印刷电路板

DVD播放器的印刷电路板
1984年Sinclair ZX频谱计算机板的一部分,印刷电路板,显示导电迹线,通往另一个表面的整个孔路径以及一些使用整个孔安装安装的电子组件

印刷电路板PCB ),也称为印刷布线板PWB ),是一种用于在电路中相互连接或“电线”组件的媒介。它采取了导电绝缘层的层压三明治结构的形式:每个导电层都采用迹线,平面和其他特征的艺术品图案(类似于平坦的表面上的电线),一个或多个纸层蚀刻铜层压到非导电基板的薄板层和/或之间。电气组件可以固定在旨在接受组件端子(通常是通过焊接)的形状的外层的导电垫上,以电气连接并机械地将它们固定在其上。另一个制造过程增加了VIA ,镀板的孔,可以在层之间进行互连。

印刷电路板几乎用于所有电子产品。 PCB的替代方案包括电线包装点对点构造,两者都曾经流行,但现在很少使用。 PCB需要额外的设计工作来布置电路,但是可以自动化制造和组装。电子设计自动化软件可用于进行大部分布局工作。与其他接线方法相比,使用PCB的质量生产电路更便宜,更快,因为一个操作将组件安装和连接。可以同时制造大量的PCB,并且布局只能完成一次。 PCB也可以用少量手动制造,收益降低。

PCB可以是单面(一个铜层),双面(一个基板两侧的两个铜层)或多层(铜的外层和内层,与底物层交替)。多层PCB允许更高的组件密度,因为内层的电路轨迹否则会占据组件之间的表面空间。具有两个以上的多层PCB的普及,尤其是四个以上的铜飞机与采用表面上的技术同时发生。但是,多层PCB会使电路的维修,分析和现场修饰更加困难,而且通常不切实际。

Bare PCB的世界市场在2014年超过602亿美元,到2024年估计将达到790亿美元。

历史

前任

在开发印刷电路板之前,在机箱上点对点电路和电子电路。通常,底盘是一个钣金框架或锅,有时是木质底部。组件连接到底盘上,通常是通过绝缘子连接到底盘上的金属时的绝缘体,然后通过焊接或有时使用压接连接,螺丝端子上的电线连接器或其他方法,直接连接其导线或与跳线电线连接。电路很大,笨重,沉重且相对易碎(甚至打折了经常包含在电路中的真空管的可损坏的玻璃信封),而且生产是劳动力密集的,因此产品昂贵。

现代印刷电路板中使用的方法的开发始于20世纪初。 1903年,一位德国发明家艾伯特·汉森(Albert Hanson)描述了扁平箔导体的多层层压板,层压板上覆盖在绝缘板上。托马斯·爱迪生(Thomas Edison)在1904年用化学方法将导体的化学方法镀到亚麻纸上。1913年,亚瑟·贝里(Arthur Berry)在英国获得了印刷和蚀刻方法的专利,在美国, Max Schoop获得了一项专利,从一个图案的面具。 1925年,查尔斯·杜卡斯(Charles Ducas)为电镀电路模式提供了专利。

约翰·萨尔格罗夫(John Sargrove )的1936 - 1947年电子电路制造设备(ECME)之前,印刷电路发明之前,精神上相似,将金属喷涂到了贝克利特塑料板上。 ECME每分钟可以生产三个无线电板。

早期的PCB

接近引信标记53生产线1944

奥地利工程师保罗·艾斯勒(Paul Eisler)在1936年左右在英国工作时发明了印刷电路,作为收音机的一部分。1941年,在德国磁性影响海军矿山中使用了多层印刷电路。

1943年左右,美国开始大规模使用这项技术,使第二次世界大战中使用该技术。这样的引信需要一个可以承受从枪支发射的电子电路,并且可以以数量生产。 Globe Union中央分部提交了一项满足要求的建议:将用金属涂料和电阻器的碳材料和碳材料进行屏幕打印,并配备陶瓷盘电容器和焊接的铸造真空管。该技术被证明是可行的,由美国陆军归类的该过程的由此产生的专利被分配给了Globe Union。直到1984年,电气与电子工程师研究所(IEEE)才授予哈里·W·鲁宾斯坦(Harry W.鲁宾斯坦(Rubinstein)于1984年由他的母校威斯康星大学麦迪逊分校(University-Madison)荣誉,因为他的印刷电子电路技术和电容器的制造技术创新。本发明也代表了集成电路技术开发的一步,因为不仅接线,而且在陶瓷基板上制造了被动组件。

