PCB基板常识

十六 电测
16.1 前言
　　在PCB的制造过程中，有三个阶段，必须做测试
　　 1.内层蚀刻后
　　 2.外层线路蚀刻后
　　 3.成品
　　随着线路密度及层次的演进，从简单的测试治具，到今日的泛用治具测试 及导电材料辅助测试，为的就是及早发现线路功能缺陷的板子，除了可 rework，并可分析探讨，做为制程管理改善，而最终就是提高良率降低成本。
16.2 为何要测试
　　并非所有制程中的板子都是好的，若未将不良板区分出来，任其流入下 制程，则势必增加许多不必要的成本. 纵观PCB制造史，可以发现良率一 直在提高。制程控制的改善, 报废的降低，以及改善品质的ISSURE持续 进行着，因此才会逐次的提高良率。
　A. 在电子产品的生产过程中，对于因失败而造成成本的损失估计，各阶段都不同。愈早发现挽救的成本愈低。图16.1是一普遍被接受的预估因PCB在 不同阶段被发现不良时的补救成本，称之为"The Rule of 10'S" 举一简单的例子，空板制作完成，因断路在测试时因故未测出，则板 子出货至客户组装，所有零件都已装上，也过炉钖及IR重熔，却在测试时 发现。一般客户会让空板制造公司赔偿零件损坏费用、重工费、检验费。 但若于空板测试就发现，则做个补线即可，或顶多报废板子。设若更不幸 装配后的测试未发现，而让整部计算机，话机、汽车都组装成品再做测试才 发现，损失更惨重，有可能连客户都会失去。
　B. 客户要求 百分之百的电性测试，几乎己是所有客户都会要求的进货规格。但是PCB 制造商与客户必须就测试条件与测试方法达成一致的规格. 下列是几个两 方面须清楚写下的
　　1.测试数据来源与格式
　　2.测试条件如电压、电流、绝缘及连通性
　　3.治具制作方式与选点
　　4.测试章
　　5.修补规格
　C. 制程监控 在PCB的制造过程中，通常会有2~3次的100%测试, 再将不良板做重工， 因此，测试站是一个最佳的分析制程问题点的资料搜集的地方。经由统计 断，短路及其它绝缘问题的百分比，重工后再分析发生的原因, 整理这些 数据，再利用品管手法来找出问题的根源而据以解决。通常由这些数据的 分析，可以归纳下面几个种类，而有不同的解决方式。
　 1. 可归纳成某特定制程的问题，譬如连底材料都凹陷的断路，可能是压板 环境不洁(含钢板上残胶)造成；局部小面积范围的细线或断路比例高， 则有可能是干膜曝光抬面吸真空局部不良的问题。诸如此类，由品管或 制程工程师做经验上的判断，就可解决某些制程操作上的问题。
　 2. 可归成某些特别料号的问题，这些问题往往是因客户的规格和厂内制程 能力上的某些冲突，或者是数据上的某些不合理的地方，因而会特别 突出这个料号制造上的不良。通常这些问题的呈现，须经历一段的时 间及一些数量以上，经由测试显现出它的问题，再针对此独立料号加 以改进，甚至更改不同的制程。
　 3. 不特定属于作业疏忽或制程能力造成的不良，这些问题就比较困难去做 归纳分析。而必须从成本和获利间差异来考量因为有可能须添购设备 或另做工治具来改善。
　D. 质量管理 测试数据的分析，可做品管系统设计的参数或改变的依据, 以不断的提升 品质, 提高制程能力, 降低成本.
16.3测试不良种类
　A. 短路
　　 定义：原设计上，两条不通的导体，发生不应该的通电情形。
　　 见图16.2
　B. 断路
　　 定义：原设计，同一回路的任何二点应该通电的，却发生了断电的情形。
　　 见图16.3 (a,b)
　C. 漏电(Leakage) 不同回路的导体，在一高抗的通路测试下，发生某种程度的连通情形，属于短路的一种。其发生原因，可能为离子污染及湿气。
16.4电测种类与设备及其选择
　　电测方式常见有三种：1.专用型(dedicated) 2.泛用型(universal) 3.飞针型 (moving probe), 下面会逐一介绍。决定何种型式，要考虑下列因素：1.待 测数量2.不同料号数量3.版别变更类频繁度4.技术难易度 5.成本考量。 图16.4是数量的多寡，测试种类及成本的关系 图16.5则是制程技术须求与测试方式种类的关系。 另外有一些特殊测试方式, 也会简述一二.
