印刷电路板常识

印刷线路板英文缩写PCB(是Printed Circuie Board的简称),由于印制线路板基本是以环氧树脂为基材的,因此业界反到不提其全称环氧印刷线路板,通常只提印刷线路板,或英文缩写PCB。
据中国环氧树脂行业协会专家介绍,通常把在绝缘材上,按预定设计制成印制线路、印制元件或两者组合而成的导电图形称为印制电路。在绝缘基材上提供元器件之间电气连接的导电图形,称为印制线路。这样就把印制电路或印制线路的成品板称为印制线路板,亦称为印制板或印制电路板。而这个绝缘基材就是环氧树脂。
环氧印刷线路板,几乎我们能见到的电子设备都离不开它,小到电子手表、计算器、通用电脑,大到计算机、通迅电子设备、xx武器系统,只要有集成电路等电子无器件,它们之间电气互连都要用到它。它提供集成电路等各种电子元器件固定装配的机械支撑、实现集成电路等各种电子元器件之间的布线和电气连接或电绝缘、提供所要求的电气特性,如特性阻抗等。同时为自动锡焊提供阻焊图形;为元器件插装、检查、维修提供识别字符和图形。
20世纪初,人们为了简化电子机器的制作,减少电子零件间的配线,降低制作成本等优点,于是开始钻研以印刷的方式取代配线的方法。三十年间,不断有工程师提出在绝缘的基板上加以金属导体作配线。而最成功的是1925年,美国的Charles Ducas 在绝缘的基板上印刷出线路图案,再以电镀的方式,成功建立导体作配线。
直至1936年,奥地利人保罗·爱斯勒(Paul Eisler)在英国发表了箔膜技术,他在一个收音机装置内采用了印刷电路板;而在日本,宫本喜之助以喷附配线法“メタリコン法吹着配线方法(特许119384号)”成功申请专利。而两者中Paul Eisler 的方法与现今的印刷电路板最为相似,这类做法称为减去法,是把不需要的金属除去;而Charles Ducas、宫本喜之助的做法是只加上所需的配线,称为加成法。虽然如此,但因为当时的电子零件发热量大,两者的基板也难以配合使用,以致未有正式的实用作,不过也使印刷电路技术更进一步。
1941年,美国在滑石上漆上铜膏作配线,以制作近接信管。
1943年,美国人将该技术大量使用于xx收音机内。
1947年,环氧树脂开始用作制造基板。同时NBS开始研究以印刷电路技术形成线圈、电容器、电阻器等制造技术。
1948年,美国正式认可这个发明用于商业用途。
自20世纪50年代起,发热量较低的晶体管大量取代了真空管的地位,印刷电路版技术才开始被广泛采用。而当时以蚀刻箔膜技术为主流。
1950年,日本使用玻璃基板上以银漆作配线;和以酚醛树脂制的纸质酚醛基板(CCL)上以铜箔作配线。
1951年,聚酰亚胺的出现,便树脂的耐热性再进一步,也制造了聚亚酰胺基板。
1953年,Motorola开发出电镀贯穿孔法的双面板。这方法也应用到后期的多层电路板上。
印刷电路板广泛被使用10年后的60年代,其技术也日益成熟。而自从Motorola的双面板面世,多层印刷电路板开始出现,使配线与基板面积之比更为提高。
1960年,V. Dahlgreen以印有电路的金属箔膜贴在热可塑性的塑胶中,造出软性印刷电路板。
1961年,美国的Hazeltine Corporation参考了电镀贯穿孔法,制作出多层板。
1967年,发表了增层法之一的“Plated-up technology”。
1969年,FD-R以聚酰亚胺制造了软性印刷电路板。
1979年,Pactel发表了增层法之一的“Pactel法”。
1984年,NTT开发了薄膜回路的“Copper Polyimide法”。
1988年,西门子公司开发了Microwiring Substrate的增层印刷电路板。
1990年,IBM开发了“表面增层线路”(Surface Laminar Circuit,SLC)的增层印刷电路板。
1995年,松下电器开发了ALIVH的增层印刷电路板。
1996年,东芝开发了B2it的增层印刷电路板。
就在众多的增层印刷电路板方案被提出的1990年代末期,增层印刷电路板也正式大量地被实用化,直至现在。