战后发展

1948年,美国发布了商业用途的发明。直到1950年代中期,在美国陆军开发了自动调整过程之后,印刷电路才变得司空见惯。大约在英国,沿着类似线路的工作是由杰弗里·德默(Geoffrey Dummer)RRDE进行的。

摩托罗拉是将该过程带入消费电子产品的早期领导者,经过六年的研究和100万美元的投资,1952年8月在家庭收音机中采用了“镀金电路”。摩托罗拉很快就开始在其消费广告广告中使用其商标术语Placir。 Hallicrafters于1952年11月1日发布了其第一个“ Foto-etch”印刷电路产品Clock-Radio。

即使有电路板可用,至少在1960年代后期,点对点的底盘构造方法仍在行业中(例如电视和高保真电视机)中使用。引入了印刷电路板,以减少电路部分的大小,重量和成本。 1960年,可能会在一个电路板上建造一个小型消费广播接收器,但电视机可能包含一个或多个电路板。

最初,每个电子组件都有导线,并且PCB为每个组件的每个电线都钻了孔。然后将组件引线插入孔中,并焊接到铜PCB痕迹上。这种组装方法称为整孔结构。 1949年,美国陆军信号军的Moe Abramson和Stanislaus F. Danko开发了自动调制过程,其中组件铅被插入铜箔互连模式并倾斜。他们在1956年获得的专利被分配给美国陆军。随着板层压蚀刻技术的发展,该概念演变成当今使用的标准印刷电路板制造过程。可以通过将木板在波浪焊接机器中的涟漪或波浪中传递到熔融焊料上来自动进行焊接。但是,电线和孔效率低下,因为钻孔很昂贵,并且会消耗钻头,并且突出的电线被切断并丢弃。

从1980年代开始,越来越多地使用了小型的表面架零件,而不是整个孔组件。这导致了给定功能和较低的生产成本的董事会较小,但在维修故障板方面还有一些困难。

在1990年代,多层表面板的使用变得更加频繁。结果,将尺寸进一步最小化,并将柔性和刚性PCB纳入不同的设备。 1995年,PCB制造商开始使用微维亚技术生产高密度互连(HDI)PCB。

近期进展

3D打印的最新进展意味着PCB创建中有几种新技术。 3D打印电子(PES)可用于一层打印项目,随后可以用包含电子功能的液体墨水打印该项目。

HDI(高密度互连)技术允许在PCB上进行较密集的设计,因此在给定区域中具有更多的痕迹和/或组件的潜在较小的PCB。结果,组件之间的路径可以短。 HDI使用盲/掩埋的vias或包括微维亚斯的组合。使用多层HDI PCB,可以使几个堆叠在彼此上面的VIA(堆积的Vías,而不是一个被深埋的Via)的互连变得更强大,从而在所有条件下增强可靠性。 HDI技术最常见的应用是计算机和手机组件以及医疗设备和军事通信设备。 4层HDI Microvia PCB质量等效于8层孔PCB,因此HDI技术可以降低成本。

作品

PCB上手绘蚀刻痕迹的示例

基本的PCB由平坦的绝缘材料和一层铜箔组成,并覆盖在基板。化学蚀刻将铜划分为称为轨道或电路轨迹的单独导电线,连接垫,vias通过铜层之间的连接以及用于电磁屏蔽或其他目的的固体导电区域等特征。轨道的功能充当固定在适当的电线,并通过空气和板基板材料彼此隔热。 PCB的表面可能具有涂层,可保护铜免受腐蚀,并减少迹线之间的焊料短裤的机会或带有流浪裸线的不希望的电气接触。由于其在帮助防止焊接短裤的功能中,涂层称为抗焊料或焊料面具

将刻在PCB的每个铜层中的图案称为“艺术品”。蚀刻通常是使用覆盖在PCB上的光孔进行的,然后暴露在艺术品模式下投射的光。抗物材料可保护铜免受蚀刻溶液的溶解。然后清洁蚀刻板。 PCB设计可以以类似于可以使用摄影打印机胶片负质量质量的方式进行质量生产。

