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PCB是如何製造出來的?(一)文/圖 mentalman 作者將以一名PCB從業者兼電腦愛好者的身份，帶您進入PCB的生産王國，來一次實地探訪。我們將以PCB的製造流程爲順序，向你揭開PCB的奧秘。 印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)幾乎會出現在每一種電子設備當中。它是所有電子設備的載體，電腦內部到處都有PCB的身影，從主板、顯卡、音效卡到記憶體載板、CPU載板再到硬碟控制電路板、光碟機控制電路板等。小到日常生活中的家用電器、手機、PDA、數碼相機，大到車載電子設備，飛機上使用的航空電子産品、衛星火箭上高可靠性電子設備。生活在資訊時代的我們天天都在和PCB打交道，身爲電腦愛好者的我們又時刻談論著PCB。但是PCB的是如何製造出來的呢？製造它們的設備是什麽樣子？尤爲重要的是，從哪些方面來評價一塊板卡的做工好壞？現在，讓我們帶著這三個問題，開始我們的PCB之旅。 PCB的實際製造過程是在PCB工廠裏完成的，工廠是不管設計的，設計工作由專門的公司進行，它們的設計結果叫做原理圖，原理圖再由專業的佈線公司進行線路圖的設計，得到的線路圖就被交到PCB工廠製作。工廠的任務就是將工作站中的線路圖變成現實中的實物板。 從圖紙到實物板的過程有哪些呢？ 總體來說有三個過程：第一，生産工具(Tooling)的準備；第二，具體生産過程；第三，品質檢驗(VI、電測)。但無論是生産加工，還是品質控制都是圍繞生産過程進行的。所以我們重點介紹PCB板的生産過程。 一、生産過程中要涉及到的基本概念1.重要的原始物料基板 PCB板的原始物料是覆銅基板，簡稱基板。基板是兩面有銅的樹脂板。現在最常用的板材代號是FR-4。FR-4主要用於電腦、通訊設備等檔次的電子産品。對板材的要求：一是耐燃性，二是Tg點，三是介電常數。電路板必須耐燃，在一定溫度下不能燃燒，只能軟化。這時的溫度點就叫做玻璃態轉化溫度(Tg點)，這個值關係到PCB板的尺寸安定性。在高階應用中，客戶有時會對板材的Tg點進行規定。介電常數是一個描述物質電特性的量，在高頻線路中，信號的介質損失(PL)與基板材料有關，具體而言與介質的介電常數的平方根成正比。介質損失大，則吸收高頻信號、轉變爲熱的作用就越大，導致不能有效地傳送信號。除FR-4樹脂基板外，在諸如電視、收音機等較爲簡單的應用中酚醛紙質基板用得也很多。我們來看看基板的構成。基板由基材和銅箔組成，FR-4基材是樹脂加玻纖布，玻纖布就是玻璃纖維的織物，將玻纖布在液態的樹脂中浸沾，再壓合硬化得到基材。在高分子化學中，將樹脂的狀態分爲a-stage、b-stage、c-stage三種狀態，處於a-stage的樹脂分子間沒有緊密的化學鍵，呈流動態；b-stage時分子與分子之間化學鍵不多，在高溫高壓下還會軟化，進而變成c-stage；c-stage是樹脂化學結構最爲穩定的狀態，呈固態，分子間的化學鍵增多，物理化學性質就非常穩定。我們使用的電路板基材就是由處於b-stage的樹脂構成。而基板是將處於b-stage的基材與銅箔熱壓在一起。這時的樹脂就處於穩定的c-stage了。銅箔 銅箔是在基板上形成導線的導體，銅箔的製造過程有兩種方法：壓延與電解。 壓延就是將高純度銅材像擀餃子皮那樣壓制成厚度僅爲1密耳(相當於0.0254mm)的銅箔。電解銅箔的製作方法是利用電解原理，使用一個巨大的滾動金屬輪作爲陰極，CuSo4作爲電解液，使純銅在滾動的金屬輪上不斷析出，形成銅箔。銅箔的規格是厚度，PCB廠常用的銅箔厚度在0.33.0密耳之間。PP PP是多層板製作中不可缺少的原料，它的作用就是層間的粘接劑。簡單地說，處於b-stage的基材薄片就叫做PP。PP的規格是厚度與含膠(樹脂)量。 