PCB板快速制造系統(tǒng)

基于激光直寫電路技術(shù)的PCB板快速制造系統(tǒng)

研發(fā)新的電子產(chǎn)品，需要經(jīng)過產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)加工和調(diào)試等工序，其中，ＰＣＢ板的設(shè)計、制造是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。大多數(shù)的元器件都可以在市場上采購到成品，而ＰＣＢ板必須根據(jù)不同的產(chǎn)品進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計、制造；因此，ＰＣＢ板設(shè)計、制造的周期長短對新產(chǎn)品的研發(fā)周期有著較大影響。

目前，按照ＰＣＢ板生產(chǎn)廠的生產(chǎn)工藝，即使只生產(chǎn)１塊樣品ＰＣＢ板，也和生產(chǎn)大批量ＰＣＢ板的工藝流程一樣，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、光繪、下料、鉆孔、金屬化孔、貼膜或網(wǎng)印、曝光、圖形電鍍、蝕刻、阻焊涂覆、噴錫、絲印字符、外型加工和清洗等數(shù)十道工序。在這種生產(chǎn)模式下，從設(shè)計方和ＰＣＢ板生產(chǎn)廠家確認(rèn)ＰＣＢ板設(shè)計文件開始，到最終完成ＰＣＢ板的制造，通常至少需要幾天到１周的時間。這種工藝能滿足批量產(chǎn)品的生產(chǎn)周期需要，但并不適合生產(chǎn)樣品ＰＣＢ板。在首件樣機(jī)階段，鑒于在技術(shù)方面始終會存在一些不確定的風(fēng)險，產(chǎn)品的設(shè)計、調(diào)試時間不可控，常常會出現(xiàn)設(shè)計、調(diào)試，再修改設(shè)計、再調(diào)試的問題，在這種情況下，長達(dá)數(shù)天的樣品ＰＣＢ板制造周期是不能被接受的。

為了解決單件樣品ＰＣＢ板生產(chǎn)周期較長的問題，近年來研發(fā)出了ＰＣＢ板快速制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)最快可在１個工作日內(nèi)完成樣品ＰＣＢ板的制造。本文對目前常見的３種ＰＣＢ板快速制造系統(tǒng)分別進(jìn)行介紹和對比分析，并給出了基于激光直寫電路技術(shù)的ＰＣＢ板快速制造系統(tǒng)的制程工藝。

一、ＰＣＢ板快速制造系統(tǒng)

ＰＣＢ板快速制造系統(tǒng)共同的工藝步驟如下：１）鉆孔及金屬化孔；２）線路圖形制作；３）阻焊圖形制作；４）字符圖形制作；５）助焊防氧化處理。其中，影響ＰＣＢ板成品質(zhì)量的關(guān)鍵步驟為金屬化孔和線路圖形制作。

ＰＣＢ板快速制造系統(tǒng)根據(jù)線路圖形制作的工作原理可分為３類：化學(xué)蝕刻、物理雕刻和激光直寫加工，其各自特點對比見表１。

１）化學(xué)蝕刻?；瘜W(xué)蝕刻法是利用化學(xué)蝕刻液將需要去掉的絕緣材料從基材上去掉，制作出合適的電路圖形。化學(xué)蝕刻法因要使用一系列酸堿試劑，對環(huán)保會有一定影響，并且化學(xué)蝕刻的工序較多，工藝流程相對復(fù)雜一些，實施起來較另外２種方式要有難度一些，所以現(xiàn)在不是主推的方式。

２）物理雕刻。物理雕刻方式的原理是將線路板的線路信息轉(zhuǎn)化為三維位置信息，然后通過步進(jìn)電動機(jī)控制雕刻刀具沿著ＸＹＺ軸導(dǎo)軌控制移動，從而控制雕刻刀具在空白線路板上進(jìn)行雕刻。按這種方法，一塊典型的雙面電路板的制作時間約為１～２ｈ，能在１天之內(nèi)做出樣品ＰＣＢ板；但物理雕刻方式受限于機(jī)械加工刀具，對于一些精密線路圖形的加工不能很好地保證，如當(dāng)孔徑＜１５０μｍ時，由于機(jī)械鉆頭易損，而使加工成本大為增加，加工進(jìn)度也會受到影響。

