由湾区电路提供

电路板是如何制作的？也许您对所涉及的步骤有一个粗略的想法：有人设计了一个原理图，然后将其制成物理设计的布局，然后将其导出到机器可读的文件中。在此之后的某个地方，这些文件被发送到印刷电路板 (PCB) 制造商或“板房”，他们以某种方式制造板，然后将它们运回设计人员。瞧，电路板！虽然您可以轻松找到有关电路板设计的信息，但我们试图回答这个问题：PCB 制造商在幕后发生了什么？Bay Area Circuits 是一家专门从事快速原型制造的硅谷 PCB 制造商，他很友好地让我们深入了解了这个过程。我们将详细描述这个过程，

这是一个演练：

背景：
关于印刷电路板，首先要了解的是形成“叠层”的导电铜层有多少层——1、2 或许多。双面板是最常见的：这些板的正面和背面都有导电铜图案，层间的互连称为通孔，由导电镀钻孔制成，称为通孔，将一侧连接到另一侧。多层板由粘合在一起的导电材料和绝缘材料的交替层组成。Bay Area Circuits 最多可以制造 30 层 PCB！多层 PCB 的制造更复杂（也更昂贵），并且需要在制造双面 PCB 时不使用的额外工艺。我们将回顾双面和多层 PCB的制造过程。

无论电路板的最终尺寸是多少，它都是通过在单片（称为面板）中制作大量电路板来制造的。即使您的电路板是索引卡的大小，它也会在一块覆铜材料上开始生产，通常为 18” x 24”，并且设计将在这张纸上复制以生产尽可能多的电路板它。（这最终成为了解 PCB 批量定价的关键因素：每块板的成本取决于生产的面板数量，而不是您要订购的单件数量。）这与此处描述的流程有关，因为直到当从大板上切下单个板时的最后一步，所有 PCB 制造都处理这种大型面板格式的 PCB。

1. 前端工程
第 1 步。下订单后，制造商的第一步是检查 PCB 设计并为生产做好准备。每个制造商都有自己的方法来处理这个过程，但基本上这意味着创建一组逐步说明来构建 PCB。设计文件被审查并准备用于制造。在 Bay Area Circuits，规划师还将创建一组称为“流程卡”（或“旅行者”）的指令，这些指令将随着工作的完成而移动。此外，CAM 工程师将执行设计审查并将设计文件转换为用于制造的数据格式。

为了开始这个过程，每组设计数据和相关的特征都被分配了一个唯一的工具编号。将来，如果客户重新订购完全相同的设计并进行任何更改，即使与 PCB 的颜色一样微不足道，也会分配一个新的工具编号。这有助于确保正确跟踪，因为一些客户即使在进行修订时也会重复使用相同的部件号。

接下来，计划员将创建工艺卡，其中包含生产 PCB 所涉及的制造步骤、到期数量和到期日期等信息。为此，他们需要查看与项目相关的所有信息，包括任何采购订单详细信息、制造图纸和特殊说明。根据这些信息，他们将确保为项目提供合适的材料，并将构建工艺卡以反映所需的生产过程。流程卡还包含一个条形码，当项目从一个流程转移到另一个流程时，会扫描该条形码。这使他们能够确定生产中任何项目的确切位置和状态，甚至是执行每个过程的操作员。

规划完成后，轮到 CAM 工程师执行深入的数据审查并创建制造 PCB 所需的工具。CAM 工程师遵循每个项目的详细清单，以下是主要职责：

数据清理

CAM 工程师将数据加载到 CAM 软件中并执行基本的数据清理，包括检查文件名和层的分配和对齐。这是必要的，因为尽管数据以标准格式（例如 Gerber、ODB++）提供，但每个 PCB 设计软件包的输出数据可能略有不同。

钻孔/铣削数据验证和编辑

接下来，CAM 工程师将验证数据文件中的孔尺寸和计数是否与制造图纸中指定的相符。（应该注意的是，并非每个设计师都提供制造图纸。虽然是首选，但这绝不是展示障碍。）他们还会检查任何特殊的布线或切口，以及电镀孔与非电镀孔。根据要求，可能有多个钻孔和拆除过程，每个过程需要唯一的文件。

