PCB线路板制造材料与制成分析重要学习

PCB是如何制造出来的[转帖]作者将以一名PCB从业者兼电脑爱好者的身份，带您进入PCB的生产王国，来一次实地探访。

我们将以PCB的制造流程为顺序，向你揭开PCB的奥秘。

印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)几乎会出现在每一种电子设备当中。

它是所有电子设备的载体，计算机内部到处都有PCB的身影，从主板、显卡、声卡到内存载板、CPU载板再到硬盘控制电路板、光驱控制电路板等。

小到日常生活中的家用电器、手机、PDA、数码相机，大到车载电子设备，飞机上使用的航空电子产品、卫星火箭上高可X性电子设备。

生活在信息时代的我们天天都在和PCB 打交道，身为电脑爱好者的我们又时刻谈论着PCB。

但是PCB的是如何制造出来的呢？制造它们的设备是什么样子？尤为重要的是，从哪些方面来评价一块板卡的做工好坏？现在，让我们带着这三个问题，开始我们的PCB之旅。

PCB的实际制造过程是在PCB工厂里完成的，工厂是不管设计的，设计工作由专门的公司进行，它们的设计结果叫做原理图，原理图再由专业的布线公司进行线路图的设计，得到的线路图就被交到PCB工厂制作。

工厂的任务就是将工作站中的线路图变成现实中的实物板。

从图纸到实物板的过程有哪些呢？总体来说有三个过程：第一，生产工具(Tooling)的准备；第二，具体生产过程；第三，品质检验(VI、电测)。

但无论是生产加工，还是品质控制都是围绕生产过程进行的。

所以我们重点介绍PCB板的生产过程。

一、生产过程中要涉及到的基本概念1.重要的原始物料●基板PCB板的原始物料是覆铜基板，简称基板。

基板是两面有铜的树脂板。

现在最常用的板材代号是FR-4。

FR-4主要用于计算机、通讯设备等档次的电子产品。

对板材的要求：一是耐燃性，二是Tg点，三是介电常数。

电路板必须耐燃，在一定温度下不能燃烧，只能软化。

这时的温度点就叫做玻璃态转化温度(Tg点)，这个值关系到PCB板的尺寸安定性。

在高阶应用中，客户有时会对板材的Tg点进行规定。

介电常数是一个描述物质电特性的量，在高频线路中，信号的介质损失(PL)与基板材料有关，具体而言与介质的介电常数的平方根成正比。

介质损失大，则吸收高频信号、转变为热的作用就越大，导致不能有效地传送信号。

除FR-4树脂基板外，在诸如电视、收音机等较为简单的应用中酚醛纸质基板用得也很多。

我们来看看基板的构成。

基板由基材和铜箔组成，FR-4基材是树脂加玻纤布，玻纤布就是玻璃纤维的织物，将玻纤布在液态的树脂中浸沾，再压合硬化得到基材。

在高分子化学中，将树脂的状态分为a-stage、b-stage、c-stage三种状态，处于a-stage的树脂分子间没有紧密的化学键，呈流动态；b-stage时分子与分子之间化学键不多，在高温高压下还会软化，进而变成c-stage；c-stage是树脂化学结构最为稳定的状态，呈固态，分子间的化学键增多，物理化学性质就非常稳定。

