PCB学习笔记（一）

一、PCB的制作过程了解

大致工序：
蚀刻---多层压合---钻孔----沉铜和电镀---阻焊----丝印---表面处理

1.1 覆铜板

覆铜板是电子信息产业中的关键基础材料，在电子设备的制造中有着不可替代的作用，其核心功能是为电子元器件提供机械支撑、电气连接和绝缘保护，具体用途可从以下几个方面详细说明：

一、核心作用：制作印制电路板（PCB）

覆铜板最主要的用途是作为印制电路板（PCB）的基材。
印制电路板是电子设备的“骨架”和“血管”，负责连接各个电子元器件（如芯片、电阻、电容等），实现电流和信号的传输。而覆铜板的结构（绝缘基材+表面覆铜箔）正好满足PCB的核心需求：

• 表面的铜箔通过蚀刻工艺形成导电线路，实现元器件间的电气连接；
• 中间的绝缘基材（如树脂、玻璃纤维等）提供机械支撑，同时避免线路短路。
  从简单的玩具电路板到复杂的电脑主板、手机PCB，几乎所有电子设备的电路载体都依赖覆铜板加工而成。

二、不同类型覆铜板的针对性用途

覆铜板的性能（如耐高温、耐高频、机械强度等）因基材和工艺不同而差异较大，因此会根据电子设备的需求选择对应的类型：

• 普通覆铜板（如纸基覆铜板）：用于低成本、低性能要求的设备，如收音机、玩具、简单家电的PCB。
• 玻璃纤维布基覆铜板：具有较高的机械强度和绝缘性，广泛用于电脑、手机、电视机等精密电子设备的PCB。
• 高频覆铜板：采用特殊基材（如聚四氟乙烯），能减少信号损耗，用于5G通信设备、雷达、卫星等高频场景。
• 高导热覆铜板：帮助散热，用于LED灯、功率电子器件等发热较大的设备。

三、延伸应用

除了直接制作PCB，覆铜板还在一些特殊领域发挥作用：

• 柔性电子设备：柔性覆铜板（基材为聚酰亚胺）可弯曲，用于智能手表、柔性显示屏等。
• 汽车电子：耐温、耐振动的覆铜板用于车载雷达、发动机控制系统等。
• 航空航天：高性能覆铜板（如耐辐射、轻量化）用于卫星、航天器的电子系统。

总之，覆铜板是电子信息产业的“基石”，其性能直接影响电子设备的功能、可靠性和成本，从日常电子产品到高端科技领域，都离不开它的支撑。

1.2 覆铜板和信号线的关系

你的问题核心是对覆铜板的结构和PCB（印制电路板）加工工艺存在误解，我们可以从“覆铜板的原始状态”和“加工成PCB后的状态”两个阶段来拆解，就能清楚信号线的来源和位置了。

一、覆铜板不是“全是铜”，原始结构是“绝缘基材+铜箔”

覆铜板的核心结构是 “绝缘基材+表面铜箔”，并非整个板子都是铜：

• 中间的基材（如玻璃纤维布+树脂、纸基+树脂等）是绝缘的，不导电，作用是支撑和隔离；
• 表面的铜箔是薄薄的一层（通常几微米到几十微米厚），覆盖在基材表面，这层铜才是导电的。

所以，原始覆铜板的“导电部分”只有表面的铜箔，而不是整个板子都导电。

二、信号线就是铜，来自覆铜板的铜箔（通过蚀刻工艺形成）

信号线、电源线、地线等所有导电线路，本质都是覆铜板表面的铜箔经过加工后“保留下来的部分”，具体过程是：

1. 原始状态：覆铜板表面的铜箔是完整的一层（像一张铜皮），此时如果直接通电，确实会因为铜箔连通而短路；
2. 蚀刻加工：通过光刻、蚀刻工艺，把“不需要导电的铜箔”腐蚀掉，只留下“需要导电的路径”（即信号线、电源线等）。这些保留的铜箔之间被蚀刻出的“绝缘间隙”（基材暴露部分）隔开，因此不会短路。

简单说：信号线就是覆铜板上没被蚀刻掉的铜箔，材质自然是铜。

三、信号线与覆铜板的“层关系”：取决于PCB的层数

信号线是否与覆铜板在同一层，要看PCB是单层、双层还是多层：

• 单层板：只有一层覆铜板（基材+一面铜箔）。信号线、电源线等都在这层铜箔上（蚀刻后保留），与覆铜板属于同一层。
• 双层板：基材两面都有铜箔（即两层覆铜板）。两面的铜箔都可蚀刻出信号线，分别属于上下两层，中间通过“过孔”（打通基材的导电孔）连接。
• 多层板：由多层覆铜板叠加而成（每层覆铜板之间用绝缘层隔开）。每层的铜箔都能蚀刻出信号线，不同层的信号线通过过孔连接，因此信号线可能分布在不同层，但每层的信号线都属于该层的覆铜板。

