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PCB常规制造工艺指南

2019-07-25 10:36:18 516

PCB制造工艺

印刷电路板(PCB)充当关键的几乎所有当今的现代电子技术。如果设备需要进行某种计算 - 例如即使是像数字时钟这样的简单项目 - 也就是说它内部有一块PCB。PCB通过在需要满足所有设备电子要求的地方布置电信号,将电子设备变为现实。为此,PCB铺设了迹线中描绘的路径网络。正是这些铜路径允许PCB在其表面周围引导电流。

有三种主要类型的电路板可以一致地制造,因此了解每种电路板之间的差异非常重要,这样您就可以根据需要确定合适的电路板。目前制造的三种主要类型的电路板是:

 

  • 单面电路板:这些电路板采用FR4基板制成时,采用玻璃环氧树脂材料制成的刚性层压板,然后在一面覆盖铜涂层,涂层厚度根据应用的不同而不同

 

  • 双面电路板:双面电路板与单面电路板具有相同的编织玻璃环氧树脂基板 - 但是,对于双面电路板,电路板两侧都有铜涂层,厚度也各不相同取决于应用程序

 

  • 多层板它们使用与单面和双面板相同的基材,但是用铜箔代替铜涂层制成 - 铜箔用于制造“层”,在基材和铜箔之间交替,直到达到所需层数。

 

现在您已经了解了可用的基本PCB类型,我们将逐步介绍PCB的基本解剖结构,以便更好地熟悉它,然后再介绍如何构建PCB。

什么是PCB的部件?

PCB有四个主要部分:

 

  • 基材:第一个,也是最重要的是基材,通常由玻璃纤维制成。使用玻璃纤维是因为它为PCB提供了核心强度并有助于防止破损。将基板视为PCB的“骨架”。

 

  • 铜层:根据电路板类型,该层可以是铜箔或全铜涂层。无论使用哪种方法,铜的点仍然是相同的 - 从PCB传送电信号,就像你的神经系统在你的大脑和肌肉之间传递信号一样。

 

  • 焊接掩模: PCB的第三块是焊接掩模,它是一层聚合物,有助于保护铜,使其不会与环境接触而短路。通过这种方式,焊接掩模充当PCB的“皮肤”。

 

  • 丝网印刷:   所述电路板的最后一部分是丝印。丝网通常位于电路板的元件侧,用于显示部件号,徽标,符号开关设置,元件参考和测试点。丝网印刷也可称为图例或命名法。

现在我们已经了解了PCB和PCB解剖学的基础知识,我们将介绍如何构建PCB的整个过程。


PCB是如何制造的?

 

PCB制造过程的步骤如下:

 

第一步:设计PCB

 

当然,任何PCB制造的开始步骤都是设计。PCB制造和设计总是从一个计划开始:设计师为PCB提供了满足所列要求的所有要求的蓝图。PCB设计人员使用的最常用的设计软件。

一旦设计师完成检查,就将完成的PCB设计发送到PCB制造厂,以便可以构建PCB。到达后,PCB设计计划将由制造商进行第二次检查,称为制造设计(DFM)检查。适当的DFM检查确保PCB设计至少满足制造所需的公差。


第二步:打印PCB设计

 

完成所有检查后,可以打印PCB设计。与其他计划(如建筑图纸)不同,PCB计划不会在常规的8.5 x 11纸张上打印。相反,使用一种特殊类型的打印机,称为绘图仪打印机。绘图仪打印机制作PCB的“胶片”。这部“电影”的最终产品看起来很像以前在学校使用的透明胶片 - 它本质上是电路板本身的照片底片。

 

PCB的内层用两种墨水颜色表示:

 

  • 黑色墨水:用于PCB的铜迹线和电路

 

  • 透明油墨:表示PCB的非导电区域,如玻璃纤维基底

 

在PCB设计的外层,这种趋势是相反的 - 透明墨水指的是铜线路线,但黑色墨水也指铜线将被移除的区域。

 

每个PCB层和随附的焊接掩模都有自己的薄膜,因此简单的双层PCB需要四个 - 每层一个,每个一个用于附带的焊接掩模。

 

在胶片被打印之后,它们被排成一排并且穿过它们被称为定位孔的孔。对准孔用作引导以在稍后的过程中对准膜。

 

第三步:打印内层铜

 