我们使用的电路板基材就是由处于b-stage的树脂构成。

而基板是将处于b-stage的基材与铜箔热压在一起。

这时的树脂就处于稳定的c-stage了。

●铜箔铜箔是在基板上形成导线的导体，铜箔的制造过程有两种方法：压延与电解。

压延就是将高纯度铜材像擀饺子皮那样压制成厚度仅为1密耳(相当于0.0254mm)的铜箔。

电解铜箔的制作方法是利用电解原理，使用一个巨大的滚动金属轮作为阴极，CuSo4作为电解液，使纯铜在滚动的金属轮上不断析出，形成铜箔。

铜箔的规格是厚度，PCB厂常用的铜箔厚度在0.3～3.0密耳之间。

●PPPP是多层板制作中不可缺少的原料，它的作用就是层间的粘接剂。

简单地说，处于b-stage的基材薄片就叫做PP。

PP的规格是厚度与含胶(树脂)量。

●干膜感光干膜简称干膜，主要成分是一种对特定光谱敏感而发生光化学反应的树脂类物质。

实用的干膜有三层，感光层被夹在上下两层起保护作用的塑料薄膜中。

按感光物质的化学特性分类，干膜有两种，光聚合型与光分解型。

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，而光分解性恰好相反。

●防焊漆防焊漆实际上是一种阻焊剂，是对液态的焊锡不具有亲和力的一种液态感光材料，它和感光干膜一样，在特定光谱的光照射下会发生变化而硬化。

使用时，防焊漆中还要和硬化剂搅拌在一起使用。

防焊漆也叫油墨。

我们通常见到的PCB板的颜色实际上就是防焊漆的颜色。

●底片我们讲的底片类似于摄影的底片，都是利用感光材料记录图像的材料。

客户将设计好的线路图传到PCB工厂，由CAM中心的工作站将线路图输出，但不是通过常见的打印机，而是光绘机(Plotter，图1)，它的输出介质就是底片也叫菲林(film)。

胶片曝光的地方呈黑色不透光，反之是透明的。

底片在PCB工厂中的作用是举足轻重的，所有利用影像转移原理，要做到基板上的东西，都要先变成底片。

2.PCB板的组成让我们认识一下手中的电路板。

从制造者的角度讲，线路板是分层的，夹在内部的是内层，露在外面可以焊接各种配件的叫做外层。

无论内层外层都是由导线、孔和PAD组成。

导线就是起导通作用的铜线；孔分为导通孔(Plating hole)与不导通孔(None Plating hole)，分别简称为PT和NP。

PT孔包括插IC引脚的零件孔(Component hole)与连接不同层间的过孔(Via hole)，PT孔的孔壁上有铜作为导通介质；NP孔包括固定板卡的机械孔等，孔壁无铜。

PAD是对PT孔周围的铜环和IC引脚在板面上的焊垫的统称。

另外，电路板的两面习惯叫做Comp面和Sold 面。

这是因为电路板的一面总是会作为各种电子元件的安装面。

3.影像转移电路板上的线路是如何做出来的？底片上的线路为什么能变成电路板上实实在在的铜呢？这个过程就是通过影像转移即利用感光材料来把图形从一种介质转移到另一种介质上。

以内层线路制作为例：基板上先要压上一层感光干膜，干膜上再覆盖上底片，接着曝光，揭开底片看干膜，被光照的地方与未被光照的地方迥然不同。

对光聚合型干膜，受光照的地方颜色变深，意味着已经硬化(光聚合反应的结果)，再经过显影(使用碳酸钠溶液洗去未硬化干膜)，原本底片上透明的地方，干膜就得以保留，而原来底片上是黑黑的地方，干膜由于未被硬化，所以被显影掉了。

再使用蚀铜液(腐蚀铜的化学药品)对基板进行蚀刻，没有干膜保护的铜就全军覆没，而干膜下的铜面则被保留。

如果我们的底片上使用无色透明来代表线路与有铜区，使用黑色来代表无铜区，经过曝光、显影、蚀刻，底片上的影像就转移到基板上来了(图2)。

总的结果就是，CAM工作站中的线路图经Plotter输出转移到底片上，再经过上述过程转移到基板上。

影像转移的方法在PCB厂中应用广泛，不仅在制作线路时，而且在制作防焊、网版等需要精确控制图形的场合都有其用武之地。

4、加层法制造多层板多层板是如何制造的呢？我们知道，电路板是分层的，计算机中的板卡既有双面板，又有多层板，例如大多数主板是四、六层板(现在以四层居多，主要是为了降低成本)。