幹膜 感光幹膜簡稱幹膜，主要成分是一種對特定光譜敏感而發生光化學反應的樹脂類物質。實用的幹膜有三層，感光層被夾在上下兩層起保護作用的塑膠薄膜中。按感光物質的化學特性分類，幹膜有兩種，光聚合型與光分解型。光聚合型幹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，而光分解性恰好相反。 防焊漆 防焊漆實際上是一種阻焊劑，是對液態的焊錫不具有親和力的一種液態感光材料，它和感光幹膜一樣，在特定光譜的光照射下會發生變化而硬化。使用時，防焊漆中還要和硬化劑攪拌在一起使用。防焊漆也叫油墨。我們通常見到的PCB板的顔色實際上就是防焊漆的顔色。 底片 我們講的底片類似於攝影的底片，都是利用感光材料記錄圖像的材料。客戶將設計好的線路圖傳到PCB工廠，由CAM中心的工作站將線路圖輸出，但不是通過常見的印表機，而是光繪機(Plotter，圖1)，它的輸出介質就是底片也叫菲林(film)。膠片曝光的地方呈黑色不透光，反之是透明的。底片在PCB工廠中的作用是舉足輕重的，所有利用影像轉移原理，要做到基板上的東西，都要先變成底片。 2.PCB板的組成讓我們認識一下手中的電路板。從製造者的角度講，線路板是分層的，夾在內部的是內層，露在外面可以焊接各種配件的叫做外層。無論內層外層都是由導線、孔和PAD組成。導線就是起導通作用的銅線；孔分爲導通孔(Plating hole)與不導通孔(None Plating hole)，分別簡稱爲PT和NP。PT孔包括插IC引腳的零件孔(Component hole)與連接不同層間的過孔(Via hole)，PT孔的孔壁上有銅作爲導通介質；NP孔包括固定板卡的機械孔等，孔壁無銅。PAD是對PT孔周圍的銅環和IC引腳在板面上的焊墊的統稱。另外，電路板的兩面習慣叫做Comp面和Sold面。這是因爲電路板的一面總是會作爲各種電子元件的安裝面。3.影像轉移 電路板上的線路是如何做出來的？底片上的線路爲什麽能變成電路板上實實在在的銅呢？這個過程就是通過影像轉移即利用感光材料來把圖形從一種介質轉移到另一種介質上。以內層線路製作爲例：基板上先要壓上一層感光幹膜，幹膜上再覆蓋上底片，接著曝光，揭開底片看幹膜，被光照的地方與未被光照的地方迥然不同。對光聚合型幹膜，受光照的地方顔色變深，意味著已經硬化(光聚合反應的結果)，再經過顯影(使用碳酸鈉溶液洗去未硬化幹膜)，原本底片上透明的地方，幹膜就得以保留，而原來底片上是黑黑的地方，幹膜由於未被硬化，所以被顯影掉了。再使用蝕銅液(腐蝕銅的化學藥品)對基板進行蝕刻，沒有幹膜保護的銅就全軍覆沒，而幹膜下的銅面則被保留。如果我們的底片上使用無色透明來代表線路與有銅區，使用黑色來代表無銅區，經過曝光、顯影、蝕刻，底片上的影像就轉移到基板上來了(圖2)。總的結果就是，CAM工作站中的線路圖經Plotter輸出轉移到底片上，再經過上述過程轉移到基板上。影像轉移的方法在PCB廠中應用廣泛，不僅在製作線路時，而且在製作防焊、網版等需要精確控制圖形的場合都有其用武之地。 4、加層法製造多層板多層板是如何製造的呢？我們知道，電路板是分層的，電腦中的板卡既有雙面板，又有多層板，例如大多數主板是四、六層板(現在以四層居多，主要是爲了降低成本)。雙面板的做法比較好想象，基板自然擁有兩面，而多層板則是將多片雙面板“粘”結在一起。以四層板爲例，先用一塊基板，製造一、二層，再使用一塊基板製造三、四層，然後再將這兩塊合成一塊四層板。如何粘接呢？粘結劑是前面提到的原始物料PP，在壓合機高溫高壓環境的幫助下，PP先軟化後硬化，從b-stage變成c-stage使兩塊雙面板合二爲一。也可以先製造位於內部的二、三層，在壓合前，二、三層板外面覆蓋PP，再覆蓋銅箔，然後壓合，也同樣得到四層板。這種不同叫做疊板結構的選擇。這種多層板的製造方法就叫做加層法。