PCB工艺入门基础

jimmy · 发表于 2007-12-7 09:49

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概述# Q2 I7 ~2 J0 E6 K% Q/ P& g
PCB（Printed Circuit Board），中文名称为印制线路板，简称印制板，是电子工业的重要部件之一。几乎每种电子设备，小到电子手表、计算器，大到计算机，通讯电子设备，军用武器系统，只要有集成电路等电子元器件，为了它们之间的电气互连，都要使用印制板。在较大型的电子产品研究过程中，最基本的成功因素是该产品的印制板的设计、文件编制和制造。印制板的设计和制造质量直接影响到整个产品的质量和成本，甚至导致商业竞争的成败。

印制电路在电子设备中提供如下功能：

提供集成电路等各种电子元器件固定、装配的机械支撑。

实现集成电路等各种电子元器件之间的布线和电气连接或电绝缘。

提供所要求的电气特性，如特性阻抗等。

为自动焊锡提供阻焊图形，为元件插装、检查、维修提供识别字符和图形。
有关印制板的一些基本术语

在绝缘基材上，按预定设计，制成印制线路、印制元件或由两者结合而成的导电图形，称为印制电路。

在绝缘基材上，提供元、器件之间电气连接的导电图形，称为印制线路。它不包括印制元件。

印制电路或者印制线路的成品板称为印制电路板或者印制线路板，亦称印制板。

印制板按照所用基材是刚性还是挠性可分成为两大类：刚性印制板和挠性印制板。今年来已出现了刚性-----挠性结合的印制板。按照导体图形的层数可以分为单面、双面和多层印制板。

导体图形的整个外表面与基材表面位于同一平面上的印制板，称为平面印板。

有关印制电路板的名词术语和定义，详见国家标准GB/T2036-94“印制电路术语”。

电子设备采用印制板后，由于同类印制板的一致性，从而避免了人工接线的差错，并可实现电子元器件自动插装或贴装、自动焊锡、自动检测，保证了电子设备的质量，提高了劳动生产率、降低了成本，并便于维修。

印制板从单层发展到双面、多层和挠性，并且仍旧保持着各自的发展趋势。由于不断地向高精度、高密度和高可靠性方向发展，不断缩小体积、减轻成本、提高性能，使得印制板在未来电子设备地发展工程中，仍然保持强大的生命力。三．印制板技术水平的标志：

印制板的技术水平的标志对于双面和多层孔金属化印制板而言：既是以大批量生产的双面金属化印制板，在2.50或2.54mm标准网格交点上的两个焊盘之间，能布设导线的根数作为标志。

在两个焊盘之间布设一根导线，为低密度印制板，其导线宽度大于0.3mm。在两个焊盘之间布设两根导线，为中密度印制板，其导线宽度约为0.2mm。在两个焊盘之间布设三根导线，为高密度印制板，其导线宽度约为0. 1-0.15mm。在两个焊盘之间布设四根导线，可算超高密度印制板，线宽为0.05--0.08mm。

国外曾有杂志介绍了在两个焊盘之间可布设五根导线的印制板。
对于多层板来说，还应以孔径大小，层数多少作为综合衡量标志。
PCB先进生产制造技术的发展动向
综述国内外对未来印制板生产制造技术发展动向的论述基本是一致的，即向高密度，高精度，细孔径，细导线，细间距，高可靠，多层化，高速传输，轻量，薄型方向发展，在生产上同时向提高生产率，降低成本，减少污染，适应多品种、小批量生产方向发展。印制电路的技术发展水平，一般以印制板上的线宽，孔径，板厚/孔径比值为代表，其发展历程和水平如下表：

印制电路的技术发展水平：
孔径（mm）线宽（mm）板厚/孔径比孔密度，孔数/CM219701.00.251.5419750.80.172.57.519800.60.1351519850.40.10102519900.30.08204019950.150.054055
PCB制造工艺流程

一、菲林底版

菲林底版是印制电路板生产的前导工序，菲林底版的质量直接影响到印制板生产质量。在生产某一种印制线路板时，必须有至少一套相应的菲林底版。印制板的每种导电图形（信号层电路图形和地、电源层图形）和非导电图形（阻焊图形和字符）至少都应有一张菲林底片。通过光化学转移工艺，将各种图形转移到生产板材上去。

