【模拟电路】PCB的设计与生产

一、PCB概念入门
二、上世纪50年代的电视是没有PCB的
三、PCB的优点
四、现代PCB的结构
五、PCB生产制造流程
六、PCB生产过程中的一些关键步骤和环节的缩写和术语
七、PCB工艺流程

PCB的设计与生产(PPT)

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一、PCB概念入门

PCB（Printed Circuit Board，印刷电路板）是一种用于支持和连接电子组件的平板。它通常由绝缘材料制成，上面有导电的铜层，形成一种支持和连接电子元件的物理平台。PCB在电子设备中被广泛应用，它提供了一种组织和连接电子元件的可靠且高效的方式。

PCB的主要组成部分包括：

1. 基板（Substrate）： PCB的基础材料，通常是一种绝缘材料，如玻璃纤维增强的环氧树脂（FR-4）。

2. 导电层（Conductive Layer）： 通常是以铜箔形式存在，覆盖在基板的一侧或两侧。这些导电层形成了电路的连接线和焊接点。

3. 印刷电路（Printed Circuit）： 铜箔通过化学腐蚀或机械切割形成具有特定电路图样的结构。这些印刷电路连接各个电子元件，如芯片、电阻、电容等。

4. 孔（Holes）： PCB上的孔通常用于安装电子元件，并通过焊接或插件连接到导电层。

5. 焊盘（Pads）： 位于PCB表面的金属区域，用于焊接电子元件。

6. 印刷标识（Silkscreen）： PCB上的标识和文字，通常以白色印在表面，用于标记元件位置、极性等信息。

PCB的设计是通过计算机辅助设计（CAD）软件完成的，设计人员可以在CAD软件中绘制电路图和布局，然后通过制造过程将设计转化为实际的印刷电路板。在制造过程中，将导电层和基板结合，并通过化学或机械方法形成具有特定电路图样的印刷电路。最后，将电子元件通过焊接等方式连接到PCB上，形成最终的电子设备。 PCB在电子行业中的应用非常广泛，从消费电子产品到工业控制系统，几乎所有电子设备都使用了PCB。

什么是PCB

PCB就是印刷电路板
PCB是一种非常重要的电子零件，它像电子设备的底板一样，可以帮助各种电子元件连接在一起。就像我们在做搭积木一样，需要一个底板来支撑和连接各种积木一样，PCB就是电子设备中的底板，支撑和连接各种电子元件。现在我们的手机、电脑、电视任意的电子设备里面都必须有PCB。
PCB是Printed Circuit Board的缩写，中文名称为印刷电路板，是一种用于电子设备中的基础组件。它通常是由一个薄而平坦的非导体材料制成，表面印有金属线路和其他电子元件，用于连接和支持电子元件，使它们可以按照设计的方式相互通信和交互。

二、上世纪50年代的电视是没有PCB的

摩托罗拉公司Golden View系列VT-73豪华电视机

外壳-木质结构

开盖效果

内部细节

相当的高级

三、PCB的优点

纯手工意味着价格昂贵，无法量产，品质无法保证
早期电子设备的制造使用的是点对点的电路连接方法，这种方法制造起来效率低下，且容易出错。
随着电子技术的不断发展，人们开始探索更有效率、更可靠的电路连接方式。在20世纪40年代初，美国的一位工程师发明了一种新的电路连接方式，他将导线印刷在一块板上，这就是PCB的雏形。随着技术的进步，PCB制造技术不断发展，现在已成为电子制造中最重要的组成部分之一。
现代的PCB是在一块绝缘材料（通常是玻璃纤维板）表面布置线路（通常是铜的薄层）后的板子。
PCB除了担任连接各个元器件的任务外，还作为电子元件的支撑体。

PCB示意图

PCB相对于传统的点对点电路连接方法具有许多优点，这些优点使得它成为电子制造中的主流选择：

1. 可靠性和稳定性： PCB制造过程中的工业化生产使得电路连接更加稳定和可靠。相对于手工点对点连接，PCB上的连接更牢固，不容易松动，有利于提高电子设备的稳定性和寿命。

2. 高集成度： PCB可以容纳大量的电子元件，通过复杂的电路板设计，实现高度集成的电子系统。这使得电子设备可以更小型化、轻量化，适应现代电子产品对体积和重量的要求。

3. 易于制造和组装： PCB的工业化生产使得大规模制造成为可能，大大降低了成本。此外，电子元件可以通过自动化设备进行插件和焊接，提高了制造效率，减少了人为错误的可能性。

