PCB制版技术-CAM和光绘工艺

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PCB制作技术，包含计算机辅助制造处理技术,也即是CAD/CAM，还有光绘技术,光绘工艺的一般流程是：检查文件一确定工艺参数一CAD文件转Gerber文件一CAM处理和输出。
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一、计算机辅助制造处理技术

计算机辅助制造(CAM)是根据所定工艺进行各种工艺处理。前面所讲的各项工艺要求，都要在光绘之前做出必要的准备工作。比如镜像、阻焊扩大、工艺线、工艺框、线宽调整、中心孔、外形线等问题都要在CAM这道工序来完成。特别需要注意，用户文件中间距过小地方，必须做出相应的处理。
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' D* k) U* d+ h& Y6 e% u     因为每个厂的工艺流程和技术水平各不相同，要达到用户的最终要求，必须在制作工艺中做出必要的调整，以满足用户有关精度等各方面的要求。因此CAM处理是现代印制电路制造中必不可少的工序。
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1．CAM所完成的工作
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     ①焊盘大小的修正，合拼D码。

     ②线条宽度的修正，合拼D码。
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3 L: T+ `" }# P% Z, K     ③最小间距的检查，焊盘与焊盘之间、焊盘与线之间、线条与线条之间。
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0 o  t8 }* v5 U     ④孔径大小的检查，合拼。

; H$ C" W0 B2 p! c     ⑤最小线宽的检查。

- M! p& V0 D" X" I- p7 m0 _+ Y     ⑥确定阻焊扩大参数。
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7 O0 @8 M" n9 A+ }/ M% V     ⑦进行镜像。
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     ⑧添加各种工艺线，工艺框。

     ⑨为修正侧蚀而进行线宽校正。

3 k, Q3 ?% c, z  K+ r& }     ⑩形成中心孔。
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7 ~2 U, @2 L9 V( w( n, I2 m6 m     ⑩添加外形角线。
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! B' m. Y0 X: ?  j9 Y" K     ⑥加定位孔。

     ⑩拼版，旋转，镜像。

" ?* |: T) z( s) S5 V+ ~! B     ⑩拼片。
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     ⑩图形的叠加处理，切角切线处理。

     ⑩添加用户商标。
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2．CAM工序的组织

1 n, L. u- p. }, T. q: i+ o+ i     由于现在市面上流行的CAD软件多达几十种，因此对于CAD工序的管理必须首先从组织上着手，好的组织将达到事半功倍的效果。由于Gerber数据格式已成为光绘行业的标准，所以在整个光绘工艺处理中都应以Gerber数据为处理对象。如果以CAD数据作为对象会带来以下问题。

(1)CAD软件种类太多，如果各种工艺要求都要在CAD软件中完成，就要求每个操作员都要熟练掌握每一种CAD软件的操作。这将要求一个很长的培训期，才能使操作员成为熟练工，才能达到实际生产要求。这从时间和经济角度都是不合算的。

(2)由于工艺要求繁多，有些要求对于某些CAD软件来讲是无法实现的。因为CAD软件是做设计用的，没有考虑到工艺处理中的特殊要求，因而无法达到全部的要求。而CAM软件是专门用于进行工艺处理的，做这些工作是最拿手的。

$ h7 C: \$ @+ ^3 f6 m(3)CAM软件功能强大，但全部是对Getber文件进行操作，而无法对CAD文件操作。
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& V  D' }1 b6 a  I) G* @" y+ |(4)如果用CAD进行工艺处理，则要求每个操作员都要配备所有的CAD软件，并对每一种CAD软件又有不同的工艺要求。这将对管理造成不必要的混乱。

综上所述，CAM组织应该是以下结构(尤其是大中型的企业)。

9 F7 f2 N6 H4 c% ]: J+ n, G: K     ①所有的工艺处理统一以Gerber数据为处理对象。

- P/ f) b8 c, p0 p  V     ②每个操作员须掌握CAD数据转换为Gerber数据的技巧。

     ③每个操作员须掌握一种或数种CAM软件的操作方法。
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     ④对Gerber数据文件制定统一的工艺规范。

     ⑤CAM工序可以相对集中由几个操作员进行处理，以便管理。
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3 j( O% f5 h9 S6 a     合理的组织机构将大大提高管理效率、生产效率，并有效地降低差错率，从而达到提高产品质量的效果。

