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PCB(印刷電路板)的原料是玻璃纖維,這種材料我們在日常生活中出處可見,比如防火布、防火氈的核心就是玻璃纖維,玻璃纖維很容易和樹脂相結(jié)合,我們把結(jié)構(gòu)緊密、強(qiáng)度高的玻纖布浸入樹脂中,硬化就得到了隔熱絕緣、不易彎曲的PCB基板了--如果把PCB板折斷,邊緣是發(fā)白分層,足以證明材質(zhì)為樹脂玻纖。
光是絕緣板我們不可能傳遞電信號,于是需要在表面覆銅。所以我們把PCB板也稱之為覆銅基板。在工廠里,常見覆銅基板的代號是FR-4,這個在各家板卡廠商里面一般沒有區(qū)別,所以我們可以認(rèn)為大家都處于同一起跑線上,當(dāng)然,如果是高頻板卡,好用成本較高的覆銅箔聚四氟乙烯玻璃布層壓板。
覆銅工藝很簡單,一般可以用壓延與電解的辦法制造,所謂壓延就是將高純度(>99.98%)的銅用碾壓法貼在PCB基板上--因?yàn)榄h(huán)氧樹脂與銅箔有極好的粘合性,銅箔的附著強(qiáng)度和工作溫度較高,可以在260℃的熔錫中浸焊而無起泡。
這個過程頗像搟餃子皮,薄可以小于1mil(工業(yè)單位:密耳,即千分之一英寸,相當(dāng)于0.0254mm)。如果餃子皮這么薄的話,下鍋肯定漏餡!所謂電解銅這個在初中化學(xué)已經(jīng)學(xué)過,CuSO4電解液能不斷制造一層層的"銅箔",這樣容易控制厚度,時間越長銅箔越厚!通常廠里對銅箔的厚度有很嚴(yán)格的要求,一般在0.3mil和3mil之間,有專用的銅箔厚度測試儀檢驗(yàn)其品質(zhì)。像古老的收音機(jī)和業(yè)余愛好者用的PCB上覆銅特別厚,比起電腦板卡工廠里品質(zhì)差了很遠(yuǎn)。
控制銅箔的薄度主要是基于兩個理由:一個是均勻的銅箔可以有非常均勻的電阻溫度系數(shù),介電常數(shù)低,這樣能讓信號傳輸損失更小,這和電容要求不同,電容要求介電常數(shù)高,這樣才能在有限體積下容納更高的容量,電阻為什么比電容個頭要小,歸根結(jié)底是介電常數(shù)高??!
其次,薄銅箔通過大電流情況下溫升較小,這對于散熱和元件壽命都是有很大好處的,數(shù)字集成電路中銅線寬度好小于0.3cm也是這個道理。制作精良的PCB成品板非常均勻,光澤柔和(因?yàn)楸砻嫠⑸献韬竸@個用肉眼能看出來,但要光看覆銅基板能看出好壞的人卻不多,除非你是廠里經(jīng)驗(yàn)豐富的品檢。
對于一塊全身包裹了銅箔的PCB基板,我們?nèi)绾尾拍茉谏厦姘卜旁瑢?shí)現(xiàn)元件--元件間的信號導(dǎo)通而非整塊板的導(dǎo)通呢?板上彎彎繞繞的銅線,就是用來實(shí)現(xiàn)電信號的傳遞的,因此,我們只要把銅箔蝕掉不用的部分,留下銅線部分就可以了。
如何實(shí)現(xiàn)這一步,首先,我們需要了解一個概念,那就是"線路底片"或者稱之為"線路菲林",我們將板卡的線路設(shè)計(jì)用光刻機(jī)印成膠片,然后把一種主要成分對特定光譜敏感而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的感光干膜覆蓋在基板上,干膜分兩種,光聚合型和光分解型,光聚合型干膜在特定光譜的光照射下會硬化,從水溶性物質(zhì)變成水不溶性而光分解型則正好相反。
這里我們就用光聚合型感光干膜先蓋在基板上,上面再蓋一層線路膠片讓其曝光,曝光的地方呈黑色不透光,反之則是透明的(線路部分)。光線通過膠片照射到感光干膜上--結(jié)果怎么樣了?凡是膠片上透明通光的地方干膜顏色變深開始硬化,緊緊包裹住基板表面的銅箔,就像把線路圖印在基板上一樣,接下來我們經(jīng)過顯影步驟(使用碳酸鈉溶液洗去未硬化干膜),讓不需要干膜保護(hù)的銅箔露出來,這稱作脫膜(Stripping)工序。接下來我們再使用蝕銅液(腐蝕銅的化學(xué)藥品)對基板進(jìn)行蝕刻,沒有干膜保護(hù)的銅全軍覆沒,硬化干膜下的線路圖就這么在基板上呈現(xiàn)出來。這整個過程有個叫法叫"影像轉(zhuǎn)移",它在PCB制造過程中占非常重要的地位。