4. 电路布局灵活： PCB上的线路可以按照设计的需要进行灵活布局，以优化电路性能。这种灵活性使得设计人员可以更好地控制信号传输和电源分布，提高了电路的性能。

5. 易于维护和修复： PCB上的元件和连接线清晰可见，使得维护和修复更加方便。设计合理的PCB结构可以帮助工程师快速定位故障并进行修复。

6. 节省空间： PCB的平面结构允许电子元件在三维空间中布置，从而最大限度地节省空间。这对于紧凑的电子设备设计至关重要。

7. 高性能： PCB可以通过高密度布线和优化的设计实现高性能电路。这对于一些对电路性能有严格要求的应用，如高频通信和计算机系统，非常重要。

综合而言，PCB的引入提高了电子设备的制造效率、可靠性和性能，推动了现代电子技术的发展。

四、现代PCB的结构

现代PCB板都是多层的，一般包含如下几层
基板：绝缘材料，用于承载线路与机械支撑。
铜层：铜层用于布置需要的线路。
阻焊层：遮挡不需要暴露的铜层部分，使其绝缘。
丝印层：印刷在阻焊层上，用于标记元器件位置

现代PCB（Printed Circuit Board）通常采用多层结构，以满足复杂电路设计和高集成度的需求。以下是一般多层PCB的结构：

1. 基板层（Substrate Layer）： 基板层是PCB的主体，通常由绝缘材料构成，如玻璃纤维强化的环氧树脂（FR-4）等。基板提供了机械支撑和电气绝缘。

2. 内层铜层（Inner Copper Layers）： PCB中有多个内层铜层，用于布置电路的导线和连接。这些铜层被埋在基板的内部，形成多层结构。内层铜层通过通孔（Via）连接，实现不同层之间的电气连接。

3. 阻焊层（Solder Mask Layer）： 阻焊层涂覆在铜层表面，除了开放的焊接区域外，其余区域被遮挡，形成一层绝缘层。阻焊层的主要作用是保护铜层，防止短路和腐蚀，同时还可以提供颜色标识。

4. 丝印层（Silkscreen Layer）： 丝印层通常位于阻焊层上方，用于标记元器件的位置、极性、数值等信息。这些标记可以是文字、符号或图形，有助于组装和维护。