总结

• 覆铜板不是全是铜，只有表面铜箔导电，中间基材绝缘；
• 信号线是铜，来自覆铜板上未被蚀刻的铜箔，通过绝缘间隙避免短路；
• 信号线与覆铜板的层关系：单层板在同一层，多层板则分布在不同层（每层对应一层覆铜板）。

可以类比：覆铜板像一张“带铜皮的纸板”，信号线就是用刀把铜皮刻成的“导线图案”，刻掉的部分露出纸板（绝缘），留下的铜皮就是线路，自然不会短路。

1.3 对覆铜板的蚀刻

蚀刻是将覆铜板表面的铜箔按照设计好的线路图案进行选择性去除的工艺，是制作PCB（印制电路板）的核心步骤之一。其原理简单来说就是：用化学溶液腐蚀掉“不需要的铜箔”，保留“需要的线路部分”，具体过程可分为“前期准备”“蚀刻核心步骤”和“后期处理”三个阶段，下面详细拆解：

一、前期准备：给“需要保留的铜”穿上“保护衣”

为了让蚀刻液只腐蚀不需要的铜箔，需要先给“要保留的信号线、焊点等铜箔部分”做保护，这一步通过光刻（感光成像） 完成：

1. 涂覆感光胶
   在覆铜板的铜箔表面均匀涂上一层感光胶（类似“光刻胶”，对紫外线敏感，曝光后会固化变硬，未曝光的部分则可被特定溶液溶解）。

2. 贴线路图（菲林）并曝光

   • 制作一张与PCB线路图案一致的菲林片（类似胶片，线路部分是黑色不透明，其他部分透明）；
   • 将菲林片精准覆盖在涂了感光胶的铜箔上，然后用紫外线照射。
   • 原理：菲林片透明处的感光胶被紫外线照射后固化（变成不溶于水的硬胶），对应“需要保留的铜线路”；菲林片黑色处的感光胶未被曝光，保持液态（后续可被洗掉），对应“需要腐蚀掉的铜箔”。

3. 显影：洗掉未固化的感光胶
   用显影液（如弱碱性溶液）冲洗覆铜板，未曝光的液态感光胶会被溶解洗掉，露出下方的铜箔（这部分是要腐蚀的）；而曝光固化的感光胶则牢牢粘在铜箔上，保护着下方的铜（这部分是要保留的线路）。

二、核心步骤：蚀刻——用化学溶液“吃掉”裸露的铜

经过前期准备，覆铜板表面形成了“被感光胶保护的铜（线路）”和“裸露的铜（多余部分）”，此时用蚀刻液腐蚀裸露的铜：

1. 蚀刻液的选择
   常用的蚀刻液有两种：

   • 酸性蚀刻液（如三氯化铁溶液）：成本低，适合小批量生产，腐蚀速度较慢；
   • 碱性蚀刻液（如氯化铜+氨水）：腐蚀速度快、精度高，适合大规模工业生产。

2. 蚀刻过程
   将覆铜板放入蚀刻液中（或用喷淋方式让蚀刻液均匀覆盖表面），裸露的铜箔会与蚀刻液发生化学反应，逐渐被溶解（类似“铜被吃掉”）；而被感光胶保护的铜箔因为没有接触到蚀刻液，得以完整保留。

   化学反应示例（以三氯化铁为例）：
   2FeCl₃ + Cu → 2FeCl₂ + CuCl₂（铜被溶解为可溶性的氯化铜，随蚀刻液流走）。

3. 停止蚀刻
   当裸露的铜箔被完全腐蚀掉后，立即将覆铜板从蚀刻液中取出，用清水冲洗，终止反应。此时板上只剩下“被感光胶覆盖的铜线路”。

三、后期处理：去掉“保护衣”，露出最终线路

1. 脱膜（去感光胶）
   用脱膜液（如强碱性溶液）冲洗覆铜板，将之前固化的感光胶溶解掉，露出下方保留的铜线路（此时线路已经成型，是闪亮的铜色）。

2. 其他处理

   • 清洗：去除残留的化学试剂，避免腐蚀线路；
   • 抗氧化处理（可选）：在铜线路表面镀一层锡、镍或阻焊层（绿色/黑色的绝缘漆），防止铜氧化生锈，同时进一步保护线路。

总结：蚀刻的本质是“选择性腐蚀”

