PCB基板常识

八 外层
8.1 制程目的

　　经钻孔及通孔电镀后, 内外层已连通, 本制程在制作外层线路, 以达电性的完整.

8.2 制作流程

　　铜面处理→压膜→曝光→显像

8.2.1 铜面处理

　　详细资料请参考4.内层制作.

8.2.2 压膜

8.2.2.1干膜介绍

　　干膜(dry film)的构造见图8.1, 1968年由杜邦公司开发出来这种感旋光性聚合物的干膜后，PCB的制作就进入另一纪元, 到1984年末杜邦的专利到期后日本的HITACHI也有自己的品牌问世。尔后就陆续有其它厂牌加入此一战场.
　　依干膜发展的历史可分下列三种Type: 　　
　　 －溶剂显像型 　
　　 －半水溶液显像型 　
　　 －碱水溶液显像型
　　现在几乎是后者的天下,所以本章仅探讨此类干膜.
　　 A. 干膜之组成
　　　　水溶性干膜主要是由于其组成中含有机酸根，会与强碱反应使成为有机酸的盐类，可被水溶掉。其组成见图8.1 水溶性干膜最早由Dynachem 推出, 以碳酸钠显像，用稀氢氧化钠剥膜，当然经不断改进才有今日成熟而完整的产品线.
　　 B. 制程步骤
　　　　干膜作业的环境，需要在黄色照明,通风良好,温湿度控制的无尘室中操作，以减少污染增进阻剂之品质。其主要的步骤如下：
　　　　　　压膜─停置─曝光─停置─显像

8.2.2.2 压膜(Lamination)作业

　　A. 压膜机 压膜机可分手动及自动两种,有收集聚烯类隔层的卷轮，干膜主轮，加热轮，抽风设备等四主要部份, 进行连续作业, 其示意见图8.2

　　　一般压膜条件为：

　　　　压膜热轮温度　　　 120°±10℃
　　　　板面温度 　　　　　50±10℃
　　　　压膜速度 　　　　　1.5~2.5米／分
　　　　压力　　　　　　　 15-40 psi

　　　a. 传统手动压膜机须两人作业，一人在机前送板，一人在机后收板并切断干膜，此方式用在样品、小量多料号适合，对人力、物料的耗用浪费颇多。
　　　b. 自动压膜机市面上HAKUTO，CEDAL，SCHMID等多种厂牌，其机构动作在板前缘黏压干膜方式及压膜后缘切膜动作多有不同，但都朝产速加快，节 省干膜以及黏贴能力上在改进。
　　　 c. 国内志胜几年前开发自动压膜机颇为成功国内多家大厂均有使用.
　　　 d. 干膜在上述之温度下达到其玻璃态转化点而具有流动性及填充性，而能覆盖铜面。但温度不可太高，否则会引起干膜的聚合而造成显像的困难。压膜 前板子若能预热,可增强其附着力。
　　　 e. 为达细线路高密度板之高品质，必须从环境及设备上着手，干膜之压膜需要在无尘室中进行（10K 级以上），环境温度应控制在23°±3℃，相对湿度应 保持50％RH±5％左右。操作人员也要带手套及抗静电之无尘衣帽。