　A. 专用型(dedicated)测试 专用型的测试方式之所以取为专用型，是因其所使用的治具 (Fixture) 仅适 用一种料号，不同料号的板子就不能测试，而且也不能回收使用. (测试针 除外)
　　 a. 适用
　　　 1.测试点数，单面10,240点，双面各8,192点以内都可以测
　　　 2测试密度，0.020" pitch以上都可测,虽然探针的制作愈来愈细, 0.020" pitch以下也可测,但一成本极高,且测试稳定度较差,这些都会影响使用何种测试方式的决定.
　 　b. 设备 其价位是最便宜的一种，随测试点数的多寡价格有所不同，从台币40到200 万不到。若再须求自动上、下板及分类良品，不良品的功能， 则价格更高。
　　 c. 治具制作 治具制作使用的数据，是由CAD或Gerber的netlist所产生，所以选点、 编号、压克力测试针盘用的钻孔带(含SMT各焊垫自动打带)以及测试程序 等都由计算机来加以处理。
　　　 1 制作程序: 选点→压克力(电木板)钻孔→压针套→绕线→插针→套FR4板。
　　　 2 针的种类及选择 现有针号2,1,0,00,….一直到6个0都有,pitch愈小须愈多0的针. 图16.6是各类型探针及适用方式.
　　 d. 测试
　　　 找出标准板→记忆数据→开始测试
　　e. 找点、修补
　　　找点方式有两种
　　　 1是手制点位图，用透明Mylar做出和板大小一样的测试各点位置及编 号，并按顺序以线连接。
　　　 2利用标点机及工作站，在屏幕上，显示问题之线，即可立即对照板而 找正确的位置 标示出正确位置后即进行确认修补，而后再进行重测，确认的过程中， 通常会以三用电表做工具来判断。
　　 f. 优,缺点　优点:
　　　　　　　　　1Running cost低
　　　　　　　　　2.产速快
　　　　　　　 缺点:
　　　　　　　　　1治具贵
　　　　　　　　　2.set up慢
　　　　　　　　　3.技术受限
　B. 泛用型(Universal on Grid)测试
　　 a. Universal Grid观念早于1970年代就被介绍,其基本理论是PCB线路Lay-out以Grid(格子)来设计, Grid之间距为0.100",见图16.7或者以密度观点来看,是100points/in2,尔后沿用此一观念,线路密度,就以Grid的距离称之. 板子电测方式就是取一G10的基材做Mask,钻满on grid的孔,只有在板子须测试的点才插针,其余不插.因此其治具的制作简易快速,其针且可重复使用
　　 b. On-grid test 若板子之lay-out,其孔或pad皆on-grid,不管是0.100",或0.050"其测试就叫on-grid测试,问题不大.见图16.8
　　 c. Off-grid test 现有高密度板其间距太密,已不是on-grid设计,属Off-grid测试,见图16.9 其fixture就要特殊设计.
　　 d. 先进的测试确认与修补都由技术人员在CAM Workstation上执行.由key- board或mouse来移动x,y坐标,多层板各层次之线路以不同颜色重迭显示 在屏幕上,因此找点确认非常简易.
　　 e. 优,缺点 　优点:
　　　　　　　　　1.治具成本较低
　　　　　　　　　2.set-up时间短,样品,小量产适合.
　　　　　　　　　3.可测较高密度板
　　　　　　 　 缺点:
　　　　　　　　　1设备成本高
　　　　　　　　　2.较不适合大量产
　C. 飞针测试(Moving probe)
　　 a. 不须制作昂贵的治具,其理论很简单仅须两根探针做x,y,z的移动来逐一测试各线路的两端点
　　 b.有ccd配置,可矫正板弯翘的接触不良.
　　 c.测速约10~40点/秒不等.
　　 d.优,缺点
　　　优点:1极高密度板如MCM的测试皆无问题
　　　　　 2.不须治具,所以最适合样品及小量产.
