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Presentation Transcript

  1. Multilayer PCB Image Transfer Technology I 高啟清博士 Charles Kao, Ph.D Tel: 02-2601-0700 Mobile: 0939-268-725 cckao@csun.com.tw V2.1 2007/4/10

  2. 課程綱要 • 多層板製程 • 曝光製程 • 光阻曝光原理 • 曝光光源系統 • 曝光量測 2/50

  3. 多層板製程

  4. 多層板Multilayer PCB 結構 線寬 孔環Annular Ring 線距 孔徑 內層1 內層2 線路 通孔Through Hole 絕緣介質層Dielectric 增層法多層板 傳統多層板 4/50

  5. 導通孔Via Hole 目的: 連接各層電路 孔徑 Ex. 機鑽通孔 0.35 mm Ex. 雷射盲孔 6 mil 孔環 Annular Ring Ex. 單邊 + 5 mil 縱橫比Aspect Ratio 板厚/孔徑 鑽孔, 電鍍能力 孔間距 100 mil = 2.54 mm 50 mil = 1.27 mm 線路 Power/Ground層 信號層 Signal layer 線路 Conductor 焊墊 Pad 線寬/線距 (L/S) Line Width / Line Space 6/6 = 150/150 m 5/5 = 125/125 m 4/4 = 100/100 m 孔間(100 mil)過几條導線 8/8 → 過 2 條 6/6 → 過 3 條 5/5 → 過 4 條 結構術語及尺寸單位 5/50

  6. 多層板 Multi-layer 層數 layer count: Cu層數 內層 inner layer Ex. L2/L3, L4/L5 外層 outer layer 零件面 Component side Ex. L1 銲錫面 Solder side Ex. L6 外尺寸 長度寬度 Ex. 20" x 16" 板厚 Ex. 63 mil (條) = 1.6 mm 尺寸單位 英吋 inch 1 inch = 1000 mil = 25.4 mm 英絲 mil 1 mil = 0.001 inch = 0.0254 mm = 25.4 m 5 mil = 0.005 inch = 0.125 mm = 125 m 1 mm = 39.37 mil 外形術語及尺寸單位 6/50

  7. 例:4L 疊板 L1 - 1 oz: 1.4 mil 1080: 2.5 mil 7628: 7.0 mil L2/L3- 1.0mm, 1/1: 40 mil 7628: 7.0 mil 1080: 2.5 mil L4 - 1 oz, 1.4 mil Total = 61.8 mil = 1.569 mm 例:6L 疊板 L1 - 1/2 oz: 0.7 mil 1080: 2.5 mil 7628: 7.0 mil L2/L3 - 0.38mm, 1/1: 17.8 mil 2116: 4.0 mil 2116: 4.0 mil L4/L5 - 0.38mm, 1/1: 17.8 mil 7628: 7.0 mil 1080: 2.5 mil L6 - 1/2 oz, 0.7 mil Total = 64 mil = 1.6 mm 疊板結構 7/50

  8. 多層板製程示意 8/50

  9. 前處理 前處理 前處理 銅箔基板 黑/棕氧化 文字印刷 成型 乾膜貼合 乾膜貼合 塞孔印刷 裁板 疊板壓合 文字烘烤 V-Cut 內層曝光 外層曝光 防焊塗佈 磨邊導角 鑽孔 鍍鎳金 斜邊 內層顯像 外層顯像 防焊預烤 去毛邊 噴錫 成品清洗 內層蝕刻 鍍二次銅 防焊曝光 除膠渣 電測 內層剝膜 鍍錫鉛 綠漆顯像 化學鍍銅 成品檢查 內層AOI 外層剝膜 防焊後烤 鍍一次銅 真空包裝 外層蝕刻 剝錫鉛 外層AOI 基板處理內層製程壓合鑽孔鍍銅外層製程防焊製程表面處理檢驗成型 典型多層板製程Multi-Layer Process 9/50