8.2.3 曝光 Exposure
8.2.3.1 曝光机种类

　　－手动与自动 　
　　－平行光与非平行光 　
　　－LDI雷射直接暴光
　　 A. 手动曝光机，是将将欲曝板子上下底片以手动定PIN对位后，送入机台面， 吸真空后曝光。
　　 B. 自动曝机一般含Loading/unloading，须于板子外框先做好工具孔，做初步定 位再由机台上之CCD，Check底片与孔的对位状况，并做微调后入曝光区曝 光。依目前的精密须求程度，不以视觉机器自动对位，恐怕做不到好品质的 板子。
　　 C. 如何量测及评估曝光机的平行度:
　　　　－定义:从平行度(collimate)字面的意思就是使直向行进，而从光的眼光而言则是让光行进同时垂直于照射面。图8.3是平行光与非平行光之比较.
　　　　－平行度的影响:而研判平行直进的方法有两个值可供参考，平行羊角 (Collimate Half Angle)及偏斜(Declination Angle)。此二值可大略判断 曝光机的平行度及曝光可能造成的侧向偏移，也因此若使用非平行曝光机 曝光其影像会有偏料及底部侧向显像的问题。
　　　　－量测方法及工具: 　
　　　　　一般量测平行度的方法是用一种叫平行度像机(Collimation Camera) 其量测方式是以此工具置于感光纸或感光物上曝光，之后再量偏移度，其示意图如下（图8.4(a,b)）:
　　D. 非平行光与平行光的差异，平行光可降低Under-Cut。 其差异点，可见图8.5，显影后的比较。做细线路(4mil以下)非得用平行光之 曝光机。
　　E. 另有一种LDI(Laser Direct Imaging)激光直接感光之设备与感光方式。是利用 特殊之感光膜coating在板面，不须底片直接利用激光扫描曝光。其细线可做 到2mil以内，利用多beam方式18in×24in的板子，已有号称曝光时间仅30 秒。

8.2.3.2 作业注意事项

　　A. 偶氮棕片的使用
　　　手动曝光因仰赖人目视对位，因此棕片是有必要的，但自动曝光机由机器负 责对位所以一般黑白底片即可。棕片的寿命较短
　　B. 能量的设定
　　　 曝光机中有光能量之累积计算器，光能量子 (以焦耳或毫焦耳为单位）是指 光强度（瓦特或毫瓦特）与时间的乘积，即
　　　　　 mili - Joule = mili Watt ╳ Sec. 焦耳＝瓦特╳秒
　　　 曝光机上有可以调动的光能量数字键，并有测光强度之装置，当设定某一光 能量数字后即可做定能量之曝光，每当光源紫外灯老化而光强度衰减时，该 设定系统即会自动延长时间以达到所需的光能量。 定期以"Photometer" 或"Radiometer"做校正工作。
　　C. Stouffer 21 Step Tablet
　　　 Stouffer 21 step tablet是IN-process监测曝光显像后的条件是否正常，见图8.6。 它是放于板边与正常板一样曝光，停置及显像后，其21格上之干膜残留有 颜色渐淡，至完全露铜的变化，最重要视其已显像及仍残存板面之交界是落 于第几格。一般标准是8~10格，Follow各厂牌所给的Data Sheet。
　　D. 吸真空的重要
　　　 非平行光的作业中，吸真空的程度是影响曝光品质的重大因素。因底片与膜 面有间隙会扩大under-cut。一般判断贴紧程度是从光罩上之Mylar面出现的 牛顿环(Newton Ring)的状况，以手碰触移动，若牛顿环并不会跟着移动，则 表吸真空良好。手动作业，时常作业员尚要以"刮刀"辅助刮除空气，此小动 作事实上极易影响对位及底片的寿命。平行光源则此问题可降至最低。
　　E. 对位
　　　 对于自动曝光机来说，偏位不是不问题，只要评估好设备的制程能力以及维 护工作底片的准确度即可，但手动曝光机作业影响对准度的变量就很多：
　　　　 <1> PIN孔大小的选择
　　　　 <2> 上制程通孔电镀的厚度分析
　　　　 <3> 孔位准确度
　　　　 <4> 底片套板的方式
　　　　 <5> 人目视误差
　　　 上述仅举常见因素，各厂应就产品层次来提升干膜作业的制程能力。
　　F. 静置
　　　曝光后板子须问隔板置放10~15分钟让吸收UV能量后的resist Film聚合更完全。
　　G.高强度的UV光对细线路而言是十分重要的，因为所有的光阻都含有遮蔽剂 (Inhibitor)，而此遮蔽剂遇UV光时会在数秒内大量消耗。因此如果用弱光曝 光，则须用较长时间来达到必须的能量，如此有较多的时间让未见光区的遮蔽剂扩散至曝光区，如此只要有一点折光或散射就会形成聚合，产生残胶显影不 洁等问题。 因此使用强光曝光机有助于细线的制作，有残胶并不是代表只是显影不洁或水洗不良的问题。
　　　 一般而言5mW/cm2能量密度对一般的线路已有不错的效果，如果要有更佳的分辨率则高一些的光强度有助于改善之。
　　H. 影响分辨率的因子互动关系有:(I)曝光时间长短(2)未曝光区遮蔽剂的量 (3)散射折射光的多少.其中第二项是来自供货商的调配较无法调整，第(1)项 可考虑控制光强度来改善其品质，第(3)项则使用平行曝光机及加强曝光前真空作业会有帮助.

