台湾佬娱乐网

高密度多層電路板設計、生產與驗證難度急增

time : 2019-09-16 09:09       作者:凡億pcb

隨著電子產品的設計與應用日趨復雜,整合的處理器、存儲器等關鍵元件在性能規格上大幅提升,在考驗承載電子零件的電路板設計技術層次,不僅須在小面積達到高密度、高功效要求,也必須能具備良好電性、安全性與更嚴苛的使用條件…
 
近年來智能手機、平板電腦成為驅動電腦科技持續優化的重要產品項目,不僅產品越做越薄、越輕,功能不減甚至在性能、儲存容量、產品電池續航力每每都能爆發一倍、甚至數倍的性能升級,其中除了半導體科技在3D IC與高階異質封裝技術的整合功效外,另一方面則是因應新元件與更小體積、更狹窄機內空間挑戰的PCB載板技術能力升級。
 
電路板影響電子產業甚鉅
其實早在出現印刷電路板之前,電子產品的零組件與電路建構,大多是利用銅導線直接連接電子零件完成導通電路,建構整個可運行的電子產品系統。但這種方式建構的電子電路,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行,線路與元件焊接很容易產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蝕刻線路制作電路,搭配鉆孔提供電子元件更穩固的連接與固定,達到更好的線路連線品質、元件固定效果,同時在制作、驗證甚至產品出貨后的售服、檢修都能提供更高品質的電路。
 
因為印刷電路板(PCB)擔負承載大量電子零件、建構元件導通電路的關鍵角色,PCB也成為電子產品持續進化、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電路板本身的強度、絕緣效果、基本電性表現,而導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。
 
軟板?硬板使用條件優勢不同
線路加成法為透過在基板上進行實體電路的金屬電鍍、蒸鍍或是導通材料加成制成;減去法則是采在已覆蓋金屬導體層的基板上,搭配印刷線路圖案后再將無印刷的無線路區塊金屬透過化學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用的各式機板材料相繼推出,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境與材料特點不同,其中以硬式電路板用量大許多,也發展出更精密的多層板、高密度多層板等進階產品,對于薄化、縮小化或輕量化電子產品的設計目標上成為相當關鍵的核心材料技術。
 
從單層到雙層甚至多層  考驗制造與化學處理精密度
一般基材的導通層(電路)建構,可設置于基板的上、下兩面,透過鉆孔與孔內線路電鍍貫穿孔的方式形成上下電路線路的連結導通線路,隨著電子產品產業對高精密度、高復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通連接與黏合設計,建構線路更趨復雜的多層板結構。
 
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線路的數倍到數十倍之譜,成為電子產品積極縮小優化的關鍵設計趨勢。
 
多層板、高密度電路板的整合設計不僅在制品技術遠高于常規電路板,在產品利潤也超過常規產品甚多,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,在電子產品運行產生的溫度也會導致板材熱漲冷縮,對于高密度電路與層間導通連接的線路如果連接結構脆弱,也可能因為產品運行溫度較高導致線路出現斷路或是導通狀態不正常問題。
 
因此高密度多層板雖然具備高利潤、高材料集積縮小化優勢,但衍生的測試、驗證工作會更繁復、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化,提供高穩定、具抗溫度變化的特性表現,才能使終端電子產品更能達到設計需求。
 
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的關鍵。
 
一般來說金屬層的材料不同、成本差距極大,也會直接左右生產成本,而對應不同金屬材料在可焊姓、抗腐蝕、抗磨損?插拔、電阻性、導熱性等都有極大差異,實際應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)),各層載板為透過導通孔(Through hole/via)形成應用電路連接,一般來說,較大型的導通孔為設置需插件焊接的電子零組件,另電路板也會設置非導通孔來進行表面黏著電子元件的設置焊接。
 
末段制程搭配板材處理  提升電路板穩定與耐用度
復合板材本身,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線產生斷裂或接觸不良。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、導通金屬面直接接觸空氣,極容易出現板材氧化、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層,例如,以噴錫(Hot-Air Solder Leveling;HASL)、化學鎳金化(Electroless Nickel/Immersion Gold;ENIG)、浸鍍銀(Immersion Ag;ImAg)、浸鍍錫(Immersion Tin)或以有機保焊劑(Organic Solderability Preservatives;OSP)保護金屬接點。
 
至于電路板成品驗證方面,因為電路板制程關卡繁瑣,為讓制品更趨精良減少不良件數量,制程設備應定期保養與清潔,以維持穩定制作條件,生產也比須在高清潔度的環境下進行,避免成品出現誤差。
 
板材處理為多道化學液浸泡、處理運作,設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值添加化學品,維持化學浸料的成分穩定性。
 
除制程標淮化維持制品品質外,制品品質也必須靠高清潔度環境避免材料受污染,如生產線可在無塵環境下處理操作,液態光阻產線必須在搭配落塵過濾、板面除塵條件進行PCBA加工。
 
生產即密切關注各階段處理  維持一貫品質、減少生產瑕疵
為維持后段工件的產出品質,在每個PCBA加工段的制程處理都不可忽視品質問題,過程出現瑕疵、最終制品品質也會大受影響。每段制程都需要實施首件制品檢測、末件制品檢測、及中間制品取樣監測,以維持產品PCBA加工品質監管。
 
在鉆孔制程段,可實施插銷規(Pin-Guage)檢測孔徑狀態,驗證首件制品品質,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層接合狀況,確保鍍孔品質。而在鍍銅后的板件磨邊處理、去除玻璃纖維、樹脂、粉屑后,再搭配砂帶機對銅面整平并除去銅瘤與凹陷問題。
 
同時大批量生產則搭配機器視覺輔助,輔以自動光學輸送帶進行工件檢測,而多層板的層間對淮可采X-Ray檢測搭配,確認對位精淮度。另自動光學檢測可搭配原線路圖稿進行比對分析,防止工件的固定斷線、線路短路或線路缺口問題發生。
 
在防焊制程階段的裸銅板在經過酸洗、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,關鍵在于溫度與壓力控制,要能達到最佳壓合,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。
多層板成品可透過治具與驗證程式快速篩選出不良品。
 
使用精密接點探針,可快速檢測電路板的線路導通品質與狀況。
使用精密接點探針,可快速檢測電路板的線路導通品質與狀況。
 
多層板線路越做越復雜,除制程繁復,也增加成品驗證的困難度。
多層板線路越做越復雜,除制程繁復,也增加成品驗證的困難度。
 
電路基板尺寸變小、復雜度增高,必須搭配高階測試設備進行各項電性檢測,避免問題基板,以提升電子產品制造品質。
電路基板尺寸變小、復雜度增高,必須搭配高階測試設備進行各項電性檢測,避免問題基板,以提升電子產品制造品質。