第三步是制造商开始制造PCB的过程的第一步。在将PCB设计印刷到一块层压板上之后,然后将铜预粘合到同一块层压板上,该层压板用作PCB的结构。然后将铜蚀刻掉以显示之前的蓝图。

 

接下来,层压板被称为抗蚀剂的一种光敏膜覆盖。抗蚀剂由一层光反应性化学物质制成,这些化学物质在暴露在紫外线下后会变硬。抗蚀剂使技术人员能够在蓝图的照片和打印到光刻胶上的照片之间实现完美匹配。

 

一旦抗蚀剂和层压板排成一线 - 使用之前的孔 - 它们就会受到紫外线的冲击。紫外光穿过薄膜的半透明部分,使光致抗蚀剂硬化。这表示铜的区域应保留为通路。相反,黑色墨水可防止任何光线进入不应硬化的区域,以便以后可以将其移除。

 

准备好电路板后,用碱性溶液清洗,除去任何残留的光刻胶。然后对板进行压力清洗以除去表面上留下的任何物质并使其干燥。

 

在干燥之后,应该留在PCB上的唯一抗蚀剂位于PCB的顶部,当它最终弹出时,铜仍然作为PCB的一部分。技术人员查看PCB以确保没有错误。如果没有错误,则进入下一步。


第四步:摆脱不需要的铜

 

该过程的下一个阶段是去除不需要的铜。与之前的碱性溶液非常相似,另一种强力化学物质用于蚕食未被光致抗蚀剂覆盖的铜。一旦去除未受保护的铜,也需要去除先前硬化的光致抗蚀剂。使用另一种溶剂,仅留下PCB所需的铜。

 

请注意,当从PCB上去除不需要的铜时,较重的电路板可能需要更多的铜溶剂或更多的溶剂暴露。

 

第五步:检查和层对齐

 

在清洁每个PCB层之后,它们已准备好进行层对齐和光学检查。前面的孔用于对齐内层和外层。为了对齐这些层,技术人员将它们放在一种称为光学打孔机的打孔机上。光学穿孔器将引脚向下驱动穿过孔以排列PCB的层。


在光学打孔之后,另一台机器执行光学检查以确保没有缺陷。这种光学检查非常重要,因为一旦将各层放在一起,就无法纠正存在的任何错误。为了确认没有缺陷,AOI机器将要检查的PCB与作为制造商模型的Extended Gerber设计进行比较。


在PCB通过检查后 - 也就是说,技术人员和AOI机器都没有发现任何缺陷 - 它会进入PCB制造和生产的最后几个步骤。

 

第六步:层压PCB层

 

在该过程的步骤6中,PCB层全部在一起,等待层压。一旦层被确认为无缺陷,它们就可以融合在一起了。PCB层压过程分两步完成:铺设步骤和层压步骤。

 

PCB的外部由预先浸泡/预涂有环氧树脂的玻璃纤维制成。原始基板也覆盖在一层薄铜箔中,现在包含铜迹线的蚀刻。一旦外层和内层准备就绪,就该把它们推到一起了。

 

这些层的夹层使用特殊压力台上的金属夹具完成。每层使用专用引脚安装在桌子上。进行层压过程的技术人员首先在工作台的对齐槽上放置一层预涂环氧树脂(称为预浸渍或预浸渍)。将一层基底放置在预浸渍的树脂上,然后是一层铜箔。接下来是铜箔,然后是更多的预浸渍树脂片,然后用一块和最后一块称为压板的铜片完成。

 

一旦铜压板就位,堆叠即可被压下。技术人员将其接收到机械压力机并将层压在一起。作为此过程的一部分,然后将销钉穿过层堆叠以确保它们正确固定。

 

如果正确固定各层,则将PCB叠层送至下一台印刷机,即层压机。层压机使用一对加热板将热量和压力施加到层堆叠上。板的热量熔化了预制件内部的环氧树脂 - 它和来自压力机的压力相结合,将PCB层堆叠在一起。

将PCB层压在一起后,需要进行一些拆包。技术人员需要从早期拆下顶部压板和销钉,这样就可以将实际的PCB拉出。

 

第七步:钻井

在钻孔之前,使用X光机来定位钻头。然后,钻孔对准/引导孔,以便在钻出更具体的孔之前固定PCB叠层。当需要钻这些孔时,使用计算机引导的钻头自己制作孔,使用Extended Gerber设计中的文件作为指导。

 

钻孔完成后,任何留在边缘的额外铜都会被剔除。

 

