印制电路板基础知识点汇总_印制电路板制作过程

电子魔法师 发表于 2018-05-03 08:41:15 收藏 已收藏
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印制电路板基础知识点汇总_印制电路板制作过程

电子魔法师 发表于 2018-05-03 08:41:15

  印刷电路板概念

  印制电路板{PCB线路板},又称印刷电路板,是电子元器件电气连接的提供者。它的发展已有100多年的历史了;它的设计主要是版图设计;采用电路板的主要优点是大大减少布线和装配的差错,提高了自动化水平和生产劳动率。

  印制电路板分类

  1、单面板

  在最基本的PCB上,零件集中在其中一面,导线则集中在另一面上。因为导线只出现在其中一面,所以这种PCB叫作单面板(Single-sided)。因为单面板在设计线路上有许多严格的限制(因为只有一面,布线间不能交叉而必须绕独自的路径),所以只有早期的电路才使用这类的板子。

  2、双面板

  这种电路板的两面都有布线,不过要用上两面的导线,必须要在两面间有适当的电路连接才行。这种电路间的“桥梁”叫做导孔(via)。导孔是在PCB上,充满或涂上金属的小洞,它可以与两面的导线相连接。因为双面板的面积比单面板大了一倍,双面板解决了单面板中因为布线交错的难点(可以通过导孔通到另一面),它更适合用在比单面板更复杂的电路上。

  3、多层板

  为了增加可以布线的面积,多层板用上了更多单或双面的布线板。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刷线路板,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刷线路板就成为四层、六层印刷电路板了,也称为多层印刷线路板。板子的层数并不代表有几层独立的布线层,在特殊情况下会加入空层来控制板厚,通常层数都是偶数,并且包含最外侧的两层。大部分的主机板都是4到8层的结构,不过技术上理论可以做到近100层的PCB板。大型的超级计算机大多使用相当多层的主机板,不过因为这类计算机已经可以用许多普通计算机的集群代替,超多层板已经渐渐不被使用了。因为PCB中的各层都紧密的结合,一般不太容易看出实际数目,不过如果仔细观察主机板,还是可以看出来。

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  印制电路板特性

  1)电子元件封装后,能实现电气导通。

  2)要求绝缘部分不可有电流流通。

  3)要求导通部分必须有电流流通。

  4)必须达到能贴装元件的要求,是元器件固定和装配的机械支撑。

  5)必须有完整清析的识别字符和元件符号。

  6)可以固定在机器适当部位。

  印制电路板作用

  电子设备采用印制板后,由于同类印制板的一致性,从而避免了人工接线的差错,并可实现电子元器件自动插装或贴装、自动焊锡、自动检测,保证了电子设备的质量,提高了劳动生产率、降低了成本,并便于维修。

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  印刷电路板的设计

  布局

  布局,是把电路器件放在印制电路板布线区内。布局是否合理不仅影响后面的布线工作,而且对整个电路板的性能也有重要影响。在保证电路功能和性能指标后,要满足工艺性、检测和维修方面的要求,元件应均匀、整齐、紧凑布放在PCB上,尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接,以得到均匀的组装密度。

  按电路流程安排各个功能电路单元的位置,输入和输出信号、高电平和低电平部分尽可能不交叉,信号传输路线最短。

  功能区分

  元器件的位置应按电源电压、数字及模拟电路、速度快慢、电流大小等进行分组,以免相互干扰。

  电路板上同时安装数字电路和模拟电路时,两种电路的地线和供电系统完全分开,有条件时将数字电路和模拟电路安排在不同层内。电路板上需要布置快速、中速和低速逻辑电路时,应安放在紧靠连接器范围内;而低速逻辑和存储器,应安放在远离连接器范围内。这样,有利于减小共阻抗耦合、辐射和交扰的减小。时钟电路和高频电路是主要的骚扰辐射源,一定要单独安排,远离敏感电路。

