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PCB 印刷電路板設計與製造交流及分享-禁鉛令篇

附件、OECD無鉛焊錫訴求（禁鉛令）案例探討

(一) 緣起

鉛是目前電子產品中焊錫的主要成份之一，於很多的焊接用合金中，由於鉛錫(Pb-Sn)合金同時具有低成本與適當性質，因此，Pb-Sn焊錫合金一直被用於接著材料，也是在現代電子工業中，使用最廣的焊接劑材料。應用於電子工業有超過50年的歷史，然而其為具毒性之重金屬，也相對為害環境。由於鉛對人體危害極大，各國將立法禁止用鉛。電子工業組裝之焊接（Soldering）與電路板之電鍍錫鉛與熱噴錫鉛均將在無鉛政策下有所改變。

(二) 法規管制

歐洲與日本非常熱衷於電子業"禁鉛令"（Lead Ban）的立法，主要的推手是歐盟指令(EC Directive) WEEE( Waste from Electrical and Electronic Equipment )中對電子業鉛廢料所明訂"回收/再利用"（Reclaim/Recycle）的強制性法條。此一法條對高階性電子機器如Servers或Mainframes等，因掌控尚容易故影響不大。但對家電、汽車等消費性電子品，則因流向不定與回收困難之下，極有可能在2000年後催生成立"家電回收法"（Home Electronics Recycled Law），而禁止用鉛。

全球所有電子業者將於公元2004年起，全面禁用含有鉛成份的任何製品，徹底執行無鉛（Lead free）的電子工業。此一決議首先出自歐洲電子業界，現已成為全球電子界的總目標。

(三) 各國之因應措施

日本大廠如日立（Hitachi）、松下（Panasonic）在公元2001年實施無鉛產品，美國亦已開始重視此問題。

許多美商（如IBM、Motorola、Intel等）反對在取代困難的領域中禁鉛（如Flip、Chip之銲錫突塊Solder Bump等）。但也漸認知環保的壓力，而在低階產品中配合採用無鉛焊接，以避免回收的高成本。

(四) 對我國產業之衝擊

A.印刷電路板業

因為幾乎所有電子設備都會用到因刷電路板,因此無鉛銲錫對PCB有關焊接的各種表面處理（如噴錫、Entek等），以及下游組裝的波焊（Wave soldering），錫膏熔焊等製程，都將受到極大的衝擊。除了直接會影響PCB產業外,其餘相關產業如電腦業,通信業以及其他電子產業也會間接受到影響。

B.封裝業

國內IC封裝業及Surface Mount Technology (SMT)業者面對龐大的國外客戶，在公元2004年前，勢必被要求因應。可是，國內電子產業尚處於被動姿態，上、中、下游目前皆未積極籌畫因應之道。 

(五) 技術需求

非鉛系列銲錫元素在來源、產量、價格無法與含鉛錫合金優良特性相比，所以至目前為止，只有手工銲錫與衝波形銲錫有商業性產品出現。但是由於表面粘著型銲錫製程溫度控制範圍較為嚴苛，雖然有Sn/In/Ag等等產品的推出，但是在價格上不具競爭力及製程上之種種的限制上無任何客戶採用。

無鉛焊料以錫與銀，或錫與銅合金者最常見。焊溫平均上升30℃，可能帶來焊錫性較差而必須將助焊劑的活性加強、沾錫力（Wetting Force）欠佳下不得不增加"觸修"（Touch Up）成本、零件腳與板面焊墊之可焊處理困難等問題。新焊料取代現行63/37錫鉛共融合金（Utetic Alloy）優良焊料之廣泛用途。

(六)案例

Lucent有一種DC/DC Converter即試採各種無鉛政策，如不噴錫之PCB（焊墊採OSP處理）、無鉛錫膏（96.5% Sn+3.5% Ag ; mp221℃）、零件腳鍍純錫等，在焊溫250℃下完成焊接。

