印刷電路板 (PCB) 是現代電子產品的骨幹，為電子元件和電路提供了實體基礎。了解 PCB 的元件和製造流程對於工程師、設計師以及任何對電子產品感興趣的人來說至關重要。

PCB 製造流程

印刷電路板 (PCB) 的製造過程會經歷多個步驟，將設計藍圖轉化為外觀專業的電路板。這個複雜的過程通常在專門的 PCB 製造設施中進行，採用蝕刻、鑽孔、電鍍等多種技術，並整合了電腦數值控制 (CNC)技術以實現高精度。

銅層會經歷一系列步驟多次。它會被塗上一層感光膜，透過代表電路圖案的遮罩暴露在紫外線下，然後進行顯影。此過程會顯現出電路圖案，允許通過化學蝕刻選擇性地去除銅。最終結果是在銅上顯現出電路圖案，並為通孔元件和導通孔鑽孔，隨後進行電鍍以保護銅並增強導電性。

製造流程的最後階段包括塗覆防焊層，其作用是保護電路、防止焊橋，並增強 PCB 的整體堅固性。此外，還會在電路板上印刷一層絲印層，提供必要的標籤和標記以供元件識別。

PCB 製造流程涉及的步驟

步驟 1 – 成像與印刷設計

步驟 2 – 創建基材

步驟 3 – 印刷內層

步驟 4 – 紫外線照射

步驟 5 – 去除多餘的銅

步驟 6 – 層對齊與檢查

步驟 7 – 層壓與黏合各層

步驟 8 – 鑽孔

步驟 9 – PCB 電鍍

步驟 10 – 外層成像

步驟 11 – 鍍錫

步驟 12 – 最終蝕刻

步驟 13 – 防焊層塗覆

步驟 14 – 絲印

步驟 15 – 表面處理

步驟 16 – 測試

步驟 17 – 成型

步驟 18 – 最終品質檢查

步驟 1 – 成像與印刷設計

PCB 印刷始於設計師提交 Gerber 檔案，以及製造商進行 DFM 檢查之後。使用一種稱為繪圖機的特殊印表機來印刷 PCB 的設計。它會產出 PCB 的底片，顯示電路板的細節和各層。在此過程中，電路板的內層會使用兩種墨水顏色。

透明墨水顯示非導電區域。

黑色墨水顯示導電的銅走線和電路。

外層使用相同的顏色，但其含義相反。PCB 的每一層和防焊層都有自己專用的透明和黑色底片。總共而言，一個兩層 PCB 需要四張底片：兩張用於銅層，兩張用於防焊層。要繼續下一步，所有底片層必須彼此完美對齊。為了實現所有底片的完美對齊，應在所有底片上打上定位孔。這些孔將在成像過程的後續步驟中與定位銷（一種預定義結構）對齊。

步驟 2 – 創建基材

基材，即承載結構上元件的絕緣材料（環氧樹脂和玻璃纖維），通過將材料送入烘箱開始成型。它是 PCB 的剛性核心，為板載電路提供堅固性和強度。

步驟 3 – 印刷內層

PCB 製造過程中的這一步標誌著創建實際 PCB 的開始。該過程始於 PCB 的基本形式，即由基材製成的層壓板。簡單來說，它可以被描述為用於在銅上圖案化感光材料的遮罩層。在這一步中：

● PCB 設計被印刷到層壓板上

● 銅被預先黏合在層壓板的兩面

● 接下來，層壓板被覆蓋上一層稱為光阻的感光膜。

這種感光膜由光反應化學品製成，在暴露於紫外線時會硬化（光阻），並覆蓋結構。此過程確保底片和光阻之間的精確匹配。底片被放置在銷釘上，將它們固定在層壓板上的適當位置。

步驟 4 – 紫外線照射

底片和電路板對齊並接受紫外線照射。光線穿過底片的透明部分，使其下方銅上的光阻硬化。繪圖機使用的黑色墨水阻止光線到達不應硬化的區域。只有硬化區域被保留作為銅路徑；電路板的其餘部分將在下一步中被蝕刻掉。

在此之後，電路板用鹼性溶液清洗，溶解並去除未硬化的光阻。最後進行壓力清洗以去除表面殘留的任何殘留物。隨後，將電路板乾燥。技術人員會檢查電路板，以確保在此階段沒有發生錯誤。

