原创 PCB制造的过程及工艺

  首先：PCB（印刷电路板）的原料是什么呢？大家知道有种东西叫"玻璃纤维"吧，这种材料我们在日常生活中出处可见，比如防火布、防火毡的核心就是玻璃纤维，玻璃纤维很容易和树脂相结合，我们把结构紧密、强度高的玻纤布浸入树脂中，硬化就得到了隔热绝缘、不易弯曲的PCB基板了--如果把PCB 板折断，边缘是发白分层，足以证明材质为树脂玻纤。
然后呢？光是绝缘板我们可不能传递电信号，于是需要在表面覆铜。所以我们把PCB板也称之为覆铜基板。在工厂里，常见覆铜基板的代号是FR-4，这个在各家板卡厂商里面一般没有区别，所以我们可以认为大家都处于同一起跑线上，当然，如果是高频板卡，最好用成本较高的覆铜箔聚四氟乙烯玻璃布层压板。覆铜工艺很简单，一般可以用压延与电解的办法制造，所谓压延就是将高纯度（>99.98％）的铜用碾压法贴在PCB基板上--因为环氧树脂与铜箔有极好的粘合性，铜箔的附着强度和工作温度较高，可以在260℃的熔锡中浸焊而无起泡。这个过程颇像擀饺子皮，不过饺子皮可是很薄很薄的喔，最薄可以小于 1mil（工业单位：密耳，即千分之一英寸，相当于0.0254mm）呢！如果饺子皮这么薄的话，下锅肯定漏馅！所谓电解铜个在初中化学已经学过， CuSo4电解液能不断制造一层层的"铜箔"，这个更容易控制厚度，时间越长铜箔越厚！通常厂里对铜箔的厚度有很严格的要求，一般在0.3mil和 3mil之间，有专用的铜箔厚度测试仪检验其品质。像古老的收音机和业余爱好者用的PCB上覆铜特别厚，比起电脑板卡工厂里品质差了很远。

     为什么要让铜箔这么薄呢？主要是基于两个理由：一个是均匀的铜箔可以有非常均匀的电阻温度系数，介电常数低，这样能让信号传输损失更小，这和电容要求不同，电容要求介电常数高，这样才能在有限体积下容纳更高的容量，电容为什么比铝电容个头要小，归根结底是介电常数高啊！其次，薄铜箔通过大电流情况下温升较小，这对于散热和元件寿命都是有很大好处的，数字集成电路中铜线宽度最好小于0.3cm也是这个道理。制作精良的PCB成品板非常均匀，光泽柔和（因为表面刷上阻焊剂），这个用肉眼能看出来，不过老实说光看覆铜基板能看出好坏的人还真不多，除非你是厂里经验丰富的品检。有朋友问了，对于一块全身包裹了铜箔的PCB基板，我们如何才能在上面安放元件，实现元件--元件间的信号导通而非整块板的导通呢？那我要问一句了，你有没有看到一块主板表面都是铜的--回答当然是：没有！！板上都是弯弯绕绕的铜线，电信号就是通过铜线来传递的，那么答案很简单，把铜箔蚀掉不用的部分，留下铜线部分不就OK了？

   好，那么这一步是如何完成的呢？好的，我们需要涉及一个概念：那就是"线路底片"或者称之为"线路菲林"，我们将板卡的线路设计用光刻机印成胶片，然后把一种主要成分对特定光谱敏感而发生化学反应的感光干膜覆盖在基板上，干膜分两种，光聚合型和光分解型，光聚合型干膜在特定光谱的光照射下会硬化，从水溶性物质变成水不溶性而光分解型则正好相反。好，这里我们就用光聚合型感光干膜先盖在基板上，上面再盖一层线路胶片让其曝光，曝光的地方呈黑色不透光，反之则是透明的（线路部分）。光线通过胶片照射到感光干膜上--结果怎么样了？凡是胶片上透明通光的地方干膜颜色变深开始硬化，紧紧包裹住基板表面的铜箔，就像把线路图印在基板上一样，接下来我们经过显影步骤(使用碳酸钠溶液洗去未硬化干膜)，让不需要干膜保护的铜箔露出来，这称作脱膜（Stripping）工序。

    接下来我们再使用蚀铜液(腐蚀铜的化学药品)对基板进行蚀刻，没有干膜保护的铜全军覆没，硬化干膜下的线路图就这么在基板上呈现出来。这整个过程有个叫法叫"影像转移"，它在PCB制造过程中占非常重要的地位。接下来自然是制作多层板啦！按照上述步骤制作只是单面板，即使两面加工也是双面板而已，但是我们常常可以发现自己手中的板卡是四层板或者六层板（甚至有8 层板），这究竟是怎么制造出来的呢？

    有了上面的基础，我们明白其实不难，做两块双面板然后"粘"起来就行啦！比如我们做一块典型的四层板（按照顺序分1～4层，其中1/4是外层，信号层，2/3是内层，接地和电源层），先呢分别做好1/2和3/4（同一块基板），然后把两块基板粘一块不就OK了？不过这个粘结剂可不是普通的胶水，而是软化状态下的树脂材料，它首先是绝缘的，其次很薄，与基板粘合性良好。我们称之为PP材料，它的规格是厚度与含胶（树脂）量。当然，一般四层板和六层板我们是看不出来的，因为六层板的基板厚度比较薄，即使要用两层PP三块双面基板，也未见得比一层 PP两块双面基板的四层板能增加多少厚度--板卡的厚度都有一定规范，否则就插不进各种卡槽中了。说到这里，读者又会产生疑问，那个多层板之间信号不是要导通吗？现在PP是绝缘材料，如何实现层与层之间的互联？别急，我们在粘结多层板之前还需要钻孔！钻了孔可以将电路板上下位置相应铜线对起来，然后让孔壁带铜，那么不是相当于导线将电路串联起来了吗？这种孔我们称之为导通孔（Plating hole，简称PT孔，我喜欢叫扑通孔，呵呵）。这些孔需要钻孔机钻出来，现代钻孔机能钻出很小很小的孔和很浅的孔，一块主板上有成百上千个大小迥异深浅不一的孔，我们用高速钻孔机起码要钻一个多小时才能钻完。钻完孔后，我们再进行孔电镀（该技术称之为镀通孔技术，Plated-Through-Hole technology，PTH），让孔导通。