  10. 曝光製程 10/50

  11. 影像移轉 Image Transfer 將PCB設計圖像(Pattern)的工程資料由CAD/CAM上轉移至網板或底片上 使用印刷或曝光方式將底片上影像移轉至阻劑上 再經由蝕刻、電鍍或單純顯像方式製作線路或遮蓋部分板面 曝光製程 內層 Inner Layer Primary Image 外層 Outer Layer Primary Image 防焊 Solder Mask 選擇性鍍金 Secondary Image Transfer 印刷電路板影像移轉製程 11/50

  12. 內層 Print and Etch 光阻在線路製作製程 中使用,蝕刻完成後除去 內層曝光 光阻抗酸性蝕刻 光阻塗佈 壓膜 Dry Film Lamination 滾塗 Roller Coating 乾膜:壓膜→曝光→顯像→蝕刻→剝膜 膜厚 1.0,1.3 mil,能量 45~60 mj/cm2 濕膜:塗佈→預烘→曝光→顯像→蝕刻→剝膜 liquid film 10~15m厚,需80~120 mj/cm2 因無Mylar層可做較細線路 曝光製程 - 內層 12/50

  13. 外層 Pattern Plate 光阻在線路製作製程 中使用,電鍍完成後除去 外層曝光 (負片流程) 光阻抗電鍍,抗鹼性蝕刻 光阻塗佈 壓膜 Dry Film Lamination 乾膜:壓膜→曝光→顯像→電鍍→剝膜→蝕刻 膜厚 1.3, 1.5 mil 曝光製程 - 外層 13/50

  14. 內層曝光 正片 Print and Etch 流程 曝光聚合部分保護線路 曝光顯像蝕刻 外層曝光 負片流程 Pattern Plate 曝光聚合部分非線路 曝光顯像電鍍蝕刻 正片Tenting 流程 Tent and Etch 曝光聚合部分保護線路 曝光顯像蝕刻 外層正片 / 負片流程 14/50

  15. 內層與外層製作比較 外層負片電鍍流程 外層正片Tenting流程 內層流程 15/50

  16. 防焊 LPSM 保護銅面 PCB上永久性保護層 防焊曝光 光阻塗佈 網印 Flood Screen Printing 簾塗 Curtain Coating 噴塗 Spray Coating 塗佈→預烤→曝光→顯像→後烘烤→UV硬化 約0.8 mil厚,能量 400~600 mj/cm2 曝光時需抽真空使底片密貼板材並隔絕氧氣使聚合反應加速完成 曝光製程 - 防焊 16/50

  17. 光阻曝光原理 17/50

  18. 光阻聚合 製程 光阻(乾膜/濕膜)→曝光聚合(UV)→顯像(碳酸鈉) 365nm 曝光原理及製程 G-line: 436 nm H-line: 405 nm I-line: 365 nm 18/50

  19. Sensitizer 光敏劑 接受初始能量, 啟動反應 (搖旗吶喊) Photoinitiator 感光起始劑 接受, 產生自由基, 抓Monomer, 連鎖反應形成聚合物 對 320~380 nm 波長敏感 Monomer 單體 Crosslink, Migrate Inhibitor 遮蔽劑 在未曝光時維持不反應 (警察), Migrate Binder 塑化劑 強度 光阻反應機構 19/50

  20. PI + h  PI* ITX + h  ITX* ITX* + PI  ITX + PI* Monomer & Oligomer + PI*  Polymer + PI 光啟始劑裂解 Photoinitiator 出現自由基 Free Radical R’ 紫外線照射 UV Radiation 形成聚合體 Polymer 顯像 Developing Na2CO3 單體吸收自由基 Monomer + R’ 光阻感光聚合過程 自由基轉移 Transfer Free Radical 聚合/交聯 Polymerization / Cross Linking 21/50

