印刷电路板制造工艺全面指南

目录：

• 步骤 1： PCB设计
• 步骤 2： 设计审查与工程问题
• 步骤 3： 打印PCB设计
• 步骤 4： 内层铜箔印制
• 步骤 5： 蚀刻内层或芯板去除铜箔
• 步骤 6： 层对齐
• 步骤 7： 自动光学检测 (AOI)
• 步骤 8： PCB层压
• 步骤 9： 钻孔
• 步骤 10： PCB电镀
• 步骤 11： 外层成像
• 步骤 12： 外层蚀刻
• 步骤 13： 外层AOI
• 步骤 14： 阻焊层涂覆
• 步骤 15： 丝印涂覆
• 步骤 16： PCB表面处理
• 步骤 17： 电气可靠性测试
• 步骤 18： 成型与路由
• 步骤 19： 质量检查与目视检查
• 步骤 20： 包装与交付

什么是PCB制造工艺？

印刷电路板（PCB）制造工艺需要复杂的程序以确保成品性能。虽然电路板可以是单面、双面或多层，但制造工艺仅在第一层生产后有所不同。由于PCB结构的差异，某些板材在制造过程中可能需要20个或更多步骤。

生产印刷电路板所需的步骤数量与其复杂性相关。跳过任何步骤或简化程序都可能对电路板性能产生负面影响。然而，成功完成后，PCB应作为关键电子元件正常执行其任务。

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PCB的组成部分有哪些？

PCB主要有四个部分：

• 基材： 首先也是最重要的部分是基材，通常由玻璃纤维制成。玻璃纤维用于提供PCB的核心强度并帮助抵抗断裂。可将基材视为PCB的“骨架”。
• 铜层： 根据板型，该层可以是铜箔或完整的铜涂层。无论采用哪种方法，铜的作用相同——在PCB内外传输电信号，就像您的神经系统在大脑和肌肉之间传递信号一样。
• 阻焊层： PCB的第三部分是阻焊层，这是一层聚合物，有助于保护铜，防止其因接触环境而短路。从这个意义上说，阻焊层充当PCB的“皮肤”。
• 丝印层： 电路板的最后一部分是丝印层。丝印层通常位于元件侧，用于显示零件编号、徽标、符号、开关设置、元件参考和测试点。丝印层也称为图例或命名。

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现在我们已经介绍了PCB和PCB结构的基础知识，我们将逐步讲解如何构建PCB。

PCB是如何制造的？

PCB设计工艺的步骤从设计和验证开始，一直延伸到电路板的制造。许多步骤需要计算机引导和机器驱动工具以确保准确性，防止短路或开路。完成的电路板在包装交付给客户前必须经过严格测试。

第一步：设计PCB

任何PCB制造的开始步骤当然是设计。PCB制造和设计总是从计划开始：设计师为PCB制定蓝图，满足所有规定要求。PCB设计师最常用的设计软件是Extended Gerber，也称为IX274X。

在PCB设计方面，Extended Gerber是一款出色的软件，因为它也可作为输出格式。Extended Gerber编码了设计师所需的所有信息，如铜层数量、所需阻焊层数量和其他元件标注。一旦PCB设计蓝图由Gerber Extended软件编码，设计的所有不同部分和方面都会被检查以确保没有错误。

设计师检查完成后，完成的PCB设计被发送到PCB制造厂以构建PCB。到达后，PCB设计计划将接受制造商的第二次检查，称为可制造性设计（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：设计审查与工程问题

印刷电路板制造工艺的另一个关键步骤是检查设计中潜在的错误或缺陷。工程师检查PCB设计的每个部分，确保没有缺失组件或错误结构。工程师批准后，设计进入印刷阶段。

第三步：打印PCB设计

所有检查完成后，PCB设计可以打印。与建筑图纸等其他计划不同，PCB计划不会打印在普通的8.5 x 11英寸纸上。而是使用一种特殊的打印机，称为绘图仪。绘图仪制作PCB的“胶片”。这种“胶片”的最终产品看起来很像过去学校使用的透明胶片——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
• 透明墨水： 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——透明墨水指铜路径线，但黑色墨水也指铜将被去除的区域。

每个PCB层和相应的阻焊层都有自己的胶片，因此简单的双层PCB需要四张胶片——每层一张，每个相应的阻焊层一张。

胶片打印后，它们被对齐，并通过打一个称为对准孔的孔来连接。对准孔稍后在过程中用作对齐胶片的指南。

第四步：印制内层铜箔

第四步是制造商开始制作PCB的第一步。将PCB设计印刷到一层层压材料上后，铜箔预先粘合到同一层层压材料上，作为PCB的结构。然后蚀刻掉铜箔以显示之前的蓝图。

接下来，层压板被一种称为光阻剂的光敏薄膜覆盖。光阻剂由一层光反应化学物质组成，在暴露于紫外线后硬化。光阻剂使技术人员能够获得蓝图照片与光阻剂印刷内容的完美匹配。

一旦光阻剂和层压板对齐——使用之前的孔——它们接受紫外线照射。紫外线通过胶片的透光部分，硬化光阻剂。这表示作为路径保留的铜区域。相反，黑色墨水阻挡光线到达不应硬化的区域，以便稍后去除。

