PCB制造工艺说课材料.doc
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1、PCB 制造流程及说明一 . PCB演变1.1 PCB扮演的角色PCB 的功能为提供完成第一层级构装的组件与其它必须的电子电路零件接 合的基地,以组成一个具 特定功能的模块或成品。所以 PCB 在整个电子产 品中,扮演了整合连结总其成所有功能的角色,也因此 时常电子产品功能故 障时,最先被质疑往往就是 PCB 。图 1.1是电子构装层级区分示意。1.2 PCB的演变1. 早于 1903年 Mr. Albert Hanson首创利用 线路 (Circuit 观念应用于电话交换机系统。它是用 金属箔予以切割成线路导体, 将之黏着于石蜡纸上, 上面同样贴上一层石蜡纸, 成了现今 PCB 的机构雏型。
2、 见图 1.22. 至 1936年, Dr Paul Eisner真正发明了 PCB 的制作技术, 也发表多项专利。 而今日之 print-etch (photo image transfer的技术,就是沿袭其发明而来的。1.3 PCB种类及制法在材料、层次、制程上的多样化以适 合 不同的电子产品及其特殊需求。 以下就归纳一些通用的区别 办法,来简单介绍 PCB 的分类以及它的制造方 法。1.3.1 PCB种类A. 以材质分a. 有机材质酚醛树脂、玻璃纤维 /环氧树脂、 Polyamide 、 BT/Epoxy等皆属之。b. 无机材质铝、 Copper Inver-copper、 cerami
3、c 等皆属之。主要取其散热功能B. 以成品软硬区分a. 硬板 Rigid PCBb. 软板 Flexible PCB 见图 1.3c. 软硬板 Rigid-Flex PCB 见图 1.4C. 以结构分a. 单面板 见图 1.5b. 双面板 见图 1.6c. 多层板 见图 1.7D. 依用途分:通信 /耗用性电子 /军用 /计算机 /半导体 /电测板 , 见图 1.8 BGA.另有一种射出成型的立体 PCB ,因使用少,不在此介绍。1.3.2制造方法介绍A. 减除法,其流程见图 1.9B. 加成法,又可分半加成与全加成法,见图 1.10 1.11C. 尚有其它因应 IC 封装的变革延伸而出的一些
4、先进制程,本光盘仅提及但不详加介绍,因有许多尚 属机密也不易取得,或者成熟度尚不够。 本光盘以传统负片多层板的制程为主轴,深入浅出的介绍各个制 程,再辅以先进技术的观念来探讨未来的 PCB 走势。二 . 制前准备2.1. 前言台湾 PCB 产业属性,几乎是以OEM,也就是受客户委托制作空板(Bare Board而已,不像美国, 很多 PCB Shop是包括了线路设计,空板制作以及装配 (Assembly的 Turn-Key 业务。以前,只要客户 提供的原始数据如 Drawing, Artwork, Specification,再以手动翻片、排版、打带等作业,即可进行制 作,但近年由于电子产品日
5、趋轻薄短小, PCB 的制造面临了几个挑战 :(1薄板(2高密度(3高性能 (4高速 ( 5 产品周期缩短(6降低成本等。以往以灯桌、笔刀、贴图及照相机做为制前工具,现在 己被计算机、工作软件及激光绘图机所取代。过去,以手工排版,或者还需要 Micro-Modifier 来修正尺寸 等费时耗工的作业, 今天只要在 CAM(Computer Aided Manufacturing工作人员取得客户的设计资料, 可能几小时内, 就可以依设计规则或 DFM(Design For Manufacturing自动排版并变化不同的生产条件。 同时可以 output 如钻孔、成型、测试治具等资料。2.2. 相
6、关名词的定义与解说A Gerber file这是一个从 PCB CAD 软件输出的数据文件做为光绘图语言。 1960年代一家名叫 Gerber Scientific (现在叫 Gerber System 专业做绘图机的美国公司所发展出的格式,尔后二十年,行销于世界四十多 个国家。 几乎所有 CAD 系统的发展, 也都依此格式作其 Output Data, 直接输入绘图机就可绘出 Drawing 或 Film ,因此 Gerber Format成了电子业界的公认标准。B. RS-274D是 Gerber Format 的正式名称,正确称呼是 EIA STANDARD RS-274D(Electr
