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PCB制作過程和工藝2009-09-25 21:00PCB（印刷電路板）的原料是什么呢？大家知道有種東西叫玻璃纖維吧，這種材料我們在日常生活中出處可見，比如防火布、防火氈的核心就是玻璃纖維，玻璃纖維很容易和樹脂相結合，我們把結構緊密、強度高的玻纖布浸入樹脂中，硬化就得到了隔熱絕緣、不易彎曲的PCB基板了-如果把PCB板折斷，邊緣是發(fā)白分層，足以證明材質為樹脂玻纖。 然后呢？光是絕緣板我們可不能傳遞電信號，于是需要在表面覆銅。所以我們把PCB板也稱之為覆銅基板。在工廠里，常見覆銅基板的代號是FR-4，這個在各家板卡廠商里面一般沒有區(qū)別，所以我們可以認為大家都處于同一起跑線上，當然，如果是高頻板卡，最好用成本較高的覆銅箔聚四氟乙烯玻璃布層壓板。 覆銅工藝很簡單，一般可以用壓延與電解的辦法制造，所謂壓延就是將高純度（99.98）的銅用碾壓法貼在PCB基板上-因為環(huán)氧樹脂與銅箔有極好的粘合性，銅箔的附著強度和工作溫度較高，可以在260的熔錫中浸焊而無起泡。這個過程頗像搟餃子皮，不過餃子皮可是很薄很薄的喔，最薄可以小于1mil（工業(yè)單位：密耳，即千分之一英寸，相當于0.0254mm）呢！如果餃子皮這么薄的話，下鍋肯定漏餡！所謂電解銅個在初中化學已經學過，CuSo4電解液能不斷制造一層層的銅箔，這個更容易控制厚度，時間越長銅箔越厚！通常廠里對銅箔的厚度有很嚴格的要求，一般在0.3mil和3mil之間，有專用的銅箔厚度測試儀檢驗其品質。像古老的收音機和業(yè)余愛好者用的PCB上覆銅特別厚，比起電腦板卡工廠里品質差了很遠。 為什么要讓銅箔這么薄呢？ 主要是基于兩個理由：一個是均勻的銅箔可以有非常均勻的電阻溫度系數(shù)，介電常數(shù)低，這樣能讓信號傳輸損失更小，這和電容要求不同，電容要求介電常數(shù)高，這樣才能在有限體積下容納更高的容量，電容為什么比鋁電容個頭要小，歸根結底是介電常數(shù)高??！其次，薄銅箔通過大電流情況下溫升較小，這對于散熱和元件壽命都是有很大好處的，數(shù)字集成電路中銅線寬度最好小于0.3cm也是這個道理。制作精良的PCB成品板非常均勻，光澤柔和（因為表面刷上阻焊劑），這個用肉眼能看出來，不過老實說光看覆銅基板能看出好壞的人還真不多，除非你是廠里經驗豐富的品檢。 有朋友問了，對于一塊全身包裹了銅箔的PCB基板，我們如何才能在上面安放元件，實現(xiàn)元件-元件間的信號導通而非整塊板的導通呢？那我要問一句了，你有沒有看到一塊主板表面都是銅的-回答當然是：沒有！板上都是彎彎繞繞的銅線，電信號就是通過銅線來傳遞的，那么答案很簡單，把銅箔蝕掉不用的部分，留下銅線部分不就OK了？ 好，那么這一步是如何完成的呢？好的，我們需要涉及一個概念：那就是線路底片或者稱之為線路菲林，我們將板卡的線路設計用光刻機印成膠片，然后把一種主要成分對特定光譜敏感而發(fā)生化學反應的感光干膜覆蓋在基板上，干膜分兩種，光聚合型和光分解型，光聚合型干膜在特定光譜的光照射下會硬化，從水溶性物質變成水不溶性而光分解型則正好相反。