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memo_PCB多層板製程_20260524

這邊主要以最時下最火紅的多層板做說明

在進入製程之前,先簡述材料的部分主要以三種材料疊合而成,分別是銅箔 (Copper Foil) / 核心板 (Core / CCL)/膠片 (Prepreg),依照上面的順序做疊合,Copper負責傳導電流,工程師會透過蝕刻製程,在銅箔上留下細微的線路,讓電子訊號能在不同元件間傳遞;CCL由硬質的絕緣材料(銅箔,樹脂,玻璃纖維)兩面覆蓋銅箔而成,它提供了整片板子的強度與基礎線路;PP的部分可以想像成「黏合劑」,是一種半固化的絕緣材料。在壓合過程中,它會受熱軟化並填滿縫隙,最後固化將上下兩層材料牢牢黏在一起,同時確保各層線路之間不會短路。

OK接下來進入製程部分,PCB流程通常會拆分成內層和外層,內外層的主要目的在於分工實現複雜的電路連接與保護功能:內層專注於高密度訊號傳輸、電源分配與接地;外層則用於元件焊接、訊號走線與外部防護。

內層製程的是要在(Core)上製作出初步的線路圖案,並將多層板材料壓合在一起。最最一開始,會先進行前處理,像是審查客戶提供的 Gerber 檔案,並進行軟體編程、底片與鑽孔設定。接下來會開始做材料的裁切,根據面板設計將原始混合基材裁切成工作面板尺寸,多數是FR-4的規格(環氧樹脂玻璃纖維)。板材處理好之後會進入到影像轉移的階段,這邊會先進行壓膜,在銅箔表面壓上一層感光乾膜,透過紫外光機將底片曝光使感光材料發生化學反應,也就是線路圖案硬化,再將未硬化的部分用顯影液洗去,沒有被曝光的膜就會隨之溶解,定型階段會進行蝕刻與剝膜,蝕刻掉非線路區的銅箔,隨後剝除保護線路的乾膜,內層銅路就會出現啦。

處理好的CORE還會進行對位沖孔,去確保後面內層版對位,建立層與層之間的電氣連接。接下來會進行AOI光學檢測,檢測內容包括斷路、短路、殘銅、缺口。檢驗後,會進行棕化(brown oxide)在銅表面進行化學處理,增加表面粗糙度,以強化後續與膠片的結合力,製程中先透過鹼性脫脂與酸性微蝕去除銅面油污並初步粗化,確保基材高度潔淨,隨後進入棕化化學槽,使銅表面反應生成一層緻密的氧化物結晶,去幫助後續壓合結合。壓合部分簡單說明就是要讓三層材料在真空、高溫、高壓下結合,首先會先將外層銅箔、內層板與作為黏合的膠片進行做堆疊,並進行鉚合、割板、量板厚進行固定及處理,完成堆疊後,組合好的板料會被送入壓合機中經歷熱壓和冷壓的階段,高溫使膠片中的樹脂熔化流動,填滿內層線路間的間隙,並在壓力下發生交聯反應,硬化成絕緣層;隨後的冷壓則負責在壓力下穩定降溫,防止板材因冷熱溫差過大而產生板彎或板翹。最後,為了確保後續機械鑽孔能精準對位,壓合完成的板材會經過 X-Ray 鑽孔機的檢測。透過 X-Ray 穿透銅箔感測內層的標靶孔,電腦會自動計算出最精確的中心點並鑽出導引孔,以利後續的鑽孔作業。

