深入工廠內部：PCB 製造流程全面解析

PCB 製造流程會將一個包含 Gerber 檔案的資料夾，轉化為內部埋有銅箔的硬質電路板。由上載檔案到出貨，設計會經過約 20 個化學及機械階段，而其中大部分都在你看不到的槽體內完成。任何一項輸入錯誤，都可能令整批電路板報廢。一個繪製得過於狹窄的環形環，鑽孔後會變成破裂的孔壁，因此通常要到電氣測試時才會發現。

本指南涵蓋完整製程：CAM 檢查、內層蝕刻、層壓、鑽孔、電鍍、阻焊及表面處理。你將了解每個階段如何影響銅箔，以及哪些設計選擇決定電路板能否順利完成製造。

圖 1：PCB 製造流程的主要階段

由 Gerber 檔案到實體電路板：現代 PCB 製造架構

工廠並不是直接按照你的 Gerber 檔案製造。製造商會先將檔案轉換為工具資料包，包括拼板佈局、鑽孔程式、光繪工具及蝕刻補償表。大部分設計問題都會在這一步出現，因為軟件會將你的圖形與化學製程實際能夠保持的尺寸進行比較。

製程順序可以解釋生產線上的大部分安排。拼板就像一棟建築物，必須先完成內部樓層，再蓋上屋頂。因此，內層會在鑽第一個孔之前完成蝕刻及檢查。層壓之後的所有工序都必須穿過一塊完整電路板完成，這也是為何後半段製程主要由孔質量及鍍層控制。

CAM 數據驗證及 DFM 準備

CAM 代表電腦輔助製造，CAM 工程師的工作是讓你的設計可以製造，同時不改變其功能。檔案會被匯入，層疊會按順序排列，鑽孔程式也會與焊盤圖形互相比對。如果鑽孔檔案要求在沒有焊盤的位置鑽孔，訂單會在產生成本前停止。接著會進行 DFM 檢查，其標準比 EDA 工具內的設計規則檢查更嚴格。你的軟件會按照設計本身檢查，而 CAM 則會按照具備實際公差的蝕刻生產線檢查。即使 DRC 報告乾淨，也可能收到 DFM 意見，因為工廠是在按照設備能力，而不是按照你的規則測量圖形。

蝕刻補償會按照去除銅箔時產生的側向蝕刻，刻意調整曝光圖形。拼板尺寸、工藝邊、工具孔及折斷特徵都由製造商決定，因此應使用報價中提供的拼板規則，而不是通用尺寸。下單前應解決模糊的鑽孔類型、外形線及銅箔至板邊間距，CAM 團隊不應需要猜測設計意圖。

1. 將鍍通孔及非鍍通孔合併在同一鑽孔檔案中，會令工廠無法判斷哪些孔需要鍍銅。安裝孔及過孔在 NC 鑽孔檔案中看起來相同，因此錯誤判斷可能令 M3 安裝孔直接連接到接地平面。將兩種孔輸出為不同檔案，訂單便可以直接運行而不需要額外確認。
2. 如果電路板外形線繪製在絲印或文件層，工廠便沒有真正的外形輪廓，CAM 只好從找到的封閉圖形重建板邊。0.2 mm（8 mil）的誤差便可能令安裝孔與外殼錯位。請將外形線放在專用機械層，並使用一條封閉折線。
3. 銅箔如果緊貼板邊，銑削外形時便可能暴露；裸銅邊緣容易造成短路及腐蝕。銑削公差約為 0.2 mm（8 mil），因此銅箔區域至少應後退相同距離。距離外形線 0.3 mm（12 mil）的禁佈區，通常可以提供足夠裕量。

基材裁切及材料選擇

覆銅層壓板以大幅固化玻璃纖維及環氧樹脂板材形式交付，兩面覆有銅箔。板材會使用剪床或 CNC 銑床切成工作拼板，邊緣也會倒角，避免板材在連續化學生產線上被輸送設備勾住。銅箔厚度不是用手感判斷的重量；1 oz 銅箔等於 35 µm（1.4 mil）厚度。