FR-4玻璃环氧树脂是最常见的绝缘底物。另一种底物材料是用酚醛树脂浸渍的棉纸,通常是棕褐色或棕色。

当PCB没有安装组件时,它不太模棱两可地称为印刷布线板PWB )或蚀刻布线板。但是,“印刷布线板”一词已被废弃。带有电子组件的PCB称为印刷电路组件PCA ),印刷电路板组件PCB组件PCBA )。在非正式使用情况下,“印刷电路板”一词最常见的是“印刷电路组件”(带有组件)。组装板的IPC首选术语是电路卡组件CCA ),对于组装后平台,它是背板组件。 “卡”是“印刷电路组件”的另一个广泛使用的非正式术语。例如,扩展卡

PCB可以用传奇打印,以识别组件,测试点或识别文本。最初,将丝网印刷用于此目的,但如今,通常使用其他优质的印刷方法。通常,传说不会影响PCBA的功能。

印刷电路板可以具有多层铜,几乎总是成对排列。它们之间设计的层数和互连(VIA,PTHS)提供了板复杂性的一般估计。使用更多的层可以提供更多的路由选项,并更好地控制信号完整性,但也耗时且制造成本高昂。同样,板的VIA选择还允许对板尺寸进行微调,逃脱了复杂IC的信号,路由和长期可靠性,但与生产的复杂性和成本紧密相结合。

最简单的板之一是两层板。它的两侧都有铜,称为外层。多层板将铜和绝缘的其他内部层夹。在两层PCB之后,下一步是四层。与两层板相比,四层板在内部层中增加了更多的路由选项,并且通常将内部层的某些部分用作接地平面或功率平面,以实现更好的信号完整性,较高的信号频率,较低的EMI,和更好的电源解耦。

在多层板中,材料层在交替的三明治中层压在一起:铜,底物,铜,底物,铜等;蚀刻每个铜的平面,并且在将层层压在一起之前,任何内部VIA(不会延伸到成品多层板的两个外表面)都是板条的。只有外层需要覆盖;内铜层受到相邻的底物层的保护。

组件安装

整孔(铅)电阻
安装在1980年代中期Commodore 64家用计算机的电路板上的整孔设备
一盒钻头,用于在印刷电路板上制作孔。虽然碳化钨碎的碎片非常困难,但它们最终会磨损或破裂。钻孔是整孔印刷电路板成本的相当一部分。
表面安装组件,包括电阻器,晶体管和集成电路
计算机鼠标中的PCB:组件侧(左)和印刷侧(右)

“通过孔”组件是通过通过木板的电线导线安装的,并焊接到另一侧的痕迹。 “表面安装”组件由它们的导线连接到木板同一侧的铜痕迹。板可以使用两种方法来安装组件。现在,只有整孔组件的PCB现在很少见。表面安装用于晶体管二极管IC芯片电阻器和电容器。可以将整孔安装用于某些大型组件,例如电容器和连接器。

第一个使用整孔技术的PCB通过插入板上一侧的孔插入并焊接到另一侧的铜痕迹上的铅来安装电子组件。板可以是单面的,具有未镀的组件侧,或更紧凑的双面板,两侧都焊接了组件。通过沿着同一方向弯曲导线90度,在板上插入(通常位于弯曲的导线),可以完成具有两个轴向导线(例如电阻器,电容器和二极管)的水平安装(例如电阻,电容器和二极管) (例如电阻,电容器和二极管)朝相反的方向板上,以提高零件的机械强度),焊接线索并修剪末端。线索可以手动焊接或通过波浪焊机焊接。整个孔制造可以通过需要精确钻取许多孔来增加董事会成本,并且它限制了多层板上顶层下层下方的信号迹线的可用路由区域,因为这些孔必须穿过所有图层,对面。一旦使用表面安装,在可能的情况下使用了小型SMD组件,仅由于功率要求或机械限制而导致的表面安装不足,或受到机械压力,可能会损害PCB (例如,将铜从板表面提起)。