制造印刷电路板
基材
基材普遍是以基板的绝缘部分作分类,常见的原料为电木板、玻璃纤维板,以及各式的塑胶板。而PCB的制造商普遍会以一种以玻璃纤维、不织物料、以及树脂组成的绝缘部分,再以环氧树脂和铜箔压制成“黏合片”(prepreg)使用。
而常见的基材及主要成份有:
FR-1 ──酚醛棉纸,这基材通称电木板(比FR-2较高经济性)
FR-2 ──酚醛棉纸,
FR-3 ──棉纸(Cotton paper)、环氧树脂
FR-4 ──玻璃布(Woven glass)、环氧树脂
FR-5 ──玻璃布、环氧树脂
FR-6 ──毛面玻璃、聚酯
G-10 ──玻璃布、环氧树脂
CEM-1 ──棉纸、环氧树脂(阻燃)
CEM-2 ──棉纸、环氧树脂(非阻燃)
CEM-3 ──玻璃布、环氧树脂
CEM-4 ──玻璃布、环氧树脂
CEM-5 ──玻璃布、多元酯
AIN ──氮化铝
SIC ──碳化硅
金属涂层
金属涂层除了是基板上的配线外,也就是基板线路跟电子元件焊接的地方。此外,不同的金属也有不同的价钱,不同的会直接影响生产的成本;不同的金属也有不同的可焊性、接触性,也有不同的电阻阻值,也会直接影响元件的效能。
常用的金属涂层有:
铜和锡;厚度通常在5至15μm之间。
铅锡合金(或锡铜合金);即焊料,厚度通常在5至25μm,锡含量约在63%。
金;一般只会镀在接口。
;一般只会镀在接口,或以整体也是银的合金。
线路设计
印制电路板的设计是以电子电路图为蓝本,实现电路使用者所需要的功能。印刷电路板的设计主要指版图设计,需要内部电子元件、金属连线、通孔和外部连接的布局、电磁保护、热耗散、串音等各种因素。优秀的线路设计可以节约生产成本,达到良好的电路性能和散热性能。简单的版图设计可以用手工实现,但复杂的线路设计一般也需要借助计算机辅助设计(CAD)实现,而着名的设计软件有AutoCAD、OrCAD、PowerPCB、FreePCB等。
基本制作
根据不同的技术可分为xx和增加两大类过程。
一、减去法
减去法(Subtractive),是利用化学品或机械将空白的电路板(即铺有完整一块的金属箔的电路板)上不需要的地方除去,余下的地方便是所需要的电路。
丝网印刷:把预先设计好的电路图制成丝网遮罩,丝网上不需要的电路部分会被蜡或者不透水的物料覆盖,然后把丝网遮罩放到空白线路板上面,再在丝网上油上不会被腐蚀的保护剂,把线路板放到腐蚀液中,没有被保护剂遮住的部份便会被蚀走,{zh1}把保护剂清理。
感光板:把预先设计好的电路图制在透光的胶片遮罩上(最简单的做法就是用打印机印出来的投影片),同理应把需要的部份印成不透明的颜色,再在空白线路板上涂上感光颜料,将预备好的胶片遮罩放在电路板上照射强光数分钟,除去遮罩后用显影剂把电路板上的图案显示出来,{zh1}如同用丝网印刷的方法一样把电路腐蚀。
刻印:利用铣床或雷射雕刻机直接把空白线路上不需要的部份除去。
二、加成法
加成法(Additive),现在普遍是在一块预先镀上薄铜的基板上,覆盖光阻剂(D/F),经紫外光曝光再显影,把需要的地方露出,然后利用电镀把线路板上正式线路铜厚增厚到所需要的规格,再镀上一层抗蚀刻阻剂-金属薄锡,{zh1}除去光阻剂(这制程称为去膜),再把光阻剂下的铜箔层蚀刻掉。
多层制作
一、积层法
积层法是制作多层印刷电路板的方法之一。是在制作内层后才包上外层,再把外层以减去法或加成法所处理。不断重复积层法的动作,可以得到再多层的多层印刷电路板则为顺序积层法。
二、内层制作
积层编成(即黏合不同的层数的动作)
积层完成(减去法的外层含金属箔膜;加成法)
钻孔
1、减去法
Panel电镀法
全块PCB电镀
在表面要保留的地方加上阻绝层(resist,防以被蚀刻)
蚀刻
去除阻绝层
Pattern电镀法
在表面不要保留的地方加上阻绝层
电镀所需表面至一定厚度
去除阻绝层
蚀刻至不需要的金属箔膜消失
2、加成法
令表面粗糙化
xx加成法(full-additive)
在不要导体的地方加上阻绝层
以无电解铜组成线路
部分加成法(semi-additive)
