PCB工藝 PCB(印刷電路板)加工生產(chǎn)的流程
PCB(印刷電路板)的原料是玻璃纖維,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(jié)合,我們把結(jié)構(gòu)緊密、強(qiáng)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(zhì)為樹脂玻纖。
光是絕緣板我們不可能傳遞電信號,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(gè)在各家板卡廠商里面一般沒有區(qū)別,所以我們可以認(rèn)為大家都處于同一起跑線上,當(dāng)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?yàn)榄h(huán)氧樹脂與銅箔有極好的粘合性,銅箔的附著強(qiáng)度和工作溫度較高,可以在260℃的熔錫中浸焊而無起泡。這個(gè)過程頗像搟餃子皮,最薄可以小于1mil(工業(yè)單位:密耳,即千分之一英寸,相當(dāng)于0.0254mm)。如果餃子皮這么薄的話,下鍋肯定漏餡!所謂電解銅這個(gè)在初中化學(xué)已經(jīng)學(xué)過,CuSO4電解液能不斷制造一層層的"銅箔",這樣容易控制厚度,時(shí)間越長銅箔越厚!通常廠里對銅箔的厚度有很嚴(yán)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(yàn)其品質(zhì)。像古老的收音機(jī)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(zhì)差了很遠(yuǎn)。
控制銅箔的薄度主要是基于兩個(gè)理由:一個(gè)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,電阻為什么比電容個(gè)頭要小,歸根結(jié)底是介電常數(shù)高啊!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(gè)道理。制作精良的 PCB成品板非常均勻,光澤柔和(因?yàn)楸砻嫠⑸献韬竸?,這個(gè)用肉眼能看出來,但要光看覆銅基板能看出好壞的人卻不多,除非你是廠里經(jīng)驗(yàn)豐富的品檢。
對于一塊全身包裹了銅箔的PCB基板,我們?nèi)绾尾拍茉谏厦姘卜旁?,?shí)現(xiàn)元件--元件間的信號導(dǎo)通而非整塊板的導(dǎo)通呢?板上彎彎繞繞的銅線,就是用來實(shí)現(xiàn)電信號的傳遞的,因此,我們只要把銅箔蝕掉不用的部分,留下銅線部分就可以了。如何實(shí)現(xiàn)這一步,首先,我們需要了解一個(gè)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(shè)計(jì)用光刻機(jī)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(xué)反應(yīng)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(huì)硬化,從水溶性物質(zhì)變成水不溶性而光分解型則正好相反。
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(jié)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(jīng)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(hù)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(xué)藥品)對基板進(jìn)行蝕刻,沒有干膜保護(hù)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(gè)過程有個(gè)叫法叫"影像轉(zhuǎn)移",它在PCB制造過程中占非常重要的地位。 接著是制作多層板,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??梢园l(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)。
有了上面的基礎(chǔ),我們明白其實(shí)不難,做兩塊雙面板"粘"起來就行啦!比如我們做一塊典型的四層板(按照順序分1~4層,其中1/4是外層,信號層,2/3 是內(nèi)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(gè)粘結(jié)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(dāng)然,一般四層板和六層板我們是看不出來的,因?yàn)榱鶎影宓幕搴穸缺容^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(jìn)各種卡槽中了。說到這里,讀者又會(huì)產(chǎn)生疑問,那個(gè)多層板之間信號不是要導(dǎo)通嗎?現(xiàn)在PP是絕緣材料,如何實(shí)現(xiàn)層與層之間的互聯(lián)?別急,我們在粘結(jié)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(yīng)銅線對起來,然后讓孔壁帶銅,那么不是相當(dāng)于導(dǎo)線將電路串聯(lián)起來了嗎?