　　　缺点:1设备昂贵
　　　　　 2.产速极慢
　D. 其它测试方式
　　a. 非接触式E-Bean
　　b.导电布,胶
　　c.电容式测试
　　d.最近发表的刷测(ATG-SCAN MAN)

十七、终检
17.1 前言
　　PCB制作至此，将进行最后的品质检验，检验内容可分以下几个项目：
　　 A. 电性测试
　　 B. 尺寸
　　 C. 外观
　　 D. 信赖性
　　A项之电测，己在十六章介绍，本章将针对后三项LIST一般检验的项目，另外也列出国际间惯用的相关PCB制造的规范，供大家参考。
17.2.1尺寸的检查项目(Dimension)
1.外形尺寸 Outline Dimension
2.各尺寸与板边 Hole to Edge 
3.板厚 Board Thickness
4.孔径 Holes Diameter 
5.线宽 Line width/space 
6.孔环大小 Annular Ring 
7.板弯翘 Bow and Twist 
8.各镀层厚度 Plating Thickness 
17.1.2外观检查项目(Surface Inspection)
一、基材(Base Material)
1.白点 Measling
2.白斑 Crazing
3.局部分层或起泡 Blistering
4.分层 Delamination 
5.织纹显露 Weave Exposure
6.玻璃维纤突出 Fiber Exposure
7.白边 Haloing 
二、表面
1.导体针孔 Pin hole
2.孔破 Void 
3.孔塞 Hole Plug
4.露铜 Copper Exposure
5.异物 Foreign particle
6.S/M 沾PAD S/M on Pad
7.多孔/少孔 Extra/Missing Hole
8.金手指缺点 Gold Finger Defect 
9.线边粗糙 Roughness
10.S/M刮伤 S/M Scratch 
11.S/M剥离 S/M Peeling 
12.文字缺点 Legend(Markings) 
17.2.3信赖性(Reliability)
1.焊锡性 Solderability 
2.线路抗撕强度 Peel strength 
3.切片 Micro Section 
4.S/M附着力 S/M Adhesion 
5.Gold附着力 Gold Adhesion 
6.热冲击 Thermal Shock
7.离子污染度 Ionic Contamination
8.湿气与绝缘 Moisture and Insulation Resistance 
9.阻抗 Impedance
　　上述项目仅列举重点，仍须视客户的规格要求以及厂内之管制项目来逐项进行全检或抽检。白蓉生先生99年微切片手册有非常精彩的内容，值得大家去参阅。
17.3相关规范
A. IPC规范
编号 内容
IPC-A-600 PCB之允收规格
IPC-6012 硬皮资格认可与性能检验
IPC-4101 硬板基材规范
IPC-D-275 硬板设计准则
IPC-MF-150 铜箔相关规格
I-STD-003A PCB焊性测试
IPC/JPCA-6202 单、双面FPCB性能规范 
IPC-TM-650 各种测试方法
IPC-SM-840 S/M相关规范
IPC-2315 HDI及Microvias设计准则 
B. Military规范
编号 内容
MIL-P-55110 硬板规范
MIL-P-50884 软板及软硬板规范
MIL-P-13949 基材规范
MIL-STD-105 抽样检查规范 
C. 其它
　　UL 796 PCB安规
结语：
　　品检往往是PCB厂最耗人力的制程，虽然它是属品管一部份，所以若能从制前设计就多考量制程的能力，而予以修正各种条件，可将良率提升，则此站的人力成本可降低。因为现有检验设备仍有无法取代人工之处。
　　 未来，本公司将会针对品检方面提供一图、文、问题与解决内容的互动训练光盘,供业界使用.