層壓板會從空氣中吸收水分，而水分在壓機升溫後會迅速汽化。因此，拼板在進入層壓流程前，通常會在約 120°C 下烘焙 4–6 小時。並非所有FR-4都相同，材料類型會影響電路板在組裝溫度下的特性。高 Tg 材料（例如 Shengyi S1000-2M）在約 170°C 下仍能保持剛性，而標準 FR-4 在約 130–140°C 開始軟化；較厚或需要兩次組裝的電路板，使用高 Tg 等級會更加安全。

以下四項特性決定哪種層壓板適合你的設計：

• 玻璃轉移溫度（Tg）：樹脂開始變成橡膠態的溫度。應讓 Tg 高於最壞情況回焊浸泡溫度 20–30°C。
• 介電常數（Dk）：FR-4 在 1 GHz 下約為 4.3，會決定傳播延遲及受控阻抗所需的走線寬度。
• 耗散因數（Df）：FR-4 約為 0.017–0.025，而 Rogers RO4003C 約為 0.0027。超過 5 GHz 後，這會轉化為實際損耗。
• 銅箔重量：訊號層使用 1 oz，當電源軌電流超過約 3 A 時使用 2 oz。

板厚也要同時決定，因為它會同時設定鑽孔長寬比，以及受控阻抗所依賴的介電層間距。

PCB 製造流程中的核心化學及機械階段

PCB 製造流程中段會將分開的板材變成一塊完整電路板。四個工序承擔主要結構工作：對內層進行圖形化及蝕刻、將各層壓合、在壓合後的整板上鑽孔，以及將銅鍍到每個孔內。四項工序完成後都無法逆轉，因此隨著拼板向後移動，公差要求會越來越嚴格。

多層板的內層圖形化及層壓

內層仍然是分開的芯板時便要完成圖形化，因為層壓後便無法再進入內部。每塊芯板會先清潔，再貼上乾膜光阻，然後透過光繪工具或激光直接成像頭曝光。顯影會清除未曝光的光阻，之後蝕刻液再溶解底下的銅箔。

圖 2：內層成像及蝕刻流程

銅箔會使用氯化銅或氨性蝕刻液去除，蝕刻液在受控壓力下噴灑到移動中的拼板上。化學反應會同時向各個方向進行，因此走線側壁會傾斜，而不是垂直。這種斜度稱為蝕刻因子。典型 1 oz 內層的蝕刻因子約為 3:1，即走線兩側各損失約 12 µm（0.5 mil）。每塊內層在進入層疊前都會經過自動光學檢查。掃描器會將蝕刻銅箔與 CAM 圖像比較，並檢查約 15 µm（0.6 mil）的短路、開路及缺口。通過檢查的拼板會立即進行氧化或黏合增強處理，使銅箔表面變粗糙，讓半固化片樹脂可以牢固黏附。

圖 3：多層 PCB 層壓結構

蝕刻完成的芯板會透過半固化片——部分固化的環氧樹脂及玻璃纖維布——層壓成一個整體。各層會使用銷釘或鉚釘對位後放入熱壓機。樹脂受熱後熔化，在壓力下流入所有空間，然後固化。FR-4 層壓週期會採用受控冷卻斜率，最大循環壓力約為 250–350 psi，溫度約為 185°C；冷卻過快會將應力鎖在電路板內。

精密機械鑽孔及激光微孔製作

鑽孔在層壓後進行，因為通孔必須一次穿過完成的整疊板材。拼板會在鋁製進板箔及酚醛樹脂背板之間堆疊兩至三層，碳化鎢鑽頭以 100,000–200,000 rpm 的主軸速度加工。進板箔可防止鑽頭開始切削時偏移，背板則避免出口孔撕裂。

長寬比是板厚除以成品孔徑，會影響鑽孔及電鍍能力。允許比例取決於製造商、材料、鑽孔尺寸、電鍍流程及可靠性等級。在將某個長寬比視為常規能力前，應先與製造商確認成品孔徑及層疊結構。