  21. 曝光對乾膜結構的變化 22/50

  22. 反應特性 聚合反應速率與配方、塗佈厚度、UV照度及UV光源發射光譜分佈等有關。 聚合反應中能量的累積是持續性的,反應開始後如因故UV照射受干擾而中斷時,將導致反應不完全。 聚合反應中應儘量隔絕氧氣的接觸,因氧的活性大,會抑制其它自由基的聯結,降低聚合反應速率。 作業要求 提高光阻與銅面附著力 曝光顯像後光阻側壁垂直且殘足短 達到最佳光阻解析能力 曝光能量↓ 時,解析度↑ 曝光能量↑時,聚合效果及抗化性↑ 達到光阻最佳工作區間 →準確的能量控制 Off Contact↑時,解析度↓ →提高底片與板面真空密貼程度 線路曝光作業的考量因素 23/50

  23. 能量對光阻聚合影響 起始階段 完全聚合階段 部分聚合階段 24/50

  24. 25/50

  25. 以乾膜曝光而言,為得到最佳乾膜解析能力,曝光能量約有10% 的容許區間,這也是對能量均勻度的基本要求 當線路愈細及線寬公差要求愈嚴時,對均勻度的要求應更嚴格 曝光能量與最佳解析度關係 26/50

  26. Hard Contact Exposure – 硬式接觸曝光 底片與板面密貼且吸真空 吸真空時在表面產生彩色牛頓環,紋路愈密表示底片與板面密貼程度愈佳 散射光要吸真空 Soft Contact Exposure – 軟式接觸曝光 底片與板面密貼但不吸真空或只輕微吸真空 Off Contact Exposure – 非接觸曝光 底片與板面間有距離不接觸,不能吸真空 Projection Exposure – 投影曝光 鏡組將線路影像聚焦在板面上,不能吸真空 曝光方式與吸真空 27/50

  27. 乾膜光阻 Dry Film Photoresist Mylar蓋膜(聚烯 Polyester/PET) + 光阻 Photoresist + PE分隔膜(聚乙烯 Polyethylene/PE) Mylar 厚度: 0.8 mil 光阻厚度: 0.6, 1.0, 1.3, 1.5, 2.0 mil 廠商 杜邦大東 DuPont/Riston 長興 Eternal/Etertec 長春 LongLite Hitachi/PhoTec Asahi Shipley/Morton 乾膜光阻 28/50

  28. 負性光阻 感光聚合,形成高分子,顯像時不會溶解 Soluble vs Semi-soluble 有殘足問題 常用在PCB 正性光阻 感光分解,顯像時溶解 Soluble vs Non-soluble 正性光阻可製作出較細線路 常用在IC, LCD 光阻作用方式-負型與正型 29/50

  29. 濕膜光阻 Liquid Photoresist 光阻 Coating 厚度: 8~12 m 廠商 MacDermid Nippon Paint 川裕…. 液態感光防焊綠漆 Liquid Photoimageable Solder Mask (LPSM) 二液型 廠商 Taiyo, Tamura, Hitachi 永聖泰… 油墨光阻劑 30/50

  30. 曝光光源系統 31/50

  31. 散射光 Flood 毛細燈 Capilary 長弧燈 Long Arc 平行光 Collimated 短弧燈 Short Arc 點光源 Point Source 短燈管 UV 無電極點光源 Microwave 激發 UV 燈 曝光光源種類 32/50

  32. 各種 UV 曝光燈管 Short Arc:汞氙短弧燈 平行光曝光用/ 3.5, 5, 8 Kw Long Arc: 水銀燈/金屬鹵化物燈 防焊曝光用/ 7, 8, 9, 10 Kw Capillary: 毛細燈 線路曝光用/ 3, 5 Kw 33/50

  33. 各種UV燈管光譜分佈比較 水銀燈 汞氙燈 光阻聚合365nm 金屬鹵化物燈 毛細燈 34/50

  34. Ionization 10 63D 577~9 297 73S 546 313 Energy (eV) 365 436 61P1 405 2 5 1 63P 0 185 254 水銀的特性光譜線 h-line:405nm g-line:436nm i-line:365nm 35/50

