龔永林

（上?！队≈齐娐沸畔ⅰ冯s志社，上海 201108）

0 引言

本文接本刊2023年第3 期《中國早期印制電路板生產(chǎn)技術(shù)回顧（1）》一文介紹，對早期電路板的相關(guān)工藝路線進行綜述，如印制電路板、覆銅板、單雙面印制板的制作工藝等。

1 早期工藝技術(shù)路線

1.1 印制板制作工藝路線探索

1956年下半年，王鐵中等技術(shù)人員在電科十所（原國防科委第十研究所）的電路和結(jié)構(gòu)研究室技術(shù)人員的配合下，使用3 種不同的工藝設(shè)計和實驗，制成3 種不同的電子管收音機用印制電路板（printed circuit board，PCB）：① 將膠木板作為絕緣底板，進行化學(xué)鍍銅和電鍍銅，制成覆有銅層的絕緣基板，將所需圖形網(wǎng)印上抗蝕印料，用三氯化鐵蝕刻形成印制導(dǎo)線圖形，再進行機械鉆孔并焊接元器件，完成收音機裝配；② 專門開制一副有電路圖形和通孔的模具，采用電木粉塑壓加工帶有凹槽和孔的膠木板，在板面輥涂耐堿的印料，進行化學(xué)鍍銅和鍍錫鉛合金，使基板上凹槽和孔形成導(dǎo)電電路，采用該方法制成的PCB也可裝配收音機；③ 先制作覆銅箔酚醛紙基層壓板，利用光化學(xué)法和化學(xué)蝕刻得到電路圖形，采用該工藝法制得的PCB已組裝成功。

測試3種工藝制得的PCB，結(jié)果顯示：第1種工藝制得的PCB 導(dǎo)線附著力差、可靠性低；第2 種工藝繁瑣復(fù)雜、結(jié)構(gòu)笨重；第3 種工藝較適合，但其難點在于需制出以層壓方式形成的覆銅箔層壓板（copper clad laminate，CCL）。

1.2 覆銅板制作工藝路線探索

（1）20世紀(jì)60年代前，覆銅板的制作方法是銅箔+黏合膠+絕緣層壓板的壓合法。具體流程為：銅箔（50 μm 厚壓延銅箔）經(jīng)氧化處理并烘干后，涂刷黏合膠（主要成分為聚乙烯醇縮甲醛樹脂，蘇聯(lián)稱Бφ膠，厚度5～10 μm）；在50～60 ℃條件下烘烤，再在90 ℃條件下烘烤；清洗絕緣基板（酚醛紙層壓板），涂2 次黏合膠（Бφ 膠）；加熱、加壓壓制成覆銅板。

覆銅板采用的銅箔為壓延銅箔或電解銅箔。其銅純度≥99.7%，厚度0.05 mm，抗剝強度大于0.8 kg/cm，耐熱性為浸焊260 ℃中5 s，玻璃布基材在1 MHz 條件下的介電常數(shù)（Dk）為6，介質(zhì)損耗（Df）為0.04。

（2）20世紀(jì)60年代初，改造上述工藝，實現(xiàn)了“一步成型法”制造覆銅板。半固化片（上膠紙）與涂膠銅箔疊合，熱壓成型，生產(chǎn)出酚醛紙基覆銅板。

（3）20世紀(jì)60年代中期，在國內(nèi)環(huán)氧玻璃布基覆銅板實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。1965年，四機部標(biāo)準(zhǔn)化所制定了我國第1部覆銅板標(biāo)準(zhǔn)，即SJ 200—66復(fù)銅箔環(huán)氧酚醛玻璃布層壓板［2］。

2 PCB加工流程

2.1 單面PCB

最早的PCB 產(chǎn)品是單面印刷線路板（printed wire board，PWB），其作用為在絕緣基板上連接電氣作用，采用印刷方法成形。單面PCB 被廣泛應(yīng)用于從軍事裝置、商品化等方面，其最大市場為晶體管收音機及電視機，如圖1所示。