菲林底版在印制板生产中的用途如下：

图形转移中的感光掩膜图形，包括线路图形和光致阻焊图形。

网印工艺中的丝网模板的制作，包括阻焊图形和字符。

机加工（钻孔和外型铣）数控机床编程依据及钻孔参考。

随着电子工业的发展，对印制板的要求也越来越高。印制板设计的高密度，细导线，小孔径趋向越来越快，印制板的生产工艺也越来越完善。在这种情况下，如果没有高质量的菲林底版，能够生产出高质量的印制电路板。现代印制板生产要求菲林底版需要满足以下条件：

菲林底版的尺寸精度必须与印制板所要求的精度一致，并应考虑到生产工艺所造成的偏差而进行补偿。

菲林底版的图形应符合设计要求，图形符号完整。

菲林底版的图形边缘平直整齐，边缘不发虚；黑白反差大，满足感光工艺要求。

菲林底版的材料应具有良好的尺寸稳定性，即由于环境温度和湿度变化而产生的尺寸变化小。

双面板和多层板的菲林底版，要求焊盘及公共图形的重合精度好。

菲林底版各层应有明确标志或命名。

菲林底版片基能透过所要求的光波波长，一般感光需要的波长范围是3000--4000A。

以前制作菲林底版时，一般都需要先制出照相底图，再利用照相或翻版完成菲林底版的制作。今年来，随着计算机技术的飞速发展，菲林底版的制作工艺也有了很大发展。利用先进的激光光绘技术，极大提高了制作速度和底版的质量，并且能够制作出过去无法完成的高精度、细导线图形，使得印制板生产的CAM技术趋于完善
基板材料

覆铜箔层压板（Copper Clad Laminates，简写为CCL），简称覆铜箔板或覆铜板，是制造印制电路板（以下简称PCB）的基板材料。目前最广泛应用的蚀刻法制成的PCB，就是在覆铜箔板上有选择的进行的蚀刻，得到所需的线路的图形。覆铜箔板在整个印制电路板上，主要担负着导电、绝缘和支撑三个方面的功能。印制板的性能、质量和制造成本，在很大程度上取决于覆铜箔板。
基本制造工艺流程

印制板按照导体图形的层数可以分为单面、双面和多层印制板。单面板的基本制造工艺流程如下：

覆箔板-->下料-->烘板（防止变形）-->制模-->洗净、烘干-->贴膜(或网印) —>曝光显影(或抗腐蚀油墨) -->蚀刻-->去膜--->电气通断检测-->清洁处理-->网印阻焊图形（印绿油）-->固化-->网印标记符号-->固化-->钻孔-->外形加工-->清洗干燥-->检验-->包装-->成品。

双面板的基本制造工艺流程如下：

近年来制造双面孔金属化印制板的典型工艺是SMOBC法和图形电镀法。在某些特定场合也有使用工艺导线法。

1、图形电镀工艺流程

覆箔板-->下料-->冲钻基准孔-->数控钻孔-->检验-->去毛刺-->化学镀薄铜-->电镀薄铜-->检验-->刷板-->贴膜(或网印)-->曝光显影(或固化)-->检验修板---->图形电镀(Cn十Sn／Pb)-->去膜-->蚀刻-->检验修板-->插头镀镍镀金-->热熔清洗-->电气通断检测-->清洁处理-->网印阻焊图形-->固化-->网印标记符号-->固化-->外形加工 -->清洗干燥-->检验-->包装-->成品。

流程中“化学镀薄铜 --> 电镀薄铜”这两道工序可用“化学镀厚铜”一道工序替代，两者各有优缺点。图形电镀--蚀刻法制双面孔金属化板是六、七十年代的典型工艺。八十年代中裸铜覆阻焊膜工艺(SMOBC）逐渐发展起来，特别在精密双面板制造中已成为主流工艺。

