PCB印刷電路板制造過程及工藝詳解

    PCB（印刷電路板）的原料是玻璃纖維，這種材料我們在日常生活中出處可見，比如防火布、防火氈的核心就是玻璃纖維，玻璃纖維很容易和樹脂相結合，我們把結構緊密、強度高的玻纖布浸入樹脂中，硬化就得到了隔熱絕緣、不易彎曲的PCB基板了--如果把PCB板折斷，邊緣是發白分層，足以證明材質為樹脂玻纖。

    光是絕緣板我們不可能傳遞電信號，于是需要在表面覆銅。所以我們把PCB板也稱之為覆銅基板。在工廠里，常見覆銅基板的代號是FR-4，這個在各家板卡廠商里面一般沒有區別，所以我們可以認為大家都處于同一起跑線上，當然，如果是高頻板卡，好用成本較高的覆銅箔聚四氟乙烯玻璃布層壓板。

    覆銅工藝很簡單，一般可以用壓延與電解的辦法制造，所謂壓延就是將高純度（>99.98％）的銅用碾壓法貼在PCB基板上--因為環氧樹脂與銅箔有極好的粘合性，銅箔的附著強度和工作溫度較高，可以在260℃的熔錫中浸焊而無起泡。

    這個過程頗像搟餃子皮，薄可以小于1mil（工業單位：密耳，即千分之一英寸，相當于0.0254mm）。如果餃子皮這么薄的話，下鍋肯定漏餡！所謂電解銅這個在初中化學已經學過，CuSO4電解液能不斷制造一層層的"銅箔"，這樣容易控制厚度，時間越長銅箔越厚！通常廠里對銅箔的厚度有很嚴格的要求，一般在0.3mil和3mil之間，有專用的銅箔厚度測試儀檢驗其品質。像古老的收音機和業余愛好者用的PCB上覆銅特別厚，比起電腦板卡工廠里品質差了很遠。

    控制銅箔的薄度主要是基于兩個理由：一個是均勻的銅箔可以有非常均勻的電阻溫度系數，介電常數低，這樣能讓信號傳輸損失更小，這和電容要求不同，電容要求介電常數高，這樣才能在有限體積下容納更高的容量，電阻為什么比電容個頭要小，歸根結底是介電常數高啊！

    其次，薄銅箔通過大電流情況下溫升較小，這對于散熱和元件壽命都是有很大好處的，數字集成電路中銅線寬度好小于0.3cm也是這個道理。制作精良的PCB成品板非常均勻，光澤柔和（因為表面刷上阻焊劑），這個用肉眼能看出來，但要光看覆銅基板能看出好壞的人卻不多，除非你是廠里經驗豐富的品檢。

    對于一塊全身包裹了銅箔的PCB基板，我們如何才能在上面安放元件，實現元件--元件間的信號導通而非整塊板的導通呢？板上彎彎繞繞的銅線，就是用來實現電信號的傳遞的，因此，我們只要把銅箔蝕掉不用的部分，留下銅線部分就可以了。

    如何實現這一步，首先，我們需要了解一個概念，那就是"線路底片"或者稱之為"線路菲林"，我們將板卡的線路設計用光刻機印成膠片，然后把一種主要成分對特定光譜敏感而發生化學反應的感光干膜覆蓋在基板上，干膜分兩種，光聚合型和光分解型，光聚合型干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型則正好相反。

    這里我們就用光聚合型感光干膜先蓋在基板上，上面再蓋一層線路膠片讓其曝光，曝光的地方呈黑色不透光，反之則是透明的（線路部分）。光線通過膠片照射到感光干膜上--結果怎么樣了？凡是膠片上透明通光的地方干膜顏色變深開始硬化，緊緊包裹住基板表面的銅箔，就像把線路圖印在基板上一樣，接下來我們經過顯影步驟(使用碳酸鈉溶液洗去未硬化干膜)，讓不需要干膜保護的銅箔露出來，這稱作脫膜（Stripping）工序。接下來我們再使用蝕銅液(腐蝕銅的化學藥品)對基板進行蝕刻，沒有干膜保護的銅全軍覆沒，硬化干膜下的線路圖就這么在基板上呈現出來。這整個過程有個叫法叫"影像轉移"，它在PCB制造過程中占非常重要的地位。

    接著是制作多層板，按照上述步驟制作只是單面板，即使兩面加工也是雙面板而已，但是我們常常可以發現自己手中的板卡是四層板或者六層板（甚至有8層板）。

    有了上面的基礎，我們明白其實不難，做兩塊雙面板"粘"起來就行啦！比如我們做一塊典型的四層板（按照順序分1~4層，其中1/4是外層，信號層，2/3是內層，接地和電源層），先呢分別做好1/2和3/4（同一塊基板），然后把兩塊基板粘一塊不就OK了？不過這個粘結劑可不是普通的膠水，而是軟化狀態下的樹脂材料，它首先是絕緣的，其次很薄，與基板粘合性良好。我們稱之為PP材料，它的規格是厚度與含膠（樹脂）量。當然，一般四層板和六層板我們是看不出來的，因為六層板的基板厚度比較薄，即使要用兩層PP三塊雙面基板，也未見得比一層PP兩塊雙面基板的四層板能增加多少厚度--板卡的厚度都有一定規范，否則就插不進各種卡槽中了。說到這里，讀者又會產生疑問，那個多層板之間信號不是要導通嗎？現在PP是絕緣材料，如何實現層與層之間的互聯？別急，我們在粘結多層板之前還需要鉆孔！鉆了孔可以將電路板上下位置相應銅線對起來，然后讓孔壁帶銅，那么不是相當于導線將電路串聯起來了嗎？

    這種孔我們稱之為導通孔（Plating hole，簡稱PT孔。這些孔需要鉆孔機鉆出來，現代鉆孔機能鉆出很小很小的孔和很淺的孔，一塊主板上有成百上千個大小迥異深淺不一的孔，我們用高速鉆孔機起碼要鉆一個多小時才能鉆完。鉆完孔后，我們再進行孔電鍍（該技術稱之為鍍通孔技術，Plated-Through-Hole technology，PTH），讓孔導通。

    孔也鉆了，里外層都通了，多層板粘好了，是不是完事了呢？我們的回答是No，因為主板生產需要大量進行焊接，如果直接焊接，會產生兩個嚴重后果：一、板卡表面銅線氧化，焊不上；二、搭焊現象嚴重--因為線與線之間的間距實在太小了啊！所以我們必須在整個PCB基板外面再包上一層裝甲--這就是防焊漆，也就是俗稱阻焊劑的的東東，它對液態的焊錫不具有親和力，并且在特定光譜的光照射下會發生變化而硬化，這個特性和干膜類似，我們看到的板卡顏色，其實就是防焊漆的顏色，如果防焊漆是綠色，那么板卡就是綠色。

    后大家不要忘了網印、金手指鍍金（對于顯卡或者PCI等插卡來說）和質檢，測試PCB是否有短路或是斷路的狀況，可以使用光學或電子方式測試。光學方式采用掃描以找出各層的缺陷，電子測試則通常用飛針探測儀（Flying-Probe）來檢查所有連接。電子測試在尋找短路或斷路比較準確，不過光學測試可以更容易偵測到導體間不正確空隙的問題。

    總結一下，一家典型的PCB工廠其生產流程如下所示：下料→內層制作→壓合→鉆孔→鍍銅→外層制作→防焊漆印刷→文字印刷→表面處理→外形加工。