7、onic Industries Association 主要两大组成:1.Function Code:如 G codes, D codes, M codes 等。 2.Coordinate data :定义图像(imaging C. RS-274X是 RS-274D 的延伸版本,除 RS-274D 之 Code 以外,包括 RS-274X Parameters ,或称整个 extended Gerber format它以两个字母为组合,定义了绘图过程的一些特性。D. IPC-350IPC-350是 IPC 发展出来的一套 neutral format, 可以很容易由 PCB CAD/CAM产生
8、 , 然后依此系 统 ,PCB SHOP 再产生 NC Drill Program,Netlist,并可直接输入 Laser Plotter绘制底片 .E. Laser Plotter见图 2.1, 输入 Gerber format或 IPC 350 format以绘制 ArtworkF . Aperture List and D-Codes见表 2.1 及图 2.2, 举一简单实例来说明两者关系 , Aperture的定义亦见图 2.12.3. 制前设计流程:2.3.1客户必须提供的数据:电子厂或装配工厂,委托 PCB SHOP生产空板(Bare Board时,必须提供下列数据以供制作。见
9、表料号数据表 -供制前设计使用 .上表数据是必备项目,有时客户会提供一片样品 , 一份零件图,一份保证书(保证制程中使用之原物料、 耗料等不含某些有毒物质等。这些额外数据,厂商须自行判断其重要性,以免误了商机。2.3.2 .资料审查面对这么多的数据,制前设计工程师接下来所要进行的工作程序与重点,如下所述。A. 审查客户的产品规格,是否厂内制程能力可及,审查项目见承接料号制程能力检查表 .B. 原物料需求(BOM-Bill of Material根据上述资料审查分析后,由 BOM 的展开,来决定原物料的厂牌、种类及规格。主要的原物料包括 了:基板(Laminate 、胶片(Prepreg 、铜箔
10、(Copper foil 、防焊油墨(Solder Mask 、文字油墨 (Legend 等。另外客户对于 Finish 的规定 , 将影响流程的选择 , 当然会有不同的物料需求与规格,例如:软、硬金、喷钖、 OSP 等。表归纳客户规范中,可能影响原物料选择的因素。C. 上述 乃属 新数据 的审 查 , 审查 完毕 进行样 品的 制作 . 若 是旧 资料 , 则 须 Check 有无户 ECO (Engineering Change Order .再进行审查 .D. 排版排版的尺寸选择将影响该料号的获利率。因为基板是主要原料成本(排版最佳化,可减少板材浪费 ; 而适当排版可提高生产力并降低不良
11、率。有些工厂认为固定某些工作尺寸可以符合最大生产力,但原物料成本增加很多 . 下列是一些考虑的方 向:一般制作成本,直、间接原物料约占总成本 3060%,包含了基板、胶片、铜箔、防焊、干膜、钻头、 重金属(铜、钖、铅 ,化学耗品等。而这些原物料的耗用,直接和排版尺寸恰当与否有关系。大部份电子 厂做线路 Layout 时,会做连片设计,以使装配时能有最高的生产力。因此, PCB 工厂之制前设计人员, 应和客户密切沟通, 以使连片 Layout 的尺寸能在排版成工作 PANEL 时可有最佳的利用率。 要计算最恰当 的排版,须考虑以下几个因素。a. 基材裁切最少刀数与最大使用率(裁切方式与磨边处理须
12、考虑进去 。b. 铜箔、胶片与干膜的使用尺寸与工作 PANEL 的尺寸须搭配良好,以免浪费。c. 连片时, piece 间最小尺寸,以及板边留做工具或对位系统的最小尺寸。d. 各制程可能的最大尺寸限制或有效工作区尺寸 .e. 不同产品结构有不同制作流程,及不同的排版限制,例如,金手指板,其排版间距须较大且有方向 的考量,其测试治具或测试次序规定也不一样。 较大工作尺寸,可以符合较大生产力,但原物料成本增加 很多 , 而且设备制程能力亦需提升,如何取得一个平衡点,设计的准则与工程师的经验是相当重要的。 2.3.3 着手设计所有数据检核齐全后,开始分工设计:A. 流程的决定 (Flow Chart