以无电解铜覆盖整块PCB
在不要导体的地方加上阻绝层
电解镀铜
去除阻绝层
蚀刻至原在阻绝层下无电解铜消失
3、增层法
增层法是制作多层印刷电路板的方法之一,顾名思义是把印刷电路板一层一层的加上。每加上一层就处理至所需的形状。
ALIVH(Any Layer Interstitial Via Hole,Any Layer IVA)是日本松下电器开发的增层技术。这是使用芳香族聚酰胺(Aramid)纤维布料为基材;把纤维布料浸在环氧树脂成为“黏合片”(prepreg)
雷射钻孔
钻孔中填满导电膏,在外层黏上铜箔; 铜箔上以蚀刻的方法制作线路图案.。把完成第二步骤的半成品黏上在铜箔上
积层编成
再不停重覆第五至七的步骤,直至完成
B2it(Buried Bump Interconnection Technology)是东芝开发的增层技术。
先制作一块双面板或多层板,在铜箔上印刷圆锥银膏;放黏合片在银膏上,并使银膏贯穿黏合片。把上一步的黏合片黏在{dy}步的板上,以蚀刻的方法把黏合片的铜箔制成线路图案。再不停重覆第二至四的步骤,直至完成
线路板生产工艺
各种电脑主机板、显卡、网卡、调制解调器、声卡及家用电器上的环氧印制电路板。它们所用的基材是由纸基(常用于单面)或玻璃布基(常用于双面及多层),预浸酚醛或环氧树脂,表层一面或两面粘上覆铜簿再层压固化而成。这种线路板覆铜簿板材,我们就称它为刚性板。再制成印制线路板,我们就称它为刚性印制线路板。
单面有印制线路图形的,我们称单面印制线路板;双面有印制线路图形,再通过孔的金属化进行双面互连形成的印制线路板,我们就称其为双面板。如果用一块双面作内层、二块单面作外层或二块双面作内层、二块单面作外层的印制线路板,通过定位系统及绝缘粘结材料交替在一起且导电图形按设计要求进行互连的印制线路板就成为四层、六层印制电路板了,也称为多层印制线路板。现在已有超过100层的实用环氧印制线路板了。
环氧印制线路板的生产过程较为复杂,它涉及的工艺范围较广,从简单的机械加工到复杂的机械加工,有普通的化学反应还有光化学电化学热化学等工艺,计算机辅助设计CAM等多方面的知识。而且在生产过程中工艺问题很多而且会时时遇见新的问题而部分问题在没有查清原因问题就消失了,由于其生产过程是一种非连续的流水线形式,任何一个环节出问题都会造成全线停产或大量报废的后果,印刷线路板如果报废是无法回收再利用的。
线路板生产工艺流程 – 电路板工艺,PCB生产流程
单面刚性印制板:→单面覆铜板→下料→(刷洗、干燥)→钻孔或冲孔→网印线路抗蚀刻图形或使用干膜→固化检查修板→蚀刻铜→去抗蚀印料、干燥→刷洗、干燥→网印阻焊图形(常用绿油)、UV固化→网印字符标记图形、UV固化→预热、冲孔及外形→电气开、短路测试→刷洗、干燥→预涂助焊防氧化剂(干燥)或喷锡热风整平→检验包装→成品出厂。
双面刚性印制板:→双面覆铜板→下料→叠板→数控钻导通孔→检验、去毛刺刷洗→化学镀(导通孔金属化)→(全板电镀薄铜)→检验刷洗→网印负性电路图形、固化(干膜或湿膜、曝光、显影)→检验、修板→线路图形电镀→电镀锡(抗蚀镍/金)→去印料(感光膜)→蚀刻铜→(退锡)→清洁刷洗→网印阻焊图形常用热固化绿油(贴感光干膜或湿膜、曝光、显影、热固化,常用感光热固化绿油)→清洗、干燥→网印标记字符图形、固化→(喷锡或有机保焊膜)→外形加工→清洗、干燥→电气通断检测→检验包装→成品出厂。
贯通孔金属化法制造多层板工艺流程→内层覆铜板双面开料→刷洗→钻定位孔→贴光致抗蚀干膜或涂覆光致抗蚀剂→曝光→显影→蚀刻与去膜→内层粗化、去氧化→内层检查→(外层单面覆铜板线路制作、B—阶粘结片、板材粘结片检查、钻定位孔)→层压→数控制钻孔→孔检查→孔前处理与化学镀铜→全板镀薄铜→镀层检查→贴光致耐电镀干膜或涂覆光致耐电镀剂→面层底板曝光→显影、修板→线路图形电镀→电镀锡铅合金或镍/金镀→去膜与蚀刻→检查→网印阻焊图形或光致阻焊图形→印制字符图形→(热风整平或有机保焊膜)→数控洗外形→清洗、干燥→电气通断检测→成品检查→包装出厂。
