PCB板快速制造系统

基于激光直写电路技术的PCB板快速制造系统

研发新的电子产品，需要经过产品设计、生产加工和调试等工序，其中，ＰＣＢ板的设计、制造是最关键的环节之一。大多数的元器件都可以在市场上采购到成品，而ＰＣＢ板必须根据不同的产品进行相应的设计、制造；因此，ＰＣＢ板设计、制造的周期长短对新产品的研发周期有着较大影响。

目前，按照ＰＣＢ板生产厂的生产工艺，即使只生产１块样品ＰＣＢ板，也和生产大批量ＰＣＢ板的工艺流程一样，需要进行数据准备、光绘、下料、钻孔、金属化孔、贴膜或网印、曝光、图形电镀、蚀刻、阻焊涂覆、喷锡、丝印字符、外型加工和清洗等数十道工序。在这种生产模式下，从设计方和ＰＣＢ板生产厂家确认ＰＣＢ板设计文件开始，到最终完成ＰＣＢ板的制造，通常至少需要几天到１周的时间。这种工艺能满足批量产品的生产周期需要，但并不适合生产样品ＰＣＢ板。在首件样机阶段，鉴于在技术方面始终会存在一些不确定的风险，产品的设计、调试时间不可控，常常会出现设计、调试，再修改设计、再调试的问题，在这种情况下，长达数天的样品ＰＣＢ板制造周期是不能被接受的。

为了解决单件样品ＰＣＢ板生产周期较长的问题，近年来研发出了ＰＣＢ板快速制造系统，该系统最快可在１个工作日内完成样品ＰＣＢ板的制造。本文对目前常见的３种ＰＣＢ板快速制造系统分别进行介绍和对比分析，并给出了基于激光直写电路技术的ＰＣＢ板快速制造系统的制程工艺。

一、ＰＣＢ板快速制造系统

ＰＣＢ板快速制造系统共同的工艺步骤如下：１）钻孔及金属化孔；２）线路图形制作；３）阻焊图形制作；４）字符图形制作；５）助焊防氧化处理。其中，影响ＰＣＢ板成品质量的关键步骤为金属化孔和线路图形制作。

ＰＣＢ板快速制造系统根据线路图形制作的工作原理可分为３类：化学蚀刻、物理雕刻和激光直写加工，其各自特点对比见表１。

１）化学蚀刻。化学蚀刻法是利用化学蚀刻液将需要去掉的绝缘材料从基材上去掉，制作出合适的电路图形。化学蚀刻法因要使用一系列酸碱试剂，对环保会有一定影响，并且化学蚀刻的工序较多，工艺流程相对复杂一些，实施起来较另外２种方式要有难度一些，所以现在不是主推的方式。

２）物理雕刻。物理雕刻方式的原理是将线路板的线路信息转化为三维位置信息，然后通过步进电动机控制雕刻刀具沿着ＸＹＺ轴导轨控制移动，从而控制雕刻刀具在空白线路板上进行雕刻。按这种方法，一块典型的双面电路板的制作时间约为１～２ｈ，能在１天之内做出样品ＰＣＢ板；但物理雕刻方式受限于机械加工刀具，对于一些精密线路图形的加工不能很好地保证，如当孔径＜１５０μｍ时，由于机械钻头易损，而使加工成本大为增加，加工进度也会受到影响。

３）激光直写。激光直写方式的原理是根据需要加工物体的不同材质，选用不同波长的激光，使用高功率激光束照射到材料表面，使材料表面引发光化学反应，最终加工出需要得到的线路图形。相较于物理雕刻方式，因为在加工过程中激光束能量密度高，加工速度快，对非激光照射部位基本没有影响，而且对加工部位也没有机械接触，所以激光加工不会对被加工材料产生机械应力，同时可以干净无残留的去除金属层，加工出线路图形。

二、激光直写电路技术

激光直写电路技术就是使用激光直写方式的原理，在ＰＣＢ板的敷铜层或镀金层上加工出所需线路图形的技术。

目前，市场上最先进的激光加工设备主要是用绿光或紫光２种光谱的激光进行加工，已经可以做到完全采用激光直写技术完成线路图形的制作。加工过程中无需任何掩膜，用一束激光即可快速去除金属层。特别是基于３５５ｎｍ的紫外激光，各种构成ＰＣＢ板基板的材料大多数都能被加工，包括铜、高分子树脂材料和玻璃纤维等。