３）激光直寫。激光直寫方式的原理是根據(jù)需要加工物體的不同材質(zhì)，選用不同波長的激光，使用高功率激光束照射到材料表面，使材料表面引發(fā)光化學(xué)反應(yīng)，最終加工出需要得到的線路圖形。相較于物理雕刻方式，因為在加工過程中激光束能量密度高，加工速度快，對非激光照射部位基本沒有影響，而且對加工部位也沒有機(jī)械接觸，所以激光加工不會對被加工材料產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，同時可以干凈無殘留的去除金屬層，加工出線路圖形。

二、激光直寫電路技術(shù)

激光直寫電路技術(shù)就是使用激光直寫方式的原理，在ＰＣＢ板的敷銅層或鍍金層上加工出所需線路圖形的技術(shù)。

目前，市場上最先進(jìn)的激光加工設(shè)備主要是用綠光或紫光２種光譜的激光進(jìn)行加工，已經(jīng)可以做到完全采用激光直寫技術(shù)完成線路圖形的制作。加工過程中無需任何掩膜，用一束激光即可快速去除金屬層。特別是基于３５５ｎｍ的紫外激光，各種構(gòu)成ＰＣＢ板基板的材料大多數(shù)都能被加工，包括銅、高分子樹脂材料和玻璃纖維等。

采用紫外激光對材料的熱沖擊較小，原理如圖１所示。

圖１中，紫外激光具有高光子能量，當(dāng)紫外激光照射到加工材料表面時，材料表面的分子吸收紫外激光中的光子后，與自身電子相互作用，直接破壞連接物質(zhì)原子組分的化學(xué)鍵，使分子鏈斷裂，斷裂后的小分子以爆炸的形式向外強(qiáng)烈噴射，脫離材料表面。

使用激光加工方式，在加工精度的穩(wěn)定性以及后期設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)保養(yǎng)方面有較大優(yōu)勢。激光加工設(shè)備的核心部件激光發(fā)生器的理論使用時間通常為１０萬ｈ，實際使用壽命一般在５年以上；通過激光發(fā)生器發(fā)出的激光束，在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)可以保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，這樣就能避免傳統(tǒng)物理雕刻方式銑刀、鉆頭磨損后帶來的加工精度不一致；在設(shè)備的日常保養(yǎng)方面，激光加工設(shè)備只需要做好設(shè)備的防塵和清潔即可，不需要上油潤滑等操作，可以在較大程度上減少后期設(shè)備運(yùn)行的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。

三、PCB板制程工藝

３．１鉆孔

在鉆孔方面，使用紫外激光加工孔的工藝方法有３種：激光沖孔、激光套孔和激光螺旋加工。

１）激光沖孔。其工藝方法是保持激光束的位置不動，設(shè)置高重復(fù)率激光脈沖，對孔位置處進(jìn)行持續(xù)加工。激光加工設(shè)備的脈沖頻率一般可設(shè)置為２５０～３００ｋＨｚ，在每個脈寬時間孔的深度都會增加。這種工藝方法加工，孔的大小取決于聚焦的光斑尺寸。紫外激光加工設(shè)備聚焦點光斑直徑可小至１５μｍ，所以采用該工藝方法能夠完成直徑較小孔的加工，特別適合盲孔的加工。

２）激光套孔。其工藝方法是設(shè)置激光束在孔的位置處，沿著孔的外延圓周，一圈一圈地作圓周循環(huán)運(yùn)動。走完第１圈，會在孔外延圓周的位置處加工出１個圓形槽。每走１圈，槽的深度就會增加一些。當(dāng)從ＰＣＢ板的頂部加工到底部，打穿底部后，在加工過程中和底部相連的圓柱體材料會脫落，形成１個通孔。這種工藝方法適合加工通孔，不適合加工盲孔，因為如果孔沒有打穿，加工過程中孔中心區(qū)域的圓柱體材料會殘留在孔中間。

３）激光螺旋加工。其工藝方法是設(shè)置激光束從孔的中心開始加工，以螺旋式從中心處向外移動。隨著激光束的移動，孔的深度和直徑會不斷變大。這種工藝方法適合加工大尺寸的孔。