另Nortel有一種Meridian電話也採無鉛組裝，其錫膏成份為97.3% Sn+0.7% Cu，mp227℃，焊溫在245℃～257℃之間。

其三是Panasonic在SJ-MJ30 CD隨身聽的組裝，係採90% Sn+7.5% Bi+2% Ag+0.5% Cu熔點218℃的四相合金錫膏，對鍍純錫腳與板面OSP處理的裸銅焊墊進行焊接。

(七) 可能之技術來源

A.國外技術(應用在封裝業)

日本Superior公司計畫從今秋開始以月產10噸的規模，量產以錫銅鎳三元素為主成份的無鉛銲接「Superior SN100C」。除了可因應高密度封裝之外，價格亦可比含銀的無鉛銲接便宜約三成。目前已為大電子廠等試用，國內外的交易十分活絡，明年度可望一舉提高10倍產能，使月出貨量達百噸以上。錫銅系無鉛銲接雖以環保型商品之姿開始普及，但受到融點高的錫與銅之金屬化合物的影響，始終存在著熔融時的銲接流動性會明顯下降的問題。因此，在銲接合金中，會出現Bridge、空孔等銲接不良及接合部的可信度降低等問題，而無法因應電子用高密度封裝、完全取代錫鉛共晶銲接。日本Superior利用適量添加鎳於錫銅無鉛銲接中，而成功地抑制介金屬化合物的發生。除可確保錫鉛共晶銲接同等的流動性之外，與印刷電路板、電子零件導線等所使用之銅材的相容性亦佳，接合強度也提高。以使用熔解銲接的浸漬(Dip)用為例，為習用共晶銲接的2倍左右，但是比錫銅銀系的無鉛銲接仍便宜三成左右。

B國內技術

國內有成大洪敏雄教授針對無鉛焊錫作開發研究,主要是採用近共晶Sn－Zn－Al合金為焊錫材料〈成份比例為9(5%Al-Zn)-91Sn〉。而Sn-Zn-In合金則將Sn,Zn,In以86：9：5的重量百分比（wt%）混合熔融成所需之焊錫合金，不過僅止於實驗階段。

此外，國內各相關業者亦積極展開無鉛焊錫技術之研究。例如楠梓電子目前正在評估美國ATO tech之化學錫技術，華通則在工業局主導性新產品專案中有無鉛焊錫之計畫。唯各廠目前進度如何，廠家大多不願多談，故能有多少廠商能趕在禁鉛令之前完成技術／設備之更新，目前尚無法預測。

國內工研院電通所為協助相關業者因應無鉛焊錫之議題，與材料所，中華民國表面黏著技術協會共同推動，成立環保構裝製程技術聯盟，與業者研擬無鉛產品的推廣計劃。目前已有日月光，矽品，華泰，廣達，華通，神達等知名廠商同意加入。如果此運作模式能成功解決業者之問題，國內之研究單位或可遵循此一運作模式，結合業者之力量，共同解決國際環保相關議題對相關產業之衝擊。

(七) 建議

無鉛焊錫未來對我國電子業的衝擊之廣度與深度以及因應之道必須對以下之課題作進一步之探討:

1除了PCB和封裝業外,其餘可能會受影響之產業。

2.跨入無鉛焊錫技術領域,各產業在製程上必須有之因應措施。主要是因為無鉛焊錫的熔點較高,且在應用時可能會有搭接，潤濕消除，無法濕潤，翹起，氣孔及引腳浮起等等的缺陷,因此,相關配套措施對業界之影響必須一併研究並謀解決之道.

3.無鉛焊錫技術之研發與引進。

pcb 知識及成本

pcb  通識 & 成本

1.      何謂BGA零件,簡略繪出該零件圖面?

ANS:球柵陣列 ( Ball Grid Array，簡稱BGA ) ，是一種將IC與基板相互連接的封裝技術。

2.      何謂QFP零件, 簡略繪出該零件圖面?

ANS:(Quad Flat Package)為傳統的插入裝配型封裝方式，是在IC四邊各有一列端子的表面裝配型封裝。

   

3.      何謂DIP? 簡略繪出該零件圖面?

