張飛實戰電子 發表於 2021-01-13 11:41:30
PCB的產生
在PCB出現之前，電路是通過點到點的接線組成的。這種方法的可靠性很低，因為隨著電路的老化，線路的破裂會導致線路節點的斷路或者短路。繞線技術是電路技術的一個重大進步，這種方法通過將小口徑線材繞在連接點的柱子上，提升了線路的耐久性以及可更換性。
當電子行業從真空管、繼電器發展到矽半導體以及集成電路的時候，電子元器件的尺寸和價格也在下降。電子產品越來越頻繁的出現在了消費領域，促使廠商去尋找更小以及性價比更高的方案。於是，PCB誕生了。
PCB的製作工藝非常複雜，以四層印製板為例，其製作過程主要包括了PCB布局、芯板的製作、內層PCB布局轉移、芯板打孔與檢查、層壓、鑽孔、孔壁的銅化學沉澱、外層PCB布局轉移、外層PCB蝕刻等步驟。
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PCB布局
PCB製作第一步是整理並檢查PCB布局（Layout）。PCB製作工廠收到PCB設計公司的CAD文件，由於每個CAD軟體都有自己獨特的文件格式，所以PCB工廠會轉化為一個統一的格式——Extended Gerber RS-274X 或者 Gerber X2。然後工廠的工程師會檢查PCB布局是否符合製作工藝，有沒有什麼缺陷等問題。
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芯板的製作
清洗覆銅板，如果有灰塵的話可能導致最後的電路短路或者斷路。
圖1是一張8層PCB的圖例，實際上是由3張覆銅板（芯板）加2張銅膜，然後用半固化片粘連起來的。製作順序是從最中間的芯板（4、5層線路）開始，不斷地疊加在一起，然後固定。4層PCB的製作也是類似的，只不過只用了1張芯板加2張銅膜。
圖1: 8層PCB圖例
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製作中間芯板線路
內層PCB布局轉移先要製作最中間芯板（Core）的兩層線路。覆銅板清洗乾淨後會在表面蓋上一層感光膜。這種膜遇到光會固化，在覆銅板的銅箔上形成一層保護膜。
將兩層PCB布局膠片和雙層覆銅板，最後插入上層的PCB布局膠片，保證上下兩層PCB布局膠片層疊位置精準。
感光機用UV燈對銅箔上的感光膜進行照射，透光的膠片下，感光膜被固化，不透光的膠片下還是沒有固化的感光膜。固化感光膜底下覆蓋的銅箔就是需要的PCB布局線路，相當於手工PCB的雷射印表機墨的作用。
然後用鹼液將沒有固化的感光膜清洗掉，需要的銅箔線路將會被固化的感光膜所覆蓋。
然後再用強鹼，比如NaOH將不需要的銅箔蝕刻掉。
將固化的感光膜撕掉，露出需要的PCB布局線路銅箔。
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芯板打孔與檢查
芯板已經製作成功。然後在芯板上打對位孔，方便接下來和其它原料對齊。芯板一旦和其它層的PCB壓制在一起就無法進行修改了，所以檢查非常重要。會由機器自動和PCB布局圖紙進行比對，查看錯誤。
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層壓
這裡需要一個新的原料叫做半固化片，是芯板與芯板（PCB層數>4），以及芯板與外層銅箔之間的粘合劑，同時也起到絕緣的作用。 下層的銅箔和兩層半固化片已經提前通過對位孔和下層的鐵板固定好位置，然後將製作好的芯板也放入對位孔中，最後依次將兩層半固化片、一層銅箔和一層承壓的鋁板覆蓋到芯板上。
將被鐵板夾住的PCB板子們放置到支架上，然後送入真空熱壓機中進行層壓。真空熱壓機裡的高溫可以融化半固化片裡的環氧樹脂，在壓力下將芯板們和銅箔們固定在一起。
層壓完成後，卸掉壓制PCB的上層鐵板。然後將承壓的鋁板拿走，鋁板還起到了隔離不同PCB以及保證PCB外層銅箔光滑的責任。這時拿出來的PCB的兩面都會被一層光滑的銅箔所覆蓋。
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鑽孔
要將PCB裡4層毫不接觸的銅箔連接在一起，首先要鑽出上下貫通的穿孔來打通PCB，然後把孔壁金屬化來導電。
用X射線鑽孔機機器對內層的芯板進行定位，機器會自動找到並且定位芯板上的孔位，然後給PCB打上定位孔，確保接下來鑽孔時是從孔位的正中央穿過。
將一層鋁板放在打孔機工具機上，然後將PCB放在上面。為了提高效率，根據PCB的層數會將1~3個相同的PCB板疊在一起進行穿孔。最後在最上面的PCB上蓋上一層鋁板，上下兩層的鋁板是為了當鑽頭鑽進和鑽出的時候，不會撕裂PCB上的銅箔。
在之前的層壓工序中，融化的環氧樹脂被擠壓到了PCB外面，所以需要進行切除。靠模銑床根據PCB正確的XY坐標對其外圍進行切割。
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孔壁的銅化學沉澱
由於幾乎所有PCB設計都是用穿孔來進行連接的不同層的線路，一個好的連接需要25微米的銅膜在孔壁上。這種厚度的銅膜需要通過電鍍來實現，但是孔壁是由不導電的環氧樹脂和玻璃纖維板組成。
所以第一步就是先在孔壁上堆積一層導電物質，通過化學沉積的方式在整個PCB表面，也包括孔壁上形成1微米的銅膜。整個過程比如化學處理和清洗等都是由機器控制的。
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外層PCB布局轉移
接下來會將外層的PCB布局轉移到銅箔上，過程和之前的內層芯板PCB布局轉移原理差不多，都是利用影印的膠片和感光膜將PCB布局轉移到銅箔上，唯一的不同是將會採用正片做板。 內層PCB布局轉移採用的是減成法，採用的是負片做板。PCB上被固化感光膜覆蓋的為線路，清洗掉沒固化的感光膜，露出的銅箔被蝕刻後，PCB布局線路被固化的感光膜保護而留下。 外層PCB布局轉移採用的是正常法，採用正片做板。PCB上被固化的感光膜覆蓋的為非線路區。清洗掉沒固化的感光膜後進行電鍍。有膜處無法電鍍，而沒有膜處，先鍍上銅後鍍上錫。退膜後進行鹼性蝕刻，最後再退錫。線路圖形因為被錫的保護而留在板上。
將PCB用夾子夾住，將銅電鍍上去。之前提到，為了保證孔位有足夠好的導電性，孔壁上電鍍的銅膜必須要有25微米的厚度，所以整套系統將會由電腦自動控制，保證其精確性。
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外層PCB蝕刻
接下來由一條完整的自動化流水線完成蝕刻的工序。首先將PCB板上被固化的感光膜清洗掉。然後用強鹼清洗掉被其覆蓋的不需要的銅箔。再用退錫液將PCB布局銅箔上的錫鍍層退除。清洗乾淨後4層PCB布局就完成了。
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