鑽孔的部分獨立一段做說明好了,這裡應該不少人有興趣XD,根據孔徑大小、深度以及電路設計的複雜度,製程通常分為「機械鑽孔」與「雷射鑽孔」技術。機械鑽孔主要用於製作貫穿整片電路板的通孔。此製程使用高速旋轉的鑽頭,鑽頭類型也很多從0.2mm-6mm都有,這邊就不做太多分類,那鑽孔是由CNC機台驅動。為了確保鑽孔品質,作業時會在板材上方覆蓋鋁板,以防止鑽頭偏移並減少毛邊,下方則墊上墊板以保護機台檯面並降低出口處的板材撕裂。多軸鑽孔機台必須在超高轉速( 120k 到 200k rpm)下運作,這對於維持小孔徑的垂直度和孔壁光滑度很重要。至於HDI板對盲孔(外到內層的通孔但不會貫穿PCB)和埋孔的需求大增,傳統機械鑽孔已無法應對,必須仰賴雷射鑽孔,雷射鑽孔能讓線路設計在極小的空間內實現層間跳轉,處理的也是相對應較少層數,但線路較精細的類型,雷射技術是由雷射頭產生高能量光束,通過整波器和光罩,對光束形狀與強度分佈進行最佳化,中間會經由光路反射鏡及掃描器做定位,最後光束會用聚光鏡聚焦,燒除特定區域。

鑽孔製程結束後,還沒進行到外層板的部分呢,鑽孔後首先,會先做一次銅烤: 將板材水氣去除,再進行去毛頭: 利用物理性的刷磨或高壓噴砂,將孔口的銅箔毛邊去除,確保板面平整,避免後續電鍍時產生尖端放電或導通不良。以及微蝕: 透過化學藥水輕微蝕刻銅面,去除表面的氧化物並增加銅面的微觀粗糙度,這能大幅提升後續金屬層與基層銅箔之間的附著力。接下來是除膠渣 : 確保徹底清除鑽孔高溫產生的熔融樹脂,確保內層銅環的潔淨,才以達成較完整的電性,除膠渣也分成乾和濕,分別是使用高猛酸鉀以及電漿做處理。處理完之後必須進行PTH,由於孔壁的樹脂與玻纖不導電,無法直接進行電鍍。因此,必須透過化學鍍銅在不導電的孔壁上沉積一層極薄的導電層。但化學銅層非常脆弱且厚度不足,無法支撐後續的蝕刻與焊接。因此,板材隨即進入電鍍槽進行全板電鍍(也可以稱做一次銅)。

接下來因應傳輸速度到256G時代,傳統的通孔結構面臨了物理限制。當訊號僅需在特定層板間傳遞時,通孔剩餘不導電的孔段會形成所謂的殘樁。這些殘樁在高頻下如同微型天線,會引發訊號反射與干擾,導致嚴重的訊號失真。所以需要背鑽技術。通常在全板電鍍與線路製作完成後,設備會使用比原通孔直徑略大的鑽頭,從電路板背面二次鑽入。背鑽的核心技術在於精準控深:機台必須精確計算鑽尖位置,將多餘的殘餘銅壁徹底鑽除,同時確保絕對不傷及目標導通層。主要是為了優化高頻訊號的傳輸品質與系統穩定性。

好的,接下來終於進入外層處理,因為我猜沒有多少人會看到這邊XDD,這裡我就不再詳述了,但基本上外層也會依序內層板的形式,製程再走一遍,做外層乾膜的影像轉移-線路電鍍(二次銅)-外層的蝕刻-AOI的外層檢驗。

到這邊基本上流程整個走完,已經接近成品了,要做的還有防焊、表面處理與檢測。防焊與文字印刷是在板面塗佈一層高精密度的「防焊漆」(就是大家看到PCB的綠漆顏色,也有黑、藍、白色其他選項)。這層防焊層的主要功能是覆蓋非銲接區域的線路,提供絕緣保護並防止在後續組裝時產生銲接短路。然後進行文字印刷,就是文字印刷而已XDD。最後為了防止裸露的銅墊氧化並確保優良的焊接性,必須進行表面處理,包括化金、噴錫等等。最後就是進行一連串的測試,包含電性測試、導電絕緣測試、板彎翹測試,再做最後外觀檢查以及尺寸量測就完成了PCB長長的製程了