這種孔我們稱之為導(dǎo)通孔(Plating hole,簡稱PT孔。這些孔需要鉆孔機(jī)鉆出來,現(xiàn)代鉆孔機(jī)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(gè)大小迥異深淺不一的孔,我們用高速鉆孔機(jī)起碼要鉆一個(gè)多小時(shí)才能鉆完。鉆完孔后,我們再進(jìn)行孔電鍍(該技術(shù)稱之為鍍通孔技術(shù),Plated-Through-Hole technology,PTH),讓孔導(dǎo)通。 孔也鉆了,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?yàn)橹靼迳a(chǎn)需要大量進(jìn)行焊接,如果直接焊接,會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)嚴(yán)重后果:
一、板卡表面銅線氧化,焊不上;
二、搭焊現(xiàn)象嚴(yán)重--因?yàn)榫€與線之間的間距實(shí)在太小了啊!所以我們必須在整個(gè)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(huì)發(fā)生變化而硬化,這個(gè)特性和干膜類似,我們看到的板卡顏色,其實(shí)就是防焊漆的顏色,如果防焊漆是綠色,那么板卡就是綠色。
最后大家不要忘了網(wǎng)印、金手指鍍金(對于顯卡或者PCI等插卡來說)和質(zhì)檢,測試PCB是否有短路或是斷路的狀況,可以使用光學(xué)或電子方式測試。光學(xué)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(zhǔn)確,不過光學(xué)測試可以更容易偵測到導(dǎo)體間不正確空隙的問題。
總結(jié)一下,一家典型的PCB工廠其生產(chǎn)流程如下所示:
下料→內(nèi)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。
目的:根據(jù)工程資料MI的要求,在符合要求的大張板材上,裁切成小塊生產(chǎn)板件.符合客戶要求的小塊板料.
流程:大板料→按MI要求切板→鋦板→啤圓角\磨邊→出板
目的:根據(jù)工程資料(客戶資料),在所開符合要求尺寸的板料上,相應(yīng)的位置鉆出所求的孔徑.流程:疊板銷釘→上板→鉆孔→下板→檢查\修理
三、沉銅 目的:沉銅是利用化學(xué)方法在絕緣孔壁上沉積上一層薄銅. 流程:粗磨→掛板→沉銅自動(dòng)線→下板→浸1%稀H2SO4→加厚銅
四、圖形轉(zhuǎn)移
目的:圖形轉(zhuǎn)移是生產(chǎn)菲林上的圖像轉(zhuǎn)移到板上 流程:(藍(lán)油流程):磨板→印第一面→烘干→印第二面→烘干→爆光→沖影→檢查;(干膜流程):麻板→壓膜→靜置→對位→曝光→靜置→沖影→檢查 五、圖形電鍍
目的:圖形電鍍是在線路圖形裸露的銅皮上或孔壁上電鍍一層達(dá)到要求厚度的銅層與要求厚度的金鎳或錫層.
流程:上板→除油→水洗二次→微蝕→水洗→酸洗→鍍銅→水洗→浸酸→鍍錫→水洗→下板 目的:用NaOH溶液退去抗電鍍覆蓋膜層使非線路銅層裸露出來.
流程:水膜:插架→浸堿→沖洗→擦洗→過機(jī);干膜:放板→過機(jī)
七、蝕刻 目的:蝕刻是利用化學(xué)反應(yīng)法將非線路部位的銅層腐蝕去.
八、綠油 目的:綠油是將綠油菲林的圖形轉(zhuǎn)移到板上,起到保護(hù)線路和阻止焊接零件時(shí)線路上錫的作用 流程:磨板→印感光綠油→鋦板→曝光→沖影;磨板→印第一面→烘板→印第二面→烘板 目的:字符是提供的一種便于辯認(rèn)的標(biāo)記 流程:綠油終鋦后→冷卻靜置→調(diào)網(wǎng)→印字符→后鋦
九、鍍金手指 目的:在插頭手指上鍍上一層要求厚度的鎳\金層,使之更具有硬度的耐磨性 流程:上板→除油→水洗兩次→微蝕→水洗兩次→酸洗→鍍銅→水洗→鍍鎳→水洗→鍍金
十、鍍錫板 目的:噴錫是在未覆蓋阻焊油的裸露銅面上噴上一層鉛錫,以保護(hù)銅面不蝕氧化,以保證具有良好的焊接性能. 流程:微蝕→風(fēng)干→預(yù)熱→松香涂覆→焊錫涂覆→熱風(fēng)平整→風(fēng)冷→洗滌風(fēng)干
十一、成型 目的:通過模具沖壓或數(shù)控鑼機(jī)鑼出客戶所需要的形狀成型的方法有機(jī)鑼,啤板,手鑼,手切 說明:數(shù)據(jù)鑼機(jī)板與啤板的精確度較高,手鑼其次,手切板最低具只能做一些簡單的外形.
十二、測試 目的:通過電子100%測試,檢測目視不易發(fā)現(xiàn)到的開路,短路等影響功能性之缺陷。