    孔也钻了，里外层都通了，多层板粘好了，是不是完事了呢？我们的回答是No，因为主板生产需要大量进行焊接，如果直接焊接，会产生两个严重后果：一、板卡表面铜线氧化，焊不上；二、搭焊现象严重--因为线与线之间的间距实在太小了啊！所以我们必须在整个PCB基板外面再包上一层装甲--这就是防焊漆，也就是俗称阻焊剂的的东东，它对液态的焊锡不具有亲和力，并且在特定光谱的光照射下会发生变化而硬化，这个特性和干膜类似，我们看到的板卡颜色，其实就是防焊漆的颜色，如果防焊漆是绿色，那么板卡就是绿色，相应五颜六色怎么来的大家都清楚了吧？最后大家不要忘了网印、金手指镀金（对于显卡或者PCI等插卡来说）和质检，测试PCB是否有短路或是断路的状况，可以使用光学或电子方式测试。光学方式采用扫描以找出各层的缺陷，电子测试则通常用飞针探测仪（Flying-Probe）来检查所有连接。电子测试在寻找短路或断路比较准确，不过光学测试可以更容易侦测到导体间不正确空隙的问题。 总结一下，一家典型的PCB工厂其生产流程如下所示：下料→内层制作→压合→钻孔→镀铜→外层制作→防焊漆印刷→文字印刷→表面处理→外形加工。至此，整个PCB制造流程已经全面介绍完毕，下面我们就结合图片来参观精英鑫华宝讯厂--迄今为止国内最大的PCB板制造基地之一。

    这是对PCB做中检，如果不合格可是要返工的哦！看工人一丝不苟的样子，要经过目检和工具检测两大关，结合探针，能检查出线路板的通断。

室内温度必须保持在24±2℃、相对湿度40％～65％，这是为了保证PCB基板和底片的尺寸稳定。因为板子和底片的组成材料都是有机高分子材料，对温湿度十分敏感。只有整个生产过程中都在相同的温湿度下，才能保证板子和底片不会发生涨缩现象，所以现在的PCB工厂中生产区都装有中央空调控制温湿度。如果超过温度极限，这个东东兼起报警器的作用。

   这个仪器叫AOI（Automatic Optical Inspection，自动光学检验），比较高级，除了高倍放大外，AOI能进行裸板外观品质测试。AOI是集光学、计算机图形识别、自动控制多学科于一身的高技术产品，它的内部存有上百种板面缺陷的图样特征。工作时操作人员先将待检板固定在机台上，AOI会用激光定位器精确定位CCD镜头来扫描全板面。将得到的图样抽象出来与缺欠图样比对，以此来判断PCB的线路制作是否有问题。像常见的线路缺口、短断路、蚀刻不全等都可以凭借AOI找出来。AOI可以指出问题类型以及在板子上的位置。核心是它的分析软件。AOI技术的世界领跑者是以色列人，之所以这样据说是因为以色列处于阿拉伯各国环视之中，戒备心理极强，所以其雷达图像识别技术首屈一指（怕人家偷袭嘛），在20世纪70～80年代微电子技术大发展时，电子工业越来越需要一种高精度的外观检验装置，以色列抓住机遇军品转民品大大地赚了一票。这种单价在30万美元以上的设备早期被认为是PCB工厂品管严格的象征，由于采用AOI后可有效地提高成品率，防止产品报废，对于多层板生产还是十分合算的，所以现在AOI设备也是PCB厂的必备装置了。

    压膜和对片，这张照片不大清楚，内部用UV紫外线爆光

     这就是专门用来曝光的万级无尘室，曝光机完成影像转移工作，为什么要在无尘室内进行呢？原因是灰尘会折射光线，这必然会导致转移到干膜上的线路图失真。更为严重的是灰尘颗粒会粘在板面上阻挡光照造成杂质断路或短路。那么无尘室的灯光是黄色的，这又是为了什么？原来感光干膜对黄光不敏感，不会曝光，这和照相底片不能暴露在阳光下而在暗室的小绿灯下却没事是一个道理

    这是在第二道成检，必须把表面清理干净，检查是否脱膜和线路过分细，如果PCB出厂就来不及了。

     这就是多钻头精密数控钻床，一排排整齐列兵演出非常有气势。平面精度高达±3mil左右，这个东东国内售价单台就价值百万人民币！看PCB厂有没有实力主要就看有多少台钻床了，一般称得上大厂的起码有百台以上。这个“小小”车间就拥挤着46台，但这只是宝讯的一小部分而已！

    每块主板根据孔的多少在钻孔，越精细的孔所花时间越多，通常有数百孔的主板要加工足一个小时！所以孔径是个个兼辛苦啊！

    看看显示器上加工精度，三维座标精确到小数点后三位（单位mm），数控机床精度非常高，工人采用了人工装夹的方法，自然有一定误差，但机床完全数控，误差取决于机器本身的精度，在设计时PCB布线需要考虑到这一点。

    钻头使用不久就需检测（是几次我需要再做进一步了解），因为磨损的钻头严重影响其寿命和钻孔精度，使用程度都用不同颜色表示。很科学合理。