8.2.4. 显像Developing
8.2.4.1槽液成份及作业条件

　　溶液配方　　　１－２％之碳酸钠（重量比）
　　温度　　　　　30 +_2 ℃
　　喷压 15－20 PSI
　　水洗 27°－29℃，水压40 PSI
　　pH 10.5 －10.7，
　　Break point 50~70% Auto dosing

8.2.4.2作业注意事项

　　A. 显像是把尚未发生聚合反应的区域用显像液将之冲洗掉，已感光部份则因已发生聚合反应而洗不掉仍留在铜面上成为蚀刻或电镀之阻剂膜。注意在 显像前不可忘记把表面玻璃纸撕掉。
　　B. 显像点Break point ( 从设备透明外罩看到已经完全显现出图样的该点的距 离称之 )应落于50~70%间，不及,铜面有scun残留,太过,则线边有膜屑或 undercut过大. 最好有自动添加系统(auto-dosing). 另外喷洒系统设计良否也会影响显像点.可参考表8.1(本表仅供参考)
　　 C. 显像良好的侧壁应为直壁式者，显像不足时容易发生膜渣(Scum) 造成蚀刻板的短路、铜碎、及锯齿突出之线边，显像机喷液系统之过滤不良时也会 造成此种缺点。检查Scum的方法可用５％之氯化铜溶液(Cupric Chloride CuCl 2) 或氯化铵溶液浸泡， 若铜面上仍有鲜亮的铜色时，即可判断有 Scum残留，
　　D. 显像完成板子切记不可迭放,须用Rack插立.

8.3. 干膜环境的要求

　　线路板之细线及高密度要求渐严，其成功的契机端赖各种精密的控制。干膜 转移影像之精准除了上述各种生产技术外，环境的完善也占有很大的比重。
　　A. 首先要注意到的是无尘室(Clean Room) 的建立，一般常说的无尘室是以 美国联邦标准Fed. STD 209 做为分级的规范，是以每立方呎的空气中 所含大于0.5微米的尘粒之数目(PPCF) 作为分级的，可分为三级，见表
　　　三者间之维护与安装费用相差极大，class 100 级多用在集成电路程(IC) 之晶圆制造上。至于精密线路板之干膜压膜及曝光区则10,000级已够。
　　 B. 无尘室品质之控制有三要件，防止外界尘埃之进入、避免内部产生、及清 除内部既有之尘量；需在环境系统上加装进气之过滤设备、工作人员穿戴 不易起尘之工作服、鞋、手套、头罩。室内装配则应采表面平滑的墙板、 无缝地板、气密式之照明及公共设施、进出口之 Air Shower，室内送风则 采水平层流(Laminar Flow) 及垂直层流方式以消除气流的死角, 避免尘埃的 聚积。
　　 C. 干膜区之照明为黄色光源以避免干膜于正式曝光前先感光，此种黄光波长 必须在500 n m(naro-meter为10 m，或5000A) ，比500nm短的光源中含 有紫外线而导致干膜之局部感光，市面上有金黄色日光灯管出售，在一般 日光灯外加装橘黄色灯罩也可使用。