PCB 编辑

在此步骤中，CAM 工程师将运行设计规则检查 (DRC) 以查看图像文件并进行任何需要的更改。这包括调整钻孔尺寸、添加 BAC 标记（徽标和日期代码）、根据需要编辑层、丝网印刷和阻焊层以及添加蚀刻补偿。（蚀刻是化学去除铜以获得电路图案。必须计算蚀刻深度或导体厚度与横向蚀刻或底切量的比率。）

拼板

单板将根据规划部门提供的最佳尺寸放置在生产面板上。边框、标签和工具被添加到面板中。经验丰富的电路板设计师在电路板尺寸方面具有灵活性，会提前考虑面板尺寸，以确保最大程度地适合并减少浪费，从而实现最佳定价水平。

输出

最后，CAM 工程师将生成完成各种制造过程所需的所有钻孔文件、路径文件、图像文件、自动光学检测 (“AOI”) 和测试文件。这些文件将由制造过程中每台机器的操作员通过网络服务器上的计算机控制设备访问。

2. 照片绘制
现在工程工作已经完成，生产过程的下一步称为照片绘图。激光光绘机用于创建用于阻焊和丝印工艺的照片工具。为每个单独的层绘制一张胶片。薄膜的厚度为 7 密耳，整体尺寸通常约为 18” x 24”，以匹配最常见的 PCB 面板尺寸。许多制造商，包括 Bay Area Circuits，已经通过使用特殊的激光直接成像 (LDI) 设备来减少或消除胶片的使用，该设备直接成像到干胶片上，这降低了成本，也可以是一个更准确的过程。所有内层和外层现在都使用激光直接成像生产。

3. 成像和显影/蚀刻/条带 (DES)
成像过程用于将主要图像（走线、焊盘、金属接地等）应用到 PCB 上。然后，DES 工艺用于为电镀工艺创建/准备铜图案。

图像和DES的步骤是：

将可照片成像的干膜涂在铜板上。
使用激光直接成像对面板进行成像。
显影干膜。所有被激光曝光的区域都将保留，而未曝光的区域将消失。剩余的薄膜将作为蚀刻屏障，防止导电图案被蚀刻，同时暴露任何不需要的铜（这是用于内层）。
蚀刻掉面板上暴露的铜。
剥离剩余的干膜，以便为内层留下最终的导电铜图案。
4. 自动光学检测（仅限多层 PCB）
自动光学检测或 AOI 用于在将多层 PCB 层压在一起之前检查多层 PCB 的层。光学器件通过将面板上的实际图像与 PCB 设计数据进行比较来检查层。任何差异，额外的铜或缺失的铜都可能导致短路或开路。这使制造商能够发现任何缺陷，一旦将内层层压在一起，就可以防止出现问题。正如您可能想象的那样，纠正在此阶段发现的短路或开路要容易得多，而不是将各层层压在一起。事实上，如果在这个阶段没有发现开路或短路，那么很可能要到制造过程结束时，在电气测试期间才会被发现，此时纠正已经太晚了。

在图层映像过程中发生的导致短路或开放相关问题的最常见事件是：

图像曝光不正确，导致特征尺寸的增加/减少。
干膜抗蚀剂附着力差，这会导致蚀刻图案中出现刻痕、切口或针孔。
铜蚀刻不足，留下不需要的铜或导致特征尺寸增大或短路。
铜被过度蚀刻，去除了必要的铜特征，减少了特征尺寸或切口。
最终，AOI 是制造过程的重要组成部分，有助于确保 PCB 的准确性、质量和准时交付。

5. OXIDE（仅限多层 PCB）
氧化物（根据工艺称为黑色氧化物或棕色氧化物）是层压前对多层 PCB 内层的化学处理，用于增加覆铜的粗糙度以提高层压粘合强度。
一旦制造过程完成，该过程有助于防止分层，或任何基材层之间或层压板与导电箔之间的分离。