要告訴大家的是，從外表上是可以分辨一塊板子是雙面板還是多層板的，但不可能分辨出來一片多層板到底有多少層，對於多層板你會透過一些沒有塗佈防焊漆的基板區域看到板子內部是黑乎乎的，那就是內層的顔色。後面會解釋裏面爲什麽是黑色的。 二、PCB生産過程一瞥現代PCB的生産，涉及到化工、電子、電腦、機械和印刷等多方面技術設備。生産過程冗長而複雜，每一個環節詳論起來都會有洋洋萬言的論文甚至專著。所以這裏的介紹只能稱之爲“一瞥”。一家典型的PCB工廠其生産流程如下所示：下料內層製作壓合鑽孔鍍銅外層製作防焊漆印刷文字印刷表面處理外形加工。我們的旅行從下料開始。1、下料下料就是針對某個料號(注1)的板子爲其準備生産資料。包括裁板、裁PP、銅箔木墊板等物料。裁板就是將大張的標準規格基板裁切成料號製作資料(注2)中制定的wpnl(注3)尺寸。裁板使用裁板機，這東西本來是木工機械，現在也被應用到電子産業中來了。2.內層製作由於內層被“夾”在板子中間，所以多層板必須先做內層線路。我們已經知道了線路是通過影像轉移製作的，現在讓我們稍微詳細一點瞭解內層線路的製作流程(制程)。由於線路製作中有很多後續制程都會用到這種概念，所以這裏介紹得多一些。內層板的製作分前處理無塵室蝕刻線AOI檢驗四個小步驟。 前處理線 這是以後各個站別都要經過的處理步驟，總體來講其作用是清潔板子表面，避免因爲手指油脂或灰塵給以後的壓膜帶來不良影響。內層前處理線有一個重要的作用就是將原本相對光滑的銅面微蝕成相對粗糙以利於與幹膜的結合。前處理使用的清潔液與微蝕液是硫酸加雙氧水(H2SO4H2O2)，這是後面各制程前處理線通用的經典配方。 無塵室 經過前處理的wpnl一塊塊由傳送帶進入無塵室。幹嘛？壓膜、曝光去！先介紹一下無塵室，在電路圖形轉移過程中，對工作室的潔淨程度要求非常高，至少要在萬級無塵室(注4)中進行壓膜曝光工作。爲確保圖形轉移的高質量，還要保證室內工作條件，控制室內溫度在211、相對濕度55%60%，這是爲了保證板子和底片的尺寸穩定。因爲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。只有整個生産過程中都在相同的溫濕度下，才能保證板子和底片不會發生漲縮現象，所以現在的PCB工廠中生産區都裝有中央空調控制溫濕度。 從影像轉移概念我們知道，必須先在基板上貼上一層幹膜，這個任務就由壓膜機(圖3)完成。壓膜機是一台非常聰明的機器，只需要調整壓膜輥輪的壓力，它就會自動根據wpnl的大小與厚度自己裁切幹膜。幹膜是三層結構，壓膜機壓膜時會自動將與板面結合的一側mylay(就是塑膠薄膜)膜撕下來。壓好膜的板子去對片曝光，對片就是將底片覆在板子上，之所以叫做對片，是因爲一塊板子有兩面，其間有孔連接，孔周圍有PAD。對片的目的就是保證Comp和Sold面的同一個孔的PAD保持圓心基本重合。術語叫做對準度(注5)。基板和底片的漲縮也會影響對準度。 壓膜後的wpnl應儘快曝光，因爲感光幹膜有一定保質期。曝光使用曝光機(圖4)，曝光機內部會發射高強度UV光(紫外光)，照射覆蓋著底片與幹膜的基板，通過影像轉移，曝光後底片上的影像就會反轉轉移到幹膜上。曝光機曝光前要抽真空，這是爲了避免氣泡引起折射。同時灰塵顆粒也會引起折射，大家知道，折射的光就是偏離了直線傳播的光，這必然會導致轉移到幹膜上的線路圖失真。更爲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，之所以壓膜曝光一定要在無塵室中完成就是出於這個原因。萬級無塵室是標準配置，如果生産高精密度的電路板，更高級別的無塵室也是必須的，雖然造價高昂(例如IC工廠的無塵室)。無塵室的燈光是黃色的，這是爲什麽？原來感光幹膜對黃光不敏感，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一個道理。