5. 外层铜层（Outer Copper Layers）： PCB的最上层和最底层是外层铜层，也用于布置电路。外层铜层上通常还有阻焊层和丝印层。

6. 电源层（Power Plane）： 对于复杂的电源分布，一些现代PCB可能会包含电源层，用于提供稳定的电源和地平面。电源层通常是整个PCB的内部层之一。

7. 信号层（Signal Layer）： 除了电源层外，其他内层铜层也可以用于布置信号线路，包括数据、时钟等。不同信号层之间通过通孔连接。

这样的多层结构使得PCB可以容纳复杂的电路，提高了电路的密度和性能。通过灵活布局和连接，设计人员可以更好地实现高度集成的电子系统。

五、PCB生产制造流程

PCB（Printed Circuit Board）的生产制造过程通常包括多个步骤，以下是一般的PCB生产制造流程：

1. 设计阶段： 在PCB的设计阶段，设计工程师使用电子设计自动化（EDA）工具创建电路图和PCB布局。设计包括确定电路的功能、布局元器件、绘制导线路径等。

2. 原材料准备： 在原材料准备阶段，采购原材料，主要包括基板材料（如FR-4）、铜箔、阻焊油墨、丝印油墨等。这些材料需要符合PCB设计的要求。

3. 印制内层： PCB的内层是通过印刷铜箔和介质层来制造的。在这一步骤中，将铜箔层和介质层通过高温和压力结合在一起，形成内层。

4. 图形化蚀刻： 使用化学方法，通过蚀刻去除不需要的铜箔，保留设计好的导线和电路。这一步骤根据设计生成了PCB的内层线路。

5. 层间连接： 层间连接通常通过在需要连接的位置上钻孔，然后在孔内涂覆导电材料（如铜）来实现。这些连接通常称为通孔。

6. 外层图形化： 对PCB的外层进行类似于内层的图形化处理，通过蚀刻去除多余的铜箔，形成最终的PCB导线图案。

7. 阻焊和丝印： 在PCB表面覆盖一层阻焊油墨，然后通过图形化处理形成需要的阻焊区域。丝印层则用于印刷标记和文字。

8. 表面处理： 为了防止PCB表面氧化，提高焊接性能，通常会对PCB表面进行处理，如镀金、喷锡等。

9. 组装： PCB生产的最后一步是将元器件组装到PCB上。这包括焊接、安装元器件、检查和测试等步骤。

10. 测试和质检： 组装完成后，对PCB进行测试和质检，确保电路连接正确，元器件工作正常，符合设计要求。

11. 包装和发货： 经过测试和质检合格后，将PCB进行包装，并准备发货给客户或其他制造商。

这些步骤构成了PCB的生产制造流程，每一步都需要高度的精确度和工艺控制，以确保最终PCB的性能和可靠性。

六、PCB生产过程中的一些关键步骤和环节的缩写和术语

这是PCB生产过程中的一些关键步骤和环节的缩写和术语：

1. MI（Material Incoming）： 原材料进厂检验，即原材料的入厂检验，确保采购的原材料符合质量标准。

2. 钻孔（Drilling）： 钻孔是 PCB 制造中的一个步骤，用于制作通孔，通过这些通孔连接不同层的导线。

3. 沉铜（Copper Plating）： 通过化学沉积的方式，在钻孔的内壁和PCB表面形成一层导电性较好的铜层。

4. 线路（Routing）： 指通过印制、蚀刻等工艺形成 PCB 上的导线和连接。

5. 图电（Lithography）： 图形化处理，通常指在 PCB 制造中使用光刻技术，将设计好的图案转移到 PCB 表面。

6. AOI（Automated Optical Inspection）： 自动光学检测，通过光学设备自动检测 PCB 表面的缺陷、错误或不良。

7. 阻焊（Solder Mask）： 阻焊油墨用于涂覆在 PCB 表面，保护不需要焊接的区域，同时具有防腐蚀的作用。

8. 字符（Silkscreen）： 丝印层，用于在 PCB 表面印刷标记、文字或图案。

9. 喷锡（Hot Air Leveling or HASL）： 一种表面处理方式，通过涂敷锡的方式提高 PCB 表面的焊接性能。

10. 测试（Testing）： 对 PCB 进行功能测试、电气测试等，确保其性能和质量符合设计和规格。

11. 锣边（Beveling）： 对 PCB 边缘进行倒角处理，提高 PCB 的插拔性和安全性。

12. V-CUT： V槽切割，用于将 PCB 板切割成独立的小板，通常用于批量生产。

13. QC（Quality Control）： 质量控制，包括对 PCB 制造过程中的各个环节进行质量检查和控制。

14. 发货（Shipping）： PCB 制造完成后，将成品包装好，准备发货给客户或其他制造商。

这些步骤和术语涵盖了 PCB 制造的整个流程，每一步都对最终产品的性能和质量都有着重要的影响。

七、PCB工艺流程

1、开料（CUT）

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。

2、内层干膜（INNER DRY FILM）

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。

??对于设计人员来说，我们最主要考虑的是布线的最小线宽、间距的控制及布线的均匀性。因为间距过小会造成夹膜，膜无法褪尽造成短路。线宽太小，膜的附着力不足，造成线路开路。所以电路设计时的安全间距（包括线与线、线与焊盘、焊盘与焊盘、线与铜面等），都必须考虑生产时的安全间距。

（1）前处理：磨板

磨板的主要作用：基本前处理主要是解决表面清洁度和表面粗糙度的问题。去除氧化，增加铜面粗糙度，便于菲林附着在铜面上。

（2）贴膜

将经过处理的基板通过热压或涂覆的方式贴上干膜或湿膜 ，便于后续曝光生产。

（3）曝光

将底片与压好干膜的基板对位，在曝光机上利用紫外光的照射，将底片图形转移到感光干膜上。

底片实物图

（4）显影

利用显影液（碳酸钠）的弱碱性将未经曝光的干膜/湿膜溶解冲洗掉，已曝光的部分保留。

（5）蚀刻

未经曝光的干膜/湿膜被显影液去除后会露出铜面，用酸性氯化铜将这部分露出的铜面溶解腐蚀掉，得到所需的线路。

（6）退膜

将保护铜面的已曝光的干膜用氢氧化钠溶液剥掉，露出线路图形。

3、棕化

??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。

4、层压

??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。

5、钻孔

??使线路板层间产生通孔，达到连通层间的目的。

??传说中的钻刀

6、沉铜板镀

（1）沉铜
??也叫化学铜，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。

（2）板镀
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。

7、外层干膜

??和内层干膜的流程一样。

8、外层图形电镀 、SES

??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。并将板面没有用的铜蚀刻掉，露出有用的线路图形。

9、阻焊

??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

10、丝印字符

??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。

11、表面处理

??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。

12、成型

??将PCB以CNC成型机切割成所需的外形尺寸。

13、电测

??模拟板的状态，通电进行电性能检查，是否有开、短路。

14、终检、抽测、包装

??对板的外观、尺寸、孔径、板厚、标记等检查,满足客户要求。将合格品包装成捆，易于存储，运送。