在外部二個端點再各增加一個測試pin,故共有4個pin(4-wire),以消除機臺本身阻值造成的影響,讓電性測試能更敏感的測出產品阻值變化.
以上粗淺說明,希望能有幫助.

敬愛的工作熊,

雷射機利用聚焦的高功率光束,將PCB材料瞬間熔化後,需要配合高流量的氣體將熔融的材料瞬間吹去,以達到切割的效果。一般情況,銲接時使用的氦氣流量約20 L/min以下即可,而切割時可能必須使用30 L/min以上的大流量。請問採用7.5KW 耗用功率及耗用氣體流量為10 L/min之紫外光(UV)雷射鑽孔機於PCB製程時,是否適當?
感恩百忙中,賜予指導。

Timothy

Timothy,
真的對不起,個人沒有這種雷射鑽孔的經驗,建議你詢問雷射切割機的廠商以得到最正確的答案。

Hi您好,很棒的網站,提醒您以下段落有發現錯別字喔:

[影片]電路板生產線製程簡介(PCB Production Process)
9. Image the outer layers(外層壓膜顯影)
其製作方是及原理銅內層壓模顯影…..
製作方是–>方式
原理銅內層壓模顯影–>原理同

你好
我想問 因為最近板子走完蝕刻後有些特定物料(線路分散的?)做出來會有異色的問題 請問異色的原因是什麼 應該如何解決
希望你能幫我 這問題我想了好久ˊˋ
謝謝~

Sorry! 這個個人不清楚。

您好
感謝你的很多文章 讓新手可以好上手一點~
我想問 最近板子有氧化異色的問題
請問異色除了氧化還有其他原因嗎? 什麼類型的板子比較容易異色呀
希望您能幫我解惑 或是給我一點方向
謝謝~~

承,
如果是金屬的異色,絕大部分是氧化,氧化的原因有很多種,但通常是化學反應,所以你應該朝這個方向思考,PCB製程中用到很多的化學藥劑,這些都有可能引起化學反應,尤其是酸性溶劑。
如果是在SMT發現就必須在考慮SMT製程有無造成化學反應的條件,空氣及人手接觸都有機會。

你好
我想問 我們蝕刻槽是用 硫酸/雙氧水來咬蝕,用的是純水,為何槽內總是會有氯呢 想知道氯的來源 希望您能幫我解惑
謝謝~~

您好,想請問在製作PCB板流程中,在步驟產線中是否都是由人工在不同機台送料,亦或是已經發展出自動上下料的工具機了呢?

CHUN,
這個我也不清楚!呵~


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4. 工作熊並非某一方面的專家,所以回答的內容或許會有不正確的地方,服用前還請三思。如果您想詢問關於電路板方面的工程問題,前先參考這篇文章【詢問工程問題,請提供足夠的資訊以利有效回答】 把自己的問題想清楚了再來詢問,並且請提供足夠的資訊,這樣才能有效回答問題。
5. 工作熊每則留言都會看,但不會每則留言都回答,尤其是只有問候之類的內容。
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