印制电路板自动化生产线及其优化设计

章王子涵

一、引言

现如今，高端产业的发展离不开微小电子器件的发展，而印制电路板作为微小电子元器件的载体，其性能与生产效率将极大影响着我国高新技术产业的发展。如何将电子产品微小化、精密化、高性能化以及如何实现印制电路板生产的高度自动化，已经成为各国需要共同面对的新挑战。

二、印制电路板概述

PWB（Printed Wiring Board），即印制线路板，指根据所设计的电路，运用化学手段在绝缘基板的表层和内部制作出可以导电的线路及具有导电性的金属化的孔，是承载其上各类电子元器件的支撑体，也是各类电子元器件实现电气互联的载体。若在印制线路板上焊接电子元器件，所得到的含有电子元器件的印制线路板就是印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）。在日常生活中，往往不会对印制线路板与印制电路板严加区分，而是将其统称为印制电路板。

三、印制电路板制作工艺

以四层印制电路板为例，简述其在实际生产过程中的制作工艺。

1、线路设计与检验。在制作印制电路板之初，需要根据需求设计电路板线路，并由检验人员检验线路是否正确。

2、制作设计胶片。将通过检验的线路拓印到胶片上，形成设计胶片。

3、覆铜板切割。原始的覆铜板往往面积较大，需要经过切割机切割成更小的尺寸，以适应后续加工。

4、覆铜板磨边。经过切割后的覆铜板的边缘较为粗糙，需要经由打磨机进行磨边处理。

5、粘贴感光干膜。在磨边后的覆铜板上下两侧放置感光干膜，感光干膜经紫外线照射后发生聚合反应，形成稳定物质，紧紧附着于铜箔表面。

6、胶片曝光。将贴有干膜的覆铜板夹在两层胶片中间，一起放入曝光机中进行曝光，设计电路将在空白铜板上显影。因胶片对蓝光敏感，为避免意外曝光，加工车间通常会选用黄光作为照明光源。

7、线路板蚀刻。线路板在装有碱性溶液的机器中使用化学法去除未被线路覆盖处的铜。

8、线路板退膜。蚀刻处理后的铜面上仍覆盖有已曝光的感光干膜，退膜是使用氢氧化钠溶液将表层干膜剥除从而显露出线路图形的过程。

9、自动光学检测（Automated Optical Inspection，AOI）。指使用AOI检测设备基于光学原理对处理过后的线路板进行检测的过程，就是将实际印刷好的线路板与设计文件中的线路进行比较。

10、粘贴醋酸乙烯膜。醋酸乙烯，即乙酸乙烯酯，是一种可用作粘结剂的有机化合物。在线路板两侧夹上醋酸乙烯可以使光滑的铜面变得粗糙，增加铜面的结合力。

11、层压。层压是借助于醋酸乙烯膜的粘合性把各层线路粘结成整体的过程。

12、线路板钻孔。印制电路板的互连孔有三类，分别为通孔、埋孔与盲孔。在生产中使用可自动更换钻头的钻孔机进行一次性钻孔加工。

13、孔金属化。钻孔后得到的孔壁是绝缘状态的，层与层之间不能互相导通，因此必须对孔壁进行金属化处理。目前，最常使用的金属化处理方法就是镀铜法。

14、线路板再次镀铜。一层铜箔的厚度过薄，不足以进行焊接和流过电流，因此需要在线路板表面进行再次镀铜以增力口铜厚。

15、线路板外层处理。外层处理的步骤与内层处理相似。

16、涂阻焊剂。线路板经机械臂翻转后两面均匀涂满液态阻焊剂。

17、阻焊剂干燥。涂满阻焊剂的线路板被送入空气干燥机中进行干燥，使液态阻焊剂变粘稠，失去流动性。

18、阻焊剂固化。线路板上除焊盘以外处的阻焊剂均需要固化。

19、阻焊剂清洗。将线路板放入清洗机中进行清洗，去除焊盘上未被固化的阻焊剂。

20、丝印。丝印的目的为将电子元器件对应的文本或其他文字印刷到线路板上，丝印产生的字符只起辅助作用，并不具备电气功能。

21、线路板表面处理。表面处理的目的是使焊盘表面变得平整且易于焊接，常见的线路板表面处理工艺有热风整平（Hot Air Solder Leveling，HASL）、有机涂覆（Organic Solderability Preservatives，OSP）等。