接著是制作多層板,按照上述步驟制作只是單面板,即使兩面加工也是雙面板而已,但是我們常??梢园l(fā)現(xiàn)自己手中的板卡是四層板或者六層板(甚至有8層板)。
有了上面的基礎(chǔ),我們明白其實(shí)不難,做兩塊雙面板"粘"起來就行啦!比如我們做一塊典型的四層板(按照順序分1~4層,其中1/4是外層,信號層,2/3是內(nèi)層,接地和電源層),先呢分別做好1/2和3/4(同一塊基板),然后把兩塊基板粘一塊不就OK了?不過這個粘結(jié)劑可不是普通的膠水,而是軟化狀態(tài)下的樹脂材料,它首先是絕緣的,其次很薄,與基板粘合性良好。我們稱之為PP材料,它的規(guī)格是厚度與含膠(樹脂)量。當(dāng)然,一般四層板和六層板我們是看不出來的,因?yàn)榱鶎影宓幕搴穸缺容^薄,即使要用兩層PP三塊雙面基板,也未見得比一層PP兩塊雙面基板的四層板能增加多少厚度--板卡的厚度都有一定規(guī)范,否則就插不進(jìn)各種卡槽中了。說到這里,讀者又會產(chǎn)生疑問,那個多層板之間信號不是要導(dǎo)通嗎?現(xiàn)在PP是絕緣材料,如何實(shí)現(xiàn)層與層之間的互聯(lián)?別急,我們在粘結(jié)多層板之前還需要鉆孔!鉆了孔可以將電路板上下位置相應(yīng)銅線對起來,然后讓孔壁帶銅,那么不是相當(dāng)于導(dǎo)線將電路串聯(lián)起來了嗎?
這種孔我們稱之為導(dǎo)通孔(Plating hole,簡稱PT孔。這些孔需要鉆孔機(jī)鉆出來,現(xiàn)代鉆孔機(jī)能鉆出很小很小的孔和很淺的孔,一塊主板上有成百上千個大小迥異深淺不一的孔,我們用高速鉆孔機(jī)起碼要鉆一個多小時才能鉆完。鉆完孔后,我們再進(jìn)行孔電鍍(該技術(shù)稱之為鍍通孔技術(shù),Plated-Through-Hole technology,PTH),讓孔導(dǎo)通。
孔也鉆了,里外層都通了,多層板粘好了,是不是完事了呢?我們的回答是No,因?yàn)橹靼迳a(chǎn)需要大量進(jìn)行焊接,如果直接焊接,會產(chǎn)生兩個嚴(yán)重后果:一、板卡表面銅線氧化,焊不上;二、搭焊現(xiàn)象嚴(yán)重--因?yàn)榫€與線之間的間距實(shí)在太小了??!所以我們必須在整個PCB基板外面再包上一層裝甲--這就是防焊漆,也就是俗稱阻焊劑的的東東,它對液態(tài)的焊錫不具有親和力,并且在特定光譜的光照射下會發(fā)生變化而硬化,這個特性和干膜類似,我們看到的板卡顏色,其實(shí)就是防焊漆的顏色,如果防焊漆是綠色,那么板卡就是綠色。
后大家不要忘了網(wǎng)印、金手指鍍金(對于顯卡或者PCI等插卡來說)和質(zhì)檢,測試PCB是否有短路或是斷路的狀況,可以使用光學(xué)或電子方式測試。光學(xué)方式采用掃描以找出各層的缺陷,電子測試則通常用飛針探測儀(Flying-Probe)來檢查所有連接。電子測試在尋找短路或斷路比較準(zhǔn)確,不過光學(xué)測試可以更容易偵測到導(dǎo)體間不正確空隙的問題。
總結(jié)一下,一家典型的PCB工廠其生產(chǎn)流程如下所示:下料→內(nèi)層制作→壓合→鉆孔→鍍銅→外層制作→防焊漆印刷→文字印刷→表面處理→外形加工。
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