准备好电路板后，用碱性溶液清洗以去除任何残留的光阻剂。然后高压清洗电路板以去除表面残留物并晾干。

干燥后，PCB上唯一剩余的光阻剂应位于最终弹出时作为PCB一部分保留的铜顶部。技术人员检查PCB以确保没有错误。如果没有错误，则进入下一步。

第五步：蚀刻内层或芯板去除铜箔

印刷电路板的芯板或内层需要在PCB制造工艺继续之前去除多余铜箔。蚀刻涉及覆盖电路板上必要的铜，并将其余部分暴露于化学品中。化学蚀刻过程去除PCB上所有未保护的铜，仅留下电路板所需的铜量。

此步骤在时间或铜蚀刻溶剂用量上可能有所不同。大型PCB或结构较重的板可能使用更多铜，导致需要更多蚀刻去除的铜。因此，这些板需要额外的时间或溶剂。

如果印刷电路板制造工艺用于多层设计

多层印刷电路板有额外步骤来解释制造过程中设计的额外层。这些步骤镜像单层PCB使用的许多步骤。然而，这些阶段会为板的每一层重复。此外，在多层PCB中，铜箔通常取代层间的铜涂层。

内层成像

内层成像遵循与打印PCB设计相同的程序。设计在绘图仪上打印以创建胶片。内层的阻焊层也打印出来。对齐两者后，机器在胶片上创建对准孔，以帮助稍后将胶片正确地与层对齐。

在内层层压材料上添加铜后，技术人员将印刷胶片放在层压材料上，并使用对准孔对齐它们。

紫外线照射胶片（也称为光阻剂），将浅色区域的化学物质硬化成印刷图案。这些硬化区域在蚀刻阶段不会洗掉，而深色胶片下的非硬化区域将去除其铜。

内层蚀刻

成像后，白色墨水覆盖的区域已硬化。这种硬化材料保护蚀刻后将保留在板上的铜。

技术人员首先用碱液清洗电路板，去除板上未硬化的任何剩余光阻剂。此清洁暴露了覆盖印刷电路板非导电部分的区域。接下来，工人将电路板浸入铜溶剂中，溶解暴露的铜，蚀刻掉这些非导电区域的多余铜。

去除光阻剂

去除光阻剂步骤去除覆盖PCB内层铜的任何剩余光阻剂。清除任何剩余光阻剂可确保铜不会有任何阻碍其导电性的物质。去除光阻剂后，该层准备好接受其基本设计的检查。

蚀刻后冲孔

蚀刻后冲孔使用对准孔作为指南对齐层并冲孔。与该孔和对齐的后续检查一样，冲孔由计算机精确引导一种称为光学冲床的机器进行。光学冲孔后，层移至内层自动光学检测（AOI）。

内层AOI

内层自动光学检测使用计算机仔细检查内层，查找不完整的图案或可能仍留在表面的光阻剂。如果PCB层通过AOI，则继续流程。

内层氧化

内层涂覆氧化层可确保铜箔与内外层之间绝缘环氧树脂层更好地结合。

叠层

多层PCB制造中的叠层步骤发生在机器帮助对齐、加热并将层与内外层之间的铜箔层和绝缘材料结合在一起时。通常计算机引导这些机器，因为层的对齐和结合必须精确，以保证印刷电路板的正确结构。

层压

层压使用热量和压力熔化层间的粘结环氧树脂。适当层压的PCB将通过层间有效的绝缘紧密地将各层结合在一起。

X射线对齐

层压后钻多层板时，X射线确保钻头对齐。这些孔允许在多层PCB的层之间建立连接。因此，它们相对于层其余部分和其他层的位置和尺寸精度至关重要。层的X射线对齐后，印刷电路板进行钻孔，继续单面或双面PCB板制造的第九步。

第六步：层对齐

清洁PCB的每一层后，它们准备好进行层对齐和光学检测。之前的孔用于对齐内层和外层。为了对齐层，技术人员将它们放在一种称为光学冲床的冲床机器上。光学冲床将销钉穿过孔以排列PCB的层。

第七步：自动光学检测

光学冲孔后，另一台机器进行光学检测以确保没有缺陷。这种自动光学检测非常重要，因为一旦层放在一起，任何存在的错误都无法纠正。为了确认没有缺陷，AOI机器将PCB与Extended Gerber设计进行比较，后者作为制造商的模型。