ANS:雙排式構裝（Dual in -line package）就是所謂傳統插件的作業方式，針腳式的元件，元件都具有兩支以上的金屬腳，利用人工方式插入PCB上預留之PTH孔，再進行點焊或過熔錫爐完成焊接

  

4.      何謂SMT?

ANS:（Surface Mount Technology）表面黏著技術，為將傳統穿孔插件方式(DIP)改為快速的表面黏著方式，安置在印刷電路板的技術。製程包括錫膏印刷、零件放置（Surface Mount Device,SMD）及迴焊爐(reflow)零件銲接等。

5.      何謂Flip-Chip,試解釋並圖解流程?

ANS:在晶片的焊錫凸塊上沾附助焊劑(Flux)，然後將晶片的焊錫凸塊對位置放於基板的焊墊上，經過迴焊(Reflow)而完成晶片和基板的連接。在晶片的單邊或兩邊施以底膠填充，經由毛細管作用(Capillarity)將晶片和基板間微小的間隙完全填滿膠材(如圖35)，最後將其加以烘烤使膠材固化，其目的主要在於將晶片和基板緊密結合。

 

6.      何謂wire bonding, 試解釋?

ANS:主要是將晶片先以環氧樹脂（Epoxy）黏著劑，將晶片固著於金屬導線架上，以銲線機進行晶片與導線架之間的電路連結，連接的介質有金線 (Gold Wire)、鋁線(Aluminum Wire)…等。鋁線主要使用在COB(chip on board)封裝,而金線主要使用在導線架封裝上。

 

7.      何謂COB?

ANS:(chip on board) 指對裸露的積體電路晶片(IC Chip)，進行封裝的方式。COB作法是將裸晶片直接黏在電路板或基板上，並結合三項基本製程：（1）晶片黏著(Flip Chip)（2）導線連接(Wire Bonding)（3）封膠技術，有效將IC製造過程中的封裝與測試步驟轉移到電路板組裝階段。

8.      何謂PTH孔、NPTH孔、盲孔、埋孔? 試解釋並圖解?

ANS: PTH = Plated Through Hole 鍍通孔，孔壁有銅。

         NPTH = NON Plated Through Hole非鍍通孔，孔壁無銅。

         盲孔 = Blind via，連接pcb外層走線與一個或多個內層的鑽孔，不穿透整個板子。

         埋孔 = Buried via，僅連接內層之間的鑽孔，表面看不出來。

9.      何謂 B-stage prepreg、C-stage prepreg ?

ANS: 玻璃纖維布在浸膠半乾成膠片後，再經高溫軟化液化而呈現黏著性，用於PCB壓合用的稱為B-stage prepreg

       而經壓合後硬化無法回復之最終狀態稱為C-stage prepreg

          

10.   單位換算1mil = ? inch = ? mm = ? um ，1oz銅箔厚度 = ? um = ? mil

 ANS: 1mil = 0.001 inch = 0.0254 mm = 25.4 um

        1oz銅箔厚度 = 35um = 1.4 mil

11.   何謂縱橫比?

ANS: Aspect Ratio板厚與鑽孔直徑之比值

       

12.  何謂固定成本?變動成本?邊際成本?

ANS: 固定成本是不論生產數量多少.這一個成本總金額都是一樣.

      變動成本:因生產量增加而必需增加付出的成本.

邊際成本：為增加一單位產量所提高的「總成本」。

13.   試寫出現行廠內八層板,ENTEK+金手指流程?

ANS: 發料→裁板→S D/F→內層沖孔→內層AOI→壓合→XRAY→修邊→鑽外層孔→一銅→D/F→二銅→防焊→文字→鍍金手指→成型→斜邊→成品測試

→ENTEK→外觀→包裝→成品倉

14.   發料尺寸16 X 18.25,試算出圖示於壓合後鑽孔漲縮值?

