曝光原理与曝光机

– 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
剝錫鉛 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
• 線路 Conductor • 焊墊 Pad
– 孔環 Annular Ring
• Ex. 單邊 + 5 mil
– 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
– 縱橫比 Aspect Ratio
• 曝光製程
– – – – 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
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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
Multilayer PCB Image Transfer Technology I
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課程綱要
• • • • • 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
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多層板Multilayer PCB 結構
線寬 線距 孔環Annular Ring 孔徑
• 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
出現自由基 Free Radical R’
單體吸收自由基 Monomer + R’
顯像 Developing Na2CO3 聚合/交聯 Polymerization / Cross Linking
• • • •
PI + h PI* ITX + h ITX* ITX* + PI ITX + PI* Monomer & Oligomer + PI* Polymer + PI
• 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
• 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….
– 英絲 mil
• 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
• 外尺寸
– 長度寬度
• Ex. 20" x 16"
– 板厚
• Ex. 63 mil (條) = 1.6 mm
鑽孔 去毛邊 除膠渣 化學鍍銅 鍍一次銅
前處理 乾膜貼合
外層曝光 外層顯像 鍍二次銅 鍍錫鉛 外層剝膜 外層蝕刻
前處理 塞孔印刷
防焊塗佈 防焊預烤 防焊曝光 綠漆顯像 防焊後烤
文字印刷 文字烘烤
鍍鎳金 噴錫
成型 V-Cut
斜邊 成品清洗 電測 成品檢查 真空包裝
典型多層板製程
Multi-Layer Process
– 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
Fra Baidu bibliotek
• 製程
G-line: 436 nm H-line: 405 nm I-line: 365 nm
• 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 形成聚合體 Polymer
內層1 內層2
線路 絕緣介質層 Dielectric
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
– 目的: 連接各層電路 – 孔徑
• Ex. 機鑽通孔 0.35 mm • Ex. 雷射盲孔 6 mil
• 線路
– Power/Ground層 – 信號層 Signal layer
• 點光源 Point Source
– 短燈管 UV
• 平行光 Collimated
– 短弧燈 Short Arc
• 無電極點光源
– Microwave 激發 UV 燈
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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
– 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 10~15m厚，需80~120 mj/cm2 因無Mylar層可做較細線路
– Total = 61.8 mil = 1.569 mm
– 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 裁板
磨邊導角
前處理 乾膜貼合
內層曝光 內層顯像 內層蝕刻 內層剝膜 內層AOI
黑/棕氧化 疊板壓合
• 例：6L 疊板
– – – – – – – – – – 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
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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
– 提高光阻與銅面附著力 – 聚合反應速率與配方、 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 – Off Contact↑時，解析度↓ → 氧氣的接觸，因氧的活 性大，會抑制其它自由 提高底片與板面真空密貼程 度 基的聯結，降低聚合反 應速率。 11/50
– 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
• 板厚/孔徑 • 鑽孔, 電鍍能力
– 孔間距
• 100 mil = 2.54 mm • 50 mil = 1.27 mm
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– 孔間(100 mil)過几條導線
• 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
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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
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 汞氙燈
金屬鹵化物燈
• • • • • • 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
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內層與外層製作比較
內層流程
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
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疊板結構
• 例：4L 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
– 層數 layer count: Cu層數 – 內層 inner layer
• Ex. L2/L3, L4/L5
• 尺寸單位
– 英吋 inch
• 1 inch = 1000 mil = 25.4 mm
– 外層 outer layer
• 零件面 Component side Ex. L1 • 銲錫面 Solder side Ex. L6
能量對光阻聚合影響
起始階段
部分聚合階段
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