地表式技术在1960年代出现,在1980年代初获得了动力,并于1990年代中期广泛使用。将组件机械重新设计为具有小的金属片或端盖,这些帽子可以直接焊接到PCB表面上,而不是电线导线通过孔。组件变得小得多,并且在板两侧的组件放置比整孔安装变得更加普遍,从而使较小的PCB组件具有更高的电路密度。与整孔电路板相比,表面上的安装非常适合高度自动化,降低人工成本和大大提高生产率。可以将组件安装在载磁带上。表面安装的组件可能是整个孔组件的大小和重量的十分之一到四分之一,而被动组件便宜得多。但是,半导体表面上的安装设备(SMD)的价格比包装比包装更大,比大包装的价格优势较小,而某些电线式组件(例如1N4148小信号开关二极管)实际上更便宜比SMD等效物。

电性能

每个痕迹由蚀刻后保留的铜箔的平坦,狭窄的部分组成。它的电阻由宽度,厚度和长度确定,对于电流所携带的电流必须足够低。功率和接地迹线可能比信号迹线更宽。在多层板中,一层整层可能主要是固体铜,可以充当屏蔽和电源返回的接地平面。对于微波电路,可以以平面形式(例如带状线微带尺寸)的平面形式布置传输线,以确保一致的阻抗。在射频和快速开关电路中,印刷电路板导体的电感电容通常成为重要的电路元件,通常是不需要的;相反,它们可以用作电路设计的故意部分,例如在分布式元素过滤器触角保险丝中,可以消除需要其他离散组件的需求。高密度互连(HDI)PCB具有宽度或直径为152微米的轨道和/或VIA。

材料

层压板

层压板是通过在压力和热量下用热固性树脂的布或纸的固定层制造的,形成了不可或缺的最后一块均匀的厚度。它们的宽度和长度最高可达4 x 8英尺(1.2 x 2.4 m)。不同的布编织(每英寸或厘米螺纹),布厚度和树脂百分比用于实现所需的最终厚度和介电特性。 ANSI/IPC-D-275中列出了可用的标准层压板厚度。

所用的布或纤维材料,树脂材料以及布与树脂比决定了层压板的类型名称(FR-4, CEM -1, G-10等),因此产生了层压板的特性。重要特征是层压板阻燃的水平,介电常数(E R ),损耗切线(TANδ),拉伸强度剪切强度玻璃过渡温度(T G )和Z-轴膨胀系数(厚度随温度变化多少)。

可以选择许多不同的介电以根据电路的要求提供不同的绝缘值。其中一些是聚氟乙烯(Teflon),FR-4,FR-1,CEM-1或CEM-3。 PCB行业中使用的众所周知的预备材料是FR-2 (酚类棉纸),FR-3(棉纸和环氧树脂), FR-4 (Woven Glass and Epoxy),FR-5(Woven Glass and Epoxy ) ,FR-6(磨砂玻璃和聚酯纤维), G-10 (织玻璃和环氧树脂),CEM-1(棉花纸和环氧树脂),CEM-2(棉纸和环氧树脂), CEM-3(非编织玻璃环氧树脂),CEM-4(编织玻璃和环氧树脂),CEM-5(编织玻璃和聚酯纤维)。热膨胀是一个重要的考虑因素,尤其是在球网阵列(BGA)和裸模技术的情况下,玻璃纤维提供了最佳的尺寸稳定性。

FR-4是迄今为止使用的最常见材料。董事会上有未饲养的铜的库存称为“层层层压板”。

随着板特征的尺寸减小和频率的增加,小的非均匀性(例如玻璃纤维或其他填充剂的分布不平均分布),树脂基质中的厚度变化和气泡,以及介质常数的相关局部变化,变得很重要。

钥匙基板参数

电路板基板通常是介电复合材料。复合材料包含矩阵(通常是环氧树脂)和增强材料(通常是编织,有时是无织布的,玻璃纤维,有时甚至是纸),在某些情况下,将填充剂添加到树脂中(例如,可以使用陶瓷;泰坦尼酸酯陶瓷可以使用增加介电常数)。

加固类型定义了两种主要的材料类别:编织和非编织。编织的钢筋便宜,但是玻璃的高介电常数可能不利于许多高频应用。由于在编织模式的不同区域的树脂/玻璃比不同,因此在空间上非均匀结构还引入了电参数的局部变化。非织造增援部队或钢筋低或没有钢筋的材料更昂贵,但更适合某些RF/模拟应用。