在實際加工中，可以根據(jù)孔的種類和大小，分別選用上述３種工藝方法，通過調(diào)整激光脈沖頻率和能量，直接將表層的銅打掉，再打掉下層材質(zhì)。相較于其他激光，紫外激光加工出來的盲孔底部更干凈，且無碳化現(xiàn)象，為后工序金屬化孔提供了很好的處理表面。采用紫光激光加工后的盲孔效果圖如圖２所示。

鑒于激光加工的特點，在加工微孔和盲孔時有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。但在實際生產(chǎn)中，對于板材厚度＞０．５ｍｍ的ＰＣＢ板，在加工＞０．８ｍｍ孔徑的通孔時，使用激光設(shè)備鉆孔的效率沒有使用物理雕刻機(jī)鉆孔效率高；所以，對于板厚＞０．５ｍｍ的ＰＣＢ板，可優(yōu)先考慮使用物理雕刻機(jī)進(jìn)行鉆孔。

３．２金屬化孔

孔加工成型后要做金屬化孔處理，以達(dá)到孔被金屬化貫通的效果。金屬化孔要有良好的機(jī)械韌性和導(dǎo)電性。金屬化孔有２種方法：物理金屬化孔和化學(xué)金屬化孔。

１）物理金屬化孔。其原理是使用導(dǎo)電膏讓孔導(dǎo)電。該系統(tǒng)能加工的通孔最小直徑為０．４ｍｍ，孔的最大徑深比為１∶４。金屬化孔后的接觸電阻約為２０ｍΩ。物理金屬化孔的工藝流程如下：ａ．將專用保護(hù)膜粘貼在ＰＣＢ板兩面；ｂ．使用激光加工設(shè)備鉆孔（對于ＰＣＢ板板厚＞０．５ｍｍ，以及孔徑＞０．８ｍｍ的通孔，可優(yōu)先考慮使用物理雕刻機(jī)鉆孔）；ｃ．把ＰＣＢ板放置在真空吸附臺上，用橡膠刮刀把導(dǎo)電膏采取刷的方式涂覆在ＰＣＢ板一面的保護(hù)膜上；ｄ．打開真空吸附功能，在抽真空的作用下將導(dǎo)電膏吸入孔內(nèi)；ｅ．翻轉(zhuǎn)ＰＣＢ板，重復(fù)步驟ｃ和步驟ｄ；ｆ．去掉保護(hù)膜，在烤箱中固化導(dǎo)電膏，固化溫度設(shè)置為１６０℃，固化時間為３０ｍｉｎ。物理金屬化孔的優(yōu)勢是操作簡便，無需使用電鍍工藝，且過程中不使用化學(xué)藥品，較為環(huán)保；但金屬化孔的貫通可靠性不如化學(xué)電鍍工藝。

２）化學(xué)金屬化孔。其原理是化學(xué)電鍍原理。該工藝分為４個基本步驟：預(yù)浸→活化→微蝕→化學(xué)鍍銅。具體如下：ａ．預(yù)浸工序可選用主要化學(xué)成分是５％Ｎａ２ＣＯ３的溶液，在加熱條件下，可去除ＰＣＢ板在前工序中產(chǎn)生的汗?jié)n、油污等；ｂ．活化工序可選用黑孔液，其主要化學(xué)藥液的成分為Ｃ（石墨）粒子溶液，該溶液的主要作用是完成孔內(nèi)壁粘覆均勻一層導(dǎo)電炭膜；ｃ．微蝕工序可選用５％的Ｎａ２Ｓ２Ｏ８溶液，該溶液主要完成黑孔后的板基材料表面炭黑的溶解；ｄ．化學(xué)鍍銅工序可選用主要化學(xué)成分是１０％的ＣｕＳＯ４溶液，該溶液主要作用是作為電鍍的導(dǎo)電質(zhì)，實現(xiàn)金屬化孔。目前，較先進(jìn)的桌面型化學(xué)金屬化孔設(shè)備對陽極板作了優(yōu)化，并且增加了反向脈沖電鍍電源，這２種技術(shù)的結(jié)合可以較為有效地保證電鍍銅厚的均勻度。