    TG1~TG2: 標準值 17 inch       量測值 16.994 inch

    TG2~TG3: 標準值 3.15 inch      量測值 3.141 inch

    TG4~TG5: 標準值 15inch        量測值 14.997 inch

    ANS: 由上述得知 X:0.9998  Y:0.99965

15. 使用HDI法來製造產品的優點?                                           

ANS:

1.可降低載板層數,將較傳統複雜的結構以此技術完成來降低產品成本      

2.增加線路密度,以微孔技術將互連所需的佈線藏到下一層去,其不同層次間悍墊與引線的銜接,則以悍墊與盲孔組合設計的直接連通方式進行。如此可以應付高密度接點的元件組裝需求,有利於先進構裝技術的使用。             

3.利用微孔互連,可以減少訊號的反射及線路間的串訊干擾,元件可以擁有更佳的電氣性能及訊號正確性。                                  

4.結構採用較薄的介電質厚度,微孔有低的縱橫比,訊號傳遞時可靠度比一般的通孔來的高。                                  

5.微孔技術可以讓載板設計者縮短接地層與訊號層的距離,減少射頻干擾及電磁波干擾,進而改善射頻干擾/電磁波干擾靜電釋放。同時可以增加接地線的數目,防止原件因靜電聚集造成瞬間放電的損傷。                                 

6.微孔技術可以讓線路配置彈性化,使線路設計彈性化。                              

16. 增層法製程與傳統印刷電路板製程的主要差異?                                        

ANS:傳統印刷電路板使用膠片Prepreg為材料,多數都是以單次或者序列式 的熱壓合方式進行板結構的堆疊固著。但是增層法則是逐層建構介電質材料,經過微孔導通.線路製作之後,繼續循環原來的製作程序,直到整體載板完成。因此增層法製程可以提供更高的連結密度.構裝密度。                                 

17. 試談軟板的重要特徵及屬性?

ANS:1.可撓曲性:由於有穩定重複的撓曲性,因此軟板有助於各種特異形式的電子產品組裝,因此可撓區的能力,產品的線路設計可以進行三維(3-D)的架構。    

2.降伏性:軟板有一定的降伏性,可以隨熱應力的變化自行調節接點間的距離,因此應力集中在焊接點的問題可以降低,這使得接點斷裂的風險降低 

3.薄型特質:因為材料薄而可以提供非常良好的撓曲性,同時因為薄的材料使得熱傳效果良好,有利於機構的設計及產品的熱管理。

4.高溫的功能性表現:PI材料在高溫下操作的表現良好,因此對於一些特殊的產品需要高溫操作時可以使用這樣的材料設計。但是因為目前多數的有膠軟板,所使用的黏著劑為了操作並未使用PI樹脂的系統。因此當操作在高溫下,黏著劑容易產生劣化的問題,這方面可以採用無膠軟板或是改善黏著劑來解決。      

5.蝕刻與機械加工性:由於幾類的軟板材料都可以用雷射或化學蝕刻的方式來進行開窗的動作,因此加工性不錯。由於線路的密度提高等因素,不少的製造商希望在作出線路之後再進行基材開窗的工作,這對於單層銅皮但是需要兩面組裝的產品而言十分重要。軟板材料提供了這樣的加工可能性,有助於這些細線路製作的想法。      

6.互連的可能性與尺寸縮小重量減輕:對於不同的連結方式,不論同平面或非同平面,甚至是扭曲的九十度銜接,軟板都可以提供適當的連接方案。因為軟板可以撓曲,可以將電路板依據需要進行立體彎折。如果採用軟硬板的製作,又可以減少端子雜訊及信賴度的問題。因為連結簡單化可以省下連結器及端子,因此產品重量也會下降。     

7.結構簡化空間利用率高:軟板可以替代許多的點對點連線元件,同時可以將一些原來不同平面無法連結的線路經由軟板連結,因此設計的結構有機會簡化,因此可以彎曲而能善用產品外裝的空間,空間的利用率得以提高。                               

18. 軟板的前處理製程有三個基本的目的?

答案:

1去除銅皮上的防氧化層

2.以微蝕來產生適當的接著粗度

3.去除所有可能影響影像轉移的異物                               

19. 一般的液態感光油墨有哪三種名稱?