  35. 散光型反射燈罩 焦點散漫, UV均勻分佈, 強度較弱 36/50

  36. 散射光對曝光影響 37/50

  37. 平行光 CHA; 1.5~2.5 DA: 1~2 點光源 DA: 5~12 散射光 DA: 10~25 不同光源對光阻曝光影響 38/50

  38. 平行光產生方式 增加光源至照射面距離 利用拋物體燈罩反射點光源 利用拋物面鏡反射點光源光柱 利用鏡組折射點光源光柱 汞氙短弧燈 如何產生平行光 39/50

  39. 積光器(Integrator) 反射鏡 (Reflection Mirror) 冷鏡 (Dichroic Mirror) 曝光照射面(Exposure Surface) 橢圓集光器(Collector) 點光源短弧燈 (Short Arc Lamp) 平行反射鏡(Collimation Mirror) 平行光曝光系統 • 平行光源: 5KW汞氙短弧燈 • 平行半角(CHA): 1.5 • 斜射角(DA) < 1 40/50

  40. Integrator (Flyeye) 積光器作用 41/50

  41. 平行半角 Collimation half angle 光柱擴散角度 斜射角 Declination angle 光柱與法線夾角 平行半角與斜射角 42/50

  42. 平行半角與斜射角測量 量測規目測 熱感紙測量 平行半角與斜射角量測 UV光 43/50

  43. 曝光量測 44/50

  44. UV強度(照度)單位 Intensity (Irradiance): watt/cm2, milli-watt/cm2 單位面積上的功率 UV能量(劑量)單位 Energy (Dose): joule/cm2, milli-joule/cm2 單位面積上所接受的能量,與時間有關 在 1 mw/cm2下照射 1 秒= 1 mj/cm2 是強度對時間曲線下的總面積 是一般常給的操作參數 UV Range (definition of EIT) UVA: 365 nm, UVB:~300nm, UVC: 254 nm UVV: 420 nm UV曝光測量單位 45/50

  45. IL 1400 UVA 單一波段 測量強度 測量能量 ORC 351 UVA 單一波段 測量強度 測量能量 EIT UVIRad UVA 波段 測量能量 EIT UV Power Puck UVA/B/C/V 四波段 測量強度 測量能量 常用UV曝光量表 46/50

  46. 格數片原理 檢驗曝光能量多少,了解光阻聚合程度 格數片上每一格的光密度(Optical Density)不同,曝光時透光量每格不同,第一格光密度最低透光量最多使光阻感光最足,每增一格,固定增加一定比例的光密度 以Stouffer 21格為例每格增加 41%光密度 常用格數片 OD = 0.15, 41% 21格 Stouffer, Kodak (No.2), Hitachi Photec 21格 OD = 0.05, 12% Dupont Riston 25格 Stouffer 41格 曝光格數片 Step Tablets 47/50

  47. OD = log10(入射光強度 I / 穿透光強度 T) = log10(I) – log10(T) 21格數片- 每格差OD=0.15, 41%透光率 第一格: OD = 0.05 第六格: OD = 0.80, T = 0.158 * I 第七格: OD = 0.95, T = 0.112 * I 第八格: OD = 1.10 第十二格: OD = 1.70 第二十一格: OD = 3.05 100.15 = 1.41 光密度Optical Density 48/50

  48. UV能量/強度量表 誤差 5% 直接測光強度能量 直接讀出數值 不同廠牌差異讀值差異 量均勻度時使用 一般用於設備檢驗確認曝光機功能 曝光格數片 誤差 12~41% 間接量測 需等待 格數片污染, 老化 每班確認曝光條件 一般用於線上檢驗確保量產板實際曝光結果 Ex. DF 六滿七殘 UV量表與格數片比較 49/50

  49. 曝光均勻度 確認有效曝光範圍內各點接受到的能量一致性 Uniformity 或稱 Non-Uniformity 測量方法 有效曝光範圍內量測 9、13 、25點位置的強度或能量 計算公式 ,改善→ 8% → 5% ,改善→90% → 95% 曝光均勻度 50/50

  50. 本單元結束