第八步:PCB电镀

 

面板钻完后,即可进行电镀。电镀工艺使用化学品将PCB的所有不同层熔合在一起。彻底清洁后,PCB上浸泡了一系列化学物质。这种沐浴过程的一部分将面板涂在微米厚的铜层上,铜层沉积在最顶层并进入刚钻过的孔中。

在孔中填充铜之前,它们仅用于暴露构成面板内部的玻璃纤维基板。用铜覆盖这些孔覆盖了先前钻孔的壁。



第九步和第十步:成像和电镀外层

 

在该过程的早期(步骤3),将光致抗蚀剂施加到PCB面板上。在步骤9中,是时候应用另一层光刻胶了。然而,这次光刻胶仅施加到外层,因为它仍然需要成像。一旦外层已经用光致抗蚀剂涂覆并成像,它们的镀覆方式与前一步骤中PCB的内层完全相同。然而,虽然该过程是相同的,但外层获得锡镀层以帮助保护外层的铜。

 

第十一步:最后的蚀刻

 

当最后一次蚀刻外层时,锡防护装置用于在蚀刻过程中帮助保护铜。使用与之前相同的铜溶剂除去任何不需要的铜,锡保护蚀刻区域的有价值的铜。

一旦去除了所有不需要的铜,PCB的连接就已经正确建立,并且可以进行焊接掩蔽。

 

第十二步:应用焊接掩模

 

为了使面板为焊接掩模应用做好准备,它们已被清洁。清洁PCB面板后,应用油墨环氧树脂以及阻焊膜。用紫外线对板进行喷砂处理,以标出焊接掩模的某些部分以便去除。

 

在去掉不需要的焊接掩模之后,将PCB放入烘箱中并烘烤,以使焊接掩模固化。


步骤十三和十四:完成PCB和丝网印刷

 

作为精加工工艺的一部分,PCB镀有金,银或HASL,因此元件可以焊接到所产生的焊盘上并保护铜。

PCB经过镀金或镀银后,根据需要进行丝网印刷。丝网印刷过程打印PCB上的所有重要信息,例如制造商标记,公司ID号和警告标签。

 

一旦PCB经过电镀和丝网印刷并获得正确的信息,就可以将其送至最终固化阶段。

 

第十五步:电气可靠性测试

 

在PCB涂覆并固化(如有必要)后,技术人员对PCB的不同区域执行一系列电气测试以确保功能。执行的主要测试是电路连续性和隔离测试。电路连续性测试检查PCB中的任何断开,称为“开路”。另一方面,电路隔离测试检查PCB各部分的隔离值,以检查是否有短路。虽然电气测试主要用于确保功能,但它们也可用于测试初始PCB设计在制造过程中的表现。


除了基本的电气可靠性测试外,还有其他测试可用于确定PCB是否正常工作。用于实现此目的的主要测试之一被称为“钉床”测试。在本文中,几个弹簧夹具连接到电路板上的测试点。然后,弹簧夹具使电路板上的测试点承受高达200g的压力,以观察PCB在其测试点处的高压接触程度。

 

如果PCB已通过其电气可靠性测试 - 以及制造商选择实施的任何其他测试 - 可以继续进行下一步:切割。

 

第十六步:切割和分析

 

PCB制造过程的最后一步是PCB的切割和刻划。这涉及从原始面板切割出不同的PCB。PCB可以通过两种方式从原始面板上切割下来:

 

  • 使用CNC机器或路由器,切割PCB边缘周围的小标签

 

  • 使用V型槽,沿着板的侧面切割对角线通道

 

无论您使用哪种方式,您的PCB都可以轻松摆脱建筑镶板。

通常,PCB面板具有单独的板 - 或者更大的阵列(如果适用) - 布线和刻划,以便在组装后可以将它们从建筑板上拆下。

一旦电路板从建筑板上脱落,就会出现最终检查阶段:

 

  • 检查板的一般清洁度,以确保没有锋利的边缘,毛刺或其他制造危险

 

  • 必要时,在布线和制造过程中添加槽,倒角,斜面和埋头孔

 

  • 如果可能的话,修理任何短路 - 然后使用上面相同的电气可靠性测试重新测试短路板

 

  • 如有必要,可以进行目视检查,以确保电路板符合行业规范并与Gerber数据中列出的细节相匹配:技术人员还可以使用目视检查来验证PCB的孔尺寸和物理尺寸,如果需要。

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