6. 层压（仅限多层 PCB）
为了生产多层 PCB，使用液压机在高温和高压下将称为预浸料和导电芯材的环氧树脂注入玻璃纤维板的交替层层压在一起。
压力和热量使预浸料熔化并将各层连接在一起。冷却后，所得材料遵循与双面 PCB 相同的制造工艺。以下是使用 4 层 PCB 为例的层压工艺的更多详细信息：

对于成品厚度为 0.062” 的 4 层 PCB，我们通常会从 0.040” 厚的覆铜 FR4 芯材开始。核心已经通过内层成像处理，
但现在需要预浸料和外铜层。预浸料称为“B 阶段”玻璃纤维。在对其施加热量和压力之前，它不是刚性的。因此，
允许它在固化时流动并将铜层粘合在一起。铜是非常薄的箔，通常为 0.5 盎司。（0.0007 英寸）或 1 盎司。(0.0014 in.) 厚，即添加到预浸料的外部。然后将叠层放置在两块厚钢板之间并放入层压机中（压制周期因各种因素而异，包括材料类型和厚度）。例如，170Tg FR4 材料通常用于许多零件，以 300 PSI 的压力在 375°F 下压制 150 分钟。冷却后，材料准备好进入下一个过程。

7. 钻孔
PCB 设计通常需要一定数量的钻孔用于连接组件、将铜层连接在一起或将 PCB 安装在其外壳中。

孔是使用先进的精密钻孔系统钻孔的，这些钻孔系统利用专为快速去除极其磨蚀性材料中的切屑而设计的整体硬质合金刀具。
钻孔通常一次通过一叠通常 2-3 个面板完成，具体取决于正在处理的体积。根据设计人员提交的数据，特别是数控 (NC) 钻孔文件，
精确的孔尺寸和位置被编程到钻机中。（提示：初级设计师经常忘记发送 NC 钻孔文件 - 忽略这会导致制造延迟。）有些软件包要求您将此文件与 Gerber 文件导出分开导出，但您的制造商需要这两种文件。

使用薄铝材料作为“入口材料”，使用硬纸板作为“出口材料”。这使钻头保持笔直运行并减少铜箔穿过 PCB 时的毛刺。
钻孔尺寸通常比所需的成品电镀通孔尺寸大约 5 密耳，以允许将铜镀入孔中，同时在电镀后将孔尺寸保持在公差范围内。

8. 无电镀铜
钻孔过程完成后，使用化学镀工艺在面板的所有暴露表面（包括孔壁）上化学沉积一层薄薄的铜涂层。
这个过程需要在孔壁的玻璃纤维上沉积一层薄薄的导电铜涂层，以便随后可以电镀孔。无电沉积的厚度通常在百万分之 45 到 60 英寸之间。

9. 干膜外层
化学镀铜后，必须应用外层图像以准备电镀面板。

制造过程中的这一步首先使用层压机在裸铜面板的外层上涂上干膜，干膜是一种可光成像材料（也称为光刻胶或干膜抗蚀剂）。
此过程类似于用于对多层 PCB 的内层进行成像的过程。然后使用激光直接成像对干膜进行曝光。与内层处理一样，曝光的胶片会保留下来，而未曝光的胶片将被显影掉。这使得导电图案和暴露的孔被镀铜。


10. 盘子
下一步是电镀工艺，将铜镀在导电图案和印刷电路板的孔壁上，以满足电路的设计要求。PCB 在铜电镀槽（硫酸/硫酸铜电解液）中电镀，
该电镀槽利用直流电源向阳极和阴极棒施加电流。要电镀的面板放置在支架上并连接到阴极棒。铜阳极悬挂在阳极棒的溶液中。当施加电流时，溶液中的铜沉积在电路板的导电表面和孔壁上，而阳极中的铜分解成电解质。通常，PCB 的镀层厚度约为 1 mil (0.001”)。

镀铜完成后，面板将在镀锡浴中镀上一层薄薄的锡，当 PCB 被蚀刻时，它将作为蚀刻屏障。

11. 剥离和蚀刻
一旦面板上的电镀完成，剩下的干膜抗蚀剂和下面的铜需要去除。面板现在将经历剥离蚀刻剥离 (SES) 过程。面板上的抗蚀剂被剥离，
现在暴露在外且未被锡覆盖的铜将被蚀刻掉，这样只有走线和孔周围的焊盘和其他铜图案将保留下来。最后，覆盖走线和孔的剩余锡被化学去除/剥离，留下铜和暴露的 PCB 层压板。