  热磁兼顾

  发热元件与热敏元件尽可能远离,要考虑电磁兼容的影响。

  工艺性

  ⑴层面

  贴装元件尽可能在一面,简化组装工艺。

  ⑵距离

  元器件之间距离的最小限制根据元件外形和其他相关性能确定,目前元器件之间的距离一般不小于0.2mm~0.3mm,元器件距印制板边缘的距离应大于2mm。

  ⑶方向

  元件排列的方向和疏密程度应有利于空气的对流。考虑组装工艺,元件方向尽可能一致。

  布线

  1、导线

  ⑴宽度

  印制导线的最小宽度,主要由导线和绝缘基板间的粘附强度和流过它们的电流值决定。印制导线可尽量宽一些,尤其是电源线和地线,在板面允许的条件下尽量宽一些,即使面积紧张的条件下一般不小于1mm。特别是地线,即使局部不允许加宽,也应在允许的地方加宽,以降低整个地线系统的电阻。对长度超过80mm的导线,即使工作电流不大,也应加宽以减小导线压降对电路的影响。

  ⑵长度

  要极小化布线的长度,布线越短,干扰和串扰越少,并且它的寄生电抗也越低,辐射更少。特别是场效应管栅极,三极管的基极和高频回路更应注意布线要短。

  ⑶间距

  相邻导线之间的距离应满足电气安全的要求,串扰和电压击穿是影响布线间距的主要电气特性。为了便于操作和生产,间距应尽量宽些,选择最小间距至少应该适合所施加的电压。这个电压包括工作电压、附加的波动电压、过电压和因其它原因产生的峰值电压。当电路中存在有市电电压时,出于安全的需要间距应该更宽些。

  ⑷路径

  信号路径的宽度,从驱动到负载应该是常数。改变路径宽度对路径阻抗(电阻、电感、和电容)产生改变,会产生反射和造成线路阻抗不平衡。所以,最好保持路径的宽度不变。在布线中,最好避免使用直角和锐角,一般拐角应该大于90°。直角的路径内部的边缘能产生集中的电场,该电场产生耦合到相邻路径的噪声,45°路径优于直角和锐角路径。当两条导线以锐角相遇连接时,应将锐角改成圆形。

  2、孔径和焊盘尺寸

  元件安装孔的直径应该与元件的引线直径较好的匹配,使安装孔的直径略大于元件引线直径的(0.15~0.3)mm。通常DIL封装的管脚和绝大多数的小型元件使用0.8mm的孔径,焊盘直径大约为2mm。对于大孔径焊盘为了获得较好的附着能力,焊盘的直径与孔径之比,对于环氧玻璃板基大约为2,而对于苯酚纸板基应为(2.5~3)。

  过孔,一般被使用在多层PCB中,它的最小可用直径是与板基的厚度相关,通常板基的厚度与过孔直径比是6:1。高速信号时,过孔产生(1~4)nH的电感和(0.3~0.8)pF的电容的路径。因此,当铺设高速信号通道时,过孔应该被保持到绝对的最小。对于高速的并行线(例如地址和数据线),如果层的改变是不可避免,应该确保每根信号线的过孔数一样。并且应尽量减少过孔数量,必要时需设置印制导线保护环或保护线,以防止振荡和改善电路性能。

  3、地线设计

  不合理的地线设计会使印制电路板产生干扰,达不到设计指标,甚至无法工作。地线是电路中电位的参考点,又是电流公共通道。地电位理论上是零电位,但实际上由于导线阻抗的存在,地线各处电位不都是零。因为地线只要有一定长度就不是一个处处为零的等电位点,地线不仅是必不可少的电路公共通道,又是产生干扰的一个渠道。

  一点接地是消除地线干扰的基本原则。所有电路、设备的地线都必须接到统一的接地点上,以该点作为电路、设备的零电位参考点(面)。一点接地分公用地线串联一点接地和独立地线并联一点接地。

  公用地线串联一点接地方式比较简单,各个电路接地引线比较短,其电阻相对小,这种接地方式常用于设备机柜中的接地。独立地线并联一点接地,只有一个物理点被定义为接地参考点,其他各个需要接地的点都直接接到这一点上,各电路的地电位只与本电路的地电流基地阻抗有关,不受其他电路的影响。

  具体布线时应注意以下几点:

  ⑴走线长度尽量短,以便使引线电感极小化。在低频电路中,因为所有电路的地电流流经公共的接地阻抗或接地平面,所以避免采用多点接地。

  ⑵公共地线应尽量布置在印制电路板边缘部分。电路板上应尽可能多保留铜箔做地线,可以增强屏蔽能力。

  ⑶双层板可以使用地线面,地线面的目的是提供一个低阻抗的地线。

  ⑷多层印制电路板中,可设置接地层,接地层设计成网状。地线网格的间距不能太大,因为地线的一个主要作用是提供信号回流路径,若网格的间距过大,会形成较大的信号环路面积。大环路面积会引起辐射和敏感度问题。另外,信号回流实际走环路面积小的路径,其他地线并不起作用。

  ⑸地线面能够使辐射的环路最小。

  印制线路板制作流程

  我们来看一下印刷电路板是如何制作的,以四层为例。四层PCB板制作过程:

  1.化学清洗—【ChemicalClean】

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  为得到良好质量的蚀刻图形,就要确保抗蚀层与基板表面牢固的结合,要求基板表面无氧化层、油污、灰尘、指印以及其他的污物。因此在涂布抗蚀层前首先要对板进行表面清洗并使铜箔表面达到一定的粗化层度。

  内层板材:开始做四层板,内层(第二层和第三层)是必须先做的。内层板材是由玻璃纤维和环氧树脂基复合在上下表面的铜薄板。

  2.裁板压膜—【CutSheetDryFilmLamination】

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  涂光刻胶:为了在内层板材作出我们需要的形状,我们首先在内层板材上贴上干膜(光刻胶,光致抗蚀剂)。干膜是由聚酯簿膜,光致抗蚀膜及聚乙烯保护膜三部分组成的。贴膜时,先从干膜上剥下聚乙烯保护膜,然后在加热加压的条件下将干膜粘贴在铜面上。

  3.曝光和显影-【ImageExpose】【ImageDevelop】

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  曝光:在紫外光的照射下,光引发剂吸收了光能分解成游离基,游离基再引发光聚合单体产生聚合交联反应,反应后形成不溶于稀碱溶液的高分子结构。聚合反应还要持续一段时间,为保证工艺的稳定性,曝光后不要立即撕去聚酯膜,应停留15分钟以上,以时聚合反应继续进行,显影前撕去聚酯膜。

  显影:感光膜中未曝光部分的活性基团与稀碱溶液反应生产可溶性物质而溶解下来,留下已感光交联固化的图形部分。

  4.蚀刻-【CopperEtch】

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  在挠性印制板或印制板的生产过程中,以化学反应方法将不要部分的铜箔予以去除,使之形成所需的回路图形,光刻胶下方的铜是被保留下来不受蚀刻的影响的。

  5.去膜,蚀后冲孔,AOI检查,氧化

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  StripResist】【PostEtchPunch】【AOIInspection】【Oxide】

  去膜的目的是清除蚀刻后板面留存的抗蚀层使下面的铜箔暴露出来。“膜渣”过滤以及废液回收则须妥善处理。如果去膜后的水洗能完全清洗干净,则可以考虑不做酸洗。板面清洗后最后要完全干燥,避免水份残留。

  6.叠板-保护膜胶片【Layupwithprepreg】

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  进压合机之前,需将各多层板使用原料准备好,以便叠板(Lay-up)作业。除已氧化处理之内层外,尚需保护膜胶片(Prepreg)-环氧树脂浸渍玻璃纤维。叠片的作用是按一定的次序将覆有保护膜的板子叠放以来并置于二层钢板之间。

  7.叠板-铜箔和真空层压

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  【Layupwithcopperfoil】【VacuumLaminationPress】

  铜箔-给目前的内层板材再在两侧都覆盖一层铜箔,然后进行多层加压(在固定的时间内需要测量温度和压力的挤压)完成后冷却到室温,剩下的就是一个多层合在一起的板材了。

  8.CNC钻孔【CNCDrill】

  在内层精确的条件下,数控钻孔根据模式钻孔。钻孔精度要求很高,以确保孔是在正确位置。

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  9.电镀-通孔【ElectrolessCopper】

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  为了使通孔能在各层之间导通(使孔壁上之非导体部份之树脂及玻纤束进行金属化),在孔中必须填充铜。第一步是在孔中镀薄薄一层铜,这个过程完全是化学反应。最终镀的铜厚为50英寸的百万分之一。