蝕刻線曝光完成後的板子經過靜置，就進入蝕刻線。蝕刻線分爲三個部分：顯影段、蝕刻段和剝膜段。長長的生產線有數十個槽體。槽內有上下兩排管道噴頭給從傳送帶上經過的wpnl“沖淋浴”。在各個槽內的“淋浴液”不同，分別完成各自的任務。讓我們一步步地看看到底蝕刻線是怎麽工作的。首先，在顯影段中使用碳酸鈉溶液作爲浴液進行顯影。碳酸鈉溶液將沒有受到紫外光照射而發生變化的幹膜溶解並沖洗掉。其次，顯影後的板子在進入蝕刻段前要經過純水沖洗以防止將顯影液帶進蝕刻槽。這也是後面所有多功能的生產線各個功能部分之間連接的方式。蝕刻段是這條生產線的核心。蝕刻槽的浴液是CuCl2+HCl+H2O2。業餘愛好者常用的蝕刻液FeCl3由於環保和效率的原因早已不用了。由於藥品在生産過程中有消耗，必須隨時添加，保持一定濃度。這個艱巨的工作由一套全自動藥液濃度控制裝置完成(AQUA)。蝕刻液將沒有被幹膜覆蓋而裸露的銅腐蝕掉。板子過了蝕刻段，就算影像轉移的大局已定。底片上的透明區現在對應有銅。一般的PCB工廠的蝕刻線製作極限是4/4，即線寬/線間距分別是4密耳。超過這個限制則報廢率大增，成本太高。現在我們的筆記本電腦主板上就有大量的4/4線路。出了蝕刻槽，覆蓋在板子上的幹膜已經無用了，所以最後用熱NaOH溶液噴淋板子剝膜。將硬化的幹膜溶掉。顯微鏡下的蝕刻線路邊緣絕非平直，其縱向切面也不是矩形，而是梯形。邊緣不平直是由於幹膜和板面的結合不會絕對嚴密，而蝕刻液蝕銅是全方位的，不僅在縱深上蝕銅，而且也腐蝕線路的側面，這樣造成切面不是矩形而是有一定的梯度。同時使線路的寬度較底片上的寬度細了。這就是爲什麽要有CAM補償的原因(在下期本文的後半部分中還會有介紹)。 AOI檢驗 出了內層蝕刻線的板子必須經過嚴格的檢驗以將問題消滅在早期。PCB的生産過程也是一個價值不斷增長的過程，越到後面報廢一塊板子的代價越大，所以多層板的內層線路製作品質必須儘量完美。但人是不可能做到的，這裏我們使用一種機器叫做AOI(Automatic Optical Inspection，自動光學檢驗)來進行裸板外觀品質測試。AOI是集光學、電腦圖形識別、自動控制多學科於一身的高技術産品(圖5)。它的內部存有上百種板面缺陷的圖樣特徵。工作時操作人員先將待檢板固定在機臺上，AOI會用鐳射定位器精確定位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的線路製作是否有問題。像常見的線路缺口、短斷路、蝕刻不全等都可以憑藉AOI找出來。AOI可以指出問題類型以及在板子上的位置。核心是它的分析軟體。AOI設備在整個微電子産業中都大有用武之地，在IC生産中也同樣需要類似設備(因爲IC就是微縮的線路板嘛)。AOI技術的世界領跑者是以色列人，之所以這樣據說是因爲以色列處於阿拉伯各國環視之中，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展時，電子工業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爲是PCB工廠品管嚴格的象徵，由於採用AOI後可有效地提高成品率，防止産品報廢，對於多層板生産還是十分合算的，所以現在AOI設備也是PCB廠的必備裝置了。3.壓合根據前面我們敍述的概念，壓合是將單張的內層基板以PP作仲介再加上銅箔結合成多層板。這套工作由壓合機替我們完成。 黑化正式進壓合機前有一步工作黑氧化。幹什麽呢？既然我們的目的是將基板與PP緊密結合在一起，與內層前處理相同，我們有必要將兩者的表面弄得粗糙一點以增加接觸面積，而PP爲樹脂，化學性質穩定，我們只有打內層基板的主意。使用與內層前處理段使用過的辦法，即用強氧化劑將內層板面上的銅氧化使其表面粗糙，由於氧化銅的顔色是黑色的，所以這道工序又叫做黑化。這就是多層板的內層從表面看上去是黑色的緣故。