圖1 用于收音機的單面印制板

用于消費類電子設(shè)備的單面PCB，采用酚醛紙基覆銅箔層壓板，經(jīng)印刷抗蝕圖形后，化學(xué)蝕刻去除多余銅箔，得到線路圖形。早期還未采用阻焊保護層，PCB 為“裸板”（光板）。隨著環(huán)氧玻璃布覆銅板的出現(xiàn)，工業(yè)裝備類設(shè)備的單面印制板采用該材料（G-10、FR-4）。20世紀(jì)80年代中期，CEM-1、CEM-3 覆銅板上市，被應(yīng)用于機械強度要求高的單面PCB。單面PCB 制作流程如圖2所示。

圖2 單面印制板生產(chǎn)流程

早期單面PCB 為絕緣基板上黏附銅導(dǎo)體（線路），以及含有穿插引線或零件的安裝孔，未涂覆阻焊劑，僅在裸板表面涂覆松香類助焊劑。20世紀(jì)70年代后，采用阻焊劑覆蓋表面非焊接導(dǎo)體，并在元件面印刷字符。

2.2 雙面PCB

雙面PCB，即基板兩面均有線路圖形，由于線路較多，需布設(shè)到基板的正、反兩面。雙面PCB 線路之間由金屬化孔連通，或非金屬化孔加鉚釘、焊接導(dǎo)線，如圖3所示。

圖3 雙面PCB的兩面線路連通

雙面PCB 主要被應(yīng)用于工業(yè)裝備和計算機系統(tǒng)，采用環(huán)氧玻璃布基覆銅板，性能和圖形精度要求較高，因此采取光致成像圖形轉(zhuǎn)移（其早期采用網(wǎng)版印刷抗蝕圖形，非金屬化孔雙面板與單面板工藝基本相同，但需制作兩面線路圖形）。

最初金屬化孔雙面PCB 采用“正鍍法”，20世紀(jì)70年代中期后改為采用“反鍍法”。

2.2.1 正鍍法

正鍍法的工藝流程為：在覆銅板上形成線路圖形，增加電鍍工藝導(dǎo)線和可剝膠保護層后，再鉆孔、孔金屬化孔與電鍍，如圖4所示。正鍍法的孔金屬化流程如圖5所示。

圖4 雙面PCB正鍍法工藝流程

圖5 正鍍法的孔金屬化流程

正鍍法的線路工藝流程為：先形成線路圖形，在一面連接盤中心留空心孔點（孔眼），如圖6所示。手工鉆孔時，目視對準(zhǔn)連接盤中心鉆孔，避免出現(xiàn)圖形與孔偏位被破壞的問題。

圖6 正鍍法線路工藝導(dǎo)線和焊盤孔點

正鍍法也稱工藝導(dǎo)線法，用工藝導(dǎo)線將導(dǎo)線和孔連接，最后手工用刀割除電鍍工藝導(dǎo)線。正鍍法增加了電鍍工藝導(dǎo)線和涂可剝膠工序，不適用于高密度板子。

2.2.2 反鍍法

反鍍法的工藝流程為：先鉆孔和孔金屬化孔，再形成線路圖形，流程如圖7所示。隨著數(shù)控鉆孔技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，該工藝也越來越成熟。反鍍法的孔金屬化流程如圖8所示。該工藝與國外裸銅覆阻焊工藝（soldermask on bare copper，SMOBC）水平相當(dāng)。

圖7 雙面PCB反鍍法工藝流程

圖8 反鍍法的孔金屬化流程

反鍍法工藝需在覆銅板上鉆孔。未采用數(shù)控鉆孔時，先在銅箔上印刷鉆孔圖形，再手工鉆孔；也可先制作一塊鉆孔（孔點）模板，再用該模板復(fù)合在覆銅板上，手工鉆孔。

反鍍法工藝流程有圖形電鍍和板面電鍍2 種方式。在化學(xué)鍍銅（孔金屬化）后，只對孔內(nèi)沉銅層預(yù)加厚，約5 μm 以上，可保護孔壁。板面電鍍流程是在化學(xué)鍍銅（孔金屬化）后達到孔壁厚度要求（約25 μm），然后采取抗蝕油墨塞孔，保護金屬化孔和印刷抗蝕線路圖形，完成酸性蝕刻后，用堿性水溶液去除表面抗蝕劑和塞孔油墨。