采用紫外激光对材料的热冲击较小，原理如图１所示。

图１中，紫外激光具有高光子能量，当紫外激光照射到加工材料表面时，材料表面的分子吸收紫外激光中的光子后，与自身电子相互作用，直接破坏连接物质原子组分的化学键，使分子链断裂，断裂后的小分子以爆炸的形式向外强烈喷射，脱离材料表面。

使用激光加工方式，在加工精度的稳定性以及后期设备的运行维护保养方面有较大优势。激光加工设备的核心部件激光发生器的理论使用时间通常为１０万ｈ，实际使用寿命一般在５年以上；通过激光发生器发出的激光束，在相当长的一段时间内可以保持相对稳定的状态，这样就能避免传统物理雕刻方式铣刀、钻头磨损后带来的加工精度不一致；在设备的日常保养方面，激光加工设备只需要做好设备的防尘和清洁即可，不需要上油润滑等操作，可以在较大程度上减少后期设备运行的维护保养费用。

三、PCB板制程工艺

３．１钻孔

在钻孔方面，使用紫外激光加工孔的工艺方法有３种：激光冲孔、激光套孔和激光螺旋加工。

１）激光冲孔。其工艺方法是保持激光束的位置不动，设置高重复率激光脉冲，对孔位置处进行持续加工。激光加工设备的脉冲频率一般可设置为２５０～３００ｋＨｚ，在每个脉宽时间孔的深度都会增加。这种工艺方法加工，孔的大小取决于聚焦的光斑尺寸。紫外激光加工设备聚焦点光斑直径可小至１５μｍ，所以采用该工艺方法能够完成直径较小孔的加工，特别适合盲孔的加工。

２）激光套孔。其工艺方法是设置激光束在孔的位置处，沿着孔的外延圆周，一圈一圈地作圆周循环运动。走完第１圈，会在孔外延圆周的位置处加工出１个圆形槽。每走１圈，槽的深度就会增加一些。当从ＰＣＢ板的顶部加工到底部，打穿底部后，在加工过程中和底部相连的圆柱体材料会脱落，形成１个通孔。这种工艺方法适合加工通孔，不适合加工盲孔，因为如果孔没有打穿，加工过程中孔中心区域的圆柱体材料会残留在孔中间。

３）激光螺旋加工。其工艺方法是设置激光束从孔的中心开始加工，以螺旋式从中心处向外移动。随着激光束的移动，孔的深度和直径会不断变大。这种工艺方法适合加工大尺寸的孔。

在实际加工中，可以根据孔的种类和大小，分别选用上述３种工艺方法，通过调整激光脉冲频率和能量，直接将表层的铜打掉，再打掉下层材质。相较于其他激光，紫外激光加工出来的盲孔底部更干净，且无碳化现象，为后工序金属化孔提供了很好的处理表面。采用紫光激光加工后的盲孔效果图如图２所示。

鉴于激光加工的特点，在加工微孔和盲孔时有相当的优势。但在实际生产中，对于板材厚度＞０．５ｍｍ的ＰＣＢ板，在加工＞０．８ｍｍ孔径的通孔时，使用激光设备钻孔的效率没有使用物理雕刻机钻孔效率高；所以，对于板厚＞０．５ｍｍ的ＰＣＢ板，可优先考虑使用物理雕刻机进行钻孔。

３．２金属化孔

孔加工成型后要做金属化孔处理，以达到孔被金属化贯通的效果。金属化孔要有良好的机械韧性和导电性。金属化孔有２种方法：物理金属化孔和化学金属化孔。

１）物理金属化孔。其原理是使用导电膏让孔导电。该系统能加工的通孔最小直径为０．４ｍｍ，孔的最大径深比为１∶４。金属化孔后的接触电阻约为２０ｍΩ。物理金属化孔的工艺流程如下：ａ．将专用保护膜粘贴在ＰＣＢ板两面；ｂ．使用激光加工设备钻孔（对于ＰＣＢ板板厚＞０．５ｍｍ，以及孔径＞０．８ｍｍ的通孔，可优先考虑使用物理雕刻机钻孔）；ｃ．把ＰＣＢ板放置在真空吸附台上，用橡胶刮刀把导电膏采取刷的方式涂覆在ＰＣＢ板一面的保护膜上；ｄ．打开真空吸附功能，在抽真空的作用下将导电膏吸入孔内；ｅ．翻转ＰＣＢ板，重复步骤ｃ和步骤ｄ；ｆ．去掉保护膜，在烤箱中固化导电膏，固化温度设置为１６０℃，固化时间为３０ｍｉｎ。物理金属化孔的优势是操作简便，无需使用电镀工艺，且过程中不使用化学药品，较为环保；但金属化孔的贯通可靠性不如化学电镀工艺。

