PCB制造流程及说明

spring797

2.1.2 环氧树脂 Epoxy Resin

　　是目前印刷线路板业用途最广的底材。在液态时称为清漆或称凡立水（Varnish) 或称为 A-stage， 玻璃布在浸胶半干成胶片后再经高温软化液化而呈现黏着性而用于双面基板制作或多层板之压合用称 B-stage prepreg ,经此压合再硬化而无法回复之最终状态称为 C-stage。

2.1.2.1传统环氧树脂的组成及其性质

　　用于基板之环氧树脂之单体一向都是Bisphenol A 及Epichlorohydrin 用 dicy 做为架桥剂所形成的聚合物。为了通过燃性试验(Flammability test), 将上述仍在液态的树脂再与Tetrabromo-Bisphenol A 反应而成为最熟知FR-4 传统环氧树脂。现将产品之主要成份列于后:

spring797

单体 --Bisphenol A, Epichlorohydrin
架桥剂(即硬化剂) -双氰 Dicyandiamide简称Dicy
速化剂 (Accelerator)--Benzyl-Dimethylamine ( BDMA ) 及 2- Methylimidazole ( 2-MI )
溶剂 --Ethylene glycol monomethy ether( EGMME ) Dimethy formamide (DMF) 及稀释剂 Acetone ,MEK。
填充剂(Additive) --碳酸钙、硅化物、 及氢氧化铝 或 化物等增加难燃效果。 填充剂可调整其Tg.

A. 单体及低分子量之树脂
　　 典型的传统树脂一般称为双功能的环气树脂 ( Difunctional Epoxy Resin),见图3.2. 为了达到使用安全的目的，特于树脂的分子结构中加入溴原子，使产生部份碳溴之结合而呈现难燃的效果。也就是说当出现燃烧的条件或环境时，它要不容易被点燃，万一已点燃在燃烧环境消失后，能自己熄灭而不再继续延烧。见图3.3.此种难燃材炓在 NEMA 规范中称为 FR-4。(不含溴的树脂在 NEMA 规范中称为 G-10) 此种含溴环氧树脂的优点很多如介电常数很低，与铜箔的附着力很强，与玻璃纤维结合后之挠性强度很不错等。

spring797

B. 架桥剂(硬化剂)
　　 环氧树脂的架桥剂一向都是Dicey,它是一种隐性的 (latent) 催化剂 , 在高温160℃之下才发挥其架桥作用，常温中很安定，故多层板 B-stage 的胶片才不致无法储存。 但 Dicey的缺点却也不少， 第一是吸水性 (Hygroscopicity)，第二个缺点是难溶性。溶不掉自然难以在液态树脂中发挥作用。早期的基板商并不了解下游电路板装配工业问题，那时的 dicey 磨的不是很细，其溶不掉的部份混在底材中，经长时间聚集的吸水后会发生针状的再结晶, 造成许多爆板的问题。当然现在的基板制造商都很清处它的严重性,因此已改善此点.

C. 速化剂
　　用以加速 epoxy 与 dicey 之间的架桥反应， 最常用的有两种即BDMA 及 2-MI。

D. Tg 玻璃态转化温度
　　 高分子聚合物因温度之逐渐上升导致其物理性质渐起变化，由常温时之无定形或部份结晶之坚硬及脆性如玻璃一般的物质而转成为一种黏滞度非常高,柔软如橡皮一般的另一种状态。传统 FR4 之 Tg 约在115-120℃之间，已被使用多年，但近年来由于电子产品各种性能要求愈来愈高,所以对材料的特性也要求日益严苛，如抗湿性、抗化性、抗溶剂性、抗热性 ,尺寸安定性等都要求改进,以适应更广泛的用途, 而这些性质都与树脂的 Tg 有关, Tg 提高之后上述各种性质也都自然变好。例如 Tg 提高后, a.其耐热性增强， 使基板在 X 及 Y 方向的膨胀减少，使得板子在受热后铜线路与基材之间附着力不致减弱太多，使线路有较好的附着力。 b.在 Z 方向的膨胀减小后，使得通孔之孔壁受热后不易被底材所拉断。c. Tg 增高后，其树脂中架桥之密度必定提高很多使其有更好的抗水性及防溶剂性，使板子受热后不易发生白点或织纹显露，而有更好的强度及介电性.至于尺寸的安定性,由于自动插装或表面装配之严格要求就更为重要了。因而近年来如何提高环氧树脂之 Tg 是基板材所追求的要务。