步驟 5 – 去除多餘的銅

此過程從電路板上去除多餘的銅，留下硬化光阻下方的銅完好無損。一種類似鹼性溶液的化學溶液會蝕刻掉不需要的銅。此步驟也稱為內層蝕刻。

蝕刻所需的時間和溶劑可能因電路板的尺寸而異。較大的電路板通常需要更多的時間和/或溶劑。最後，電路板現在僅閃耀著 PCB 所需的銅基材。

步驟 6 – 層對齊與檢查

新清潔的層需要檢查對齊情況。先前鑽的孔有助於對齊內層和外層。光學沖孔機透過這些孔鑽入銷釘，以保持各層對齊。光學沖孔後，另一台機器將檢查電路板以確保沒有缺陷。從此時起，您將無法修正任何遺漏的錯誤。在檢查過程中：

● 設計師將使用自動光學檢查 (AOI) 機器進行檢查。

● AOI 機器將 PCB 與 Gerber 的原始設計進行比較。

● AOI 機器使用雷射感測器掃描各層，並進行電子比較。

● 有缺陷的電路板在此階段被丟棄。

● 在外層成像和蝕刻後，對外層重複此過程。

步驟 7 – 層壓與黏合各層

現在，您將看到電路板隨著各層融合在一起而逐漸成形。金屬夾具在層壓過程開始時將各層固定在一起。此過程涉及將 PCB 的外層（由預塗環氧樹脂的玻璃纖維製成）和薄銅箔層（帶有用於銅走線的蝕刻）夾在中間。該過程在專門的壓合台上使用金屬夾具進行，也稱為疊層與黏合。

● 操作員將疊層以適當的對齊方式放置在層壓機上。

● 壓合機電腦控制層壓機。

● 電腦將根據校準加熱壓板並施加壓力，融合 PCB 各層。

● 環氧樹脂在預浸料內熔化，並在壓力作用下將各層融合在一起。

● 移除頂部壓板和銷釘後，技術人員將取出印刷電路板。此過程將所有層融合在一起。

步驟 8 – 鑽孔

鑽孔被認為是 PCB 製造過程中最關鍵的步驟。它為導通孔奠定了基礎，並實現了不同 PCB 層之間的連接。

所有後續將安裝的元件，例如銅連接導通孔和引腳式元件，都依賴於鑽孔的精確度。鑽孔的直徑細如髮絲，鑽頭可達到 100 微米的直徑，而人類頭髮的平均直徑為 150 微米。由於其極細的直徑，PCB 鑽孔需要最高的精度。

這就是為什麼像JLCPCB這樣的領先專業製造商傾向於使用電腦控制的 PCB 鑽孔機。這些機器可以鑽出直徑小至 100 微米的孔，使用轉速達 150,000 RPM 的氣動主軸。以這個速度，您可能認為鑽孔瞬間就能完成，但需要鑽的孔非常多。一塊普通的 PCB 包含超過一百個完整的鑽孔點。在鑽孔過程中，每個孔都需要與鑽頭有自己專門的接觸時間，因此需要時間。

● 鑽孔前，X 光定位器會定位鑽孔點

● 在鑽孔目標下方放置一塊緩衝材料板，以確保鑽孔清潔。

● 首先，鑽出定位孔或導引孔以固定 PCB 疊層。

● 電腦控制的機器使用原始設計作為指導來鑽孔目標。

● 鑽孔後，通過成型去除邊緣周圍多餘的銅層。

步驟 9 – PCB 電鍍

電路板現在準備好進行電鍍。PCB 電鍍是用銅填充鑽孔的過程，通過電氣連接它們，使電流能夠從 PCB 的一層傳遞到另一層。該過程涉及一系列化學浴。

● 徹底清潔 PCB 面板

● 將面板放入一系列化學浴中，沉積一層約一微米厚的薄銅層

● 使用電腦控制 PCB 電鍍過程

銅浴完全覆蓋了孔壁。此外，整個面板都獲得了一層新的薄銅層。最重要的是，新的孔被覆蓋了。

步驟 10 – 外層成像

在步驟 3 中，我們在面板的內層應用了光阻。在這一步中，我們對面板的外層重複相同的過程。該過程在無菌環境中進行，以防止任何污染。

● 銷釘固定黑色墨水透明片並防止錯位

● 塗覆光阻後的 PCB 面板進入黃光室。

● 黃光和紫外線照射使光阻硬化

● 然後面板進入一台機器，該機器去除未硬化的光阻，這些光阻受到黑色墨水不透明度的保護。

最後，外層板經過檢查，以確保在前一階段所有不需要的光阻都已被去除。

最後，外層板經過檢查，以確保在前一階段所有不需要的光阻都已被去除。

步驟 11 – 鍍錫

我們如步驟 10 所述，再次對面板進行薄銅層電鍍。來自外層光阻階段的暴露部分接受銅電鍍。在此之後，會在電路板上塗覆一層薄錫保護層。錫的作用是保護外層的銅不被蝕刻掉。