整个过程可以类比为：

• 覆铜板的铜箔像一张“铜皮”，我们想在上面刻出线路图案；
• 感光胶就是“蜡”，先把要保留的图案用蜡盖住；
• 蚀刻液就是“酸”，只腐蚀没被蜡盖住的铜皮；
• 最后去掉蜡，剩下的铜皮就是我们需要的信号线。

通过这种方式，原本完整的铜箔被加工成了互不连通的线路（信号线、电源线等），既利用了铜的导电性，又通过绝缘基材和蚀刻出的间隙避免了短路。

1.4、蚀刻后续工艺

蚀刻完成后，覆铜板上已经形成了初步的铜质线路，但还需要经过一系列后续加工才能成为可用的印制电路板（PCB）。这些步骤主要是为了增强线路的可靠性、实现层间连接（针对多层层板）、方便元器件焊接，并最终形成完整功能的电路板。具体流程如下：

一、脱膜与清洗：露出完整线路

1. 脱膜（去感光胶）
   蚀刻后，线路上还覆盖着之前用于保护的感光胶（或干膜），需要用脱膜液（如碱性溶液）将其彻底去除，露出干净的铜质线路。

   • 作用：让铜线路完全暴露，为后续处理（如镀锡、涂覆阻焊层）做准备。

2. 清洗与检查
   用清水冲洗板子，去除残留的蚀刻液、脱膜液等化学物质，避免后续腐蚀线路。同时会进行外观检查，确保线路没有断线、短路等缺陷。

二、钻孔（多层板必做，单层板可选）

如果是多层板（或需要安装插件的单层板），下一步是钻孔：

• 用精密钻机在指定位置钻出小孔（直径通常0.1mm~3mm），包括：
  • 过孔：连接不同层的线路（多层板核心工艺）；
  • 元件孔：用于插入插件式元器件（如电阻、电容的引脚）；
  • 螺丝孔：固定电路板用。
• 钻孔精度要求极高，误差需控制在几微米内，否则可能打穿线路或导致层间连接失败。

三、孔金属化（多层板核心步骤）

多层板的钻孔后，孔壁是绝缘的基材，需要通过孔金属化让孔具备导电性，实现不同层线路的连接：

1. 沉铜：将板子放入化学溶液中，在孔壁表面沉积一层薄薄的铜（类似电镀的预处理），形成导电层；
2. 电镀加厚：通过电解反应，在沉铜层上进一步电镀铜，使孔壁的铜层厚度达标（通常20~50μm），确保导电性能和机械强度。

• 作用：让过孔成为“导电通孔”，实现多层线路的电气连接。

四、阻焊层涂覆：保护线路，区分焊点

1. 涂覆阻焊油（绿油）
   在电路板子表面均匀涂覆一层绝缘的阻焊油墨（通常是绿色，也有红、蓝、黑等颜色），作用是：

   • 保护铜线路不被氧化、腐蚀；
   • 防止元器件焊接时焊锡误连（短路）；
   • 增强板子的机械强度。

2. 曝光与显影（阻焊层图案）
   和线路制作类似，通过菲林曝光、显影，将需要焊接的位置（焊盘）的阻焊层去掉，露出铜质焊盘，其余部分则保留阻焊层。

   • 焊盘：元器件引脚焊接的位置，必须裸露铜面，才能让焊锡附着。

五、字符印刷：标注信息

在板子路板表面印刷字符（丝印），包括：

• 元器件符号（如R1、C2表示电阻、电容编号）；
• 极性标识（如二极管、电容的正负极）；
• 厂家信息、版本号等。
• 作用：方便后续元器件焊接和电路调试。

六、表面处理：保护焊盘，方便焊接

裸露的铜质焊盘容易氧化，导致焊接不良，因此需要对焊盘进行表面处理：

• 热风整平（喷锡）：在焊盘表面镀一层锡铅合金（或无铅锡），高温熔化后用热风整平，形成保护膜；
• 沉金：在焊盘表面沉积一层薄金，抗氧化性强，适合精密元器件（如BGA、QFP）焊接；
• OSP（有机保焊膜）：在铜表面形成一层有机薄膜，焊接时高温会分解，露出铜面，适合低成本本产品。

七、外形加工：裁剪割成最终形状

根据设计要求，将大张的电路板子切割成最终需要的形状（如矩形、异形），常用方式：

• 数控铣切：适合复杂形状，精度高；
• 模具冲压：适合大批量生产，效率高。

八、最终测试：确保功能合格

1. 通断测试：用探针检测线路是否导通、有无短路；
2. 阻抗缘电阻测试：检测线路间的绝缘缘性能；
3. 阻抗测试（高频板）：确保线路阻抗符合设计要求，避免信号失真。