5 C; m* i+ B- V1 E: {& b3 o/ r5 ~二、光绘工艺

6 }+ g. X4 u1 `9 N% w   光绘工艺的一般流程是：检查文件一确定工艺参数一CAD文件转Gerber文件一CAM处理和输出。

     1．检查文件
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! B" a) j" N  C$ C! R     (1)检查用户的文件   用户拿来的文件，首先要进行如下检查。

   ①检查磁盘文件是否完好。

0 l2 s/ j. k! c# b   ②检查该文件是否带有病毒，有病毒则必须先杀毒。

   ③检查用户数据格式。

: `: n- ]0 k/ d$ R2 f0 V$ M# Q" }   ④如果是Gerber文件，则检查有无D码表或内含D码(RS274-X格式)。
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     用户提供的原始数据，通常的格式如下。

     Gerber            (RS274D&RS274X)；
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     HPGL1/2           (HP Graphic Layer)；

6 A/ h3 G& w8 }1 w  P: ^, O     Dxf&Dwg           (Autocad for Windows)；
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     protel format     (DDB＼pcb＼sch＼prj)；

5 v# C/ g, [) k0 V$ ~. d     Oi5000            (Orbotech output format)；

     Excellon1/2       (drill/rot)；
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. D& r2 ]9 l& R" `1 @& z     IPC-D350          (netlist)；

     pads2000          (job)。

     所以要能正确的分析出某个数据的数据格式。特别是对Gerber中的RS274D的格式要深入了解，要分析和理解正确、标准的Aperture，对它们之间的关系作详细的分析。有一点非常重要的是要仔细阅读Apeture文件，因为有时会有一些特殊的情况出现，比如，有时用户会提出把一个Aperture从圆形换成长方形、从长方形换成散热盘等。如果打开Gerber的原始文件，会发现它的数据只有D码与坐标，因为图形文件由三部分组成：坐标、大小、形状，而Gerber文件中只有坐标，所以需要另外两个条件，如果接到的文件中有Apertuer文件，那么打开它，会发现其中有需要的数据，如果能将其很好的结合起来，那么将能读人用户的原始数据。
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     (2)检查设计是否符合本厂的工艺水平
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     ①检查客户文件中设计的各种间距是否符合本厂工艺，线与线之问的间距、线与焊盘之间的间距、焊盘与焊盘之间的间距，以上各种间距应大于本厂生产工艺所能达到的最小间距。
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! v) w( |9 Y$ d2 C     ②检查导线的宽度，要求导线的宽度应大于本厂生产工艺所能达到的最小线宽。
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) k1 V9 Q/ d& ~9 e3 e     ③检查导通孔大小，以保证本厂生产工艺的最小孔径。

     ④检查焊盘大小与其内部孔径，以保证钻孔后的焊盘边缘有一定的宽度。

! f# Q/ W+ I. m   2．确定工艺参数
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) _% |" p; a! O5 I   根据用户要求确定各种工艺参数。工艺参数可能有如下几种情况。
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- t; l- {  K- |* q   (1)根据后序工艺的要求，确定光绘底片是否镜像
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     ①底片镜像的原则   为了减小误差，药膜面(即乳胶面)必须直接贴在感光胶的药膜面。
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; g& \1 u8 L% B2 ?     ②底片镜像的决定因素   如果是网印工艺或干膜工艺，则以底片药膜面贴基板铜表面为准。如果是用重氮片曝光，由于重氮片拷贝时镜像，所以其镜像应为底片药膜面不贴基板铜表面。如果光绘时为单元底片，而不是在光绘底片上拼版，则需多加一次镜像。

   (2)确定阻焊图形扩大的参数
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, h3 f5 p" Q* s6 x     ①确定原则   阻焊图形的增大以不露出焊盘旁边的导线为准；阻焊图形的缩小以不盖住焊盘为原则。由于操作时的误差，阻焊图形对线路可能产生偏差。如果阻焊图形太小，偏差的结果可能使焊盘边缘被掩盖，因此要求阻焊图形加大一些；但如果阻焊图形扩大太多，由于偏差的影响可能露出旁边的导线。
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     ②阻焊图形扩大的决定因素   本厂阻焊工艺位置的偏差值，阻焊图形的偏差值。由于各种工艺所造成的偏差不一样，所以对应各种工艺的阻焊图形扩大值也不同。偏差大的阻焊图形扩大值应选得大些。板子导线密度大，焊盘与导线之间的问距小，阻焊图形扩大值应选小些；板子导线密度小，阻焊图形扩大值可选得大些。
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) H( ]6 r2 y/ U! d+ ?" Q(3)根据板子上是否需要插头镀金(俗称金手指)确定是否要增加工艺导线。