2.3 多層PCB

多層PCB 是在雙面PCB 的內(nèi)部夾有線路層，將無法在板子表面布設(shè)的線路移至板內(nèi)，層間線路通過金屬化孔連通。多層PCB 主要被用于計算機和通信系統(tǒng)。最初，多層PCB 工藝采用“正鍍法”，后改為“反鍍法”，流程分別如圖9 和圖10所示。

圖9 正鍍法多層PCB流程

圖10 反鍍法多層PCB流程

正鍍法是外層與內(nèi)層線路圖形一起制作完成的，經(jīng)多層壓合后，涂可剝膠，并鉆孔、金屬化孔等。反鍍法是先做內(nèi)層線路圖形，外層保留完整銅箔，經(jīng)多層壓合后，鉆孔和金屬化孔，最后完成外層線路圖形。4 層板壓合疊層結(jié)構(gòu)如圖11所示。反鍍法的外層可采用雙面覆銅板，保留一面銅箔，或用單面覆銅板。正鍍法多層板正面圖形例如圖12所示。

圖11 4層板疊層

圖12 正鍍法多層板正面圖形例

多層PCB 的起源先于金屬化孔電鍍技術(shù)，最早的多層板層間互連，以引線焊接和機械鉚釘連接，如圖13所示。

圖13 引線焊接型和鉚釘互連型多層板

2.4 撓性板、剛撓印制板（軟性板、軟硬結(jié)合板）

撓性印制板的應(yīng)用，最早是撓性扁平電纜帶代替電線電纜（線索）。20世紀(jì)60年代末，軟性電纜以聚酯薄膜為基底，涂覆聚酯膠黏劑，貼上銅箔帶線，再覆蓋聚酯薄膜成為軟性電纜，如圖14所示。

圖14 成卷撓性扁平電纜（軟性電纜）

軟性電纜尺寸的規(guī)格按用戶要求而變化，通常產(chǎn)品為厚度50 μm 的銅箔，切割成2.0 mm 的寬線條，成排并行粘貼在聚酯薄膜上，銅線條間隔3.0 mm。導(dǎo)線寬度、間距以及并行導(dǎo)線條數(shù)均可按需調(diào)節(jié)。

軟性電纜的長度按用戶要求裁切，剝除用于安裝連接端頭的聚酯薄膜，使其成為兩面或一面暴露的導(dǎo)線。如需導(dǎo)線端子方便焊接，還可進行搪錫處理，如圖15所示。

圖15 撓性扁平電纜（軟性電纜）成品

軟性電纜生產(chǎn)不采用軟性覆銅板和銅箔蝕刻法，關(guān)鍵技術(shù)為銅箔切割模具。將銅箔滾壓成卷，切割為成排等寬的銅線條，再通過隔離排座，將其分隔為等距離排線，貼合到聚酯薄膜上，再熱壓覆蓋聚酯薄膜。20世紀(jì)60年代，當(dāng)時沒有數(shù)控機床設(shè)備，全靠工匠技藝實現(xiàn)微米級切割模具。將銅箔切割分線與聚酯薄膜覆合連成生產(chǎn)線，整個過程是成卷生產(chǎn)（roll to roll，RtR），如圖16所示。軟性電纜主要被用于自動化儀器儀表的連接線，需求量較大。

圖16 軟性電纜成卷生產(chǎn)過程

20世紀(jì)70年代，國內(nèi)還沒有商品化的撓性覆銅板（flexible copper clad laminate，F(xiàn)CCL），印制板工廠制作撓性PCB 從制作FCCL 開始，制作FCCL 從配制黏合劑開始。FCCL 用材料是從市場購買商品化的聚酯、聚酰亞胺薄膜和銅箔，以及環(huán)氧樹脂、丁腈橡膠、丙烯酸酯、乙酸乙酯、丙酮等化學(xué)品。在實驗室燒杯內(nèi)配制黏合劑，對銅箔和薄膜進行清潔處理和打磨粗化，再涂上黏合劑，上述步驟均為手工操作。將銅箔和薄膜復(fù)合，放入壓機加熱、加壓，得到FCCL，板面尺寸約僅A4紙大小。