  10.裁板压膜【CutSheet】【DryFilmLamination】

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  涂光刻胶:我们有一次在外层涂光刻胶。

  11.曝光和显影-【ImageExpose】【ImageDevelop】

印制电路板基础知识点汇总_印制电路板制作过程

  外层曝光和显影

  12.线路电镀:【CopperPatternElectroPlating】

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  此次也成为二次镀铜,主要目的是加厚线路铜和通孔铜厚。

  13.电镀锡【TinPatternElectroPlating】

  其主要目的是蚀刻阻剂,保护其所覆盖的铜导体不会在碱性蚀铜时受到攻击(保护所有铜线路和通孔内部)。

  14.去膜【StripResist】

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  我们已经知道了目的,只需要用化学方法,表面的铜被暴露出来。

  15.蚀刻【CopperEtch】

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  我们知道了蚀刻的目的,镀锡部分保护了下面的铜箔。

  16.预硬化曝光显影上阻焊

  【LPIcoatingside1】【TackDry】【LPIcoatingside2】【TackDry】

  【ImageExpose】【ImageDevelop】【ThermalCureSoldermask】

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  阻焊层,是为了把焊盘露出来用的,也就是通常说的绿油层,实际上就是在绿油层上挖孔,把焊盘等不需要绿油盖住的地方露出来。适当清洗可以得到合适的表面特征。

  17.表面处理

  【Surfacefinish】

  》HASL,Silver,OSP,ENIG热风整平,沉银,有机保焊剂,化学镍金

  》TabGoldifany金手指

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  热风整平焊料涂覆HAL(俗称喷锡)过程是先把印制板上浸上助焊剂,随后在熔融焊料里浸涂,然后从两片风刀之间通过,用风刀中的热压缩空气把印制板上的多余焊料吹掉,同时排除金属孔内的多余焊料,从而得到一个光亮、平整、均匀的焊料涂层。

  金手指(GoldFinger,或称EdgeConnector)设计的目的,在于藉由connector连接器的插接作为板对外连络的出口,因此须要金手指制程。之所以选择金是因为它优越的导电度及抗氧化性。但因为金的成本极高所以只应用于金手指,局部镀或化学金。

 

  最后总结一下所有的过程:

  1) Inner Layer 内层

  》 Chemical Clean 化学清洗

  》 Cut Sheet Dry Film Lamination 裁板 压膜

  》 Image Expose 曝光

  》 Image Develop 显影

  》 Copper Etch 蚀铜

  》 Strip Resist 去膜

  》 Post Etch Punch 蚀后冲孔

  》 AOI Inspection AOI 检查

  》 Oxide 氧化

  》 Layup 叠板

  》 Vacuum Lamination Press 压合

  2) CNC Drilling 钻孔

  》 CNC Drilling 钻孔

  3) Outer Layer 外层

  》 Deburr 去毛刺

  》 Etch back - Desmear 除胶渣

  》 Electroless Copper 电镀-通孔

  》 Cut Sheet Dry Film Lamination 裁板 压膜

  》 Image Expose 曝光

  》 Image Develop 显影

  4) Plating 电镀

  》 Image Develop 显影

  》 Copper Pattern Electro Plating 二次镀铜

  》 Tin Pattern Electro Plating 镀锡

  》 Strip Resist 去膜

  》 Copper Etch 蚀铜

  》 Strip Tin 剥锡

  5) Solder Mask 阻焊

  》 Surface prep 前处理

  》 LPI coating side 1 印刷

  》 Tack Dry 预硬化

  》 LPI coating side 2 印刷

  》 Tack Dry 预硬化

  》 Image Expose 曝光

  》 Image Develop 显影

  》 Thermal Cure Soldermask 印阻焊

  6) Surface finish 表面处理

  》 HASL, Silver, OSP, ENIG 热风整平,沉银,有机保焊剂,化学镍金

  》 Tab Gold if any 金手指

  》 Legend 图例

  7) Profile 成型

  》 NC Routing or punch

  8) ET Testing, continuity and isolation

  9) QC Inspection

  》 Ionics 离子残余量测试

  》 100% Visual Inspection 目检

  》 Audit Sample Mechanical Inspection

  》 Pack & Shipping 包装及出货

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