2、裸铜覆阻焊膜（SMOBC）工艺

SMOBC板的主要优点是解决了细线条之间的焊料桥接短路现象，同时由于铅锡比例恒定，比热熔板有更好的可焊性和储藏性。

制造SMOBC板的方法很多，有标准图形电镀减去法再退铅锡的SMOBC工艺；用镀锡或浸锡等代替电镀铅锡的减去法图形电镀SMOBC工艺；堵孔或掩蔽孔法SMOBC工艺；加成法SMOBC工艺等。下面主要介绍图形电镀法再退铅锡的SMOBC工艺和堵孔法SMOBC工艺流程。

图形电镀法再退铅锡的SMOBC工艺法相似于图形电镀法工艺。只在蚀刻后发生变化。

双面覆铜箔板-->按图形电镀法工艺到蚀刻工序-->退铅锡-->检查---->清洗--->阻焊图形-->插头镀镍镀金-->插头贴胶带-->热风整平---->清洗--->网印标记符号--->外形加工--->清洗干燥--->成品检验-->包装-->成品。

堵孔法主要工艺流程如下：

双面覆箔板-->钻孔-->化学镀铜-->整板电镀铜-->堵孔-->网印成像(正像)-->蚀刻-->去网印料、去堵孔料-->清洗-->阻焊图形-->插头镀镍、镀金-->插头贴胶带-->热风整平-->下面工序与上相同至成品。

此工艺的工艺步骤较简单、关键是堵孔和洗净堵孔的油墨。

在堵孔法工艺中如果不采用堵孔油墨堵孔和网印成像，而使用一种特殊的掩蔽型干膜来掩盖孔，再曝光制成正像图形，这就是掩蔽孔工艺。它与堵孔法相比，不再存在洗净孔内油墨的难题，但对掩蔽干膜有较高的要求。

SMOBC工艺的基础是先制出裸铜孔金属化双面板，再应用热风整平工艺。
PCB工程制作

对于PCB印制板的生产来说，因为许多设计者并不了解线路板的生产工艺，所以其设计的线路图只是最基本的线路图，并无法直接用于生产。因此在实际生产前需要对线路文件进行修改和编辑，不仅需要制作出可以适合本厂生产工艺的菲林图，而且需要制作出相应的打孔数据、开模数据，以及对生产有用的其它数据。它直接关系到以后的各项生产工程。这些都要求工程技术人员要了解必要的生产工艺，同时掌握相关的软件制作，包括常见的线路设计软件如：Protel、Pads2000、Autocad等等，更应熟悉必要的CAM软件如：View2001、CAM350；GCCAM等等，CAM应包括有PCB设计输入，可以对电路图形进行编辑、校正、修理和拼版，以磁盘为介质材料，并输出光绘、钻孔和检测的自动化数据。
PCB工程制作的基本要求

PCB工程制作的水平，可以体现出设计者的设计水准，也可以反映出印制板生产厂家的生产工艺能力和技术水平。同时由于PCB工程制作融计算机辅助设计和辅助制造于一体，要求极高的精度和准确性，否则将影响到最终板载电子品的电气性能，严重时可能引起差错，进而导致整批印制板产品报废而延误生产厂家合同交货时间，并且蒙受经济损失。因此作为PCB工程制作者，必须时刻谨记自身的责任重大，切勿掉以轻心，务必仔细、认真、再仔细、再认真。在处理PCB设计文件时，应该仔细检查：

接收文件是否符合设计者所制定的规则？能否符合PCB制造工艺要求？有无定位标记？

线路布局是否合理？线与线，线与元件焊盘，线与贯通孔，元件焊盘与贯通孔，贯通孔与贯通孔之间的距离是否合理，能否满足生产要求。元件在二维、三维空间上有无冲突？

印制板尺寸是否与加工图纸相符？后加在PCB图形中的图形（如图标、注标）是否会造成信号短路。

对一些不理想的线形进行编辑、修改。

在PCB上是否加有工艺线？阻焊是否符合生产工艺的要求，阻焊尺寸是否合适，字符标志是否压在器件焊盘上，以免影响电装质量。等等…
光绘数据的产生

1、拼版

PCB设计完成因为PCB板形太小，不能满足生产工艺要求，或者一个产品由几块PCB组成，这样就需要把若干小板拼成一个面积符合生产要求的大板，或者将一个产品所用的多个PCB拼在一起而便于生产电装。前者类似于邮票板，它既能够满足PCB生产工艺条件也便于元器件电装，在使用时再分开，十分方便；后者是将一个产品的若干套PCB板拼装在一起，这样便于生产，也便于对一个产品齐套，清楚明了。

