2005-04-23：印刷电路板
昨天收到了 C# 寄来的电路板，一大块加六小块，那些小板子长宽尺寸全一样，每块板的一个角上都印了一个卡通小图标，这大概是为了区分吧？大板子的中央竟然印了一头卡通猪，板子宽度和小板子的长度一样，它们放一起可以拼接成一块完整的大板。我仔细琢磨了一下这几块板，发现了一些有意思的地方。
首先引起我注意的就是板子上打的孔，很多孔周围都有一圈亮白色的边，我感觉这个亮白色的边应该是一层焊锡。那些有“腿”的零件把腿从孔中穿过来，在另一面用锡焊住，这个零件就安装好了。
很多孔之间画着白色的符号，还标有文字，比如一个长方块上面写了 “10K”，这是电阻吗？另一个写了 4148，这个方框下端还带一条短竖线，这难道也是个电阻？但有不少孔孤单单地呆在板子上，四周也没有一圈锡，看上去不像要装一个零件在这个孔的位置，不知有何作用。
板上的图形也很好玩，多是由细线构成，也有一些宽的外形不规则的平面，这些东西以前拆电脑时就见过了。不过有些板子上的大平面是“网状”的，有些是实心，怎么会弄的不一样呢？那块大板的边缘有几个比较大的孔，这个我倒是能猜到用意为何，一定是拧螺丝的，在我电脑主板上有见到这样的孔。
晚上 9 点多钟，C# 出现在 MSN 上。
师：“电路板收了？对那篇短文有啥疑问？”
我：“有啊。有没有女性当电子工程师？”
师：“有。你问这个跟那篇短文有什么关系？”
我：“我随便问问。你说插头插座分 ‘公的’ 和 ‘母的’ 对吧？挺形像的。”
师：“你小子就对这个敏感是吧？”
我：“呵呵，我很好奇那些女工程师学这个的时候会有何想法？”
师：“人家没啥想法，就你有想法。”
我：“不可能！出头的是‘公的’，有孔的是‘母的’，怎么会没想法？”
师：“这个东西有讨论的价值？大家都成年人了。说点正经的吧！”
师：“咱们今天还不能开始讨论欧姆定律，还有一个重要的基础知识没说。”
我：“我也不打算开始欧姆定律。我觉得那电路板有点意思。”
师：“是啊？说说看，你觉得哪点有意思？”
我：“这种板子本来就是绿色的吗？怎么我电脑里那个显卡是红的呢？”
师：“这说明颜色是后染的。电路板本底颜色是白色半透明的。”
这里仅指“环氧树脂玻璃纤维”板的本色。其它材料的板材可能有不同的颜色。
我：“染上颜色干嘛？为了好看？”
师：“不是好看。你有没有发现并非板子上每一个角落都是绿色？”
我：“很多孔周围一圈没有绿色，是很亮的，应该是焊锡吧？”
师：“对了，是焊锡。这个孔和围着它的一圈焊锡叫作‘焊盘（pad）’，这个孔要插入元件引脚的。”
师：“我们焊接这个板子，肯定希望只在需要焊锡的地方沾锡，其它地方不应该能挂上焊锡。你觉得呢？”
我：“你是说那些绿颜色的涂料可以防止焊锡挂到板子上？”
师：“是的，这种涂料称为‘阻焊剂’，可以把焊锡与电路板隔绝开，还具有绝缘性。俗称‘绿油’。”
我：“我前两天刚查到一个词叫‘助焊剂’，今天又来了个 ‘阻焊剂’。那红色是不是叫 ‘红油’ ？蓝色叫‘蓝油’？”
师：“也可以这么叫吧。不过绿色用的时间最久远，通常大家只叫‘绿油’。”
现在阻焊的颜色除去绿色外，“红黄蓝白黑” 都有，也有一定的装饰作用。
我：“那还有白色的图形符号呢？那些符号表示在那里要装个零件对吗？”
师：“对，不同的白色符号表示不同类型的元件。这些符号组成了‘丝印图’，俗称‘白油图’。”
我：“怎么又是‘油’啊？‘丝印’是什么意思？没听过这个词。”
师：“丝网印刷。制造电路板使用的技术和印刷行业有很多相同之处，所以这电路板常称为‘印刷电路板’。”
我：“难道那些连在孔上的细线是印上去的？那些细线就是电路中的连线吧？”
师：“你是指和焊盘连接的浅绿色线条？那确实是线路，由铜箔制成的，你以为是油墨啊？”