３．３線路圖形制作

在線路圖形成型加工方面，采用紫外激光設(shè)備可以實現(xiàn)在ＰＣＢ板金屬涂覆層上直寫出電路圖形。在實際生產(chǎn)中，設(shè)置短脈沖時間高脈沖能量的激光束，對線路的熱沖擊效應(yīng)較小，對加工精細(xì)間距的電路和射頻微波電路效果較好。

３．４阻焊圖形和字符圖形制作

阻焊層是在ＰＣＢ板制作中在ＰＣＢ板表面形成一層特定圖形的保護(hù)膜。阻焊圖形和字符圖形的制作原理是將油墨使用絲網(wǎng)印刷到ＰＣＢ板的板面后，采用加熱的方式進(jìn)行固化。具體的工藝步驟如下：印刷感光阻焊油墨→阻焊圖形曝光→阻焊圖形顯影→印刷感光字符油墨→字符圖形曝光→字符圖形顯影→阻焊與字符油墨熱固化。

在印刷油墨時，ＰＣＢ板快速制造系統(tǒng)并不采用做絲網(wǎng)模具的方式，而是使用激光打印機(jī)，直接將感光材料打印成印刷油墨所需要的菲林片。這就不需要制作絲網(wǎng)模具產(chǎn)生的等待時間（通常是１ｄ），從而大大縮短了生產(chǎn)周期，整個過程在１～２ｈ內(nèi)可以完成。

３．５助焊防氧化處理

助焊防氧化處理的原理是使用化學(xué)試劑和銅面產(chǎn)生反應(yīng)，在裸銅上就能形成一定厚度的有機(jī)膜層。該有機(jī)膜層既可有效將銅層焊盤與空氣隔離，防止焊盤氧化，又可保證焊接性能。該工藝通過４步較簡單的操作，即除油→微蝕→酸洗→成膜，在１～２ｈ內(nèi)即可完成，具體如下。

１）除油工序可選用主要化學(xué)成分為５％Ｎａ２ＣＯ３的溶液，在加熱條件下，可去除ＰＣＢ板在前工序中產(chǎn)生的汗?jié)n、油污等。

２）微蝕工序可選用５％的Ｎａ２Ｓ２Ｏ８溶液，微蝕后可形成粗糙的銅面，便于成膜。微蝕的厚度直接影響到成膜速率，因此要形成穩(wěn)定的膜厚，保持微蝕厚度的穩(wěn)定性是非常重要的，一般將微蝕厚度控制在１．０～１．５μｍ比較合適。

３）酸洗工序可選用１％的?。龋玻樱希慈芤?，主要用途是去除ＰＣＢ板在前工序中因接觸空氣而可能產(chǎn)生的氧化物。

４）成膜工序可選用ＯＳＰ有機(jī)試劑，該溶液通過化學(xué)反應(yīng)可以在銅表面形成一層厚度為０．３～０．４μｍ的憎水性有機(jī)保護(hù)膜，此膜用以保護(hù)銅面于常態(tài)環(huán)境中不再繼續(xù)氧化，且在焊接高溫下，保護(hù)膜易被助焊劑清除，能在極短時間內(nèi)與熔融錫結(jié)成牢固的焊點。

通過上述方式處理過的ＰＣＢ板，如使用抽真空包裝存放，可焊性可保存至３個月。超期后，焊盤的可焊性會下降。

結(jié)語

基于激光直寫電路技術(shù)的ＰＣＢ板快速制造系統(tǒng)，解決了物理雕刻方式精度不夠的問題；并且由于采用的是非接觸式加工，對ＰＣＢ板也沒有機(jī)械應(yīng)力的影響，能進(jìn)一步提高線路的可靠性，是制造樣品ＰＣＢ板一個很好的選擇。需要指出的是，采用該系統(tǒng)加工出來的ＰＣＢ板，因為只經(jīng)過了簡單的助焊防氧化處理，不能保證在較長周期內(nèi)的質(zhì)量可靠性，所以只適用于設(shè)計方案的驗證，而不能用于正式的工業(yè)產(chǎn)品交付。

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