十八 包装(Packaging)
18.1 制程目地
　　"包装"此道步骤在PCB厂中受重视程度，通常都不及制程中的各STEP，主要原因，一方面当然是因为它没有产生附加价值，二方面是台湾制造业长久以来，不注重产品的包装所可带来的无法评量的效益，这方面日本做得最好。细心观察日本一些家用电子，日用品，甚至食品等，同样的功能，都会让人宁愿多花些钱买日本货，这和崇洋媚日无关，而是消费者心态的掌握。所以特别将包装独立出来探讨，以让PCB业者知道小小的改善，可能会有大大的成效出现。再如Flexible PCB通常都是小小一片，且数量极多，日本公司包装方式，可能为了某个产品之形状而特别开模做包装容器，（见图18.1），使用方便又有保护之用。
18.2早期包装的探讨
　　早期的包装方式，见表过时的出货包装方式，详列其缺失。目前仍然有一些小厂是依这些方法来包装。
　　今日，国内PCB产能扩充极速，且大部份是外销，因此在竞争上非常激烈，不仅国内各厂间的竞争，更要和前两大的美、日PCB厂竞争，除了产品本身的技术层次和品质受客户肯定外，包装的品质更须要做到客户满意才可。
　　 几乎有点规模的电子厂，现在都会要求PCB制造厂出货的包装，必须注意下列事项，有些甚至直接给予出货包装的规范。
　　　　 1.必须真空包装
　　　　 2.每迭之板数依尺寸太小有限定
　　　　 3.每迭PE胶膜被覆紧密度的规格以及留边宽度的规定
　　　　 4.PE胶膜与气泡布(Air Bubble Sheet)的规格要求
　　　　 5.纸箱磅数规格以及其它
　　　　 6.纸箱内侧置板子前有否特别规定放缓冲物
　　　　 7.封箱后耐率规格
　　　　 8.每箱重量限定
　　 目前国内的真空密着包装(Vacuum Skin Packaging)大同小异，主要的不同点仅是有效工作面积以及自动化程度。
18.2真空密着包着(Vacuum Skin Packaging)见
18.2.1操作程序
　　A. 准备：将PE胶膜就定位，手动操作各机械动作是否正常，设定PE膜加热温度，吸真空时间等。
　　B. 堆栈板：当迭板片数固定后，其高度也固定，此时须考虑如何堆放，可使产出最大，也最省材料，以下是几个原则：
　　　 a.每迭板子间距，视PE膜之规格(厚度)、(标准为0.2m/m)，利用其加温变软拉长的原理，在吸真空的同时，被覆板子后和气泡布黏贴。其间距一般至少要每迭总板厚的两倍。太大则浪费材料；太小则切割较困难且极易于黏贴处脱落或者根本无法黏贴。
　　　 b.最外侧之板与边缘之距亦至少须一倍的板厚距离。见图18.3的示意图。
　　　 c.若是PANEL尺寸不大，按上述包装方式，将浪费材料与人力。若数量极大，亦可类似软板的包装方式开模做容器，再做PE膜收缩包装。另有一个方式，但须征求客户同意，在每迭板子间不留空隙，但以硬纸板隔开，取恰当的迭数(见图18.4)。底下亦有硬纸皮或瓦楞纸承接。
　　C. 启动：A.按启动，加温后的PE膜，由压框带领下降而罩住台面B.再由底部真空pump吸气而紧贴电路板，并和气泡布黏贴。C.待加热器移开使之冷却后升起外框D.切断PE膜后，拉开底盘，即可每迭切割分开(见图18.5之连续图示)
　　D. 装箱：装箱的方式，若客户指定，则必须依客户装箱规范；若客户未指定，亦须以保护板子运送过程不为外力损伤的原则订立厂内的装箱规范，注意事项，前面曾提及尤其是出口的产品的装箱更是须特别重视。
　　E. 其它注意事项：
　　　 a. 箱外必须书写的信息，如"口麦头"、料号(P/N)、版别、周期、数量、重要等信息。以及Made in Taiwan(若是出口)字样。
　　　 b. 检附相关之品质证明，如切片，焊性报告、测试记录，以及各种客户要求的一些赖测试报告，依客户指定的方式，放置其中。 包装不是门大学问,用心去做,当可省去很多不该发生的麻烦.