FCCL 薄且易卷曲，將其貼在剛性絕緣板上，仿照剛性板工藝加工成撓性印制板。因當(dāng)時以手工操作為主，只能小批量生產(chǎn)，提供給海鷗牌電子照相機、鳳凰牌電子照相機試用，如圖17所示。

20世紀(jì)80年代初，軍工需要國內(nèi)試制剛撓印制板。工藝過程與現(xiàn)行相似，先加工撓性板，再與剛性基板壓合完成加工。但設(shè)備條件較差，沒有激光設(shè)備，如軟板上的“揭蓋”由機械控深銑切完成。當(dāng)時已有國外進口的撓性聚酰亞胺覆銅板，在一定程度上保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

2.5 齊平印制板（平面印制板）

印制板除了被用于板面安裝元器件外，還能用于各種轉(zhuǎn)換開關(guān)和碼盤、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器或滑移板。上述PCB特征為表面導(dǎo)體與絕緣基板在同一平面，有機械接觸滑動時可保持平穩(wěn)，不會因凹凸跳動而影響其可靠性和使用壽命，產(chǎn)品如圖18所示。

圖18 平面印制板示例

平面PCB（簡稱平面板）有多種制造工藝，具體如下。

（1）壓入法。該方法最簡易，用覆銅板制作線路圖形，再覆蓋鋼板，放入熱壓機中加熱、加壓，利用原層壓板未完全固化狀態(tài)，將導(dǎo)體壓入絕緣板內(nèi)。由于原層壓板未完全固化程度不一，導(dǎo)體嵌入深度也不同，無法保證導(dǎo)體與板面齊平性。

（2）樹脂填充法。在普通印制板的表面涂覆液態(tài)樹脂，固化后，機械研磨至露出導(dǎo)體表面。批量生產(chǎn)時，研磨深度控制難度大。

（3）沖制圖形黏合法。將銅箔黏合在薄膜載體上，用模具沖切出線路圖形，再壓入半固化基材。該方法性能可靠，但不適合線路細(xì)小的圖形。

從高品質(zhì)要求出發(fā)，平面板制造釆用轉(zhuǎn)移法，工藝流程如圖19所示。

圖19 平面印制板制作流程

鋼板是線路圖形的載體，鋼板尺寸450 mm×400 mm，厚10 mm，表面經(jīng)精磨光亮、電解除油、鈍化處理。鈍化處理為鋼板浸入酪酸溶液，使鋼板表面產(chǎn)生鈍化膜，鋼板電鍍銅箔后與鋼板分離。鋼板吊掛在焦磷酸銅鍍銅槽中電鍍銅，銅厚度達到30～40 μm 后取出。用磨炭磨光銅面，置于離心式上膠機，澆感光膠形成一層薄膠膜，含膠膜鋼板上覆蓋負(fù)像照相底版，置于曝光曬架曝光，再浸入甲基紫溶液中著色，自來水沖洗顯影，待線路圖形清晰后浸入鉻酸溶液固膜，最后置于烘箱烘烤，確保圖形膠膜固化能耐電鍍。

對形成抗蝕圖形的鋼板進行圖形電鍍。平面板為表面導(dǎo)體高耐磨性和低接觸電阻，因此選用硬金或銀銻合金鍍層。平面板線路導(dǎo)體的構(gòu)成自表面起為金或銀+鎳+銅，按順序電鍍。完成電鍍后，用堿液去除感光膜，再采用電解氧化處理，使銅面呈粉紅色粗糙面。壓制時，先在鋼板線路面覆一張0.06 mm 玻坲膠（БФ 膠），再覆上疊合的半固化片，外表面放一張玻璃紙，覆蓋鋼板和草紙，送入壓機加熱、加壓。完成壓制模板（鋼板）線路圖形嵌入半固化布，并固化為絕緣基板，隨后鋼板與銅箔剝離，用三氯化鐵腐蝕去除銅箔，得到平整的線路圖形，線路導(dǎo)體表面為抗腐蝕的金或銀層。后續(xù)機械加工成型，如雙面或多層平面板需孔金屬化，與常規(guī)印制板加工方式一樣。平面PCB制作主要流程如圖20所示。