E. FR4 难燃性环氧树脂
　　 传统的环氧树脂遇到高温着火后若无外在因素予以扑灭时， 会不停的一直燃烧下去直到分子中的碳氢氧或氮燃烧完毕为止。若在其分子中以溴取代了氢的位置， 使可燃的碳氢键化合物一部份改换成不可燃的碳溴键化合物则可大大的降低其可燃性。此种加溴之树脂难燃性自然增强很多，但却降低了树脂与铜皮以及玻璃间的黏着力，而且万一着火后更会放出剧毒的溴气，会带来的不良后果。

spring797

3.1.2.2高性能环氧树脂(Multifunctional Epoxy)
　　 传统的 FR4 对今日高性能的线路板而言已经力不从心了， 故有各种不同的树脂与原有的环氧树脂混合以提升其基板之各种性质，

spring797

A. Novolac
　　 最早被引进的是酚醛树脂中的一种叫 Novolac 者 ,由 Novolac 与环氧氯丙烷所形成的酯类称为 Epoxy Novolacs，见图3.4之反应式. 将此种聚合物混入 FR4 之树脂， 可大大改善其抗水性、抗化性及尺寸安定性, Tg 也随之提高，缺点是酚醛树脂本身的硬度及脆性都很高而易钻头，加之抗化性能力增强,对于因钻孔而造成的胶渣 (Smear) 不易除去而造成多层板PTH制程之困扰。

　B. Tetrafunctional Epoxy
　　 另一种常被添加于 FR4 中的是所谓 " 四功能的环氧树脂 " (Tetrafunctional Epoxy Resin ).其与传统 " 双功能 " 环氧树脂不同之处是具立体空间架桥 ,见图3.5，Tg 较高能抗较差的热环境，且抗溶剂性、抗化性、抗湿性及尺寸安定性也好很多，而且不会发生像 Novolac那样的缺点。最早是美国一家叫 Polyclad 的基板厂所引进的。四功能比起 Novolac来还有一种优点就是有更好的均匀混合。为保持多层板除胶渣的方便起见，此种四功能的基板在钻孔后最好在烤箱中以 160 ℃烤 2-4 小时, 使孔壁露出的树脂产生氧化作用，氧化后的树脂较容易被蚀除，而且也增加树脂进一步的架桥聚合,对后来的制程也有帮助。因为脆性的关系, 钻孔要特别注意.

　　上述两种添加树脂都无法溴化,故加入一般FR4中会降低其难燃性.

spring797

3.1.2.3 聚亚醯胺树脂 Polyimide(PI)

A. 成份
　　 主要由Bismaleimide 及Methylene Dianiline 反应而成的聚合物,见图3.6.

B. 优点
　　 电路板对温度的适应会愈来愈重要，某些特殊高温用途的板子，已非环氧树脂所能胜任，传统式 FR4 的 Tg 约 120℃ 左右，即使高功能的 FR4 也只到达 180-190 ℃，比起聚亚醯胺的 260 ℃ 还有一大段距离.PI在高温下所表现的良好性质,如良好的挠性、铜箔抗撕强度、抗化性、介电性、尺寸安定性皆远优于 FR4。钻孔时不容易产生胶渣，对内层与孔壁之接通性自然比 FR4 好。 而且由于耐热性良好，其尺寸之变化甚少，以X 及 Y方向之变化而言，对细线路更为有利，不致因膨胀太大而降低了与铜皮之间的附着力。就 Z 方向而言可大大的减少孔壁铜层断裂的机会。