好，這里我們就用光聚合型感光干膜先蓋在基板上，上面再蓋一層線路膠片讓其曝光，曝光的地方呈黑色不透光，反之則是透明的（線路部分）。光線通過膠片照射到感光干膜上-結果怎么樣了？凡是膠片上透明通光的地方干膜顏色變深開始硬化，緊緊包裹住基板表面的銅箔，就像把線路圖印在基板上一樣，接下來我們經過顯影步驟(使用碳酸鈉溶液洗去未硬化干膜)，讓不需要干膜保護的銅箔露出來，這稱作脫膜（Stripping）工序。接下來我們再使用蝕銅液(腐蝕銅的化學藥品)對基板進行蝕刻，沒有干膜保護的銅全軍覆沒，硬化干膜下的線路圖就這么在基板上呈現(xiàn)出來。這整個過程有個叫法叫影像轉移，它在PCB制造過程中占非常重要的地位。 接下來自然是制作多層板啦！按照上述步驟制作只是單面板，即使兩面加工也是雙面板而已，但是我們常常可以發(fā)現(xiàn)自己手中的板卡是四層板或者六層板（甚至有8層板），這究竟是怎么制造出來的呢？ 有了上面的基礎，我們明白其實不難，做兩塊雙面板然后粘起來就行啦！比如我們做一塊典型的四層板（按照順序分14層，其中1/4是外層，信號層，2/3是內層，接地和電源層），先呢分別做好1/2和3/4（同一塊基板），然后把兩塊基板粘一塊不就OK了？不過這個粘結劑可不是普通的膠水，而是軟化狀態(tài)下的樹脂材料，它首先是絕緣的，其次很薄，與基板粘合性良好。我們稱之為PP材料，它的規(guī)格是厚度與含膠（樹脂）量。當然，一般四層板和六層板我們是看不出來的，因為六層板的基板厚度比較薄，即使要用兩層PP三塊雙面基板，也未見得比一層PP兩塊雙面基板的四層板能增加多少厚度-板卡的厚度都有一定規(guī)范，否則就插不進各種卡槽中了。說到這里，讀者又會產生疑問，那個多層板之間信號不是要導通嗎？現(xiàn)在PP是絕緣材料，如何實現(xiàn)層與層之間的互聯(lián)？別急，我們在粘結多層板之前還需要鉆孔！鉆了孔可以將電路板上下位置相應銅線對起來，然后讓孔壁帶銅，那么不是相當于導線將電路串聯(lián)起來了嗎？這種孔我們稱之為導通孔（Plating hole，簡稱PT孔，我喜歡叫撲通孔，呵呵）。這些孔需要鉆孔機鉆出來，現(xiàn)代鉆孔機能鉆出很小很小的孔和很淺的孔，一塊主板 上有成百上千個大小迥異深淺不一的孔，我們用高速鉆孔機起碼要鉆一個多小時才能鉆完。鉆完孔后，我們再進行孔電鍍（該技術稱之為鍍通孔技術，Plated-Through-Hole technology，PTH），讓孔導通?？滓层@了，里外層都通了，多層板粘好了，是不是完事了呢？我們的回答是No，因為主板生產需要大量進行焊接，如果直接焊接，會產生兩個嚴重后果：一、板卡表面銅線氧化，焊不上；二、搭焊現(xiàn)象嚴重-因為線與線之間的間距實在太小了??！所以我們必須在整個PCB基板外面再包上一層裝甲-這就是防焊漆，也就是俗稱阻焊劑的的東東，它對 液態(tài)的焊錫不具有親和力，并且在特定光譜的光照射下會發(fā)生變化而硬化，這個特性和干膜類似，我們看到的板卡顏色，其實就是防焊漆的顏色，如果防焊漆是綠色，那么板卡就是綠色，相應五顏六色怎么來的大家都清楚了吧？最后大家不要忘了網印、金手指鍍金（對于顯卡或者PCI等插卡來說）和質檢，測試PCB是否有短路或是斷路的狀況，可以使用光學或電子方式測試。