圖 4：機械鑽孔與激光微孔製作比較

當機械鑽頭無法再使用時，便會採用激光鑽孔。UV 或 CO2 激光每次去除一層介電材料，製作 75–150 µm（3–6 mil）的盲微孔，並終止於下方銅箔。由於激光束無法穿透銅箔，孔深會自行受限，這也是堆疊及交錯 HDI 結構可以實現的原因。所有智能手機主板都會採用這種方式，因為使用 0.15 mm 通孔，不可能為 0.4 mm 間距的應用處理器完成逃線。

拼板電鍍及通孔鍍銅

鑽孔完成後，孔內只是穿過玻璃纖維及環氧樹脂的裸隧道，兩者都不導電。電鍍的作用，是在隧道內壁覆蓋銅，讓所穿過的各個層成為同一個網絡。這項工作分兩個階段進行，因為沒有電流的表面無法直接進行電鍍。

拼板會按照以下固定順序處理：

1. 去鑽污處理，清除鑽孔時塗覆在露出內層銅箔上的樹脂。
2. 化學鍍銅，在裸露孔壁上形成薄導電膜。
3. 全板閃鍍，將導電膜加厚至足以承受後續處理。
4. 外層圖形化，只在走線及焊盤上方打開光阻。
5. 圖形電鍍，將銅加厚至最終厚度，並以錫覆蓋保護。
6. 退膜、蝕刻、退錫，依次清除光阻、背景銅箔及最後的錫層。

去鑽污是透過化學處理清除鑽頭在內層焊盤表面留下的熔融樹脂。環氧樹脂先在溶劑中溶解，再由鹼性高錳酸鹽氧化，最後使用中和劑乾淨地清除。如果樹脂殘留，鍍銅便無法黏附到內層焊盤，而會黏在樹脂上，這種接合會在數次熱循環後變成開路。

圖 5：去鑽污、化學鍍銅及電鍍流程

化學鍍銅是化學沉積，而不是通電沉積。鈀催化劑會吸附在孔壁上，鍍液在沒有電流的情況下將銅還原到催化劑表面。這層銅只有 0.3–1 µm 厚，太薄而不能承載電流，但已足夠導電，可以進行後續電鍍。

實際的銅厚會透過酸性硫酸銅鍍液中的電解電鍍形成。拼板作為陰極通電後，所有濕潤表面都會生長銅層，包括孔筒。IPC-6012 Class 2 要求孔內最少有 20 µm（0.8 mil）銅厚，Class 3 則要求孔內最少有 25 µm（1 mil）銅厚。

表面保護及最後處理工序

裸銅離開蝕刻線後便會開始氧化，而氧化層無法焊接。製程後半段需要保護所有不應焊接的銅面，同時保護所有需要焊接的銅面。這兩項功能通常一起選擇：阻焊層負責前者，表面處理負責後者。

阻焊層的塗覆及成像

阻焊層是一種液態感光環氧樹脂，會噴塗或簾塗到整塊拼板上，再像光阻一樣進行成像。拼板會在約 75°C 下預烘乾，透過阻焊圖形曝光，再顯影清除焊盤上的油墨。最後在約 150°C 下烘焙一小時，使剩餘阻焊層交聯並固化成硬質塗層。

阻焊層厚度並不均勻，也不會完全達到數據表標示的厚度。油墨會從走線頂部流到旁邊形成堆積。因此，35 µm 走線的尖角位置可能只有 10–12 µm（0.4–0.5 mil）阻焊層厚度。兩個細間距焊盤之間的阻焊橋應約為 0.1 mm（4 mil）寬，才能在顯影過程後保持完整；更窄的阻焊橋可能被沖掉，導致焊盤橋接。

選擇適合焊接及儲存的表面處理

圖 6：HASL、ENIG 及 OSP 焊盤橫截面表面處理比較

表面處理是覆蓋裸銅的鍍層，用來保持焊盤直到組裝當天仍然可以焊接。銅離開生產線後數天內便會形成氧化層，而氧化層會阻礙焊點所需的金屬間化合物接合。每種表面處理都在平整度、保存期及成本之間取捨，因此應按照最小元件選擇，而不是只考慮預算。