8.4 高密度细线路技桁

　　电路板的密度以往主要受限于钻孔的尺寸，因此似乎线路密度成长的迫切性也就没有那么高。细线路由于钻孔技术的进步及MCM-L技术的需求，近来备受重视。而运用传统的Tenting & Etching技术，想作到小于1OOμm的线路走十分困难的。Additive process能降低甚至避免蚀刻的问题，只是必须使用特定的物料与流程，因此在电子封装领域较少被运用。
　　 A. Additive Process其铜线路是用电镀光阻定义出线路区，以电镀方式填入铜来 达形成线路。此类制程分为Semi Additive与Fully Additive两类，Semi Additive 利用压合薄铜于各类树脂上，再以电镀及蚀刻达到形成线路的目的。Fully Additive则是利用树脂表面粗化，其后涂布加强黏合层以改善无电铜与板面连 结强度，之后以无电解铜长出线路。典型的线形式Subtractive/Semi Additive/Fully Additive示意如下图：（图8.7）
　　 B. 无电解铜在Additive制程方面是极为重要的尤其是高品质高选择性的无电解 铜，是高密度高信赖度板使用该制程的必要条件。然而一般无电解铜析出速率约 为2~2.5μm/Hr其析镀时间相对可缩短为2~4分之一。
　　 C. 对无电解铜而言，抗镀光阻的剥离是最严苛的问题，由于光阻会操作在70℃的 碱性化学铜液中，接口间的应力及光阻膨松是被认为剥离的主要动力。化学铜反 应产生的氢气，原有的薄氧化铜表层因还原反应而失去键结力，都是剥离的可能 原因。
　　 D. 较有效的防止剥离方式可以考虑对表面施以不同的金属处理。底铜的化学电位相 对于氢为-600mV，氧化铜相对于氢的还原位为-355mV，由于还原电位高于电化反 应因此还原反应极易产生剥离。若要保持良好的键结力就必须找一个更低电位的 金属覆于其上以防止反应。Zn/Sn/Ni都是有机会的金属，以锌而言经实验证明 适当的覆盖厚度可得到承受浸泡化学铜40Hr仍不会剥离的结合效果，其经验厚 度约为0.5±0.1mg/cm2，金也是可选择加强结合力的金属。
　　 E. 传统的光阻是以溶剂型为主，但因环保问题而使业界对配方有所调整，加入亲水 性物质，光阻可使用水溶液显影。但一般水溶性光阻由于是碱性显影系统，用 化学铜抗电镀将因亲水分子过多而产生膨松问题。因此有新系统发展出来，亲水 分子调整至最佳状况后以低碱性盐及高挥发点溶剂组合成显影液，显影液之最大 成份仍为水，如此不会有燃烧的危险。而此光阻剂可承受约40小时化学铜浸泡 不致有问题，只是光阻难免有溶出物会影响镀液析出速度及镀出品质，因此其配 方是必须考虑以减少影响为目标。一般负型光阻其本身會吸收光源能量，因此改 善光阻透光性以獲得良好筆直的壁面，是光阻改善的方向。有部份光阻已可作到 光阻厚度76μm厚度以下,30μm线宽间距的分辨率。
　　 F. 电镀过程中如何防止杂质颗粒的产生，对细线路而言将是一大课题。对Semi additive制程而言，电镀若先使用高温镀铜(化学或电镀)，再以较冷的镀锡槽 镀保护层，由于光阻会因热胀冷缩而在铜线路与光阻顶端产生约1μm的空隙， 因此镀锡时线边缘也会大部份被锡镀上，因此可加强保护效果获得更好的线路。
　　 G. 薄膜技术也可用于细线制程，一薄层Cr-Cu底层金属以溅镀镀于底材上，以22 μm厚的光阻作业，以Semi additive制程化学铜浸约4Hr，去除光阻后由于底 层薄膜很薄，因此用Ion milling即可，不必作锡保护。
　　 H. Fully additive是另一种方式，其作业是以UV型干膜式增黏剂(Adhesive)压覆 于树脂面，UV聚合后钻孔粗化再以活化剂(触媒)覆于表面，其后以光阻定义出 备镀区，为使光阻能抗碱可用UV光将光阻固化，再以化铜填入备镀区，其后光 阻本身也保留成板面的一部份。触媒一般多用锡钯胶体，若附以适当厚度既可启 始化铜反应同时能保有一定绝缘电阻。

　　外层线路之影像转移至此结束,抽检通过的板子以Rack送至二铜区(线路电镀)进行下一制程