22、飞针测试。飞针测试使用多个由马达驱动的、能够快速移动的电气探针同线路板的引脚相接触并进行电气测量。

23、锡膏印刷。锡膏印刷使用丝印机将锡膏漏印到线路板的焊盘上，为后续电子元器件的贴装及焊接做准备。

24、电子元器件贴装。工业生产中，通常会使用贴片机将表面电子元器件放置到合适的位置上，并等待进一步的焊接。

25、回流焊接。回流焊接的作用是融化锡膏使表面电子元器件与线路板紧密粘结在一起，其过程通常在回流焊机中完成。

26、电路板轮廓切割。完成所有处理工序后，需要使用切割机把线路不同的电路板分离开。

27、包装。完成上述工序后，完整的电路板已经制作完毕，仅需将电路板妥善包装后供使用者使用。

四、现有印制电路板自动化生产线存在的缺陷

（一）自动化程度仍有提升空间，未迎合未来科技发展方向。在整条生产线中虽然大量使用切割机、打磨机、曝光机、AOI检测设备、钻孔机、空气干燥机、清洗机、丝印机、贴片机、回流焊机等各类专业设备，可是在工序与工序之间仍采用人力处理办法，如人工搬运覆铜板等等，印制电路板生产线的自动化程度仍存在较大的提升空间。

（二）化学蚀刻步骤繁琐、污染较大，不符合绿色生产的要求。化学蚀刻前期、后期需要进行大量的工作，如需要粘贴感光干膜、对胶片进行曝光、在铜箔上显影、蚀刻后退膜等，步骤十分繁琐。同时，蚀刻与退膜后产生的废液也具有较大的污染性，如不妥善处理，将会对周边环境与操作人员个人健康产生较大的负面影响。

（三）普通回流焊存在较大缺陷，无法满足高精度焊接的需要。普通回流焊通常在回流炉中进行，而回流炉并不具备精准的闭环温度控制，经过回流炉的焊点往往存在润湿性差、不饱满、脱焊等诸多问题，焊点质量较差，焊接精度无法满足高性能电路板的要求。而且回流炉耗能巨大，在启动过程和使用过程中均會耗费大量能量，成本较高且会对环境产生较大污染。

五、印制电路板自动化生产线优化方向

搭建环形输送系统，并使用装载有机械臂的自动导向小车（Automatic Guide Vehicle，AGV）代替人工完成物料搬运。AGV具有四个显著的优点：柔性较高，可以根据不同需求灵活改变、修正和扩充移动路线;可以实现实时监视和控制，当作业计划改变时可以及时调整;安全可靠，AGV通常由微处理器控制，能与控制器通信，运行速度低，定位精度高，且具有安全保护装置;维护方便。环形输送系统与AGV相结合，可以取代人工完成制作印制电路板过程中物料的搬运，既可以降低人工成本，也有利于缩短生产周期，大幅度提升了印制电路板生产线的自动化程度。

维持其他工序不变，用激光蚀刻代替化学蚀刻，用激光回流焊接设备代替普通回流炉。省略粘贴感光干膜、对胶片进行曝光、在铜箔上显影、蚀刻后退膜等步骤，直接使用激光对铜面进行蚀刻，不仅可以缩短制作流程、降低生产成本，而且激光属于清洁能源，不会产生危害环境与人体的有害物质，符合自动化制造系统经济性与环保性的要求。由于普通回流炉存在一些不足之处，可以考虑使用激光回流焊接设备代替。激光锡焊具备诸多优点，如可进行局部升温，避免因热冲击而导致热敏光敏元件损坏;无接触式焊接，不产生接触应力，可确保电路板表面完整;能源清洁，相比于普通回流炉而言耗能低。同时，为实现精准温度控制，可以引入模糊PlD闭环控制算法;为进一步提高焊接精度，可以运用Hough变换来完成特征焊点的图像标定，并基于Faster R-CNN目标检测算法实现焊点自动缺陷检测，从而对不合格的焊点进行补焊。

六、结语

高度自动化、高效化、高质量化与清洁化是印制电路板自动生产线的未来发展方向。本文介绍了印制电路板现有的制作工艺，并提出了印制电路板自动生产线的优化方向，为印制电路板的制作提供了有效参考。