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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。

表1 线路图形制作各加工方式对比

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 紫外激光加工原理

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。

图 2 紫光激光加工后的盲孔效果图

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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