步驟 12 – 最終蝕刻

使用與先前相同的化學溶液去除光阻層下方任何不需要的銅。錫保護層保護必要的銅。此過程使 PCB 面板準備好進行 AOI（自動光學檢查）和焊接。

● 使用電鍍方法塗覆一層銅。

在最初的銅浴之後，使用鍍錫來保護關鍵區域的銅。

● PCB 板經過自動光學檢查 (AOI)，以確保銅層符合所需的規格。

● 錫保護層不會從銅上移除，因為它可以保護銅免受氧化，並有助於面板的正確焊接。

步驟 13 – 防焊層塗覆

此塗覆至關重要，因為它為印刷電路板的外表面增加了一層保護層，為焊接過程做好準備。基本上，它標記了不需要焊接的區域。

● 清潔 PCB 面板以去除雜質或不需要的銅。

● 將環氧樹脂油墨和防焊膜混合物塗覆到表面。

● 電路板暴露在紫外線照射下，紫外線穿透防焊底片。

● 被覆蓋的部分保持未硬化狀態，並將被移除。

最後，將電路板放入烘箱中烘烤固化到電路板上。

步驟 14 – 絲印

絲印是至關重要的一步，因為此過程負責將關鍵資訊印刷到電路板上。塗覆後，PCB 會經過最後一次塗層和固化階段。此階段通常包括：

● 警告標籤

●  標誌或符號

● 元件 ID

● 引腳定位器和其他標記

步驟 15 – 表面處理

接近完成的 PCB 面板需要塗覆一層導電材料，通常根據客戶的規格要求。這提高了焊料與 PCB 的品質/結合度。此過程稱為表面處理。以下是一些常用的表面處理導電材料清單：

浸銀：低訊號損耗、無鉛、符合 RoHS 標準。表面處理可能會氧化和變色，但強效的抗表面變色劑可以解決此問題。

● 在表面未受保護的情況下，浸銀的保存期限較短。

● 不適合多次組裝過程

硬金：耐用、保存期限長、符合 RoHS 標準、無鉛，但由於其複雜的製程，與其他表面處理相比價格昂貴，且不可重工。

熱風整平 (HASL)：成本效益高、持久耐用、可重工，但含鉛且不符合 RoHS 標準。

無鉛 HASL：成本效益高、無鉛、符合 RoHS 標準、可重工，但不適合多次迴焊/組裝過程。

● 該過程需要使用一種稱為硫脲的致癌物

● 難以測量厚度

化學鍍鎳浸金 (ENIG)：是最常見的表面處理之一。它具有較長的保存期限，符合 RoHS 標準，但比其他選項更昂貴。

正確的材料取決於設計規格和客戶的預算。然而，應用此類表面處理為 PCB 創造了一個基本特性。這些表面處理允許組裝商安裝電子元件。這些金屬還覆蓋銅，以保護其免受因暴露於空氣中而可能發生的氧化。

步驟 16 – 測試

PCB 測試也是製造過程中的關鍵步驟。我們將使用各種測試方法來確保 PCB 功能正常且符合原始設計規格。在 PCB 被視為完成之前，技術人員將對電路板進行電氣測試，以確認其功能符合原始藍圖設計。

步驟 17 – 成型

成型基本上是 PCB 製造過程中的最後一步。直到此階段，印刷電路板還是一整塊結構面板。使用原始設計檔案，將 PCB 切割成獨立的單板。簡單來說，我們可以稱之為電路板切割過程。有兩種最常見的分割 PCB 板的方法：

● 撓性板切割：也稱為撓性板切法，此方法涉及在電路板邊緣周圍切割幾個小連接點。

● V 型槽：在此方法中，CNC 機器沿著 PCB 板的側面創建 V 形切割。

無論使用哪種方法，成型後您都可以輕鬆地將 PCB 板折斷分離。

步驟 18 – 最終品質檢查

成型後，每個印刷電路板都會經過最終的目視檢查和品質檢查。製造商將在最終檢查後包裝並運送無錯誤的 PCB。

結論

了解印刷電路板製造流程對於任何參與電子設備設計、生產或使用的人來說都是必不可少的。本指南全面概述了 PCB 製造中涉及的關鍵要素和步驟。

關於 JLCPCB

JLCPCB 是一家領先的高品質 PCB 製造商。該公司在製造各種 PCB 方面擁有豐富的經驗，從簡單的單面板到複雜的多層板。JLCPCB 使用最先進的設備和流程，以確保其 PCB 符合最高的品質標準。

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