13、 由数据审查的分析确认后,设计工程师就要决定最适切的流程步骤。 传 统多层板的制作流程可分作两个部分 :内层制作和外层制作 . 以下图标几种代 表性流程供参考 . 见图 2.3 与 图 2.4B. CAD/CAM作业a. 将 Gerber Data 输入所使用的 CAM 系统,此时须将 apertures 和 shapes 定义好。目前,己有 很多 PCB CAM 系统可接受 IPC-350的格式。 部份 CAM 系统可产生外型 NC Routing 档, 不过一般 PCB Layout 设计软件并不会产生此文件。 有部份专业软件或独立或配合 NC Router , 可设定参数直接输出程 序
14、.Shapes 种类有圆、 正方、 长方 , 亦有较复杂形状, 如内层之 thermal pad等。 着手设计时, Aperture code 和 shapes 的关连要先定义清楚,否则无法进行后面一系列的设计。b. 设计时的 Check list依据 check list审查后,当可知道该制作料号可能的良率以及成本的预估。c. Working Panel排版注意事项:-PCB Layout 工程师在设计时,为协助提醒或注意某些事项,会做一些辅助的记号做参考,所以必 须在进入排版前,将之去除。下表列举数个项目,及其影响。-排版的尺寸选择将影响该料号的获利率。 因为基板是主要原料成本 (排版最佳
15、化, 可减少板材浪费 ; 而适当排版可提高生产力并降低不良率。有些工厂认为固定某些工作尺寸可以符合最大生产力,但原物料成本增加很多 . 下列是一些考虑的方 向:一般制作成本,直、间接原物料约占总成本 3060%,包含了基板、胶片、铜箔、防焊、干膜、钻头、 重金属(铜、钖、铅、金 ,化学耗品等。而这些原物料的耗用,直接和排版尺寸恰当与否有关系。大部份 电子厂做线路 Layout 时,会做连片设计,以使装配时能有最高的生产力。因此, PCB 工厂之制前设计人 员, 应和客户密切沟通, 以使连片 Layout 的尺寸能在排版成工作 PANEL 时可有最佳的利用率。 要计算最 恰当的排版,须考虑以下几
16、个因素。1. 基材裁切最少刀数与最大使用率(裁切方式与磨边处理须考虑进去 。2. 铜箔、胶片与干膜的使用尺寸与工作 PANEL 的尺寸须搭配良好,以免浪费。3. 连片时, piece 间最小尺寸,以及板边留做工具或对位系统的最小尺寸。4. 各制程可能的最大尺寸限制或有效工作区尺寸 .5不同产品结构有不同制作流程,及不同的排版限制,例如,金手指板,其排版间距须较大且有方向 的考量,其测试治具或测试次序规定也不一样。较大工作尺寸,可以符合较大生产力,但原物料成本增加很多 , 而且设备制程能力亦需提升,如何取得 一个平衡点,设计的准则与工程师的经验是相当重要的。-进行 working Panel的排
17、版过程中,尚须考虑下列事项,以使制程顺畅,表排版注意事项 。 d. 底片与程序:-底片 Artwork 在 CAM 系统编辑排版完成后, 配合 D-Code 档案, 而由雷射绘图机 (Laser Plotter 绘出底片。所须绘制的底片有内外层之线路,外层之防焊,以及文字底片。由于线路密度愈来愈高,容差要求越来越严谨,因此底片尺寸控制,是目前很多 PCB 厂的一大课题。 表是传统底片与玻璃底片的比较表。 玻璃底片使用比例已有提高趋势。 而底片制造商亦积极研究替代材料, 以使尺寸之安定性更好。例如干式做法的铋金属底片 .一般在保存以及使用传统底片应注意事项如下:1. 环境的温度与相对温度的控制2
18、. 全新底片取出使用的前置适应时间3. 取用、传递以及保存方式4. 置放或操作区域的清洁度-程序含一 , 二次孔钻孔程序,以及外形 Routing 程序其中 NC Routing程序一般须另行处理e. DFM-Design for manufacturing .PCB layout 工程师大半不太了解, PCB 制作流程以及各制 程需要注意的事项,所以在 Lay-out 线路时,仅考虑电性、逻辑、尺寸等,而甚少顾及其它。 PCB 制前设 计工程师因此必须从生产力, 良率等考量而修正一些线路特性, 如圆形接线 PAD 修正成泪滴状, 见图 2.5, 为的是制程中 PAD 一孔对位不准时,尚能维持