2、光绘图数据的生成

PCB板生产的基础是菲林底版。早期制作菲林底版时，需要先制作出菲林底图，然后再利用底图进行照相或翻版。底图的精度必须与印制板所要求的一致，并且应该考虑对生产工艺造成的偏差进行补偿。底图可由客户提供也可由生产厂家制作，但双方应密切合作和协商，使之既能满足用户要求，又能适应生产条件。在用户提供底图的情况下，厂家应检验并认可底图，用户可以评定并认可原版或第一块印制板产品。底图制作方法有手工绘制、贴图和CAD制图。随着计算机技术的发展，印制板CAD技术得到极大的进步，印制板生产工艺水平也不断向多层，细导线，小孔径，高密度方向迅速提高，原有的菲林制版工艺已无法满足印制板的设计需要，于是出现了光绘技术。使用光绘机可以直接将CAD设计的PCB图形数

据文件送入光绘机的计算机系统，控制光绘机利用光线直接在底片上绘制图形。然后经过显影、定影得到菲林底版。使用光绘技术制作的印制板菲林底版，速度快，精度高，质量好，而且避免了在人工贴图或绘制底图时可能出现的人为错误，大大提高了工作效率，缩短了印制板的生产周期。使用我公司的激光光绘机，在很短的时间内就能完成过去多人长时间才能完成的工作，而且其绘制的细导线、高密度底版也是人工操作无法比拟的。按照激光光绘机的结构不同，可以分为平板式、内滚桶式（Internal Drum）和外滚桶式（External Drum）。宇之光公司的系列光绘机产品均为国际流行的外滚筒式。

光绘机使用的标准数据格式是Gerber-RS274格式，也是印制板设计生产行业的标准数据格式。Gerber格式的命名引用自光绘机设计生产的先驱者---美国Gerber公司。

光绘图数据的产生，是将CAD软件产生的设计数据转化称为光绘数据（多为Gerber数据），经过CAM系统进行修改、编辑，完成光绘预处理（拼版、镜像等），使之达到印制板生产工艺的要求。然后将处理完的数据送入光绘机，由光绘机的光栅（Raster）图象数据处理器转换成为光栅数据，此光栅数据通过高倍快速压缩还原算法发送至激光光绘机，完成光绘。

3、光绘数据格式

光绘数据格式是以向量式光绘机的数据格式Gerber数据为基础发展起来的，并对向量式光绘机的数据格式进行了扩展，并兼容了HPGL惠普绘图仪格式，Autocad DXF、TIFF等专用和通用图形数据格式。一些CAD和CAM开发厂商还对Gerber数据作了扩展。

以下对Gerber数据作一简单介绍：

Gerber数据的正式名称为Gerber RS-274格式。向量式光绘机码盘上的每一种符号，在Gerber数据中，均有一相应的D码（D-CODE）。这样，光绘机就能够通过D码来控制、选择码盘，绘制出相应的图形。将D码和D码所对应符号的形状，尺寸大小进行列表，即得到一D码表。此D码表就成为从CAD设计，到光绘机利用此数据进行光绘的一个桥梁。用户在提供Gerber光绘数据的同时，必须提供相应的D码表。这样，光绘机就可以依据D码表确定应选用何种符号盘进行曝光，从而绘制出正确的图形。

在一个D码表中，一般应该包括D码，每个D码所对应码盘的形状、尺寸、以及该码盘的曝光方式。以国内最常用的电子CAD软件Protel的某D码表为例，其扩展名为.APT，为ACSII文件，可以用任意非文本编辑软件进行编辑。