PCB通过检查后——即技术人员和AOI机器均未发现缺陷——它进入PCB制造和生产的最后几个步骤。

AOI步骤对印刷电路板的操作至关重要。没有它，可能有短路、不符合设计规格或蚀刻过程中未去除的多余铜的电路板可能通过其余流程。AOI作为生产过程中的质量检查点，防止有缺陷的电路板继续。稍后，工程师完成外层成像和蚀刻后，此过程将为外层重复。

第八步：层压PCB层

在第六步中，PCB层已全部聚在一起，等待层压。一旦层被确认为无缺陷，它们就准备好融合。PCB层压过程分两步：叠层步骤和层压步骤。

PCB外部由预浸/预涂环氧树脂的玻璃纤维片制成。原始基材片也覆盖一层薄铜箔，现在包含铜迹线的蚀刻。外层和内层准备好后，就可以将它们压在一起了。

这些层的三明治式堆叠使用金属夹在特殊的压力台上完成。每层使用专用销钉适配到台面上。进行层压的技术人员首先在台面的对准盆中放置一层预涂环氧树脂（称为预浸料或预浸树脂）。基材层放在预浸树脂上，然后是铜箔层。铜箔层再覆盖更多预浸树脂片，最后以一片铜（称为压板）结束。

铜压板就位后，堆叠准备好被压制。技术人员将其带到机械压力机，向下压紧层。作为该过程的一部分，销钉被冲穿层堆叠以确保它们正确固定。

如果层固定正确，PCB堆叠被带到下一台压力机——层压压力机。层压压力机使用一对加热板对层堆叠施加热量和压力。板的热量熔化预浸料内的环氧树脂——它与压力机的压力相结合，将PCB层堆叠熔合在一起。

PCB层压合在一起后，需要稍微拆包。技术人员需要移除之前的顶部压板和销钉，这使他们能够拉出实际的PCB。

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第九步：钻孔

钻孔前，使用X射线机定位钻孔点。然后钻注册/导向孔，以便在钻更具体的孔之前固定PCB堆叠。到了钻这些孔的时候，使用计算机引导的钻头，以Extended Gerber设计的文件为指南钻孔。

钻孔完成后，边缘处任何残留的铜被锉掉。

第十步：PCB电镀

面板钻孔后，准备好电镀。电镀过程使用化学品将PCB的所有不同层融合在一起。彻底清洁后，PCB在一系列化学品中浸泡。此浸泡过程的一部分在顶层和刚钻好的孔中沉积微米级的铜层。

在孔填充铜之前，它们仅用于暴露构成面板内部的玻璃纤维基材。用铜浸泡这些孔覆盖之前钻孔的孔壁。

第十一步：外层成像

流程早期（第四步），光阻剂已涂覆在PCB面板上。第十一步，该在外层涂覆另一层光阻剂。然而，这次光阻剂仅涂覆在外层，因为它仍需成像。外层涂覆光阻剂并成像后，它们以与前一步内层相同的方式电镀。然而，虽然过程相同，外层获得锡电镀以帮助保护外层的铜。

第十二步：外层蚀刻

最后一次蚀刻外层时，锡保护层用于在蚀刻过程中保护铜。使用与之前相同的铜溶剂去除任何不需要的铜，锡保护蚀刻区域的珍贵铜。

内层和外层蚀刻的主要区别之一在于需要去除的区域。内层使用深色墨水表示导电区域，透明墨水表示非导电表面，但外层这些墨水是相反的。因此，非导电层覆盖深色墨水，铜覆盖浅色墨水。这种浅色墨水允许锡电镀覆盖铜并保护它。工程师在蚀刻过程中去除不需要的铜和任何剩余的光阻剂涂层，为外层的AOI和阻焊做准备。

第十三步：外层AOI

与内层一样，外层也必须接受自动光学检测。这种光学检测确保层满足设计的确切要求。它还验证前一步是否从层上去除了所有多余铜，以创建正常工作的印刷电路板，不会产生不当的电气连接。