19、最小的垫环宽度。但是制前工程师的修正,有时却会影响客户产品的特性甚或性能,所以不得不谨慎。 PCB 厂必须有一 套针对厂内制程上的特性而编辑的规范除了改善产品良率以及提升生产力外,也可做为和 PCB 线路 Lay-out 人员的沟通语言,见图 2.6 .C. Tooling指AOI与电测Netlist檔.AOI由CAD reference文件产生AOI系统可接受的数据、且含容差,而电测Net list档则用来制作电测治具Fixture。2.4 结语颇多公司对于制前设计的工作重视的程度不若制程,这个观念一定要改,因为随着电子产品的演变,PCB 制作的技术层次愈困难,也愈须要和上游客户做最密切的沟
20、通,现在已不是任何一方把工作做好就表示组装好的产品没有问题,产品的使用环境, 材料的物,化性, 线路Lay-out的电性, PCB的信赖性等,都会影响产品的功能发挥.所以不管软件,硬件,功能设计上都有很好的进展,人的观念也要有所突破才行.三. 基板印刷电路板是以铜箔基板(Copper-clad Laminate 简称CCL 做为原料而制造的电器或电子的重要机构组件,故从事电路板之上下游业者必须对基板有所了解:有那些种类的基板,它们是如何制造出来的,使用于何种产品, 它们各有那些优劣点,如此才能选择适当的基板.表3.1简单列出不同基板的适用场合.基板工业是一种材料的基础工业,是由介电层(树脂Re
21、sin ,玻璃纤维Glass fiber ,及高纯度的导体(铜箔Copper foil 二者所构成的复合材料(Composite material,其所牵涉的理论及实务不输于电路板本身的制作。以下即针对这二个主要组成做深入浅出的探讨.3.1介电层3.1.1树脂Resin3.1.1.1前言目前已使用于线路板之树脂类别很多,如酚醛树脂(Phonetic 、环氧树脂(Epoxy 、聚亚醯胺树脂(Polyamide 、聚四氟乙烯(Polytetrafluorethylene,简称PTFE或称TEFLON,B一三氮树脂(Bismaleimide Triazine 简称BT 等皆为热固型的树脂(Therm
22、osetted Plastic Resin。3.1.1.2 酚醛树脂Phenolic Resin是人类最早开发成功而又商业化的聚合物。是由液态的酚(phenol及液态的甲醛(Formaldehyde 俗称Formalin 两种便宜的化学品,在酸性或碱性的催化条件下发生立体架桥(Crosslinkage 的连续反应而硬化成为固态的合成材料。其反应化学式见图3.11910 年有一家叫Bakelite 公司加入帆布纤维而做成一种坚硬强固,绝缘性又好的材料称为Bakelite,俗名为电木板或尿素板。美国电子制造业协会(NEMA-Nationl Electrical Manufacturers Asso
23、ciation 将不同的组合冠以不同的编号代字而为业者所广用, 现将酚醛树脂之各产品代字列表,如表NEMA 对于酚醛树脂板的分类及代码表中纸质基板代字的第一个X 是表示机械性用途,第二个X 是表示可用电性用途。第三个 X 是表示可用有无线电波及高湿度的场所。P 表示需要加热才能冲板子(Punchable ,否则材料会破裂,C 表示可以冷冲加工(cold punchable ,FR 表示树脂中加有不易着火的物质使基板有难燃(Flame Retardent 或抗燃(Flame resistance 性。纸质板中最畅销的是XXXPC及FR-2.前者在温度25 以上,厚度在.062in以下就可以冲制成
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- PCB 制造 工艺 材料
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