圖20 平面印制板制作主要流程

3 印制板產(chǎn)品規(guī)格

3.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

最初，中國PCB 技術(shù)效仿國外技術(shù)，產(chǎn)品性能要求既從實際需要出發(fā)，又參考了部分國外的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。1965年，四機部標(biāo)準(zhǔn)化所制定了我國印制電路專業(yè)的第一部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SJ 199—66 印制電路板結(jié)構(gòu)基本尺寸。

早期PCB 設(shè)計采用網(wǎng)格坐標(biāo)上孔和線的位置為尺寸參照。元器件均為引線插孔安裝，為便于設(shè)計和安裝，將所有元件孔和安裝孔位置，甚至PCB 外形線都設(shè)定在標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格交點與網(wǎng)格線上，網(wǎng)格間距2.5 mm 或2.54 mm（0.1 英寸）及其1/2輔助線上，如圖21所示。GB 1360—1978 印制電路網(wǎng)格中規(guī)定間距為2.5 mm。

圖21 標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)網(wǎng)格

在20世紀(jì)80年代，中國印制電路技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)制定工作全面展開。1980年，制定發(fā)布了國家標(biāo)準(zhǔn)GB 2036—80 印制電路術(shù)語。1984年，發(fā)布了GB 4588.1—84無金屬化孔的單雙面印制板技術(shù)條件、GB 4588.2—84有金屬化孔的單雙面印制板技術(shù)條件、GB 4588.3—88 印制電路板設(shè)計和使用、GB 4588.4—88多層印制板技術(shù)條件、GB 10244—88 電視廣播接收機用印制板規(guī)范等印制板產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，以及GB/T 4677.1—1984 印制板表層絕緣電阻測試方法、GB/T 4677.23—1988 印制板阻燃性能測試方法等性能測試方法標(biāo)準(zhǔn)。同時有GB 4721—84 印制電路用覆銅箔層壓板通用規(guī)則、GB/T 4722—1984 印制電路用覆銅箔層壓板試驗方法等標(biāo)準(zhǔn)。上述標(biāo)準(zhǔn)主要參照或等效國際電工委員會（international electro technical commission，IEC）同類標(biāo)準(zhǔn)，采用國際標(biāo)準(zhǔn)。20世紀(jì)90年代前，國內(nèi)PCB 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已基本齊全，并在行業(yè)內(nèi)得到全面推廣。

3.2 線路規(guī)格

PCB的線路寬度是技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一，因其直觀和可測而備受關(guān)注。20世紀(jì)60年代，導(dǎo)線寬度/導(dǎo)線間距基本為1.5～1.0 mm/1.5～1.0 mm，連接盤直徑/孔徑為3.5～2.5 mm/1.5～1.0 mm。主要規(guī)格值見表1和表2。

表1 20世紀(jì)70年代中期的線路規(guī)劃

表2 20世紀(jì)80年代中期的線路規(guī)劃

20世紀(jì)60—80年代，連接盤節(jié)距與走線布局如圖22所示。

圖22 連接盤節(jié)距與走線變化

3.3 性能檢測

3.3.1 外觀和尺寸

印制板成品交付需100%經(jīng)過外觀檢驗，通常憑肉眼觀察，必要時用放大鏡檢查。抽查外形、孔徑、孔位、線寬等尺寸，用符合測量精度的工具，如游標(biāo)卡尺、千分卡、塞規(guī)、讀數(shù)放大鏡等測量，數(shù)值與規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)或圖紙進行對照，判別其是否合格。

3.3.2 電性能

印制板的電性能不可出現(xiàn)斷路和短路。20世紀(jì)80年代前，沒有電路檢測機，憑肉眼觀察單面和雙面板線路是否出現(xiàn)斷路或短路，必要時用放大鏡觀察；同時，用肉眼觀察金屬化孔孔壁的完整性，必要時用檢孔鏡（棱鏡）觀察；一般可用萬用表測量電阻，確定多層板內(nèi)層線路是否完好，如圖23所示。