C. 缺点:
　　 a.不易进行溴化反应，不易达到 UL94 V-0 的难燃要求。
　　 b.此种树脂本身层与层之间，或与铜箔之间的黏着力较差，不如环氧树脂那么强，而且挠性也较差。
　　 c.常温时却表现不佳，有吸湿性 (Hygroscopic), 而黏着性、延性又都很差。
　　 d.其凡立水(Varnish,又称生胶水,液态树脂称之)中所使用的溶剂之沸点较高，不易赶完，容易产生高温下分层的现象。而且流动性不好,压合不易填 满死角 。
　　 e.目前价格仍然非常昂贵约为 FR4 的 2-3倍，故只有军用板或 Rigid- Flex 板才用的起。

　　在美军规范MIL-P-13949H中, 聚亚醯胺树脂基板代号为GI.

spring797

3.1.2.4 聚四氟乙烯 (PTFE)

　　全名为 Polyterafluoroethylene ,分子式见图3.7. 以之抽丝作PTFE纤维的商品名为 Teflon 铁弗龙 ,其最大的特点是阻抗很高 (Impedance) 对高频微波 (microwave) 通信用途上是无法取代的，美军规范赋与 "GT"、"GX"、及 "GY" 三种材料代字,皆为玻纤补强type，其商用基板是由3M 公司所制，目前这种材料尚无法大量投入生产，其原因有:
A. PTFE 树脂与玻璃纤维间的附着力问题； 此树脂很难渗入玻璃束中，因其抗化性特强，许多湿式制程中都无法使其反应及活化，在做镀通孔时所得之铜孔壁无法固着在底材上，很难通过 MILP-55110E 中 4.8.4.4 之固着强度试验。 由于玻璃束未能被树脂填满，很容易在做镀通孔时造成玻璃中渗铜 (Wicking) 的出现，影响板子的可信赖度。
B. 此四氟乙烯材料分子结构，非常强劲无法用一般机械或化学法加以攻击， 做蚀回时只有用电浆法.
C. Tg 很低只有 19 度 c, 故在常温时呈可挠性， 也使线路的附着力及尺寸安定性不好。

表为四种不同树脂制造的基板性质的比较.

3.1.2.5 BT/EPOXY树脂

　　BT树脂也是一种热固型树脂，是日本三菱瓦斯化成公司(Mitsubishi Gas Chemical Co.)在1980年研制成功。是由Bismaleimide及Trigzine Resin monomer二者反应聚合而成。其反应式见图3.8。BT树脂通常和环氧树脂混合而制成基板。

A. 优点
　　 a. Tg点高达180℃，耐热性非常好，BT作成之板材，铜箔的抗撕强度(peel Strength)，挠性强度亦非常理想钻孔后的胶渣(Smear)甚少
　　 b. 可进行难燃处理，以达到UL94V-0的要求
　　 c. 介质常数及散逸因子小，因此对于高频及高速传输的电路板非常有利。
　　 d. 耐化性，抗溶剂性良好
　　 e. 绝缘性佳

B. 应用
　　 a. COB设计的电路板 由于wire bonding过程的高温，会使板子表面变软而致打线失败。 BT/EPOXY高性能板材可克服此点。
　　 b. BGA ,PGA, MCM-Ls等半导体封装载板 半导体封装测试中，有两个很重要的常见问题，一是漏电现象，或称 CAF(Conductive Anodic Filament),一是爆米花现象(受湿气及高温冲 击)。这两点也是BT/EPOXY板材可以避免的。

