隨著電子產(chǎn)品的設(shè)計與應(yīng)用日趨復(fù)雜，整合的處理器、存儲器等關(guān)鍵元件在性能規(guī)格上大幅提升，在考驗承載電子零件的電路板設(shè)計技術(shù)層次，不僅須在小面積達(dá)到高密度、高功效要求，也必須能具備良好電性、安全性與更嚴(yán)苛的使用條件…

 

近年來智能手機(jī)、平板電腦成為驅(qū)動電腦科技持續(xù)優(yōu)化的重要產(chǎn)品項目，不僅產(chǎn)品越做越薄、越輕，功能不減甚至在性能、儲存容量、產(chǎn)品電池續(xù)航力每每都能爆發(fā)一倍、甚至數(shù)倍的性能升級，其中除了半導(dǎo)體科技在3D IC與高階異質(zhì)封裝技術(shù)的整合功效外，另一方面則是因應(yīng)新元件與更小體積、更狹窄機(jī)內(nèi)空間挑戰(zhàn)的PCB載板技術(shù)能力升級。

 

電路板影響電子產(chǎn)業(yè)甚鉅

其實(shí)早在出現(xiàn)印刷電路板之前，電子產(chǎn)品的零組件與電路建構(gòu)，大多是利用銅導(dǎo)線直接連接電子零件完成導(dǎo)通電路，建構(gòu)整個可運(yùn)行的電子產(chǎn)品系統(tǒng)。但這種方式建構(gòu)的電子電路，一方面在制作線路與連接零組件需耗用大量人力與制作心力手工進(jìn)行，線路與元件焊接很容易產(chǎn)生錯誤連線而造成元件或材料耗損，徒增制造與驗證線路成本。

 

改良方案即使用電子電路板透過金屬化學(xué)蝕刻線路制作電路，搭配鉆孔提供電子元件更穩(wěn)固的連接與固定，達(dá)到更好的線路連線品質(zhì)、元件固定效果，同時在制作、驗證甚至產(chǎn)品出貨后的售服、檢修都能提供更高品質(zhì)的電路。

 

因為印刷電路板(PCB)擔(dān)負(fù)承載大量電子零件、建構(gòu)元件導(dǎo)通電路的關(guān)鍵角色，PCB也成為電子產(chǎn)品持續(xù)進(jìn)化、升級的重要組件！PCB的線路制作主要分成兩種作法，基本上PCB本身必須具備一絕緣載板，載板材料即決定了PCB電路板本身的強(qiáng)度、絕緣效果、基本電性表現(xiàn)，而導(dǎo)通線路可以用加成法(Additive)或是減去法(Subtractive)兩種不同制作方式建構(gòu)。

 

軟板？硬板使用條件優(yōu)勢不同

線路加成法為透過在基板上進(jìn)行實(shí)體電路的金屬電鍍、蒸鍍或是導(dǎo)通材料加成制成；減去法則是采在已覆蓋金屬導(dǎo)體層的基板上，搭配印刷線路圖案后再將無印刷的無線路區(qū)塊金屬透過化學(xué)溶劑腐蝕去除形成電路。

 

早期基板材料一度成為限制電路板應(yīng)用的瓶頸，隨著兼顧如可撓性的軟性材料、高溫耐受性、兼具薄化與多層堆迭應(yīng)用的各式機(jī)板材料相繼推出，其中在高單價的軟性或可撓式電路板多使用如加成法處理線路，而硬式電路板或多層電路板多數(shù)狀況會使用減去法制作線路，軟性(可撓性)電路板與硬式電路板因為適用環(huán)境與材料特點(diǎn)不同，其中以硬式電路板用量大許多，也發(fā)展出更精密的多層板、高密度多層板等進(jìn)階產(chǎn)品，對于薄化、縮小化或輕量化電子產(chǎn)品的設(shè)計目標(biāo)上成為相當(dāng)關(guān)鍵的核心材料技術(shù)。

 

