我和PCB的这些年（二）

　　不知不觉中用上了Windows95，Protel也有了Windows版，从此SCH原理图编辑和PCB可以切换使用了，不过使用后却满心不爽。

　　和不久前用的ORCAD一样，用原理图编辑部分SCHEDIT打开以前的原理图文件，里面凡是里面修改过的元件标识，全部变成了系统库中元件标识的样子。解释的详细一点就是：DOS版里，举个例子一个元件或IC的某个引脚的位置我不喜欢，就把它移动了一下，比如从右下角搬到左上角，在Windows版的Protel或ORCAD中，这些脚被复位了，还在右下角。脚的位置变动，是原先连接这个脚的连线悬空，或错误连接，这就导致了以前的原理图白画了。其实从软件设计的角度来说，完全可以无缝解决这种情况，猪一样的软件团队（关于软件设计的感受我还会写其他文章详述）。虽然说随便改动IC的封装是不规范的举动，但你可以把它认为你修改了元件的封装，使它成为一个新的元件，只不过你没有通过库文件编辑来给它重新命名，这种新旧软件之间的兼容冲突，可以通过软件识别自动将旧版图纸中的元件重新命名使其不予现有的库冲突即可。

　　还有不爽的就是使用鼠标的感受。在DOS版中，移动鼠标，显示器上的光标按网格跳跃，光标不可能落在网格之间的位置。但Windows中，移动鼠标，光标是不准确跳跃的，它可以落在你预期不到的接近你想要去的地方，而且有延迟，很容易光标就跑到屏幕外了，满屏翻滚，不得不按缩小键确定当前位置，然后在放大。这种缺陷到十几年以后的今天依旧存在，换句话说，鼠标的操控变慢了，你不能像以前一样迅速的布线（虽然自动布线成了主流）。不仅仅是使用鼠标的感受，还有键盘的反应变慢了，它会遗漏你的按键。DOS环境中，你可以盲打一串字符组成的命令，让后等处理结果即可，但现在不行了，按下第一个字母，如果菜单未弹出就按第二个字母，那相应的命令就不会被执行。这不是软件的问题，而是操作系统的问题。我曾有机会体验过同时期Unix系统上的类似CAD软件，和DOS中的一样，很流畅。所以专业CAD设计绝对要使用非Windows系统的图形工作站，因为糟糕的用户体验会浇灭你的创作热情并大幅降低你的工作效率。

　　这期间我对PCB实物的认识引入了两个概念：“孔铜厚度”和“线路厚度”。说到专业的术语往往都比较枯燥，但有些是不得不去了解的。

　　两个概念必须一起说。先说说“线路厚度”，其实里面有好几个概念，首先是基板材料的铜皮厚度，PCB行业中铜厚的单位为oz，即ounce的缩写,中文是“盎司”的意思。本来oz是重量的单位，会有人很奇怪重量单位为什么会成了厚度单位，其实是这样的：

　　1oz的PCB基材的铜厚=将1盎司重的铜压成1平方英尺面积的厚度≈35um(微米)=1.4mil(1mil=0.0254mm=25.4um)

　　这样就清楚了，具体换算如下：
　　　　将1盎司重的铜压成1平方英尺面积的厚度=1盎司铜的体积/1平方英尺

　　　　1盎司铜的体积=1盎司/纯铜密度

　　　　　　1平方英尺=929.0304 cm²
　　　　　　纯铜密度=8.92 g/cm³
　　　　　　1盎司=28.3495231 g

　　将具体数字带入代入得：

　　　　1盎司铜的体积=(28.3495231ｇ)/(8.92 g/cm3)=3.17819765cm³

　　　　将1盎司重的铜压成1平方英尺面积的厚度=(3.17819765cm³)/(929.0304 cm²)=0.0342098mm≈35um

　　市面上，单面板的基材铜厚一般1oz（基材材料的种类以后再写），而FR4双面板的铜厚以1/2oz(18um)为主，比较常用的还有1oz和2oz的，如果你不向厂家说明，双面板的基材铜厚基本都是1/2oz。多层板也是这样的，不说明1/2oz。

