印制電路板自動化生產線及其優化設計

章王子涵

一、引言

現如今，高端產業的發展離不開微小電子器件的發展，而印制電路板作為微小電子元器件的載體，其性能與生產效率將極大影響著我國高新技術產業的發展。如何將電子產品微小化、精密化、高性能化以及如何實現印制電路板生產的高度自動化，已經成為各國需要共同面對的新挑戰。

二、印制電路板概述

PWB（Printed Wiring Board），即印制線路板，指根據所設計的電路，運用化學手段在絕緣基板的表層和內部制作出可以導電的線路及具有導電性的金屬化的孔，是承載其上各類電子元器件的支撐體，也是各類電子元器件實現電氣互聯的載體。若在印制線路板上焊接電子元器件，所得到的含有電子元器件的印制線路板就是印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）。在日常生活中，往往不會對印制線路板與印制電路板嚴加區分，而是將其統稱為印制電路板。

三、印制電路板制作工藝

以四層印制電路板為例，簡述其在實際生產過程中的制作工藝。

1、線路設計與檢驗。在制作印制電路板之初，需要根據需求設計電路板線路，并由檢驗人員檢驗線路是否正確。

2、制作設計膠片。將通過檢驗的線路拓印到膠片上，形成設計膠片。

3、覆銅板切割。原始的覆銅板往往面積較大，需要經過切割機切割成更小的尺寸，以適應后續加工。

4、覆銅板磨邊。經過切割后的覆銅板的邊緣較為粗糙，需要經由打磨機進行磨邊處理。

5、粘貼感光干膜。在磨邊后的覆銅板上下兩側放置感光干膜，感光干膜經紫外線照射后發生聚合反應，形成穩定物質，緊緊附著于銅箔表面。

6、膠片曝光。將貼有干膜的覆銅板夾在兩層膠片中間，一起放入曝光機中進行曝光，設計電路將在空白銅板上顯影。因膠片對藍光敏感，為避免意外曝光，加工車間通常會選用黃光作為照明光源。

7、線路板蝕刻。線路板在裝有堿性溶液的機器中使用化學法去除未被線路覆蓋處的銅。

8、線路板退膜。蝕刻處理后的銅面上仍覆蓋有已曝光的感光干膜，退膜是使用氫氧化鈉溶液將表層干膜剝除從而顯露出線路圖形的過程。

9、自動光學檢測（Automated Optical Inspection，AOI）。指使用AOI檢測設備基于光學原理對處理過后的線路板進行檢測的過程，就是將實際印刷好的線路板與設計文件中的線路進行比較。

10、粘貼醋酸乙烯膜。醋酸乙烯，即乙酸乙烯酯，是一種可用作粘結劑的有機化合物。在線路板兩側夾上醋酸乙烯可以使光滑的銅面變得粗糙，增加銅面的結合力。

11、層壓。層壓是借助于醋酸乙烯膜的粘合性把各層線路粘結成整體的過程。

12、線路板鉆孔。印制電路板的互連孔有三類，分別為通孔、埋孔與盲孔。在生產中使用可自動更換鉆頭的鉆孔機進行一次性鉆孔加工。

13、孔金屬化。鉆孔后得到的孔壁是絕緣狀態的，層與層之間不能互相導通，因此必須對孔壁進行金屬化處理。目前，最常使用的金屬化處理方法就是鍍銅法。

14、線路板再次鍍銅。一層銅箔的厚度過薄，不足以進行焊接和流過電流，因此需要在線路板表面進行再次鍍銅以增力口銅厚。

15、線路板外層處理。外層處理的步驟與內層處理相似。

16、涂阻焊劑。線路板經機械臂翻轉后兩面均勻涂滿液態阻焊劑。

17、阻焊劑干燥。涂滿阻焊劑的線路板被送入空氣干燥機中進行干燥，使液態阻焊劑變粘稠，失去流動性。

18、阻焊劑固化。線路板上除焊盤以外處的阻焊劑均需要固化。

19、阻焊劑清洗。將線路板放入清洗機中進行清洗，去除焊盤上未被固化的阻焊劑。

20、絲印。絲印的目的為將電子元器件對應的文本或其他文字印刷到線路板上，絲印產生的字符只起輔助作用，并不具備電氣功能。

21、線路板表面處理。表面處理的目的是使焊盤表面變得平整且易于焊接，常見的線路板表面處理工藝有熱風整平（Hot Air Solder Leveling，HASL）、有機涂覆（Organic Solderability Preservatives，OSP）等。