第十四步：阻焊层涂覆

面板在阻焊层涂覆前需要彻底清洁。清洁后，每个面板表面覆盖油墨环氧树脂和阻焊胶片。接下来，紫外线照射电路板以指示需要去除阻焊层的位置。

技术人员去除阻焊层后，电路板进入烤箱固化阻焊层。这种阻焊层为电路板的铜提供额外保护，防止腐蚀和氧化造成的损坏。

第十五步：丝印涂覆

因为PCB需要直接在板上有信息，制造商必须在电路板表面印刷重要数据，这一过程称为丝印涂覆或图例印刷。此信息包括：

• 公司ID编号
• 警告标签
• 制造商标记或徽标
• 零件编号
• 引脚定位器和类似标记

将上述信息印刷到印刷电路板上（通常使用喷墨打印机）后，PCB进行表面处理。然后它们继续进入测试、切割和检查阶段。

第十六步：PCB表面处理

完成PCB需要用导电材料电镀，例如：

• 沉银： 低信号损耗、无铅、RoHS合规，表面可能氧化和变色
• 硬金： 耐用、长保质期、RoHS合规、无铅、昂贵
• 化镍沉金 (ENIG)： 最常见的表面处理之一、长保质期、RoHS合规、比其他选项贵
• 热风整平 (HASL)： 成本效益高、持久、可返工、含铅、不符合RoHS
• 无铅HASL： 成本效益高、无铅、RoHS合规、可返工
• 沉锡 (ISn)： 压配应用常用、孔公差严格、RoHS合规、操作PCB可能导致焊接问题、锡须
• 有机焊膜 (OSP)： RoHS合规、成本效益高、保质期短
• 化镍化钯沉金 (ENEPIG)： 高焊接强度、减少腐蚀、需谨慎加工以确保性能、比不使用金或钯的选项成本效益低

正确的材料取决于设计规格和客户预算。然而，应用此类表面处理为PCB创造了一个基本特性。表面处理允许组装商安装电子元件。金属还覆盖铜以防止其因暴露在空气中而氧化。

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第十七步：电气可靠性测试

PCB涂覆固化后（如有必要），技术人员对PCB的不同区域进行一系列电气测试以确保功能。电气测试必须符合IPC-9252标准，即未组装印刷板电气测试指南和要求。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中是否有任何断路（称为“开路”）。另一方面，电路隔离测试检查PCB各部分的隔离值，检查是否有短路。虽然电气测试主要确保功能，但它们也作为初始PCB设计经受制造过程的测试。

除了基本的电气可靠性测试，还有其他测试可用于确定PCB是否功能正常。主要测试之一称为“针床”测试。在此测试中，多个弹簧夹具连接到电路板上的测试点。弹簧夹具随后对电路板上的测试点施加高达200克的压力，以查看PCB在其测试点处承受高压接触的能力。

如果PCB通过了电气可靠性测试——以及制造商选择实施的任何其他测试——它可以移至下一步：路由和检查。

第十八步：成型与路由

成型要求制造工程师识别从结构板切割的单个印刷电路板的形状和尺寸。此信息通常在设计的Gerber文件中。此成型步骤通过编程机器应在结构板上创建刻痕的位置来指导路由过程。

路由或刻痕允许更轻松地分离电路板。路由器或CNC机器在电路板边缘创建几个小缺口。这些边缘可让电路板快速断开而不损坏。

然而，一些制造商可能选择使用V型槽。这台机器将在板的两侧创建V形切口。

两种PCB刻痕选项都允许电路板干净地分离而不开裂。刻痕后，制造商将它们从结构板上分离，移至下一步。

第十九步：质量检查与目视检查

刻痕并分离电路板后，PCB在包装发货前必须进行最后一次检查。此最终检查验证电路板结构的几个方面：

• 所有层的孔尺寸必须匹配并满足设计要求。
• 板尺寸必须与设计规格一致。
• 制造商必须确保清洁度，电路板上没有灰尘。
• 成品电路板不能有毛刺或锋利边缘。
• 所有未通过电气可靠性测试的电路板必须经过维修和重新测试。

第二十步：包装与交付

PCB制造的最后阶段是包装与交付。包装通常涉及密封在印刷电路板周围的材料以防止灰尘和其他异物。密封的电路板随后进入保护容器以防止运输损坏。最后，它们交付给客户。

如何实施有效的PCB制造工艺

通常，PCB制造的设计和制造过程由不同实体负责。在许多情况下，合同制造商（CM）可能基于原始设备制造商（OEM）创建的设计制造印刷电路板。这些群体在组件、设计考虑、文件格式和板材方面的协作将确保有效的过程和阶段间的无缝过渡。

组件

设计师应就可用组件咨询制造商。理想情况下，制造商将拥有设计所需的所有组件。如果缺少某些组件，设计师和制造商需要妥协，以确保更快的制造同时仍满足最低设计规格。

可制造性设计 (DFM) 考虑

可制造性设计考虑设计在制造各阶段进展的顺畅程度。通常制造商（通常是CM）将拥有其设施的一套DFM指南，OEM可在设计阶段咨询。设计师可请求这些DFM指南以指导其PCB设计适应制造商的生产流程。

文件格式

OEM和CM之间的沟通对于确保PCB完全按照OEM的设计规格制造至关重要。双方必须对设计使用相同的文件格式。这样做可防止文件必须更改格式时可能发生的错误或信息丢失。

板材

OEM可能设计比CM预期更昂贵材料的印刷电路板。双方必须就现有材料和最适合PCB设计且对最终购买者具有成本效益的材料达成一致。

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