十九 盲／埋孔
　　谈到盲／埋孔，首先从传统多层板说起。标准的多层板的结构，是含内层线路及外层线路，再利用钻孔，以及孔内金属化的制程，来达到各层线路之内部连结功能。但是因为线路密度的增加，零件的封装方式不断的更新。为了让有限的PCB面积，能放置更多更高性能的零件，除线路宽度愈细外，孔径亦从DIP插孔孔径1 mm缩小为SMD的0.6 mm，更进一步缩小为0.4mm以下。 但是仍会占用表面积，因而又有埋孔及盲孔的出现，其定义如下：
　　 A. 埋孔（Buried Via）
　　　 见图示20.1，内层间的通孔，压合后，无法看到所以不必占用外层之面积
　　 B. 盲孔（Blind Via）
　　　 见图示20.1，应用于表面层和一个或多个内层的连通
20.1埋孔设计与制作
　　埋孔的制作流程较传统多层板复杂，成本亦较高，图20.2显示传统内层与有埋孔之内层制作上的差异，图20.3则解释八层埋孔板的压合迭板结构. 图20.4则是埋孔暨一般通孔和PAD大小的一般规格
20.2盲孔设计与制作
　　密度极高，双面ＳＭＤ设计的板子，会有外层上下，Ｉ／Ｏ导孔间的彼此干扰，尤其是有ＶＩＰ（Via-in-pad）设计时更是一个麻烦。盲孔可以解决这个问题。另外无线电通讯的盛行, 线路之设计必达到RF(Radio frequency)的范围, 超过1GHz以上. 盲孔设计可以达到此需求，图20.5是盲孔一般规格。
　　盲孔板的制作流程有三个不同的方法，如下所述
　　Ａ．机械式定深钻孔 　　
　　　　传统多层板之制程，至压合后，利用钻孔机设定Ｚ轴深度的钻孔，但此法有几个问题 　
　　　　 ａ．每次仅能一片钻产出非常低 　
　　　　 ｂ．钻孔机台面水平度要求严格，每个spindle的钻深设定要一致否则很难控制每个孔的深度 　
　　　　 ｃ．孔内电镀困难，尤其深度若大于孔径，那几乎不可能做好孔内电镀。 　　　
　　　　 上述几个制程的限制，己使此法渐不被使用。
　　Ｂ．逐次压合法（Sequential lamination） 　　
　　　　以八层板为例（见图20.6），逐次压合法可同时制作盲埋孔。首先将四片内层板以一般双面皮的方式线路及PTH做出（也可有其它组合；六层板+双面板、上下两双面板＋内四层板）再将四片一并压合成四层板后，再进行全通孔的制作。此法流程长，成本更比其它做法要高，因此并不普遍。
　　Ｃ．增层法（Build up Process）之非机钻方式 　　
　　　　目前此法最受全球业界之青睐，而且国内亦不遑多让，多家大厂都有制造经验。
　　　　此法延用上述之Sequential lamination的观念，一层一层往板外增加，并以非机钻式之盲孔做为增层间的互连。其法主要有三种，简述如下：
　　　　 a.Photo Defind 感光成孔式 利用感光阻剂，同时也是永久介质层，然后针对特定的位置，以底片做 曝光，显影的动作，使露出底部铜垫，而成碗状盲孔，再以化学铜及镀 铜全面加成。经蚀刻后，即得外层线路与Blind Via，或不用镀铜方式， 改以铜膏或银膏填入而完成导电。依同样的原理，可一层一层的加上去。
　　　　 b.Laser Ablation 雷射烧孔 雷射烧孔又可分为三；一为ＣＯ2雷射。一为Excimer雷射，另一则为 Nd:YAG雷射此三种雷射烧孔方法的一些比较项目，见表20.1
　　　　 c.干式电浆蚀孔（Plasma Etching） 这是Dyconex公司的专利，商业名称为DYCOSTRATE法，其比较亦见 表20.1
　　上述三种较常使用增层法中之非机钻孔式除表20.1的比较外，图20.7以图示，三种盲孔制程应可一目了然。湿式化学蚀孔（Chemical Etching）则不在此做介绍。图20.8以之立体图示各种成孔方式，可供参考。
　　解说了盲／埋孔的定义与制程，图20.9则以立体图示解释，传统多层板应用埋／盲孔设计后，明显减少面积的情形。
　　埋／盲孔的应用势必愈来愈普遍, 而其投资金额非常庞大 ,一定规模的中大厂要以大量产, 高良率为目标, 较小规模的厂则应量力而为, 寻求利基(Niche)市场.以图永续经营.