注意焊盘也是铜箔制成的，焊锡镀在铜箔的表面。
我：“我不知道这是什么，瞎猜的。”
师：“我们上次说过这板子的材料是玻璃纤维加树脂压制的。”
我：“这个叫玻璃钢，我爸懂这个。”
师：“学名是‘玻璃纤维增强塑料’。在压制板子的同时我们还把一层铜箔压在板子表面，铜箔和板面间有一些粘结材料。”
师：“这种板叫‘覆铜板’，这层铜箔本来是完整的一片，我们需要把它变成相互分离的线路，方法是用特殊的化学物质在铜箔上画出线路，然后把板子泡进‘药水’中，被化学物质盖住的线路和药水是隔离的，没有盖住的铜箔和药水发生化学反应，溶解在药水中。剩下的铜就形成了你看见的线路图形。”
图片来自矿石收音机论坛，由“其实不想走”网友发布 http://www.crystalradio.cn/thread-495309-1-1.html
为排版方便图片做了编辑。此图中是用“雕刻机”分割铜箔面形成线路，非化学腐蚀方法。
我：“做电路板是个化学问题啊？什么药水能把铜溶解了？”
师：“你以后的化学课上会学习到一个重要的化学反应：三氯化铁+铜=氯化铜+氯化亚铁。
不好意思，这个化学方程式是错的。21ic 论坛上的网友 xukun977 指出了这个问题，在此表示感谢。我是从哪里找的这个方程式？我已经不记得了。但使用三氯化铁吃掉铜这是没问题的。
师：“除三氯化铁外还可以用‘盐酸+双氧水’。当然专业工厂中用的药水更复杂一点。”
我：“你的意思是说这个板子我们自己在家里也能动手做？”
师：“当然可以。三氯化铁是种很好买的化工原料，盐酸和双氧水在卖装修建材的地方就能买到。盐酸刷厕所用的。”
现在由于制毒贩毒严重，政府对化工原料的销售有管控，很多东西都不方便购买。
我：“那得是多脏的厕所啊？我们家刷厕所可没用过盐酸。”
师：“画线路用毛笔蘸油漆就行，‘油性记号笔’也凑合能用。”
也有用虫胶片酒精溶液绘制线路的。
我：“那能画得这么细这么整齐吗？”
师：“手工画当然不能。为什么叫‘印刷电路板’？这耐蚀涂料是用类似印刷的技术做到板子上的，所以整齐精细。”
我：“明白点了。在完整的铜箔上用抗腐蚀的涂料印出线路图，然后泡药水，没有被涂料盖住的铜箔溶了，剩下的就是有用的线路。”
我：“还有个问题，是不是所有的孔都是焊盘？”
师：“你提这个问题肯定因为你怀疑有一些孔不是焊盘？”
我：“是啊。那些画了白油符号的孔应该是焊盘，但我发现有些孔没有一圈锡，也不带着白油符号，那些孔上应该不会焊个元件的，不是‘焊’盘。”
师：“你观察的很细。你再仔细看看，那种孔正反两面肯定各连了一条铜箔线。”
我印像中好像正如 C# 所说的，孔在板子两个面上各自连着线路。为了确证一下这个情况，我赶忙把板子拿出来，认真的看了几个孤立的孔，没错，确实两面都有线路交汇在一个孔上。这两面的线路不会是连通着吧？
我：“我猜这两面的线路通过这个孔连接在一起了对吧？”
师：“你真的是明察秋毫啊。孔的作用就是把两面的线路连接在一起。”
我：“呵呵，您夸奖。可这是怎么做到的呢？想不明白。难道是要用焊锡焊这个孔？”
师：“不用锡焊。孔钻出来之后，用特殊的化学药水浸泡板子，这种药水中会淅出金属铜，沉积在孔的内壁上，刚好把两面的铜箔连通。之后再用电镀的方法把这些沉积的铜加厚加固，这样两面的线路就通过孔连通了。”
我：“这是电子啊还是化工啊？也太有创意了。”
师：“这个工艺在电路板加工业内称为 ‘孔的金属化工艺’，所以这种孔常称为‘金属化孔’，俗称‘沉铜孔’”。
师：“你看到那些孤立的孔不是为焊接元件而设，它们专用于连接两面的线路，所以叫‘过孔（via）’，而不叫焊盘。当然焊盘孔也经常兼做过孔。”
我：“这个东西太强了。我看我电脑的主板上得有上千个孔，每一个都连通两面的线路？”