答案:

        1.液態感光油墨(Liquid Photoimagable Resist Ink)                                  

        2.液態光阻油墨(Liquid Photo Resist Ink)                                       

        3.濕膜(Wet Film)                                  

20. 化金板的優缺點?                                           

答案:

化金板的優點 :單一表面處理即可滿足多種組裝須求.具有可焊接、可接觸導通、可打線、可散熱等功能.板面平整、SMD焊墊平坦,適合於密距窄墊的鍚膏熔焊.具障壁層,耐久性可靠度佳,儲齡較久.運用範圍 :CPU/晶片組/RF..載板,光電板,手機板,DRAM卡,遊戲機(任天堂wii)..等. 化金板的缺點 :不易重工,處理不當會有黑鎳問題,成本略高.                         

21. 1mm=________inch            1inch=________mil                                                                  1 oz=_________μm=__________inch=__________mil                                                            1/3 oz=_______μm=__________inch=__________mil

22. PCB 為什麼英文縮寫

23. 一般PCB所使用的膠系為

24. CCL基板為什麼英文縮寫

25. Prepreg 為什麼Stage?? CCL 為什麼Stage??

26. High Density interconnection 中文意思為何?

27. 請說明縱橫比的意思?(可以圖示說明)

28. 內層製程中所使用底片為正片or負片?請寫出內層流程?

29. 基板Tg點的中文意思為何?

30. 部門總成本預算中,包含了哪兩項的成本於其中?

答案:

變動成本、固定成本

31. 每部門損益平衡點的計算方式為何?

答案:

BE=固定成本/邊際效益

32. 寫出部門內部之變動成本及固定成本項目?

33. 名詞解釋:

(1)FR等級:表示銅箔基板耐燃性材料的耐燃性等級,由美國的NEMA協會所規定。       

(2)RCC:附樹脂銅箔(背膠銅箔),預先塗佈B階段狀態熱硬化性樹脂的銅箔

。做為增層印刷電路板的增層部基板材料使用。

    (3)FPC:軟性印刷電路板 Flexible Printed circuit board

(4)LBH:雷射盲孔,使用雷射加工,在熱硬化性絕緣材料上開孔,所作出的增層印刷電路板盲孔。

(5)PTH:電鍍貫穿孔的簡稱。

(6)Tg:玻璃轉移溫度。高分子材料有顯示出結晶性的部分、及變成不定形分子的部分,不定形部分具有的構造和無機玻璃相同。將其加熱的話,在某一溫度時會軟化,熱膨脹係數、彈性係數、剝離強度等的物性會變化。此溫度稱為玻璃轉移溫度。       

(7)UL:製作電子機器安全相關規定的團體。由美國保險業者成立。在印刷電路板及材料方面,制定有難燃性、耐熱性等的相關規定。

(8)介面連接:多層印刷電路板不同導體層間的連接。以貫通的貫穿孔、及不貫通的局部貫穿微孔,對外層與內層、及內層與內層的必要層間做連接。又稱為層間連接。       

(9)孔內璧粗糙度:在印刷電路板鑽孔以進行貫穿孔電鍍時,鑽孔的內璧凹凸、及其程度。此粗糙度大時,在接下來的電鍍工程會使鍍層析出不均,連接的可靠度降低。由於是加工複合材料,若鑽頭的加工條件不適當,則樹脂及玻纖的加工程度不同,產生凹凸多的孔。

(10)全板厚:將完成品所有厚度都包含在內的印刷電路板板厚,包括印刷電路板上銅箔或導體圖案的鍍層、其上的防焊阻絕層或所印刷上的文字等的厚度等。

(11)吸濕率:樹脂中吸收的水分相對於樹脂的比率。      

(12)IVH:當須要連接多層印刷電路板的2層、或更多層的導體層時,用來做連接的電鍍孔,但這種孔並未貫穿整片印刷電路板。只會佔掉有必要連接處的空間。這種的連接用孔稱為via、微孔。局部貫穿微孔有:設在外層的盲孔、及設在內層的埋孔。簡稱為:IVH。