从工艺流程图可以看出多层板工艺是从双面孔金属化工艺基础上发展起来的。据中国环氧树脂行业协会专家介绍,它除了继了双面工艺外,还有几个独特内容:金属化孔内层互连、钻孔与去环氧钻污、定位系统、层压、专用材料。我们常见的电脑板卡基本上是环氧树脂玻璃布基双面印制线路板,其中有一面是插装元件另一面为元件脚焊接面,能看出焊点很有规则,这些焊点的元件脚分立焊接面我们就叫它为焊盘。
为什么其它铜导线图形不上锡呢。因为除了需要锡焊的焊盘等部分外,其余部分的表面有一层耐波峰焊的阻焊膜。其表面阻焊膜多数为绿色,有少数采用黄色、黑色、蓝色等,所以在PCB行业常把阻焊油叫成绿油。其作用是,防止波焊时产生桥接现象,提高焊接质量和节约焊料等作用。它也是印制板的{yj}性保护层,能起到防潮、防腐蚀、防霉和机械擦伤等作用。从外观看,表面光滑明亮的绿色阻焊膜,为菲林对板感光热固化绿油。不但外观比较好看,便重要的是其焊盘xx度较高,从而提高了焊点的可靠性。
我们从电脑板卡可以看出,元件的安装有三种方式。一种为传动的插入式安装工艺,将电子元件插入印制线路板的导通孔里。这样就容易看出双面印制线路板的导通孔有如下几种:一是单纯的元件插装孔;二是元件插装与双面互连导通孔;三是单纯的双面导通孔;四是基板安装与定位孔。另二种安装方式就是表面安装与芯片直接安装。其实芯片直接安装技术可以认为是表面安装技术的分支,它是将芯片直接粘在印制板上,再用线焊法或载带法、倒装法、梁式引线法等封装技术互联到印制板上。其焊接面就在元件面上。
表面安装技术有如下优点:
1)由于印制板大量xx了大导通孔或埋孔互联技术,提高了印制板上的布线密度,减少了印制板面积(一般为插入式安装的三分阶之一),同时还可降低印制板的设计层数与成本。
2)减轻了重量,提高了抗震性能,采用了胶状焊料及新的焊接技术,提高了产品质量和可靠性。
3)由于布线密度提高和引线长度缩短,减少了寄生电容和寄生电感,更有利于提高印制板的电参数。
4)比插装式安装更容易实现自动化,提高安装速度与劳动生产率,相应降低了组装成本。
从以上的表面安技术就可以看出,线路板技术的提高是随芯片的封装技术与表面安装技术的提高而提高。现在我们看的电脑板卡其表面粘装率都不断地在上升。实际上这种的线路板再用传动的网印线路图形是无法满足技术要求的了。所以普通高xx度线路板,其线路图形及阻焊图形基本上采用感光线路与感光绿油制作工艺。
还有柔性线路板
柔性线路板又称为柔性印刷电路板、柔性线路板、挠性印刷电路板、软板,英文是FPC(Flexible Printed Circuit的缩写),是一种特殊的印刷电路板。它的特点是重量轻、厚度薄、柔软、可弯曲。主要使用于手机、笔记本电脑、PDA、数码相机、液晶显示屏等很多产品。
我们打开通用电脑的健盘就能看到一张软性薄膜(挠性的绝缘基材),印上有银白色(银浆)的导电图形与健位图形。因为通用丝网漏印方法得到这种图形,所以我们称这种印制线路板为挠性银浆印制线路板。
柔性线路板组成材料
柔性印刷电路板主要由五部分组成:
基板:常用材料为聚酰亚胺(PI)。
铜箔:分为电解铜与压延铜两种。
接着剂:一般为0.5mil环氧树脂热固胶。
保护膜:表面绝缘用。常用材料为聚酰亚胺(PI)。
补强:加强柔性印刷电路板的机械强度。
柔性线路板结构
按照导电铜箔的层数,柔性印刷电路板可以划分为单层板、双面板、双层板、多层板等。
柔性线路板单层板
单层柔性板是结构最简单的柔性板。从下到上依次为:基板、接着剂、铜箔、接着剂、保护膜。可根据需要在最下层增加补强。
柔性线路板双面板
双面板的两面都有焊盘,主要用于和其他电路板的连接。从下到上依次为:保护膜、接着剂、铜箔、接着剂、基板、接着剂、铜箔、接着剂、保护膜。
柔性线路板双层板、多层板
当电路的线路更复杂、单层板无法布线时,就需要使用双层板或者多层板。
多层板与单层板的区别是,多层板增加了过孔结构以便连结各层铜箔。从下到上依次为:基板、接着剂、铜箔、接着剂……保护膜。

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