　　很多人会把双面板和多层板的基材铜厚当成成品铜厚，是因为忽略了一点“PTH”(Plated Through Hole)，中文叫做“沉铜”或“孔化”。PCB设计的CAD里，对孔的参数有一项设置PTH和NPTH，“PTH孔”就是“孔化孔”，即孔内有铜；“NPTH孔”就是“非孔化孔”，即孔内无铜。PTH孔的作用就是将不同层的线路连接起来，到这里就引入了孔铜厚度的概念，孔铜厚度是判断孔化孔连接线路是否良好的主要参数。一般孔铜厚度达到20um以上就达标了，需经过“沉铜”和“一铜”两道工艺。“沉铜”一般为化学沉铜，即在孔内形成5-8um的导电铜膜，这么做的原因是电镀方法是无法在绝缘体上形成镀膜的。现今又有了黑化孔的工艺，用石墨在孔内形成导电碳膜，可以节约成本，加快生产速度。“一铜”就是电镀铜，这又是因为要化学镀铜达到20um以上厚度，成本和代价实在太高了，通过一铜将孔铜的厚度增加到20um以上。在沉铜和镀铜的时候，基材表面的铜也同时加厚了，往往比孔铜更厚，但以后为了蚀刻和阻焊印刷，须经过的表面清洁处理，所以厚度会有所减少。至此双面板和多层板的成品的表面铜厚会比基材铜厚多15um以上，1/2oz基材铜厚成品会达到1oz，1oz基材铜厚成品会达到1.5oz以上。

　　孔铜的问题相当的重要，实际上遇到的问题要比上述说的理论工艺复杂的多。

　　孔壁粗燥问题

　　上面示意图中的孔内部是直线，但实际却远非如此，而是下面这样的。

现实放大的孔壁截面图和一铜时粉尘堵孔导致二铜无法贯穿整孔

　　业界的管控标准在30um上下，通常批量能达到40um以下就很不错了。孔铜厚度是20um，而孔壁粗燥程度是40um，看看数据对比就应该清楚微观世界里的孔都是歪歪扭扭的。这样粗糙还不算，还有粉尘、胶渣（多层板特有的打孔残留）等因素存在。

　　孔铜缺失、孔铜和基材铜开裂问题

　　大多是此类问题发生的原因在于湿膜工艺过程中显影不净，线路图形中有湿膜残留，孔中有湿膜残留，残留处二铜(二次对线路铜加厚并电镀上锡保护层)不良，新镀层很薄甚至没有，蚀刻后残留处没有锡保护，铜被蚀刻掉了。或者，看到右上图了没，那是个有缺陷的多层板截面，上下表面的铜层是不是隐隐约约有两层？正常的板应该很难看出两层的，这种现象叫做镀铜分层，基材的铜面氧化或没有清理干净导致的。分层的最坏结果之一是导致今后加工和使用中，在热胀冷缩、材料应力等的驱使下，孔和面的直角出产生断裂。

　　我设计的PCB从来对过孔的大小严格限制，能大就尽量大一点，孔越大，孔壁粗燥的相对比例就越小。还有，需要插件的PCB，能不要阻焊油墨堵孔就不要用，因为当波峰焊或浸焊时，焊锡进入过孔，可以弥补孔铜的各种缺陷，或者高温直接将孔化不良的地方损毁及显现，之后的调试检验可以及时发觉，避免潜在的不良流出工厂。当然这是在焊锡能进入的前提下，有时孔太小或基材太厚，焊锡不能贯穿正反面，就不太好了。还有只进行贴片回流焊的话，还是阻焊油墨堵孔比较好一点，可以减小喷锡和焊接的高温对孔铜的影响，也有利于今后抵抗恶劣的使用环境。　

　　还有别以为找一个排名一流的PCB工厂就OK了，不会出事了，现实是残酷的。首先自己别给厂里的加工制造出难题，设计时能降低工艺难度，就降低一些。很多设计者不会关心这些问题，他们往往没有条件接触到这些或得到确实的反馈，特别是一些大中型企业，设计定型量产后就基本和他们没关系了，但往往就是设计时的工艺门槛和潜在缺陷给量产是的质量问题埋下祸根。有人会反驳我的观点，工厂的错误，凭什么我去关心，出问题让工厂去担责任好了。这句话是没错的，出错的人应该担责任，但你有没有想过，出问题的时候，你有没有能力控制局面，你的客户和用户会怎样想？你的领导会怎样想？你可以建议更换另一家工厂为你加工，可你的客户和领导也可以更换你，换别的供应商为他供货，换别的技术人员接盘。更多的情况是公司工厂间继续合作没事，背黑锅的却是你，你没有牛掰在这个世界上你独一份。

　　深刻了解后，才能防范于未然，游刃有余。