产品设计|PCB板的加工全工艺流程介绍

文摘   2024-09-14 07:20   江苏  
观点 / Champion   


最近有机会去了PCB板厂参观学习,对于之前没接触过板厂的我来说,深感一块PCB板子从原材料变成我们所说的PCBA,中间要经过的流程工艺可谓相当复杂,很多还存在废水废气污染,因此一般板厂的位置都会稍偏远些。


为了巩固我所看到和学到的内容,决定将一块多层板的制作工艺流程,分享给大家,不足之处,还请指教。

01. 电路图的设计和输出


首先,一个电子产品的PCB板子外形,是由整个产品的包络大小和形状决定,当然也取决于其基本的电气性能要求。由结构工程师负责输出板子外框、螺丝孔固定位置和大小、基本的限制布置高度和区域以及相应的接口位置(连接器等器件)。

其次,电子硬件工程师负责根据客户或产品的电气性能开发需求,输出PCB原理图给到ECAD(PCB LAYOUT工程师)。


最后,由PCB设计工程师根据结构的外形,硬件的原理图,以及PCB布置的安规走线等规则,通过PCB设计CAD软件工具(MENTOR、PROTEL、Altium等)绘制PCB线路图,转化成电路板的走线。并用DFM测试软件测试是否存在短路或异常后,最终输出一份GERBER格式的电路文件,PCB钻孔图、装配图纸、EBOM等。

Gerber文件是PCB制造行业中普遍采用的数据传输格式,支持PCB产品的高产量批量生产。Gerber文件是一系列ASCII矢量格式文件,用于定义PCB设计规范。它们利用电子设计自动化(EDA)或计算机辅助设计(CAD)工具生成,提供电路板配置参数、光圈描述、XY坐标位置和绘图指令等信息。

配置详情包括待制造PCB的尺寸和形状。每层电路板信息分别记录在不同的文件中,用于定义铜迹线、焊盘、过孔、阻焊层、丝印、标识等元件。Gerber文件中会标明每个几何形状的XY坐标位置,并使用指令在实体板上绘制这些形状。

Gerber文件的基本构成包括:板尺寸、外形、顶层组装、顶层丝印、顶层阻焊、顶层膏剂、顶层铜、内部信号、内层、底层铜、底层膏剂、底层阻焊、底层丝印、底层组装及制造信息(提供叠层、钻孔细节、切割等信息)。


由计算机辅助制造(CAM)工具生成的Gerber文件扩展名可由用户自选,通常使用如".TOP"代表顶层、".BOT"代表底层、".drl"代表钻孔数据的项目命名方式。



02. PCB制作工艺流程


2.1 开料 CUTTING


开料是把原始的覆铜板切割成能在生产线上制作的板子的过程。


首先我们来了解几个概念:


(1)UNIT:UNIT是指PCB设计工程师设计的单元图形。


(2)SET:SET是指工程师为了提高生产效率、方便生产等原因,将多个UNIT拼在一起成为的一个整体的图形。也就是我们常说的拼板,它包括单元图形、工艺边等等。


(3)PANEL:PANEL是指PCB厂家生产时,为了提高效率、方便生产等原因,将多个SET拼在一起并加上工具板边,组成的一块板子。


子流程有: 裁切、烤板(通过烘烤,清除水汽,消除板料内应力,防止板翘)、刨边、磨角。


2.2 内层干菲林 INNER DRY FILM

2.3 内层蚀刻 INNER ETCHING

2.4 内层蚀检 INNER ETCH CHECKING


内层干膜是将内层线路图形转移到PCB板上的过程。


在PCB制作中我们会提到
图形转移这个概念,因为导电图形的制作是PCB制作的根本。所以图形转移过程对PCB制作来说,有非常重要的意义。


内层干膜包括内层贴膜、曝光显影、内层蚀刻等多道工序。内层贴膜就是在铜板表面贴上一层特殊的感光膜,就是我们所说的干膜。这种膜遇光会固化,在板子上形成一道保护膜。曝光显影是将贴好膜的板进行曝光,透光的部分被固化,没透光的部分还是干膜。然后经过显影,褪掉没固化的干膜,将贴有固化保护膜的板进行蚀刻。再经过退膜处理,这时内层的线路图形就被转移到板子上了。


其整个工艺流程如下图:


一般我们都是多层板设计,所以就会分为外层和内层。通常我们会将内层板按照上述步骤全部做出来:


2.5 内层棕化 INNER BROWN OXIDIZATION


目的是使内层铜面形成微观的粗糙和有机金属层,增强层间的粘接力。


流程原理:
通过化学处理产生一种均匀,有良好粘合特性的有机金属层结构,使内层粘合前铜层表面受控粗化,用于增强内层铜层与半固化片之间压板后粘合强度。


2.6 内层压板 INNER LAMINATION


层压是借助于pp片的粘合性把各层线路粘结成整体的过程。这种粘结是通过界面上大分子之间的相互扩散,渗透,进而产生相互交织而实现,将离散的多层板与pp片一起压制成所需要的层数和厚度的多层板。实际操作时将铜箔,粘结片(半固化片),内层板,不锈钢,隔离板,牛皮纸,外层钢板等材料按工艺要求叠合。