(4)根据电镀工艺要求确定是否要增加电镀用的导电边框。
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(5)根据热风整平(俗称喷锡)工艺的要求确定是否要加导电工艺线。
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(6)根据钻孔工艺确定是否要加焊盘中心孔。
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(7)根据后序工艺确定是否要加工艺定位孔。
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; C3 I% S( X$ z3 _2 K, T(8)根据板子外型确定是否要加外形角线。

(9)当用户高精度板子要求线宽精度很高时，要根据本厂生产水平，确定是否进行线宽校正，以调整侧蚀的影响。


3．底版的光绘制作一输出

     由于许多印制板厂家都不把光绘机绘制的底片直接用于成像生产，而是用它来翻拍工作底片，这里我们把光绘底片称之为底版。在新开始光绘之前，首先要调整光绘机的各参数，使之处于适宜的工作状态。

     (1)光绘机参数的设置

7 V3 U  N8 a2 a& ^: l3 U9 l/ r; R     ①光源强度的设置   在光绘过程中，如果光源强度过高，则绘制的图形会出现光晕；如果光源的强度过低，则绘制的图形会曝光不足，因此无论是矢量光绘机还是激光光绘机都存在一个光强调节问题。在高档的光绘机中设置有一个光强检测电路，当光强不足时，光绘机将拒绝工作或快门不打开，并且将错误提示在屏幕上。有时激光光绘机绘制过的底片一点也没有曝光的迹象，就是由于光强不足所致。通常可以通过调节发光器件的电压来控制光源的强度，每当更换一次发光器件或更换一次显影液之后，应用光绘试验片来检查光强是否适当。
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* p7 b8 [) {# N, @     ②光绘速度的调节   光绘机，特别是矢量光绘机，其绘图的速度也是影响绘片质量的重要因素。在矢量光绘机划线时，若绘图速度过快，即光束在底片上停留时间过短，则会产生曝光不足现象；若绘图速度过慢，即光束在底片上停留时间过长，则会曝光过度出现光晕现象。不仅光绘速度会影响绘片效果，而且光绘时的加速度和曝光时快门打开和关闭的延迟时间都会对结果有影响，这些参数也需认真调节。

     ③光绘时底片的放置   由于各种外界因素的变化，光绘底片会发生微小的伸缩变形，一般情况下它对印制电路板的加工不会产生多大的影响，但有时也会使底片不能用。因此，除了尽量消除外界环境因素的影响外，在光绘操作时也应加以注意。在放置底片时，应尽量保证要绘制的同一印制电路图不同层(如元件面和焊接面)的X、y方向和一张底片的X、y方向是一致的，这样变起形来多少有点同一性。对有些精度不是很高的光绘机，绘片时尽可能从绘图台面的原点开始，绘制同一电路不同层次的图形时，尽量在台面的相同坐标范围上，放置底片时也相应要加以注意。另外，放底片时应保持底片的药膜面朝上对着光源，以减小底片介质对光的衍射作用。
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     ④底片台面的保养   绘图台面(或弧面)的清洁平整是绘图质量的重要保证，在底片的台面(弧面)上除了需绘制的底片外不应有其他物品，也不要划伤工作面，真空吸附底片的小孔应保持畅通，这样才能绘出高精度的底片。

     (2)图形底版的绘制   当光绘处于正常工作状态时它通过磁盘、RS232口或磁带(目前磁带方式已很少采用)输入光绘数据，然后就在底片上绘出这些数据所描述的图形。事实上，在光绘机上除了简单的操作外，并不需要做更多的工作，光绘图形的大量工作是在光绘文件的产生和处理方面。

     ①线路片的绘制   一般只需对审查合格的设计图形直接生成光绘数据，把光绘数据输入光绘机即可。通常线路片应是1：1的，对于某些比较复杂的电路，应注意光绘底片上的图元尺寸与设计值的误差是否会给生产造成影响，如果有影响，应修改设计的图元尺寸以弥补光绘值的偏差。
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     ②阻焊片的绘制   对阻焊片要求比线路片低，但根据不同的工艺要求，阻焊片的焊盘应比线路片放大一些，在生成阻焊片的光绘数据就应加以注意。