光學方式采用掃描以找出各層的缺陷，電子測試則通常用飛針探測儀（Flying-Probe）來檢查所有連接。電子測試在尋找短路或斷路比較準確，不過光學測試可以更容易偵測到導體間不正確空隙的問題。 總結一下，一家典型的PCB工廠其生產流程如下所示： 下料內層制作壓合鉆孔鍍銅外層制作防焊漆印刷文字印刷表面處理外形加工。 至此，整個PCB制造流程已經全面介紹完畢，下面我們就結合圖片來參觀精英鑫華寶訊廠-迄今為止國內最大的PCB板制造基地之一。 這是對PCB做中檢，如果不合格可是要返工的哦！看工人一絲不茍的樣子， 要經過目檢和工具檢測兩大關，結合探針，能檢查出線路板的通斷。 室內溫度必須保持在242、相對濕度4065，這是為了保證PCB基板和底片的尺寸穩(wěn)定。因為板子和底片的組成材料都是有機高分子材料，對溫濕度十分敏感。只有整個生產過程中都在相同的溫濕度下，才能保證板子和底片不會發(fā)生漲縮現(xiàn)象，所以現(xiàn)在的PCB工廠中生產區(qū)都裝有中央空調控制溫濕度。如果超過溫度極限，這個東東兼起報警器的作用。 這個儀器叫AOI（Automatic Optical Inspection，自動光學檢驗），比較高級，除了高倍放大外，AOI能進行裸板外觀品質測試。AOI是集光學、計算機圖形識別、自動控制多學科于一身的高技術產品，它的內部存有上百種板面缺陷的圖樣特征。工作時操作人員先將待檢板固定在機臺上，AOI會用激光定位器精確定位CCD鏡頭來掃描全板面。將得到的圖樣抽象出來與缺欠圖樣比對，以此來判斷PCB的線路制作是否有問題。像常見的線路缺口、短斷路、蝕刻不全等都可以憑借AOI找出來。AOI可以指出問題類型以及在板子上的位置。核心是它的分析軟件。AOI技術的世界領跑者是以色列人，之所以這樣據(jù)說是因為以色列處于阿拉伯各國環(huán)視之中，戒備心理極強，所以其雷達圖像識別技術首屈一指（怕人家偷襲嘛），在20世紀7080年代微電子技術大發(fā)展時，電子工業(yè)越來越需要一種高精度的外觀檢驗裝置，以色列抓住機遇軍品轉民品大大地賺了一票。這種單價在30萬美元以上的設備早期被認為是PCB工廠品管嚴格的象征，由于采用AOI后可有效地提高成品率，防止產品報廢，對于多層板生產還是十分合算的，所以現(xiàn)在AOI設備也是PCB廠的必備裝置了。 壓膜和對片，這張照片不大清楚，內部用UV紫外線爆光 這就是專門用來曝光的萬級無塵室，曝光機完成影像轉移工作，為什么要在無塵室內進行呢？原因是灰塵會折射光線，這必然會導致轉移到干膜上的線路圖失真。更為嚴重的是灰塵顆粒會粘在板面上阻擋光照造成雜質斷路或短路。那么無塵室的燈光是黃色的，這又是為了什么？原來感光干膜對黃光不敏感，不會曝光，這和照相底片不能暴露在陽光下而在暗室的小綠燈下卻沒事是一個道理 這是在第二道成檢，必須把表面清理干凈，檢查是否脫膜和線路過分細，如果PCB出廠就來不及了。 這就是多鉆頭精密數(shù)控鉆床，一排排整齊列兵演出非常有氣勢。平面精度高達3mil左右，這個東東國內售價單臺就價值百萬人民幣！看PCB廠有沒有實力主要就看有多少臺鉆床了，一般稱得上大廠的起碼有百臺以上。這個“小小”車間就擁擠著46臺，但這只是寶訊的一小部分而已！ 每塊主板根據(jù)孔的多少在鉆孔，越精細的孔