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PCB(印刷电路板)制造过程和工艺详解

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  • 2013-06-08
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pcb(印刷电路板)的原料是玻璃纤维,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。

   光是绝缘板我们不可能传递电信号,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,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)。如果饺子皮这么薄的话,下锅肯定漏馅!所谓电解铜这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",这样容易控制厚度,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。

   控制铜箔的薄度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,电阻为什么比电容个头要小,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,但要光看覆铜基板能看出好坏的人却不多,除非你是厂里经验丰富的品检。

   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?板上弯弯绕绕的铜线,就是用来实现电信号的传递的,因此,我们只要把铜箔蚀掉不用的部分,留下铜线部分就可以了。

   如何实现这一步,首先,我们需要了解一个概念,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。

   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。

   接着是制作多层板,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)。

   有了上面的基础,我们明白其实不难,做两块双面板"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。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。

   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。

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