1 @9 Y* ?5 h+ f0 N1 d     ③字符片的绘制   对字符片的要求稍低一些，不过由于器件的字符往往是布局时随着器件从库中调出来的，其字符的大小，构成字符的线宽往往参差不齐。有的字符太小，用油墨印出时会模糊不清；有的线太细，丝印效果也不好，这就要求在生成字符的光绘文件前对字符进行认真检查，在生成字符的光绘文件时，尽量把字符的线宽归并为一种或几种，使之符合工艺要求。
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7 h. x1 H: b# U8 f" u     ④钻孔片的绘制   一般情况下并不需要绘制钻孔底片，但有时为了更好地检验钻孔情况或清楚地区分孔径，也可以绘一张钻孔片。对于矢量光绘机，在绘制区分孔径的钻孔时，应考虑到节省光绘时间，即生成光绘数据时应注意采用简单的符号来标识孔径。

* |0 x. Q  D0 K* k     ⑤大面积覆铜的电源、地层的绘制   对于标准设计的电源、地层，按照设计绘制的底片与印制板上图形是相反的，也就是说底片上没曝光的部分才是铜箔，而底片上有图形的部分在印制板上是隔离部分，没有铜层。由于工艺的需要，在绘制电源、地层时，隔离盘应比线路层的焊盘大一些，对于与电源或地层相连接的孔，最好不要什么都不绘，而应绘出专门的花焊盘，这不仅仅是保证可焊性的问题，更重要的是有利于底片的检查，哪个位置有孔、哪个位置无孔，哪个孔接电源或接地，一目了然。

6 v( |! O2 D" m+ m     ⑥镜像绘片   由于在印制电路板成像工序中需要将底片的药膜面(图形面)贴在印制板铜箔附着的干膜上。因此在绘片时就应考虑到图形的相位(即图形面的正反)问题，不提倡通过把底片的药膜面反放来实现调图形相位的方法，而且当几个小图形绘在一张大底片上时，用此方法也不能使它们的相位不同，应当在生成光绘数据文件时就加以注意。一般情况下，由于在用底片成像前需要翻一次片，因此对印制电路板的单数层(1、3、5、…、层)图形，生成的光绘数据应该为正相位，面对双数层图形，生成的光绘数据所描述的图形应该为镜像图形。如果直接用光绘底片进行印制板成像加工，则前面说的相位应反过来。

+ x) I) t+ |. p6 e+ X4 a: l" N     ⑦图形层次的标识标识出底片图形所对应的印制板层次相当重要，例如一个最简单的单面板，如果不标识出图形所在的面(层)，可能会把焊接面做成元件面，到头来将会导致器件不好安装，双面板及多层板更是如此。有的印制板辅助设计软件可以生成光绘文件时自动加上图形所在的层次，这无疑带来许多方便。但在应用时应注意两点，首先是印制电路布线时的层次是否就是加工所安排的层次；其次，设计时图形的零点往往远离坐标原点，而自动加上的层次标记是在坐标原点附近，这样在层次标记与图形之间会有很大的间隔，这不仅会影响标识的效果，而且会造成底片的浪费。

     ⑧光圈的匹配   无论是矢量光绘机还是激光光绘机，都存在光圈匹配问题。如果设计图形中用的是40mil的焊盘，而光绘时用50mil的光圈，显然绘出的图形会有差异，但是由于在图形设计时图元(线段、焊盘)的尺寸可以随便制定，因此若要求光绘机的光圈与之完全相符，对于矢量光绘机来说是做不到的，对于激光光绘机来说也是麻烦的，而且从加工角度来看大都没这个必要，就是做到了光圈完全相配，由于聚焦及显影等因素的影响，绘出底片上的图元尺寸还是会与设计值有一点差别。因此，在实际的处理过程中只要加工工艺允许，完全可以选用现有的光圈(对矢量光绘机)或已设置好的光圈(对激光光绘机)。在许多时候用50mil的光圈去对应46mil或55mil的设计值，甚至用60mil的光圈去对应40mil的设计值都是允许的。
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