此，PCB的“骨架”就完成了。剩下的步骤将增加对 PCB 的保护，根据 PCB 的组装/使用方式选择表面光洁度，以及测试和检查过程，
以确保达到精度和质量水平。

12. 焊接面罩和图例
大多数 PCB 都使用液态光成像 (LPI) 阻焊层来保护铜表面并防止组件之间的焊料桥接，这会在组装过程中造成电气短路。

LPI 阻焊层是一种光敏环氧基抗蚀剂。它是通过利用丝网印刷工艺来完全覆盖面板的。在短暂的“粘性固化周期”之后，通过使用光刻（通过胶片工具曝光）或使用紫外线激光的激光直接成像，将面板暴露在紫外线光源下。就像铜的图像处理一样，所有暴露的阻焊层都会保留，而未暴露的阻焊层在通过显影剂处理时将被移除。然后将阻焊层在烤箱中烘烤以固化、硬化并粘附到板上。

有替代传统丝网印刷工艺的方法来应用利用喷墨技术的阻焊层。在 Bay Area Circuits，他们一直在试验一种替代方案。

在阻焊过程之后，可以应用图例，在 PCB 上打印字母或符号，作为组装过程中的有用参考。Legend 可以使用与用于应用阻焊层的过程相同的丝网印刷过程来应用，但也存在其他选项，例如也使用喷墨技术的 Direct Legend 打印机。

大多数情况下，阻焊层的颜色是绿色，图例的颜色是白色。为什么？一些人推测绿色与军事有关，而另一些人则认为它只是提供了与白色传说形成对比的最佳背景颜色。无论如何，阻焊层的颜色与功能没有任何关系（除非 PCB 用于 LED 应用，该应用多次需要高反射性的白色阻焊层）。但是，一些设计人员确实使用颜色来在视觉上区分修订版（例如：原型 PCB = 红色，生产 PCB = 绿色）。大多数 PCB 制造商会提供一些标准颜色可供选择；绿色、蓝色、红色、黄色、黑色和白色是最常见的。但是自定义颜色呢，喜欢 Circuit Classics 项目中使用的独特蓝色？制造商不能从供应商处购买定制颜色；相反，制造商需要将标准颜色混合在一起才能达到预期的效果。实现自定义颜色可能需要大量的劳动力和材料，因此提供此服务的制造商并不多。在 Bay Area Circuits，他们看到对定制颜色的需求有所增加，因为如今 PCB 美学似乎比以往任何时候都更重要。对于 Circuit Classics 项目，我们创建了许多颜色样本，并向客户提供了一个调色板以供选择。一旦选择了颜色，配方就会被存档，以确保与未来的生产运行保持一致。但请注意，虽然自定义颜色不一定更贵，但可能会有适用的设置和最低批量费用。



13. 表面处理
用于制造 PCB 的最后一个化学过程是应用表面光洁度。虽然阻焊层覆盖了大部分电路，但表面光洁度旨在防止剩余裸露铜的氧化。这很重要，因为氧化铜不能焊接。有许多不同的表面处理可以应用于电路板。最常见的是热风焊接水平 (HASL)，它以含铅和无铅两种形式提供。但根据 PCB 的规格、应用或组装工艺，合适的表面处理可能包括化学镀镍沉金 (ENIG)、软金、硬金、沉银、沉锡、有机可焊性防腐剂 (OSP) 等。