(13)沖模:在沖切加工法中,於開孔或外形加工時使用的模具。採用淬火後耐磨耗佳的金屬製作,其尺寸及形狀依被加工件而定。

(14)延展性:以伸長率、抗拉力來表示。鍍銅層的場合時,若延展性差,在貫穿孔鍍層會產生龜裂,對連接可靠度有不良影響。

(15)油墨埋孔法:製造貫穿孔電鍍印刷電路板的全板電鍍法中,用鍍銅將包括貫穿孔在內的全面皆進行電鍍,再以蝕刻製作導體圖案時,為了保護貫穿孔內不受蝕刻液作用,在其中充填阻絕層油墨的方法。許多雙面印刷電路板皆可適用。又稱為埋孔法。

(16)特性組抗:在條線或微條線等所構成處理高頻電流的印刷電路板上,表示傳輸線路特性的電氣回路常數。

(17)粉紅圈:在電鍍貫穿孔多層印刷電路板的內層接端面,其孔周邊產生白色或粉紅色變化的現象。使內層密著性提高的還原處理,被貫穿孔電鍍工程使用的酸性液溶解、呈剝離狀態者。有時候亦可能有處理液殘留。

(18)除膠渣:開孔時,由於鑽頭的鑽刃與基板摩擦而發生的膠渣,或在雷射開孔時殘留的樹脂,以化學式孔洗淨等加以去除。當有膠渣時,在電鍍之後會成為貫穿孔與內層導體導通不良的原因,多會使連接性惡化、導致斷線。

(19)測試探針:佈線檢查機或帶電測試機要與被檢查的印刷電路板、或回路組裝板相連接用的端子。與測試治具組合使用。

(20)接地層:位於印刷電路板的表面或內層,為了與大地連接以產生接地電位、電源供給等而設的導體層。在多層印刷電路板時,將內層的數層做為電源層及接地層,亦擔任遮蔽的功用。

(21)微蝕:將銅的表面微量溶解,成為潔淨金屬面的處理。     

(22)暗房:遮斷外部來的光線,用黃色或紅色的安全光做為照明,以進行感光阻絕層包覆、曝光、顯影的房間。

(23)零件面:在插入組裝型印刷電路板的2個外層面當中,幾乎裝載上所有零件的面。

(24) Flux 助焊劑: 是一種在高溫下，具有活性的化學品，能將被焊物體表面的氧化物或污化物予以清除，使熔融的焊錫能與潔淨的底金屬結合而完成焊接。Flux原來的希臘文是Flow(流動)的意思。早期是在礦石進行冶金當成"助熔劑"，促使熔點降低而達到容易流動的目的。 

(25) Lamination Void 壓合空洞:

    指完工的基板或多層板中，某些區域在樹脂硬化后，尚殘留有氣泡未及時趕出板外，最後終于形成板材之空洞。此種空洞存在板材中，將會影響其架構強度及絕緣性。若此缺陷不幸恰好出現下鑽孔的孔壁上時，則將形成無法鍍滿的破洞(Plating Void)，容易在下游組裝焊接時形成“吹孔”而影響焊錫性。又 Lamination Void 則常指多層壓合時趕氣不及所產生的 “空洞”。

    (26)CTE熱膨脹係數:物質加熱後,其相對於加熱前數值的伸長量,以比值表示的數值。將受熱後的長度與受熱前的長度差,除以受熱前的長度所得的比值,以單位溫度的變化表示。

    (27)燈蕊效應:燈蕊是指蠟燭或油燈等的蕊,將細的纖維捻成線,液體會由於毛細管現象而沿之移動。由於絕緣基板的鑽孔造成玻璃纖維的纖維綻開,液體沿之而浸透的現象,或焊錫流入狹窄空間的現象等稱之。當以人工作業進行細小部位的焊錫時,會用銅等細線捻成的細繩靠近銲錫的位置,將多餘的銲錫除去,就是利用此現象的做法。