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Multilayer PCB
Image Transfer
Technology I
高啟清博士
V2.1
2007/4/10
Charles Kao, Ph.D
Tel: 02-2601-0700
Mobile: 0939-268-725
[email protected]
課程綱要
•
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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
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多層板製程
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
絕緣介質層
Dielectric
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通孔Through Hole
增層法多層板
傳統多層板
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結構術語及尺寸單位
• 導通孔Via Hole
• 線路
– 目的: 連接各層電路
– 孔徑
– Power/Ground層
– 信號層 Signal layer
• Ex. 機鑽通孔 0.35 mm
• Ex. 雷射盲孔 6 mil
• 線路 Conductor
• 焊墊 Pad
– 孔環 Annular Ring
– 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
• Ex. 單邊 + 5 mil
– 縱橫比 Aspect Ratio
• 板厚/孔徑
• 鑽孔, 電鍍能力
– 孔間(100 mil)過几條導線
– 孔間距
• 100 mil = 2.54 mm
• 50 mil = 1.27 mm
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• 8/8 → 過 2 條
• 6/6 → 過 3 條
• 5/5 → 過 4 條
外形術語及尺寸單位
• 多層板 Multi-layer
• 尺寸單位
– 層數 layer count: Cu層數
– 內層 inner layer
• Ex. L2/L3, L4/L5
• 1 inch = 1000 mil
= 25.4 mm
– 英絲 mil
– 外層 outer layer
• 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
• 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
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– 英吋 inch
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疊板結構
• 例：4L 疊板
• 例：6L 疊板
–
–
–
–
–
–
–
–
L1 - 1 oz: 1.4 mil
1080: 2.5 mil
7628: 7.0 mil
L2/L31.0mm, 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
–
–
–
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
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多層板製程示意
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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
銅箔基板
前處理
黑/棕氧化
前處理
前處理
文字印刷
成型
裁板
乾膜貼合
疊板壓合
乾膜貼合
塞孔印刷
文字烘烤
V-Cut
磨邊導角
內層曝光
鑽孔
外層曝光
防焊塗佈
鍍鎳金
斜邊
內層顯像
去毛邊
外層顯像
防焊預烤
噴錫
成品清洗
內層蝕刻
除膠渣
鍍二次銅
防焊曝光
電測
內層剝膜
化學鍍銅
鍍錫鉛
綠漆顯像
成品檢查
內層AOI
鍍一次銅
外層剝膜
防焊後烤
真空包裝
外層蝕刻
典型多層板製程
剝錫鉛
Multi-Layer Process
外層AOI
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曝光製程
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印刷電路板影像移轉製程
• 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
–
–
–
–
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內層 Inner Layer Primary Image
外層 Outer Layer Primary Image
防焊 Solder Mask
選擇性鍍金 Secondary Image Transfer
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曝光製程 - 內層
• 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
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曝光製程 - 外層
• 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
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外層正片 / 負片流程
• 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
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內層與外層製作比較
內層流程
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外層負片電鍍流程
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外層正片Tenting流程
曝光製程 - 防焊
• 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
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光阻曝光原理
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曝光原理及製程
• 光阻聚合
365nm
• 製程
G-line: 436 nm
H-line: 405 nm
I-line: 365 nm
– 光阻(乾膜/濕膜)→曝光聚合(UV)→顯像(碳酸鈉)
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光阻反應機構
• 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
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光阻感光聚合過程
紫外線照射
UV Radiation
光啟始劑裂解
Photoinitiator
自由基轉移
Transfer Free Radical
出現自由基
Free Radical R’
形成聚合體
顯像
Polymer
Developing
Na2CO3
聚合/交聯
Polymerization / Cross Linking
單體吸收自由基
Monomer + R’
•
•
•
•
PI + h  PI*
ITX + h  ITX*
ITX* + PI  ITX + PI*
Monomer & Oligomer + PI*  Polymer + PI
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曝光對乾膜結構的變化
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線路曝光作業的考量因素
• 反應特性
• 作業要求
– 聚合反應速率與配方、
– 提高光阻與銅面附著力
塗佈厚度、UV照度及
– 曝光顯像後光阻側壁垂直且
UV光源發射光譜分佈
殘足短
等有關。
• 達到最佳光阻解析能力
– 聚合反應中能量的累積
– 曝光能量↓ 時，解析度↑
是持續性的，反應開始
– 曝光能量↑時，聚合效果及抗