圖23 萬用表測量PCB電性能

為確保測量精度，可用微歐表和電橋測量，要求金屬化孔電阻不大于3 mΩ，早期允許雙面板金屬化孔電阻不大于5 mΩ，實測金屬化孔電阻不大于1 mΩ。用電阻表確定導(dǎo)線間有無短路、斷開處。當(dāng)客戶使用PCB 時，發(fā)現(xiàn)斷路和短路缺陷，如非批量性問題，僅為個別缺陷，客戶可接受。如板子結(jié)構(gòu)簡單，線路密度低，客戶可自行補線修復(fù)后繼續(xù)使用。測電性能需測量絕緣電阻，可用萬用表或高阻儀（兆歐表）測量，對于相鄰導(dǎo)線或金屬化孔之間的絕緣電阻，用500 V 的輸出電壓測量，絕緣電阻在1 MΩ以上。

3.3.3 機械性能

PCB 上導(dǎo)線的抗剝強度和焊盤抗拉強度非常重要，早期的成品板表面沒有阻焊層保護，組裝焊接工藝為手工焊或波峰焊，易出現(xiàn)板面導(dǎo)線與焊盤剝落的現(xiàn)象。一般要求導(dǎo)線的抗剝強度不小于1.0 N/mm，焊盤為直徑3.0 mm的圓盤和1.0 mm的孔，引線經(jīng)過焊上、焊下、再焊上 3次烙鐵熱沖擊后，抗拉強度不小于40 N/mm。拉力實驗是自制裝置，以添加的砝碼為拉力，如圖24所示。

圖24 拉力測試裝置

3.3.4 可靠性實驗

為確保雙面板和多層板金屬化孔的可靠性，先進行高溫、高濕、高低溫循環(huán)沖擊老化實驗和振動實驗，再檢驗板子表面的可焊性和耐焊性。

20世紀(jì)70年代中期，生產(chǎn)多層板時，在板邊設(shè)計有附連實驗板。對于軍用多層PCB，每塊成品完成后都有相應(yīng)編號的附連實驗板，進行熱沖擊等例行實驗，一旦有疑問即可追蹤到成品板。

（1）可靠性實驗：① 高低溫循環(huán)沖擊實驗，實驗條件為高溫120 ℃、30 min，室溫10 min 后低溫-40 ℃、30 min，再室溫10 min 后進入高溫，共10個循環(huán)；② 高低溫貯存實驗，實驗條件為高溫120 ℃、50 h，低溫-20 ℃、50 h。實驗前后均需測量印制板或附連板的互連線電阻和孔電阻，確保阻值變化不大于10%；③ 濕熱貯存實驗，實驗條件為溫度40 ℃、 95%～98% 相對濕度（relative humidity，RH）、48 h。實驗前后均需測量印制板或附連板的線間絕緣電阻，絕緣電阻值下降不大于一個數(shù)量級（10倍）。

可焊性和耐焊性實驗是經(jīng)浸焊或手工焊。耐焊性實驗條件為焊錫槽溫度260 ℃、浮焊10 s、3 次，或25 W 烙鐵240 ℃、10 s、重復(fù)5 次。實驗后，板子無起翹、脫落、起泡分層等現(xiàn)象。可焊性實驗條件為焊錫槽溫度235 ℃、浸焊5 s，或25 W烙鐵240 ℃、3 s，實驗后板面焊點潤濕。

機械振動實驗是將印制板放置于振動臺，在一定的振動頻率和加速度條件下振動；另有跌落實驗，即讓板子多次從一定高度跌落。要求實驗后，板子電氣連通性完好，無斷裂、分層等缺陷。

對于檢驗時的抽樣方式，在20世紀(jì)80年代前均采取百分比抽樣，此后逐步進入計數(shù)抽樣，按GB/T 2828逐批檢查計數(shù)抽樣程序及抽樣表的規(guī)定設(shè)定抽樣規(guī)則。

4 結(jié)語

以上為早期PCB 生產(chǎn)基本流程和性能要求，下一期將繼續(xù)介紹一些典型工藝。