２）化学金属化孔。其原理是化学电镀原理。该工艺分为４个基本步骤：预浸→活化→微蚀→化学镀铜。具体如下：ａ．预浸工序可选用主要化学成分是５％Ｎａ２ＣＯ３的溶液，在加热条件下，可去除ＰＣＢ板在前工序中产生的汗渍、油污等；ｂ．活化工序可选用黑孔液，其主要化学药液的成分为Ｃ（石墨）粒子溶液，该溶液的主要作用是完成孔内壁粘覆均匀一层导电炭膜；ｃ．微蚀工序可选用５％的Ｎａ２Ｓ２Ｏ８溶液，该溶液主要完成黑孔后的板基材料表面炭黑的溶解；ｄ．化学镀铜工序可选用主要化学成分是１０％的ＣｕＳＯ４溶液，该溶液主要作用是作为电镀的导电质，实现金属化孔。目前，较先进的桌面型化学金属化孔设备对阳极板作了优化，并且增加了反向脉冲电镀电源，这２种技术的结合可以较为有效地保证电镀铜厚的均匀度。

３．３线路图形制作

在线路图形成型加工方面，采用紫外激光设备可以实现在ＰＣＢ板金属涂覆层上直写出电路图形。在实际生产中，设置短脉冲时间高脉冲能量的激光束，对线路的热冲击效应较小，对加工精细间距的电路和射频微波电路效果较好。

３．４阻焊图形和字符图形制作

阻焊层是在ＰＣＢ板制作中在ＰＣＢ板表面形成一层特定图形的保护膜。阻焊图形和字符图形的制作原理是将油墨使用丝网印刷到ＰＣＢ板的板面后，采用加热的方式进行固化。具体的工艺步骤如下：印刷感光阻焊油墨→阻焊图形曝光→阻焊图形显影→印刷感光字符油墨→字符图形曝光→字符图形显影→阻焊与字符油墨热固化。

在印刷油墨时，ＰＣＢ板快速制造系统并不采用做丝网模具的方式，而是使用激光打印机，直接将感光材料打印成印刷油墨所需要的菲林片。这就不需要制作丝网模具产生的等待时间（通常是１ｄ），从而大大缩短了生产周期，整个过程在１～２ｈ内可以完成。

３．５助焊防氧化处理

助焊防氧化处理的原理是使用化学试剂和铜面产生反应，在裸铜上就能形成一定厚度的有机膜层。该有机膜层既可有效将铜层焊盘与空气隔离，防止焊盘氧化，又可保证焊接性能。该工艺通过４步较简单的操作，即除油→微蚀→酸洗→成膜，在１～２ｈ内即可完成，具体如下。

１）除油工序可选用主要化学成分为５％Ｎａ２ＣＯ３的溶液，在加热条件下，可去除ＰＣＢ板在前工序中产生的汗渍、油污等。

２）微蚀工序可选用５％的Ｎａ２Ｓ２Ｏ８溶液，微蚀后可形成粗糙的铜面，便于成膜。微蚀的厚度直接影响到成膜速率，因此要形成稳定的膜厚，保持微蚀厚度的稳定性是非常重要的，一般将微蚀厚度控制在１．０～１．５μｍ比较合适。

３）酸洗工序可选用１％的稀Ｈ２ＳＯ４溶液，主要用途是去除ＰＣＢ板在前工序中因接触空气而可能产生的氧化物。

４）成膜工序可选用ＯＳＰ有机试剂，该溶液通过化学反应可以在铜表面形成一层厚度为０．３～０．４μｍ的憎水性有机保护膜，此膜用以保护铜面于常态环境中不再继续氧化，且在焊接高温下，保护膜易被助焊剂清除，能在极短时间内与熔融锡结成牢固的焊点。

通过上述方式处理过的ＰＣＢ板，如使用抽真空包装存放，可焊性可保存至３个月。超期后，焊盘的可焊性会下降。

结语

基于激光直写电路技术的ＰＣＢ板快速制造系统，解决了物理雕刻方式精度不够的问题；并且由于采用的是非接触式加工，对ＰＣＢ板也没有机械应力的影响，能进一步提高线路的可靠性，是制造样品ＰＣＢ板一个很好的选择。需要指出的是，采用该系统加工出来的ＰＣＢ板，因为只经过了简单的助焊防氧化处理，不能保证在较长周期内的质量可靠性，所以只适用于设计方案的验证，而不能用于正式的工业产品交付。

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