D11 CIRCULAR 7.333 7.333 0.000 LINE

D12 CIRCULAR 7.874 7.874 0.000 MULTI

D13 SQUARE 7.934 7.934 0.000 LINE

D14 CIRCULAR 8.000 8.000 0.000 LINE

D15 CIRCULAR 10.000 10.000 0.000 LINE

D16 CIRCULAR 11.811 11.811 0.000 LINE

D17 CIRCULAR 12.000 12.000 0.000 MULTI

D18 CIRCULAR 16.000 16.000 0.000 MULTI

D19 CIRCULAR 19.685 19.685 0.000 MULTI

D20 ROUNDED 24.000 24.000 0.000 MULTI

D21 CIRCULAR 29.528 29.528 0.000 MULTI

D22 CIRCULAR 30.000 30.000 0.000 FLASH

D23 ROUNDED 31.000 31.000 0.000 MULTI

D24 ROUNDED 31.496 31.496 0.000 FLASH

D25 ROUNDED 39.000 39.000 0.000 MULTI

D26 ROUNDED 39.370 39.370 0.000 MULTI

D27 ROUNDED 47.000 47.000 0.000 MULTI

D28 ROUNDED 50.000 50.000 0.000 FLASH

D29 ROUNDED 51.496 51.496 0.000 FLASH

D30 ROUNDED 59.055 98.425 0.000 FLASH

D31 ROUNDED 62.992 98.000 0.000 FLASH

D32 ROUNDED 63.055 102.425 0.000 FLASH

在上表中，每行定义了一个D码，包含了有6种参数。

第一列为D码序号，由字母‘D’加一数字组成。

第二列为该D码代表的符号的形状说明，如CIRCULAR表示该符号的形状为圆形，SQUARE表示该符号的形状为方型。

第三列和第四列分别定义了符号图形的X方向和Y方向的尺寸，单位为mil；1mil=1/1000英寸，约等于0.0254毫米。

第五列为符号图形中心孔的尺寸，单位也是mil。

第六列说明了该符号盘的使用方式，如LINE表示这个符号用于划线，FLASH表示用于焊盘曝光，MULTI表示既可以用于划线又可以用于曝光焊盘。

在Gerber RS-274格式中除了使用D码定义了符号盘以外，D码还用于光绘机的曝光控制；另外还使用了一些其它命令用于光绘机的控制和运行。不同的CAD软件产生的Gerber数据格式可能有一些小的区别，但总体框架为Gerber-RS0274格式没有变化。

4、计算机辅助制造（CAM）
计算机辅助制造技术，英文名称为Computer Aided Manufacturing，简称CAM，是一种由计算机控制完成生产的先进技术。计算机技术的发展和激光绘图机的出现，使得PCB的计算机辅助制造技术走向了使用。CAM技术使印制板的设计生产上了一个新的台阶，一些过去无法实现的功能得以实现。各种CAM系统一般都能对光绘数据（Gerber数据）进行处理，排除设计中的各种缺陷，使设计更易于生产，大大提高了生产质量。

CAM系统的主要功能如下：

1、编辑功能：

1）添加焊盘、线条、圆弧、字符等元素，生成水滴焊盘。

2）修改焊盘、线条尺寸。

3）移动焊盘、线条、尺寸等。

4）删除各种图形，自动删除没有电气联接的焊盘和过气孔。

5）阻焊漏线自动处理。

6）网印字符盖焊盘自动处理。

2、拼版、旋转和镜像

3、添加各种定位孔

4、生成数控钻床钻孔数据和铣外形数据

5、计算导体铜箔面积

6、其它相关的各类数据

在微机CAM系统中，具有代表性的是LAVENIR公司开发的View2001软件。View2001是由一系列实用光绘数据处理程序组成的微机CAM系统，可在DOS平台以及WINDOWS’9X的DOS窗口下运行。其中包含多个主要程序，这里简单介绍其中的V2001.EXE。

V2001.EXE是一个功能比较完善的Gerber数据编辑软件，能够读取各种类型的Gerber数据文件，包括Gerber基本格式和各种Gerber的扩展格式，支持多种CAD系统产生的Gerber数据及D码表，并对之进行编辑、修改，最多可以同时处理99层数据。V2001可以识别Lavenir，PADS，P-CAD，ORCAD，Tango，Protel，Mentor等10余种CAD和CAM系统所产生的D码表，易于操作。