表面处理

每种表面光洁度的应用在过程中可能略有不同，但涉及将面板浸入化学浴中，以将任何暴露的铜涂上所需的光洁度。

14. 电气测试
至此，大面板格式的PCB就完成了。但在从面板上布线单个 PCB 之前，将使用飞针测试仪进行电气测试。电路板根据网表进行测试，网表可以由客户随其数据文件提供，也可以由 PCB 制造商根据客户数据文件创建。测试仪使用多个移动臂或探针来接触铜电路上的点并在它们之间发送电信号。任何短路或开路都将被识别，使操作员能够进行维修或将 PCB 作为缺陷丢弃。根据设计的复杂性和测试点的数量，电气测试可能需要几秒钟到几个小时才能完成。
此外，根据设计的复杂性、层数和组件风险因素等各种因素，一些客户选择放弃电气测试以节省一些时间和成本。这对于不会出错的简单双面 PCB 来说可能没问题，但无论复杂性如何，我们始终建议对多层设计进行电气测试。（提示：除了您的设计文件和制造说明之外，还为您的制造商提供“网表”是防止发生意外错误的一种方法。）
15. 制造
一旦 PCB 面板完成电气测试，各个电路板就可以与面板分离了。此过程由 CNC 机器或路由器执行，它将每个板从面板中路由到所需的形状和尺寸。通常使用的铣刀尺寸为 0.030 - 0.093，为了加快加工速度，多个面板可以堆叠两到三个高，具体取决于每个面板的整体厚度。在此过程中，CNC 机器还能够使用各种不同的铣刀钻头尺寸制造槽口、倒角和斜边。

代替布线单个小板，PCB 可以布线为包含多个带有标签或划线的板的阵列。这允许同时更容易地组装多个板，同时使组装者能够在组装完成时拆开单个板。

最后，将检查板的清洁度、锋利边缘、毛刺等，并根据需要进行清理。

16. 微切片
显微切片（也称为横截面）是 PCB 制造过程中的一个可选步骤，但它是用于验证 PCB 内部结构以进行验证和故障分析的宝贵工具。为了制作用于材料显微检查的样品，将 PCB 的横截面切割并放入柔软的丙烯酸树脂中，该丙烯酸树脂在其周围硬化成冰球形状。然后将切片抛光并在显微镜下观察。可以进行详细检查，检查许多细节，例如镀层厚度、钻孔质量和内部互连质量。

17. 最终检查
既然 PCB 已被证明具有良好的电气性能并已单独布线，那么最后一步是完成检查过程，以确保 PCB 符合视觉和性能标准。检查员将首先审查与项目相关的所有文件，包括描述所执行的每个制造过程的工艺卡，以及任何客户提供的文件，例如制造图纸。然后，检查员将对 PCB 进行评估，以确保它们符合客户的要求和行业指导文件中列出的标准：

IPC-A-600 – 印制板的可接受性，它定义了一个行业范围的 PCB 验收质量标准。

IPC-6012 – 刚性板的资格和性能规范，它确定了刚性板的类型并描述了在制造过程中满足三种性能等级的板 - 1、2 和 3 级的要求。

1 类 PCB 的使用寿命有限，并且要求仅仅是最终用途产品的功能（例如车库门开启器）。
2 类 PCB 是需要持续性能、延长寿命和不间断服务但不重要的 PCB（例如 PC 主板）。
3 类 PCB 将包括以下最终用途：持续高性能或按需性能至关重要，不能容忍故障，并且产品必须在需要时发挥作用（例如飞行控制或防御系统）。

一般来说，等级之间的差异是通过要求更严格的公差和控制来实现的，从而产生更可靠的产品。您可能会猜到，等级越高，PCB 就越贵。在 Bay Area Circuits，他们按照 2 类标准制造所有 PCB，除非另外指定 3 类标准。

无论指定的等级如何，孔尺寸都用针规检查，阻焊层和图例的整体外观进行目视检查，阻焊层检查焊盘上是否有任何侵蚀，以及表面处理的质量和覆盖率审查。

设计人员熟悉 IPC 检查指南以及它们与 PCB 设计、订购和制造过程的关系非常重要。并非所有 PCB 都是一样的，理解这些准则将有助于确保生产的产品满足您对美学和性能的期望。

如果您做到了这一点，您应该对制造印刷电路板所涉及的流程和工作有更好的了解。如果您想了解更多信息，我鼓励您利用网上的大量信息、资源和工具。如果您是一位有抱负或经验丰富的 PCB 设计师，请走出去拜访您当地的 PCB 制造商。花时间参观设施并了解更多有关该过程的信息，肯定会让您成为更好的设计师！
电路板设计，电路板生产。