师：“当然都连通，连不通你这电脑能正常工作吗？”
师：“实际上工厂并不能确保每块加工出来的电路板上所有孔都连通，这和孔的直径大小有关系。孔的直径要足够大，太小的孔就容易出问题。”
我：“我看电脑主板显卡上的孔都特小，比你这些板子上的孔要小。”
师：“对，那个电脑主板加工就很困难，有些板子会有没连通的孔。所以每块板子做好后，工厂都会检测，把不通的板子挑出来，保证送去焊接的板子都是没问题的。”
我：“今天算是学到新东西了，这些东西学校会教吗？”
我：“我是说大学，电子专业的。”
师：“应该会的。大学里会有 ‘电子制造工艺’ 相关课程，还会有实习的。”
师：“好了，我得走了，你有啥问题还是先自己搜索吧。”
我：“还早呢，你最近很忙吗？”
师：“最近事情比较多，今天是抽空上来。”
我：“最后一个问题，板子上有大片的不规则的铜箔面，是什么？”
师：“那个是大面积‘铺铜’，或者叫‘铺地’。”
我：“这个‘地’是啥意思？”
师：“就是电路中的‘GND’。这大片的铜皮和电源负极相连，就是 GND 的实际走线。”
我：“为何 GND 的走线要这样而不是那种细线呢？”
师：“简单说一句话，我们需要让 GND 线的电阻尽可能小，所以它的走线要粗。”
我：“不是粗是宽吧？”
师：“所以我们用‘铺铜’，这已经是最宽了。”
师：“有时 Vcc 的走线我也用铺铜。”
我：“是否可以认为电源的两根走线因为流过的电流较大，所以用尽量宽的线？”
师：“就是这样。”
我：“好吧，你去忙吧。我再琢磨琢磨这些电路板。”
师：“晚安吧。”
C# 走了，我继续端详着这些电路板，糟了，忘了问怎么有的铺铜是“网格”样的了。这要怎么 GOOGLE 呢？我打开 GOOGLE 主页，输入“电路板 铺铜”，翻出来的页面中大都提到了“降低地线的阻抗”，不知道这个“阻抗”是个什么，应该就是 C# 所说的电阻吧？这些页面还提到了铺铜可以“提高抗干扰能力，减小环路面积，增强电磁兼容性”之类的优点，而我对这些说法就完全没有概念了。
继续搜索“电路板 网格铺铜”，一些页面对这个“网格”给了解释，大都是说网格铺铜“散热”好，还有一些页面说到抗干扰要求较高时使用网格铺铜。没明白这种网格跟散热有何关系？继续耐着性子翻看 GOOGLE 给出的页面，发现 21ic 论坛上的一张贴子的讨论中给出了一个新的说法，大意是铜箔和基板之间存在气体，受热时气体膨胀，实心铜箔可能会“鼓包”。这样来看网格铺铜应该不是散热好，而是“透气”吧？
参见 http://bbs.21ic.com/icview-57543-1-1.html，截止到 2013 年 8 月 12 日此贴尚可打开。
noob-coder注：现在已经404了。
我又搜了下“电路板 制造”，这回搜出来一些电路板加工厂的网站。打开一个厂商的主页，我随意点了下“生产技术”，出来的内容让我一下泄了气，完全的不懂。“热风整平？化学镍金？”不明所以。“单/双面？”这个懂，C# 那些板都是两面有线路的，算双面的吧？还有单面有线路的？“4 层？6 层？”不明白，难道是板子中间还夹着铜箔？这有点神了，不可能吧？”
疑问太多了，我只好关了这个网页，“还是以后慢慢向 C# 请教吧。”我重新在 GOOGLE 上搜了一下 “绿油 白油 过孔 焊盘”，第一页中有个链接引起了我的注意——“怎样给过孔涂上绿油？”过孔周围本来就是绿油，怎么还要再涂上呢？
点开这个链接我被引到一个论坛上，看他们的讨论大概了解到过孔周围本来也是露一圈锡的，但也可以让它四周完全被绿油盖住，毕竟过孔上是不会焊一个元件的，露锡也没有用。至于他们讨论的那个软件如何操作之类的就完全不明白了。
耗到 11 点多了，老妈又来“催眠”了，我很不情愿的关了电脑。空姐 MM 今天没来，我特想问一下那个光光的小婴儿是不是她。