经过这些步骤后，一块完整的PCB才算制作完成，接下来就可以进行元器件焊接（SMT贴片或插件焊接），最终组装成电子设备。整个流程中，每一步的精度都会直接影响PCB的性能和可靠性，尤其是多层板的孔金属化、阻焊层对齐等环节，对工艺要求极高。

1.5、疑问

• 脱模时，会把信号线上的保护膜洗掉，漏出铜，那么沉铜时，这些信号线的铜不会受到影响吗？
• 沉铜时已经经过蚀刻后的没有铜的地方不会再次覆盖上铜吗？

沉铜过程中，蚀刻后没有铜的基材区域（如线路之间的绝缘基材表面）不会重新覆盖铜层，这是由沉铜工艺的原理和预处理流程决定的，具体原因如下：

一、沉铜的核心原理：只在“活化区域”沉积铜

沉铜（化学镀铜）是一种自催化反应，需要在“具有催化活性的表面”才能发生。其反应过程依赖于表面的“活化中心”（通常是钯原子，通过前处理步骤附着在表面），只有存在活化中心的区域，才能持续催化铜离子还原并沉积为铜层。

• 对于蚀刻后残留的铜线路：铜本身是良好的催化剂，且表面经过微蚀处理后（粗化并露出新鲜铜面），能直接参与沉铜反应，因此铜线路表面会进一步沉积薄铜（这是有益的，可增强线路导电性）。
• 对于蚀刻后裸露的基材区域（如FR-4树脂、玻璃纤维）：这些绝缘材料本身不具备催化活性，且在前处理中，只有孔壁会被特意“活化”（通过胶体钯吸附形成活化中心），基材表面并未进行活化处理，因此无法触发沉铜反应，自然不会沉积铜层。

二、前处理工艺：精准控制活化范围

沉铜前的关键步骤（除油、微蚀、活化、加速）会严格区分“需要导电的区域”（孔壁）和“需要绝缘的区域”（基材表面）：

1. 除油与微蚀：仅清洁表面并粗化铜线路和孔壁，基材表面因不导电且化学惰性，不会被过度处理。
2. 活化处理：通过胶体钯溶液（含钯离子）让孔壁吸附钯原子（形成活化中心），但基材表面（如树脂）无法吸附钯离子，因此不具备催化能力。
3. 加速处理：去除孔壁钯离子表面的包裹层，使其暴露并激活催化活性，而基材表面因无钯离子，此步骤对其无影响。

通过这一系列步骤，只有孔壁会被赋予沉铜所需的催化活性，基材表面始终保持绝缘，不会沉积铜。

三、沉铜的“选择性”：避免基材导电

如果沉铜时基材表面意外沉积铜，会导致线路之间短路（因为基材区域本应绝缘），这是绝对需要避免的。实际生产中，沉铜液的配方和工艺参数（如温度、pH值、反应时间）会经过严格优化，确保铜只在有活化中心的区域（孔壁和原有铜线路）沉积，而不会在绝缘基材上生长。

• 例外情况：若前处理不当（如活化液污染基材表面），可能导致基材局部沉积铜，这种属于不良品，会在后续检测中被剔除。

总结

沉铜工艺通过“活化中心的选择性分布”和“自催化反应的特性”，确保铜只沉积在需要导电的区域（孔壁和原有铜线路），而蚀刻后裸露的绝缘基材表面因无催化活性，不会覆盖铜层。这一过程精准保障了线路的绝缘性和层间连接的可靠性，是多层板制造的核心技术之一。

二、PCB制作完整过程总结

PCB（印刷电路板）的制作流程复杂且精密，需经过多道工序确保线路的准确性、导电性和可靠性。根据板子的层数（单面板、双面板、多层板），流程会略有差异，以下以多层板为例，详细介绍完整制作流程：

一、前期准备：设计与资料处理

1. 电路设计与PCB Layout
   工程师通过EDA软件（如Altium Designer、Cadence）完成电路原理图设计，再转化为PCB Layout（布局布线），确定线路走向、焊盘位置、孔位等，并生成Gerber文件（PCB制造的标准数据格式）和钻孔文件。