黑化後的銅，微觀上是一根根尖尖的晶針。這可以刺入PP中加強基板和PP間的結合力。 壓合 黑化後的內層要用人工將屬於同一塊多層板(當然是指有不止一塊內層的多層板)的基板用鉚釘鉚在一起。當然中間要隔上PP。然後在外面再放上PP，再加銅箔。完了嗎？沒有，可不能這樣上壓合機，還要將這一疊板子放在表面非常光滑的鋼板(鏡板)中間，這樣來防止嬌嫩的銅箔被雜物劃傷。前面的工作都叫做疊板。疊好的板子會被自動運輸車運送上壓合機，壓合機會按照設定好的參數壓合，然後板子會被自動送下來，整個過程自動化程度很高(圖6)。壓合機是一個密閉的金屬桶，裏面有由下而上由多個託盤組成的夾層，板子就放在這些夾層裏。這些託盤都是熱板，裏面裝著滾燙的油，油溫受電腦控制。最下方的託盤下有一個液壓機械臂向上舉重似的給上面的所有板子以壓力，壓力的大小也是可控的。現代的壓合機內部會被抽成真空，以防止熔融的PP中出現氣泡而影響層間結合力，同時有助於熔融樹脂的均勻分佈。爲什麽溫度與壓力都是可控的呢？因爲板子的厚度和壓合質量就取決於這兩個因素以及壓合時間。工程師會根據客戶需要，設定好各項參數，編制成爲壓合程式。整個壓合過程除了疊板需要人力之外基本上自動化設備包辦一切，人工被最大限度地減少。層間滑移是高層板(超過10層)壓合的大忌，大家想一下，壓合在一起的內層板越多，層與層之間相對偏移的可能性就越大。這就是高層板不易製作的一個原因。 4.鑽孔我們的PCB不能沒有孔，孔要靠鑽孔機鑽出來。鑽孔機是一種精密數控機床。鑽床(圖7)上有多組鑽頭(術語叫做Spindle)，像日本日立精工的鑽機有六個Spindle。鑽頭在電腦的控制下可以在平面內精確定位，精度(真位度)在3密耳。鑽孔機工作依靠鑽孔程式(注6)，鑽孔程式告訴鑽孔機的Spindle使用直徑多大的鑽頭，應該在板子的哪個座標位置上鑽。操作手只要將板子固定在鑽孔機內的平臺上，調入正確的鑽孔程式，按動開始鍵就OK了。鑽孔需要的時間由孔數與孔徑決定，孔數越多，孔徑越小，耗時就越長。孔徑越小，則鑽針越細，所以進刀速與退刀速不能過快，否則容易斷針，即鑽頭斷在板子裏。現在的電子産品向小型化方向發展，孔徑也越來越小，10密耳(相當於0.25mm)的Via hole已十分平常。仔細觀察PC主板，那些細小的小點就是被防焊漆封住的Via hole，多數直徑就是10密耳左右。鑽孔工段通常是PCB廠的産能瓶頸之一，一台鑽機鑽一批板子平均大概需要1小時左右，多則數小時，一批也就十幾塊，而機器的數目是固定的，在大量産的情況下，生産調度的安排就很重要了。所以PCB廠的鑽孔車間總是燈火通明機器轟鳴一派繁忙景象。另外擁有鑽孔機的數目也是PCB工廠規模的象徵，大廠一般都擁有幾十台至上百台鑽孔機。要知道這種機床單台國內售價就在百萬元上下。隨著現代電子産品日益向小型化、高集成、高性能的趨勢發展，對鑽孔的孔徑要求越來越小，鑽孔精度越來越高，超短槽孔及長的槽孔等異形孔也越來越多。非圓形孔統稱異形孔，是生産中最讓人頭痛的東西，在機械鑽孔中碰到有短槽孔或長的槽孔時，不但嚴重影響生産效率且生産成本一下提高一半，可謂苦不堪言。因爲槽孔不是一下子鑽好的，而是一點一點地鑽掉板材達到目的，當然又慢又容易報廢還非常耗費昂貴的微型鑽針。在主板上常見的一種像8字的槽孔，是讓用戶往機箱上固定時用的，這種孔就只能一點一點地鑽出來，非常難過。由於機械鑽孔的能力限制，現在出現了採用新技術的鐳射鑽孔機，它具有快速、精准的優點，最小鑽孔徑可達1密耳量級，是專爲生産類似CPU載板等高階板子而産生的，在PCB大廠中已經得到應用。當然其價格也遠非數控機械鑽床所能比擬，即使是世界級的大廠，也以擁有鐳射鑽機爲榮。鑽孔後有一項品檢就是內層孔偏(注7)的檢驗，理論上講每一處PT孔都應該位於內層PAD的中間。但一則前面壓合有層偏，二則鑽孔機有一定對位精度，所以總會有偏差。利用X射線成像觀察內層孔偏