对于设计人员来说,层压首先需要考虑的是对称性。因为板子在层压的过程中会受到压力和温度的影响,在层压完成后板子内还有应力存在。因此如果层压的板子两面不均匀,那两面的应力就不一样,造成板子向一面弯曲,大大影响PCB性能。


另外,就算在同一平面,如果布铜分布不均匀时,会造成各点的树脂流动速度不一样,这样布铜少的地方厚度就会稍薄一些,而布铜多的地方厚度就会稍厚一些。
为了避免这些问题,在设计时对布铜的均匀性、叠层的对称性、盲埋孔的设计布置等等各方面的因素都必须进行详细的考虑。



2.7 钻孔 DRILLING


PCB钻孔是制造关键步骤,机械与激光钻孔各有特点。钻孔流程涉及前处理、钻头选择与数控钻床操作。需考虑纵横比、钻铜间隙等因素。潜在问题需补救,提高质量需技巧。DFM验证有助于优化设计与制造过程。在印刷电路板(PCB)制造过程中,钻孔工艺扮演着核心角色,它是实现不同层电气互连的关键步骤。


2.8 沉铜 PTH

2.9 板面电镀 PANEL PLATING


沉铜也叫化学沉铜,钻孔后的PCB板在沉铜缸内发生氧化还原反应,形成铜层从而对孔进行孔金属化,使原来绝缘的基材表面沉积上铜,达到层间电性相通。


板面电镀就是使刚沉铜出来的PCB板进行板面、孔内铜加厚到5-8um,防止在图形电镀前孔内薄铜被氧化、微蚀掉而漏基材。


2.10 外层干菲林 OUTER DRY FILM

2.11 图形电镀 PATTERN PLATING

2.12 碱性蚀刻 ALKALINE ETCHING


这步和内层干菲林工艺流程一样。先贴感光膜,再用胶片曝光硬化线路。只不过这步的胶片和内层板相反:先把线路以外的位置进行曝光,用显影液清洗掉线路上未被照射的光膜,露出线路铜面,接下来把露出来的线路进行图形电镀,将孔和线路铜层加镀到一定的厚度(20-25um),以满足最终PCB板成品铜厚的要求,最后将板面没有用的铜蚀刻掉,露出有用的线路图形。


2.13 树脂塞孔 PLUGGING HOLE WITH RESIN

2.14 树脂打磨 RESIN MILLING


目的是为了避免短路和空焊:在PCB板中,特别是当使用BGA(球栅阵列)零件时,由于零件过密,传统的VIA(过孔)可能无法直接连接到背面走线。此时,可能需要从PAD(焊盘)直接钻孔做VIA到其他层去走线。若未采用树脂塞孔,这些孔可能会导致漏锡,进而引发背面短路或正面的空焊问题。


主要流程如下:


  • 孔壁镀铜:首先,对PCB板上的孔洞进行清洁和预处理,然后在其内壁镀上一层铜,以增强导电性和附着力。

  • 树脂填充:使用专门的树脂材料,通过高压或真空等方式将树脂注入孔洞,确保孔洞被完全填满且无明显气泡。

  • 表面磨平:待树脂固化后,使用研磨机械对表面进行磨平处理,使填充区域与周围板面保持平整一致。

  • 再次镀铜:最后,在填充区域表面再次镀上一层铜,以提高整体导电性和美观度。


2.15 外层蚀检 OUTER ETCH CHECKING


2.16 绿油 SOLDER MASK


阻焊,也叫防焊、绿油,是印制板制作中最为关键的工序之一,主要是通过丝网印刷或涂覆阻焊油墨,在板面涂上一层阻焊,通过曝光显影,露出要焊接的盘与孔,其它地方盖上阻焊层,防止焊接时短路。将所需的文字,商标或零件符号,以网板印刷的方式印在板面上,再以紫外线照射的方式曝光在板面上。


2.17 表面处理 SURFACE TREATMENT


裸铜本身的可焊性能很好,但长期暴露在空气中容易受潮氧化,倾向于以氧化物的形式存在,不大可能长期保持为原铜,因此需要对铜面进行表面处理。表面处理最基本的目的是保证良好的可焊性或电性能。


常见的表面处理:喷锡、沉金、OSP、沉锡、沉银,镍钯金,电硬金、电金手指等。


2.18 V-CUT


2.19 锣板 ROUTING


2.20 测试 E-TEST


模拟板的状态,通电进行电性能检查,是否有开、短路。


2.21 FQC/FQA


2.22 包装出货 PACKING AND SHIPMENT



写在最后

以上整个流程需要精确的控制和高质量的管理,才能确保最终产品的可靠性和性能。不同结构和功能的PCB板可能会有一些特定的加工步骤或细节上的差异‌。


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