2. CAM工程处理
   厂家接收Gerber文件后，通过CAM软件（计算机辅助制造）检查设计合理性（如线宽、间距、孔大小是否符合工艺要求），并生成生产用的工具数据（如曝光底片、钻孔程序）。

二、基材准备：覆铜板裁剪

• 选用覆铜板（绝缘基材如FR-4树脂+玻璃纤维，两面或多层覆盖铜箔），根据PCB尺寸裁剪成合适大小的基板，去除边缘毛刺。

三、内层制作（多层板特有）

多层板由内层芯板和外层铜箔通过半固化片压合而成，内层芯板需先单独制作线路：

1. 内层图形转移

   • 涂覆光刻胶：内层基板表面均匀涂覆感光性光刻胶（干膜或湿膜），通过烘箱固化。
   • 曝光：将内层线路的底片与基板对齐，紫外线照射使光刻胶曝光（曝光区域固化，未曝光区域可被显影液溶解）。
   • 显影：用显影液冲洗基板，去除未曝光的光刻胶，露出需要蚀刻的铜箔区域。

2. 内层蚀刻
   用酸性蚀刻液（如氯化铁、氯化铜）腐蚀裸露的铜箔，保留被光刻胶覆盖的铜线路，形成内层电路。蚀刻后去除残留光刻胶（脱膜）。

3. 内层AOI检测
   通过自动光学检测（AOI）检查内层线路是否有短路、断路、线宽异常等缺陷，确保合格后进入下工序。

四、层压：多层板压合

1. 叠层准备
   将内层芯板、半固化片（由树脂和玻璃纤维组成，加热后固化粘合）、外层铜箔按设计顺序叠放（如内层1→半固化片→内层2→…→外层铜箔），确保对齐。

2. 压合
   叠好的基板放入热压机，在高温（约170℃）、高压（约20-40kg/cm²）下，半固化片融化并粘合各层，冷却后形成整体多层基板，外层表面为完整铜箔。

五、外层制作：钻孔与金属化

1. 钻孔
   根据钻孔文件，用数控钻机在基板上钻出通孔（连接各层线路）、盲孔（连接外层与某一内层）或埋孔（连接内层之间）。钻孔后需去除孔内毛刺和树脂碎屑（去毛刺、孔内清洗）。

2. 孔金属化（沉铜与电镀）

   • 沉铜：通过化学镀铜（沉铜）在绝缘孔壁表面沉积一层薄铜（约0.5-1μm），使孔壁导电，实现层间线路连接（原理见前文，仅孔壁和原有铜面沉积铜）。
   • 全板电镀：沉铜后进行电解镀铜，加厚孔壁和外层铜箔的铜层（厚度约5-10μm），增强导电性和可靠性。

六、外层线路制作

流程与内层图形转移类似，但针对外层铜箔：

1. 外层图形转移
   外层基板涂覆光刻胶→曝光（按外层线路底片）→显影，露出需要蚀刻的铜箔区域（保留线路和焊盘）。

2. 外层蚀刻
   用蚀刻液去除裸露的铜箔，保留被光刻胶覆盖的外层线路和焊盘，脱膜后露出完整外层电路。

3. 外层AOI检测
   检查外层线路缺陷，确保与设计一致。

七、后续处理：保护与标识

1. 阻焊层涂覆（绿油）
   在基板表面涂覆阻焊油墨（通常为绿色，也有黑、白、蓝等），通过曝光显影，仅露出焊盘和插件孔，保护线路免受氧化、腐蚀，防止短路。

2. 字符印刷
   用丝印或喷墨方式在阻焊层表面印刷字符（如元件型号、极性标识），便于后续焊接和维护。

3. 表面处理
   对焊盘进行表面处理，防止氧化并增强可焊性，常见方式：

   • HASL（热风整平）：焊盘涂覆铅锡合金，热风去除多余锡，形成平整焊面（成本低，逐步被无铅替代）。
   • 沉金：焊盘沉积一层薄金（底层为镍），抗氧化性强，适合精密焊接（如BGA）。
   • OSP（有机保焊膜）：在铜面形成有机薄膜，焊接时受热分解，露出新鲜铜面（环保、成本低）。

八、成型与终检

1. 外形加工
   通过数控铣或冲压机将基板切割成设计的PCB外形（如矩形、异形），去除边缘废料。

2. 电气测试（Flying Probe）
   用飞针测试机检测PCB的导通性（短路、断路），确保所有线路连接正确。

3. 最终检验
   人工或自动化设备检查外观（如阻焊层气泡、字符清晰度）、尺寸精度等，合格后包装出厂。

总结

PCB制作是“设计→图形转移→蚀刻→层压→金属化→保护→成型”的全流程，核心是通过光刻、蚀刻等工艺精准控制铜线路的分布，通过沉铜和层压实现多层连接，最终形成兼具导电和绝缘功能的电路载体。不同类型的PCB（如柔性板、高频板）会在材料和工艺上略有调整，但核心逻辑一致。