双面板的做法比较好想象，基板自然拥有两面，而多层板则是将多片双面板“粘”结在一起。

以四层板为例，先用一块基板，制造一、二层，再使用一块基板制造三、四层，然后再将这两块合成一块四层板。

如何粘接呢？粘结剂是前面提到的原始物料——PP，在压合机高温高压环境的帮助下，PP先软化后硬化，从b-stage变成c-stage使两块双面板合二为一。

也可以先制造位于内部的二、三层，在压合前，二、三层板外面覆盖PP，再覆盖铜箔，然后压合，也同样得到四层板。

这种不同叫做叠板结构的选择。

这种多层板的制造方法就叫做加层法。

要告诉大家的是，从外表上是可以分辨一块板子是双面板还是多层板的，但不可能分辨出来一片多层板到底有多少层，对于多层板你会透过一些没有涂布防焊漆的基板区域看到板子内部是黑乎乎的，那就是内层的颜色。

后面会解释里面为什么是黑色的。

二、PCB生产过程一瞥现代PCB的生产，涉及到化工、电子、计算机、机械和印刷等多方面技术设备。

生产过程冗长而复杂，每一个环节详论起来都会有洋洋万言的论文甚至专著。

所以这里的介绍只能称之为“一瞥”。

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。

我们的旅行从下料开始。

1、下料下料就是针对某个料号(注1)的板子为其准备生产资料。

包括裁板、裁PP、铜箔木垫板等物料。

裁板就是将大张的标准规格基板裁切成料号制作资料(注2)中制定的wpnl(注3)尺寸。

裁板使用裁板机，这东西本来是木工机械，现在也被应用到电子产业中来了。

2.内层制作由于内层被“夹”在板子中间，所以多层板必须先做内层线路。

我们已经知道了线路是通过影像转移制作的，现在让我们稍微详细一点了解内层线路的制作流程(制程)。

由于线路制作中有很多后续制程都会用到这种概念，所以这里介绍得多一些。

内层板的制作分前处理→无尘室→蚀刻线→AOI检验四个小步骤。

●前处理线这是以后各个站别都要经过的处理步骤，总体来讲其作用是清洁板子表面，避免因为手指油脂或灰尘给以后的压膜带来不良影响。

内层前处理线有一个重要的作用就是将原本相对光滑的铜面微蚀成相对粗糙以利于与干膜的结合。

前处理使用的清洁液与微蚀液是硫酸加双氧水(H2SO4＋H2O2)，这是后面各制程前处理线通用的经典配方。

●无尘室经过前处理的wpnl一块块由传送带进入无尘室。

干嘛？压膜、曝光去！先介绍一下无尘室，在电路图形转移过程中，对工作室的洁净程度要求非常高，至少要在万级无尘室(注4)中进行压膜曝光工作。

为确保图形转移的高质量，还要保证室内工作条件，控制室内温度在21±1℃、相对湿度55%～60%，这是为了保证板子和底片的尺寸稳定。

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。

从影像转移概念我们知道，必须先在基板上贴上一层干膜，这个任务就由压膜机(图3)完成。

压膜机是一台非常聪明的机器，只需要调整压膜辊轮的压力，它就会自动根据wpnl的大小与厚度自己裁切干膜。

干膜是三层结构，压膜机压膜时会自动将与板面结合的一侧mylay(就是塑料薄膜)膜撕下来。

压好膜的板子去对片曝光，对片就是将底片覆在板子上，之所以叫做对片，是因为一块板子有两面，其间有孔连接，孔周围有PAD。

对片的目的就是保证Comp和Sold面的同一个孔的PAD 保持圆心基本重合。

术语叫做对准度(注5)。

基板和底片的涨缩也会影响对准度。

压膜后的wpnl应尽快曝光，因为感光干膜有一定保质期。

曝光使用曝光机(图4)，曝光机内部会发射高强度UV光(紫外光)，照射覆盖着底片与干膜的基板，通过影像转移，曝光后底片上的影像就会反转转移到干膜上。