V2001的主要功能有：

1）删除、移动、添加线条、焊盘、圆弧、字符等图形。

2）简单拼版。

3）各层之间图形、数据的传递转换。

4）字符处理，自动清除字符丝网印网层上与焊盘重叠部分的字符。

5）阻焊处理、自动处理漏线条的阻焊。

6）焊膏网版处理，自动生成表面贴装元件的焊膏网版图形。

V2001能够很好地完成对光绘数据的处理，有较强的应变能力，可以处理各种CAD软件生成的Gerber数据，只是用户界面不太友善，软件操作采用命令方式，需要记忆的命令较多，而且比较复杂，初学比较困难。但一旦掌握，即可自如应付目前绝大多数的印制板工程制作的需要。

学员在培训期间，应该了解对客户提供的文件在V2001中所要进行的具体修改和编辑工作主要有：

1）从源文件转换出Gerber数据文件，关于Gerber文件的数据转换，详见宇之光公司的《学员手册》。

2）首先检查各层有无板层边框（围边）。

若有，应检查边框的粗细程度是否满足生产工艺的需求。通常情况下，目前双面板至少应保证0.15mm（6mil）；单面板至少应保证0.2mm（8mil）；或者依据客户提供的资料来进行编辑修改。

若无，检查是否漏转，漏转需要重新转换，也可从其它有边框层上拷贝边框。

3）将所有能够转化成FLASH焊盘的元素尽量转换成为焊盘（可选）。

4）检查线路层的线路线宽、间距是否满足生产工艺要求。通常情况下，目前双面板的线路层的线路线宽、间距至少应保证0.15mm（6mil）；单面板的线路层的线路线宽、间距至少应保证0.2mm（8mil）；或者依据客户提供的资料来进行编辑修改。

5）检查比较线路层焊盘与绿油阻焊层焊盘的校准性和大小差异。通常情况下，目前双面板的绿油阻焊层焊盘的外围应大于线路层焊盘至少保证0.15mm（6mil）~0.2mm（8mil）；单面板的绿油阻焊层焊盘的外围应大于线路层焊盘至少保证0.2mm（8mil）~0.3mm（12mil）；或者依据客户提供的资料来进行编辑修改。注意不要漏转，需要有绿油层焊盘的部位如果源文件没有设计，则应手动补充上。

6）检查线路层与钻孔层的校准性，比较线路焊盘与钻孔大小。通常情况下，目前双面板的钻孔直径至少应保证0.2mm（8mil）；单面板的钻孔直径至少应保证0.5mm（20mil）；或者依据客户提供的资料来进行编辑修改。一般情况下，由于生产工艺的要求，只需要将单面板文件的数控钻钻孔文件从源文件转换出来并调入V2001中进行处理，双面板由于钻孔工作是在制版前期完成，因此作为光绘操作通常无须处理钻孔文件。

7）检查字符层上的丝网印字符和标识是否与设计文件一致，字符标识是否符合生产工艺要求。通常情况下，目前双面板的丝网印字符的线宽应保证至少0.15mm（6mil）；单面板的丝网印字符的线宽应保证至少0.2mm（8mil）；或者依据客户提供的资料来进行编辑修改。

8）清除字符丝网印层上与焊盘重叠部分的字符。

9）根据客户要求修改线路层铜箔的边缘到板层边框的宽度，通常情况下，目前双面板应保证至少0.15mm（6mil）；单面板应保证至少0.2mm（8mil）；或者依据客户提供的资料来进行编辑修改。

10）按照生产工艺要求或客户资料各层叠加拼版或者分层拼版。

11）各层分别加上角标（可选）、生产编号、日期、各种孔位和标识等。

12）进入光绘软件排版输出。

通常，在V2001中处理Gerber数据文件时，主要处理的应该是：

1、单面板：线路层（1层）、绿油阻焊层（1层）、丝网印白字层（1或2层）。

2、双面板：线路层（2层）、绿油阻焊层（2层）、丝网印白字层（1或2层）。

3、特殊工艺要求的印制板，根据具体情况保留处理相应的层。

4、其余层都应在V2001中处理掉，将保留的文件存盘、输出。