22、飛針測試。飛針測試使用多個由馬達驅動的、能夠快速移動的電氣探針同線路板的引腳相接觸并進行電氣測量。

23、錫膏印刷。錫膏印刷使用絲印機將錫膏漏印到線路板的焊盤上，為后續電子元器件的貼裝及焊接做準備。

24、電子元器件貼裝。工業生產中，通常會使用貼片機將表面電子元器件放置到合適的位置上，并等待進一步的焊接。

25、回流焊接?；亓骱附拥淖饔檬侨诨a膏使表面電子元器件與線路板緊密粘結在一起，其過程通常在回流焊機中完成。

26、電路板輪廓切割。完成所有處理工序后，需要使用切割機把線路不同的電路板分離開。

27、包裝。完成上述工序后，完整的電路板已經制作完畢，僅需將電路板妥善包裝后供使用者使用。

四、現有印制電路板自動化生產線存在的缺陷

（一）自動化程度仍有提升空間，未迎合未來科技發展方向。在整條生產線中雖然大量使用切割機、打磨機、曝光機、AOI檢測設備、鉆孔機、空氣干燥機、清洗機、絲印機、貼片機、回流焊機等各類專業設備，可是在工序與工序之間仍采用人力處理辦法，如人工搬運覆銅板等等，印制電路板生產線的自動化程度仍存在較大的提升空間。

（二）化學蝕刻步驟繁瑣、污染較大，不符合綠色生產的要求?；瘜W蝕刻前期、后期需要進行大量的工作，如需要粘貼感光干膜、對膠片進行曝光、在銅箔上顯影、蝕刻后退膜等，步驟十分繁瑣。同時，蝕刻與退膜后產生的廢液也具有較大的污染性，如不妥善處理，將會對周邊環境與操作人員個人健康產生較大的負面影響。

（三）普通回流焊存在較大缺陷，無法滿足高精度焊接的需要。普通回流焊通常在回流爐中進行，而回流爐并不具備精準的閉環溫度控制，經過回流爐的焊點往往存在潤濕性差、不飽滿、脫焊等諸多問題，焊點質量較差，焊接精度無法滿足高性能電路板的要求。而且回流爐耗能巨大，在啟動過程和使用過程中均會耗費大量能量，成本較高且會對環境產生較大污染。

五、印制電路板自動化生產線優化方向

搭建環形輸送系統，并使用裝載有機械臂的自動導向小車（Automatic Guide Vehicle，AGV）代替人工完成物料搬運。AGV具有四個顯著的優點：柔性較高，可以根據不同需求靈活改變、修正和擴充移動路線;可以實現實時監視和控制，當作業計劃改變時可以及時調整;安全可靠，AGV通常由微處理器控制，能與控制器通信，運行速度低，定位精度高，且具有安全保護裝置;維護方便。環形輸送系統與AGV相結合，可以取代人工完成制作印制電路板過程中物料的搬運，既可以降低人工成本，也有利于縮短生產周期，大幅度提升了印制電路板生產線的自動化程度。

維持其他工序不變，用激光蝕刻代替化學蝕刻，用激光回流焊接設備代替普通回流爐。省略粘貼感光干膜、對膠片進行曝光、在銅箔上顯影、蝕刻后退膜等步驟，直接使用激光對銅面進行蝕刻，不僅可以縮短制作流程、降低生產成本，而且激光屬于清潔能源，不會產生危害環境與人體的有害物質，符合自動化制造系統經濟性與環保性的要求。由于普通回流爐存在一些不足之處，可以考慮使用激光回流焊接設備代替。激光錫焊具備諸多優點，如可進行局部升溫，避免因熱沖擊而導致熱敏光敏元件損壞;無接觸式焊接，不產生接觸應力，可確保電路板表面完整;能源清潔，相比于普通回流爐而言耗能低。同時，為實現精準溫度控制，可以引入模糊PlD閉環控制算法;為進一步提高焊接精度，可以運用Hough變換來完成特征焊點的圖像標定，并基于Faster R-CNN目標檢測算法實現焊點自動缺陷檢測，從而對不合格的焊點進行補焊。

六、結語

高度自動化、高效化、高質量化與清潔化是印制電路板自動生產線的未來發展方向。本文介紹了印制電路板現有的制作工藝，并提出了印制電路板自動生產線的優化方向，為印制電路板的制作提供了有效參考。