後如因故UV照射受干
化性↑
擾而中斷時，將導致反
應不完全。
– 達到光阻最佳工作區間
→準確的能量控制
– 聚合反應中應儘量隔絕
氧氣的接觸，因氧的活
– Off Contact↑時，解析度↓ →
性大，會抑制其它自由
提高底片與板面真空密貼程
基的聯結，降低聚合反
度
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能量對光阻聚合影響
起始階段
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部分聚合階段
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完全聚合階段
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曝光能量與最佳解析度關係
• 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
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曝光方式與吸真空
• 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
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乾膜光阻
• 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
•
•
•
•
•
•
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杜邦大東 DuPont/Riston
長興 Eternal/Etertec
長春 LongLite
Hitachi/PhoTec
Asahi
Shipley/Morton
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光阻作用方式-負型與正型
• 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
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油墨光阻劑
• 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…
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曝光光源系統
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曝光光源種類
• 散射光 Flood
– 毛細燈 Capilary
– 長弧燈 Long Arc
• 平行光 Collimated
• 點光源
Point Source
– 短燈管 UV
• 無電極點光源
– Microwave 激發 UV 燈
– 短弧燈 Short Arc
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各種 UV 曝光燈管
Long Arc: 水銀燈/金屬鹵化物燈
防焊曝光用/ 7, 8, 9, 10 Kw
Short Arc:汞氙短弧燈
平行光曝光用/ 3.5, 5, 8 Kw
Capillary: 毛細燈
線路曝光用/ 3, 5 Kw
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各種UV燈管光譜分佈比較
水銀燈
光阻聚合365nm
金屬鹵化物燈
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汞氙燈
毛細燈
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水銀的特性光譜線
h-line:405nm
Ionization
10
63D
Energy (eV)
577~
9
297
365 313
61P
546
436
405
1
2
5
63P
185
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i-line:365nm
73S
1
0
254
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g-line:436nm
散光型反射燈罩
焦點散漫, UV 均勻分佈, 強度較弱
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散射光對曝光影響
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不同光源對光阻曝光影響
• 平行光
– CHA; 1.5~2.5
– DA: 1~2
• 點光源
– DA: 5~12
• 散射光
– DA: 10~25
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如何產生平行光
• 平行光產生方式
• 汞氙短弧燈
– 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
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平行光曝光系統
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)
• 平行光源: 5KW汞氙短弧燈
• 平行半角(CHA): 1.5
• 斜射角(DA) < 1
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Integrator (Flyeye) 積光器作用
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平行半角與斜射角
• 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
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平行半角與斜射角量測
• 平行半角與斜射角測量
– 量測規目測
– 熱感紙測量
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UV光
曝光量測
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UV曝光測量單位
• 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
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常用UV曝光量表
• IL 1400
• EIT UVIRad
– UVA 單一波段
– 測量強度
– 測量能量
• ORC 351
– UVA 波段
– 測量能量
• EIT UV Power Puck
– UVA 單一波段
– 測量強度
– 測量能量
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– UVA/B/C/V 四波段
– 測量強度
– 測量能量
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曝光格數片 Step Tablets
• 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
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光密度Optical Density
• 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
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UV量表與格數片比較
• UV能量/強度量表
–
–
–
–
–
• 曝光格數片
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
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–
–
–
–
–
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
曝光均勻度
•
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
1. Max  Min
 10%
Max  Min
2. Max  80%
Min
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,改善→ 8% → 5%
,改善→90% → 95%
50/50
本單元結束