從單層到雙層甚至多層  考驗制造與化學(xué)處理精密度

一般基材的導(dǎo)通層(電路)建構(gòu)，可設(shè)置于基板的上、下兩面，透過鉆孔與孔內(nèi)線路電鍍貫穿孔的方式形成上下電路線路的連結(jié)導(dǎo)通線路，隨著電子產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)對高精密度、高復(fù)雜度整合電路的需求，也形成多片硬式電路板堆迭、搭配電路層與層間的導(dǎo)通連接與黏合設(shè)計，建構(gòu)線路更趨復(fù)雜的多層板結(jié)構(gòu)。

 

多層電路板可有效簡化基板尺寸、面積，尤其搭配IC科技的高度整合元件，電路載板甚至可以縮減傳統(tǒng)線路的數(shù)倍到數(shù)十倍之譜，成為電子產(chǎn)品積極縮小優(yōu)化的關(guān)鍵設(shè)計趨勢。

 

多層板、高密度電路板的整合設(shè)計不僅在制品技術(shù)遠(yuǎn)高于常規(guī)電路板，在產(chǎn)品利潤也超過常規(guī)產(chǎn)品甚多，但隨之而來的問題也相對更多，例如，多層板因為板材本身材料特性，在電子產(chǎn)品運(yùn)行產(chǎn)生的溫度也會導(dǎo)致板材熱漲冷縮，對于高密度電路與層間導(dǎo)通連接的線路如果連接結(jié)構(gòu)脆弱，也可能因為產(chǎn)品運(yùn)行溫度較高導(dǎo)致線路出現(xiàn)斷路或是導(dǎo)通狀態(tài)不正常問題。

 

因此高密度多層板雖然具備高利潤、高材料集積縮小化優(yōu)勢，但衍生的測試、驗證工作會更繁復(fù)、要求更高，精密度與材料受溫度的變化量，也需要透過基板材料優(yōu)化，提供高穩(wěn)定、具抗溫度變化的特性表現(xiàn)，才能使終端電子產(chǎn)品更能達(dá)到設(shè)計需求。

 

金屬層材料選擇  影響電路電性

除基板的材料特性外，置于基板之上的金屬層也是電路板整體表現(xiàn)的關(guān)鍵。

 

一般來說金屬層的材料不同、成本差距極大，也會直接左右生產(chǎn)成本，而對應(yīng)不同金屬材料在可焊姓、抗腐蝕、抗磨損？插拔、電阻性、導(dǎo)熱性等都有極大差異，實(shí)際應(yīng)用并不是材料越貴越好，而是必須針對不同金屬層使用需求選用合宜的金屬材料處理線路。常見金屬層有銅、錫、鉛錫合金、錫銅合金等，錫厚度多為5~15μm，鉛錫合金多數(shù)厚度為5~25μm。

 

目前的電路板，主要由線路、圖面(Pattern)組成，一般線路與圖面為一起制作，而基材的絕緣板材本身即建立起各層的絕緣電性(介電層(Dielectric))，各層載板為透過導(dǎo)通孔(Through hole/via)形成應(yīng)用電路連接，一般來說，較大型的導(dǎo)通孔為設(shè)置需插件焊接的電子零組件，另電路板也會設(shè)置非導(dǎo)通孔來進(jìn)行表面黏著電子元件的設(shè)置焊接。

 

末段制程搭配板材處理  提升電路板穩(wěn)定與耐用度

復(fù)合板材本身，若因空氣潮濕也容易因吸收濕氣造成板材變異、變形，而變形過程可能讓線路導(dǎo)線產(chǎn)生斷裂或接觸不良。為增加板材壽命，通常會在板材表面的未焊接面或是板材表面增加一層環(huán)氧樹脂，或搭配絲印印刷元件名稱、位置、該電路板的版本號碼、出廠日期等參考資訊。

 

由于電路板上的銅面、導(dǎo)通金屬面直接接觸空氣，極容易出現(xiàn)板材氧化、上錫不良或是氧化變型造成銅箔脫落等問題，一般電路板完成后在未上料的板材上，仍需在需吃錫的金屬面增加一層防氧化的保護(hù)層，例如，以噴錫(Hot-Air Solder Leveling；HASL)、化學(xué)鎳金化(Electroless Nickel/Immersion Gold；ENIG)、浸鍍銀(Immersion Ag；ImAg)、浸鍍錫(Immersion Tin)或以有機(jī)保焊劑(Organic Solderability Preservatives；OSP)保護(hù)金屬接點(diǎn)。