本节补充说明
我在上小学时曾协助老师印刷试卷，那是用非常简陋的手工丝网印刷技术，姑且称之为技术吧。老师用一支“铁笔”在蜡纸上写好试题，把蜡纸衬到印刷机的丝网下面，蜡纸下面是一叠白纸，而丝网上面涂满蓝色油墨。用一个滚子把整个丝网轧一遍，油墨就会透过丝网和蜡纸印到白纸上，当然，蜡纸上只有被铁笔划过的地方才会透墨，所以白纸上会出现老师写的字而不是一片蓝色。
而当时的印刷工业，也是“重体力”劳动之一，是“火与铅”铸成的工业。那时候用“铅活字”印刷，印刷工人从成千上万的活字中挑出需要的拼到铅版之中，那一版“重金属”可是死沉死沉的。特殊的文字图案要熔化铅水铸造出来，这项工作对健康的损害是很大的。
现在这些都已经成为往事了，现代印刷工业使用“激光照排”工艺，版面都是在计算机上排成的，然后控制“照排机”用“激光”扫描感光底片，从而形成一张“胶版”，然后再向纸上印刷。而制造印刷电路板，前期工作也是利用计算机绘制“板图”，然后利用“光绘”技术制成胶版（也称“菲林”，英文 Film 的音译），再进一步制成电路板。于是我们称之为“印刷电路板”，英文“Printed Circuit Board”，简称“PCB”。当然，在运用计算机制图和“光绘”技术出现之前印刷电路板就已经出现了，只不过那时是用手工制图，然后用“照相”的方法制成胶版。
PCB 板所用的材料不仅有我们介绍的“环氧玻纤”板，还有别的材料。单就树脂材料来说，常用的除“环氧树脂”之外还有“酚醛树脂”，填料也不仅是“玻璃纤维”，还有用纸做填料的。不同材质制成的电路板性能不一样，“环氧玻纤”板性能很好，在计算机线路中用的非常普遍，其中代号为 FR-4 的板材应用尤其广泛。
板面上覆盖的铜箔，原则上应该以“厚度”来计量，但实际上是以“单位面积的铜箔重量”来计量的，其重量单位是“盎司”，简写为“
铜箔与基板的结合不是非常地牢固，特别是在焊接时的高温作用下，铜箔易于从基板上脱落，当然不会是烙铁一烫就掉，制板厂会保证铜箔在多高温度下多长时间内不会脱落，但这仍然要求我们不能没完没了的用烙铁烫它。
我们以双面板为例简单说一下制板的过程。板子不会首先制造出线路，而是先钻孔，在铜箔面完整的时候钻出所有需要沉铜的孔，之后就是 “孔的金属化”，这会在整个铜箔面和孔的内壁上沉积一层铜，然后进行电镀，使铜箔面加厚，孔内壁的铜加固。可以看出之所以保持铜箔面完整是为了电镀的需要。再之后就是制作线路，做阻焊和丝印，利用“喷锡”工艺处理焊盘，最后加工外形和不需沉铜的孔，然后测试出厂。当然这只是一个粗略的过程描述，实际的流程要复杂很多。
有时板子上会有一些镀金的触点，比如你电脑的“独立”显卡插进扩展槽的那一排触点就是镀金的，这是由接触的可靠性所要求的。镀金的触点称“金手指”，制板厂做金手指时要单独计价的。有时整板的焊盘都做镀金处理，这主要是由于板上有大量的焊盘非常精细，以 “喷锡” 工艺处理后表面平整度不高，因而选择镀金。镀金的板子本身也属“无铅”的，但无论如何以镀金工艺做表面处理成本都比较高。
最后简要说一下电路板上的 “孔”，这是个很闹心的东东，本身它占了板子的面积， 孔之间的距离也不能很小，所以用“插装”元件制作的电子产品体积都会大一些。我们现在广泛使用“贴装”元件（后文有说明）制作产品，这减少了板子上的焊盘孔，但增加了过孔。不过由于过孔不用插入零件的引脚，它可以做的较小较密集，所以总体上说板面尺寸会减小。但是，孔不能无限的减小，学过机械制造的朋友都知道，孔的加工常用 “钻削（xuē）”，钻头是个细长杆，受到压力要弯曲，所以如果孔太细又太深的话很可能钻成斜孔。
电镀之后也达不到“
”的铜量。若仍然靠电镀达到“ ”铜量那就不是欺诈了。 ↩︎