自動化如何推動 JLCPCB 的製造優勢

批量製造首先是重複性問題，其次才是精度問題。一次達到 0.09 mm（3.5 mil）線寬及線距，可能只是實驗室結果；每批、每張拼板都達到這個數值，才是真正的工廠能力。JLCPCB 會讓 5 塊原型板與量產訂單通過相同生產線。因此，業餘專案也可以獲得與商業生產相同的對位及電鍍公差。

支援嚴格公差及高層數的高精度設備

層數限制主要由對位能力決定，而不是由壓機可以容納多少層板材決定。每塊芯板都要在焊盤的一小部分公差內與其他芯板對齊，而銅箔及玻璃纖維在壓合期間都會輕微移動。激光直接成像可以解決一半問題，因為它會按照實際測量到的材料收縮量，逐張拼板縮放圖形。

X 光鑽孔定位可以解決另一半問題。設備會透過層壓板讀取埋藏的對位標記，讓鑽孔程式按照實際夾持的拼板調整。如果沒有這項修正，12 層板便需要在所有位置使用較寬的環形環，並在每一層佔用更多佈線空間。

這些數字就是設計能否即時報價，還是需要收到 DFM 意見的實際界線。設計最好略微低於每項限制，因為接近製程邊界的訂單沒有額外裕量應對拼板漂移。

將 Gerber 檔案上載至 JLCPCB 報價頁面後，系統會在數秒內按照這些限制計算價格。自動 DFM 報告也會在付款前標記生產線無法穩定達到的要求。2 層 PCB 由 2 美元起，鋼網由 6 美元起，標準電路板通常在一至兩天內出貨。因此，額外進行一次設計迭代，成本往往低於一批需要焊接的元件。

自動光學檢查（AOI）及嚴格質量控制

自動光學檢查會在受控照明下拍攝拼板，再將每個區域與 CAM 參考圖像比較。攝影機不會疲勞，因此第 400 張拼板與第一張拼板可以獲得一致判斷。不過，AOI 依靠反射光工作，只能報告從上方可見的問題。

對裸板而言，AOI 可以覆蓋大部分銅箔缺陷：

• 網絡之間的短路及開路
• 線寬或線距超出 ±20% 蝕刻公差
• 導體上的缺口、針孔及鼠咬
• 焊盤缺失、尺寸不足或位置錯誤
• 鑽孔偏離焊盤，侵蝕環形環
• 阻焊層相對焊盤邊緣對位錯誤

AOI 無法判斷鍍孔孔筒是否在電路板內部保持連續。電氣測試可以補足這一點，也是唯一按照網表，而不是圖像驗證的階段。飛針測試適合原型，因為不需要治具；當數量足以支撐製作治具時，針床測試會更快。

破壞性測試可以驗證攝影機無法檢查的內部結構。工廠會從拼板邊緣取出測試條，進行切片、拋光並使用顯微鏡測量，以確認孔壁銅厚符合 IPC-6012。拼板之後會使用銑床或 V-cut 分板，並檢查 V-cut 深度；切得太深會留下過薄連接位，分板時容易裂開。JLCPCB 的V-cut 拼板標準列出了符合規格的深度限制。

PCB 製造流程常見問題

結論

PCB 製造流程由一連串不可逆工序組成，因此 Gerber 檔案是你能同時影響所有工序的唯一位置。蝕刻補償、長寬比、半固化片厚度及阻焊橋寬度，都來自你在拼板裁切前數星期設定的數字。了解生產線如何處理這些數字，才是區分單純通過 DRC 的設計與真正具備良率設計的關鍵。

PCB 製造隨著電路板變得更密集而變得更困難，因為激光微孔及 0.09 mm 幾何形狀留下的裕量更少。能夠持續進步的工廠，會測量每塊拼板並根據結果修正，而不是只假設材料會按照預期工作。如果你想了解自己的設計在實際製程窗口中的表現，請先上載設計並閱讀 DFM 報告，再決定是否投入製造。