 

至于電路板成品驗證方面，因為電路板制程關(guān)卡繁瑣，為讓制品更趨精良減少不良件數(shù)量，制程設(shè)備應(yīng)定期保養(yǎng)與清潔，以維持穩(wěn)定制作條件，生產(chǎn)也比須在高清潔度的環(huán)境下進(jìn)行，避免成品出現(xiàn)誤差。

 

板材處理為多道化學(xué)液浸泡、處理運(yùn)作，設(shè)備必須維持自動定溫、定時與定速處理料件，同時制程過程需隨時視液料PH值添加化學(xué)品，維持化學(xué)浸料的成分穩(wěn)定性。

 

除制程標(biāo)淮化維持制品品質(zhì)外，制品品質(zhì)也必須靠高清潔度環(huán)境避免材料受污染，如生產(chǎn)線可在無塵環(huán)境下處理操作，液態(tài)光阻產(chǎn)線必須在搭配落塵過濾、板面除塵條件進(jìn)行PCBA加工。

 

生產(chǎn)即密切關(guān)注各階段處理  維持一貫品質(zhì)、減少生產(chǎn)瑕疵

為維持后段工件的產(chǎn)出品質(zhì)，在每個PCBA加工段的制程處理都不可忽視品質(zhì)問題，過程出現(xiàn)瑕疵、最終制品品質(zhì)也會大受影響。每段制程都需要實(shí)施首件制品檢測、末件制品檢測、及中間制品取樣監(jiān)測，以維持產(chǎn)品PCBA加工品質(zhì)監(jiān)管。

 

在鉆孔制程段，可實(shí)施插銷規(guī)(Pin-Guage)檢測孔徑狀態(tài)，驗證首件制品品質(zhì)，電鍍制程可用掌上型孔銅測厚儀檢驗鍍銅的厚度狀況，并搭配切片檢視孔隙的銅密度與內(nèi)層接合狀況，確保鍍孔品質(zhì)。而在鍍銅后的板件磨邊處理、去除玻璃纖維、樹脂、粉屑后，再搭配砂帶機(jī)對銅面整平并除去銅瘤與凹陷問題。

 

同時大批量生產(chǎn)則搭配機(jī)器視覺輔助，輔以自動光學(xué)輸送帶進(jìn)行工件檢測，而多層板的層間對淮可采X-Ray檢測搭配，確認(rèn)對位精淮度。另自動光學(xué)檢測可搭配原線路圖稿進(jìn)行比對分析，防止工件的固定斷線、線路短路或線路缺口問題發(fā)生。

 

在防焊制程階段的裸銅板在經(jīng)過酸洗、刷磨、微蝕后，需去除銅面的氧化層與微銅粉、并增加銅箔面本身的粗糙度才能提升油墨防焊層的附著力，同時提升保護(hù)電路板能力。在印刷階段可用目測檢視油墨均勻度，在電路板烘烤后必須搭配膜厚計測量涂佈的油墨厚度。

 

在多層板壓合階段，關(guān)鍵在于溫度與壓力控制，要能達(dá)到最佳壓合，可透過二段式處理搭配加長二段熱壓時程，即可強(qiáng)化板件硬度、平整性與銅箔的附著力。最終電路板成品驗證，一般可以CAM Data輸出，搭配自動治具軟體建構(gòu)生治具制作程式，透過治具快速檢測挑選不良工件。

 

多層板成品可透過治具與驗證程式快速篩選出不良品。

 

使用精密接點(diǎn)探針，可快速檢測電路板的線路導(dǎo)通品質(zhì)與狀況。

 

多層板線路越做越復(fù)雜，除制程繁復(fù)，也增加成品驗證的困難度。

 

電路基板尺寸變小、復(fù)雜度增高，必須搭配高階測試設(shè)備進(jìn)行各項電性檢測，避免問題基板，以提升電子產(chǎn)品制造品質(zhì)。