spring797

3.1.2.6 Cyanate Ester Resin

　　1970年开始应用于PCB基材，目前Chiba Geigy有制作此类树脂。其反应式如图3.9。

A. 优点
　　 a. Tg可达250℃，使用于非常厚之多层板
　　 b. 极低的介电常数(2.5~3.1)可应用于高速产品。

B. 问题
　　 a. 硬化后脆度高.
　　 b. 对湿度敏感，甚至可能和水起反应.

3.1.2玻璃纤维
3.1.2.1前言

　　玻璃纤维(Fiberglass)在PCB基板中的功用，是作为补强材料。基板的补强材料尚有其它种，如纸质基板的纸材， Kelvar(Polyamide聚醯胺)纤维，以及石英(Quartz)纤维。本节仅讨论最大宗的玻璃纤维。
　　 玻璃(Glass)本身是一种混合物，其组成见表它是一些无机物经高温融熔合而成，再经抽丝冷却而成一种非结晶结构的坚硬物体。此物质的使用，已有数千年的历史。做成纤维状使用则可追溯至17世纪。真正大量做商用产品，则是由Owen-Illinois及Corning Glass Works两家公司其共同的研究努力后，组合成Owens-Corning Fiberglas Corporation于1939年正式生产制造。

spring797

3.1.2.2 玻璃纤维布

　　玻璃纤维的制成可分两种，一种是连续式(Continuous)的纤维另一种则是不连续式(discontinuous)的纤维前者即用于织成玻璃布(Fabric)，后者则做成片状之玻璃席(Mat)。FR4等基材，即是使用前者，CEM3基材，则采用后者玻璃席。

A. 玻璃纤维的特性
　　 原始融熔态玻璃的组成成份不同，会影响玻璃纤维的特性，不同组成所呈现的差异，表中有详细的区别，而且各有独特及不同应用之处。按组成的不同(见表)，玻璃的等级可分四种商品：A级为高碱性，C级为抗化性，E级为电子用途，S级为高强度。电路板中所用的就是E级玻璃，主要是其介电性质优于其它三种。

　　－玻璃纤维一些共同的特性如下所述：
　　　 a.高强度：和其它纺织用纤维比较，玻璃有极高强度。在某些应用上，其强度/重量比甚至超过铁丝。
　　　 b.抗热与火：玻璃纤维为无机物，因此不会燃烧
　　　 c.抗化性：可耐大部份的化学品，也不为霉菌，细菌的渗入及昆虫的功击。
　　　 d.防潮：玻璃并不吸水，即使在很潮湿的环境，依然保持它的机械强度。
　　　 e.热性质：玻纤有很低的熬线性膨胀系数，及高的热导系数，因此在高温环境下有极佳的表现。
　　　 f.电性：由于玻璃纤维的不导电性，是一个很好的绝缘物质的选择。

　　PCB基材所选择使用的E级玻璃，最主要的是其非常优秀的抗水性。因此在非常潮湿，恶劣的环境下，仍然保有非常好的电性及物性一如尺寸稳定度。

　　－玻纤布的制作：
　　　 玻璃纤维布的制作，是一系列专业且投资全额庞大的制程本章略而不谈．

spring797

3.2 铜箔(copper foil)

　　早期线路的设计粗粗宽宽的,厚度要求亦不挑剔,但演变至今日线宽3,4mil,甚至更细(现国内已有工厂开发1 mil线宽),电阻要求严苛.抗撕强度,表面Profile等也都详加规定.所以对铜箔发展的现况及驱势就必须进一步了解.

3.2.1传统铜箔

3.2.1.1辗轧法 (Rolled-or Wrought Method)

　　是将铜块经多次辗轧制作而成，其所辗出之宽度受到技术限制很难达到标准尺寸基板的要求 (3 呎*4呎) ,而且很容易在辗制过程中造成报废，因表面粗糙度不够,所以与树脂之结合能力比较不好，而且制造过程中所受应力需要做热处理之回火轫化(Heat treatment or Annealing),故其成本较高。