底物的特征是多个关键参数,主要是热力学(玻璃过渡温度拉伸强度剪切强度热膨胀),电气(电介质常数损耗切线介电击穿电压泄漏电流,跟踪电阻.. .等等)等) (例如吸收水分)。

玻璃过渡温度下,复合材料中的树脂会变软并显著增加热膨胀。然后,超过T g会在板组件上施加机械超负荷 - 例如关节和VIA。在T g下方,树脂的热膨胀大致与铜和玻璃匹配,上面的铜和玻璃会明显更高。随着钢筋和铜沿着飞机的局限,几乎所有体积扩展都会延伸到厚度,并强调板状的孔。重复焊接或其他对较高温度的博览会可能会导致电镀故障,尤其是在较厚的板上;因此,厚的板需要具有高t g的矩阵。

所使用的材料决定了基板的介电常数。该常数也取决于频率,通常会随频率降低。由于该常数决定了信号传播速度,因此频率依赖性在宽带应用中引入相失真。如可实现的介电常数与频率特性一样,这里很重要。传输线的阻抗随频率降低,因此信号的更快的边缘反映了较慢的边缘。

电介质故障电压确定材料在击穿(通过介电)发生故障之前可能会遭受的最大电压梯度。

跟踪电阻决定了材料如何抵抗高压电气放电在板表面上爬行的高电压。

损耗切线确定来自导体中信号的电磁能量有多少,在板材料中吸收。该因素对于高频很重要。低损坏材料更昂贵。选择不必要的低损失材料是高频数字设计中的常见工程错误;它增加了董事会的成本而没有相应的收益。损耗切线和介电常数的信号降解可以通过眼睛模式轻松评估。

当材料暴露于高湿度或水时,就会发生吸收水分。树脂和钢筋都可以吸收水。毛细管也可以通过材料中的空隙和沿钢筋浸泡水。 FR-4材料的环氧树脂不太易感,吸收仅为0.15%。特氟龙的吸收非常低0.01%。另一侧的聚酰亚胺和氰酸酯会受到高吸收的高度。吸收的水会导致关键参数的显著降解;它会损害跟踪电阻,故障电压和介电参数。水的相对介电常数约为73,而普通电路板材料约为4。吸收的水分也会像焊接过程中一样在加热时蒸发,并引起破裂和分层,同样的效果,造成对电子零件湿包装的“爆炸”损害。在焊接之前,可能需要仔细烘烤基材才能干燥它们。

常见的底物

经常遇到材料:

  • FR-2酚类纸或酚棉纸,用甲醇甲醛树脂浸渍。具有单面板的消费电子产品中常见。电特性低于FR-4。电弧抗性不佳。通常额定为105°C。
  • FR-4 ,浸有环氧树脂的编织玻璃纤维布。低水吸收(高达约0.15%),良好的绝缘特性,良好的弧电阻。很常见。有几个具有不同特性的成绩。通常额定为130°C。
  • 金属芯板绝缘金属基板(IMS),带有热导电薄电介质 - 用于需要大量冷却的零件 - 电源开关,LED。通常基于EG FR-4的通常单层,有时是双层薄电路板组成,在铝板金属上层压,通常为0.8、1、1.5、2或3 mm。较厚的层压板有时还带有较厚的铜金属化。
  • 柔性底物- 可以是独立的铜箔,也可以层压到薄加劲肋,例如50-130 µm
    • KaptonUpilex聚酰亚胺箔。用于柔性印刷电路,以这种形式以小型的因素消费电子设备或灵活的互连为常见。对高温有抵抗力。
    • Pyralux,一种聚酰亚胺 - 氟聚合物复合箔。在焊接过程中,铜层可以分层。

不太经常遇到的材料:

  • FR-1,例如FR-2,通常指定为105°C,一些等级为130°C。室温可打孔。类似于纸板。耐水性差。低弧电阻。
  • FR-3,棉纸浸渍了环氧树脂。通常额定为105°C。
  • FR-5,编织玻璃纤维和环氧树脂,高温下高强度,通常指定为170°C。
  • FR-6,磨砂玻璃和聚酯
  • G -10 ,编织玻璃和环氧树脂 - 高绝缘耐药性,低水分吸收,粘结强度很高。通常额定为130°C。
  • G -11,编织的玻璃和环氧树脂 - 对溶剂的高电阻,高温下高弯曲强度的保留。通常额定为170°C。
  • CEM-1,棉纸和环氧树脂
  • CEM-2,棉纸和环氧树脂
  • CEM-3,非织造玻璃和环氧树脂
  • CEM-4,编织玻璃和环氧树脂
  • CEM-5,编织玻璃和聚酯
  • PTFE ,(“ Teflon”) - 昂贵,低介电损失,对于高频应用,水分吸收非常低(0.01%),机械柔软。很难层压,很少在多层应用中使用。
  • PTFE,陶瓷填充 - 高频应用的昂贵,低介电损耗。不同的陶瓷/PTFE比率可以调节介电常数和热膨胀。
  • RF-35,玻璃纤维增​​强陶瓷填充的PTFE。相对便宜,机械性能良好,高频性能。
  • 氧化铝,陶瓷。硬,脆弱,非常昂贵,性能非常高,导热率良好。
  • 聚酰亚胺,高温聚合物。昂贵,高性能。吸水率较高(0.4%)。从低温温度到超过260°C。

铜厚度

可以直接指定PCB的铜厚度,也可以作为每个面积的铜重量(每平方英尺),这更容易测量。每平方英尺1盎司为1.344 mils或34微米的厚度。重铜是一层超过三盎司的铜,每英尺2 ,约为0.0042英寸(42 mils,105μm)厚。重铜层用于高电流或帮助散热。

在常见的FR-4底物上,每英尺2 (35 µm)的1盎司铜是最常见的厚度。 2盎司(70 µm)和0.5盎司(17.5 µm)厚度通常是一种选择。较不常见的是12和105 µm,有时在某些底物上可用9 µm。柔性底物通常具有较薄的金属化。高功率设备的金属核板通常使用较厚的铜;通常遇到35 µm,但也可以遇到140和400 µm。

在美国,铜箔厚度以每平方英尺(oz/ft 2 )为单位(通常称为盎司)指定。常见厚度为1/2 oz/ft 2 (150 g/m 2 ),1盎司/ft 2 (300 g/m 2 ),2 oz/ft 2 (600 g/m 2 )和3 oz/ft 2 ( 900 g/m 2 )。这些孔分别为17.05μm(0.67 th ),34.1μm(1.34 th ou ),68.2μm(2.68 th ou)和102.3μm(4.02)的厚度。

盎司/ft 2g/m 2μm
1/2盎司/ft 2150 g/m 217.05μm0.67你
1盎司/英尺2300 g/m 234.1μm1.34你
2盎司/英尺2600 g/m 268.2μm2.68你
3盎司/英尺2900 g/m 2102.3μm4.02你

1/2盎司/ft 2箔不被广泛用作成品铜重,但在通过孔进行电镀时用于外层,将增加成品的铜重,某些PCB制造商指的是1 oz/ft 2 2铜箔35μm的厚度(也可以称为35μ、35微米或35 MIC)。

  • 1/0 - 表示1盎司/ft 2铜一侧,另一侧没有铜。
  • 1/1 - 表示两侧的1盎司/ft 2铜。
  • H/0或H/H - 分别表示一个或两侧的0.5盎司/ft 2铜。
  • 2/0或2/2 - 分别在一个或两侧表示2盎司/ft 2铜。

建造

设计

1967年设计的董事会;痕迹中的清晰曲线是使用胶带徒手设计的证据

制造业从计算机辅助设计和组件信息生成的制造数据开始。将制造数据读取到CAM(计算机辅助制造)软件中。 CAM执行以下功能:

  1. 制造数据的输入。
  2. 验证数据
  3. 赔偿制造过程中的偏差(例如,缩放以补偿层压过程中的扭曲)
  4. 小组化
  5. 数字工具的输出(铜模式,钻头文件,检查等)

最初,PCB是通过在透明的聚酯薄板上(通常是真实尺寸的两到四倍)来手动设计的。从示意图开始,将组件引脚垫布置在聚酯薄膜上,然后路由痕迹连接垫子。通用组件足迹的摩擦干式传输提高了效率。痕迹是用自粘胶带制成的。在聚酯薄膜上的预先打印的非复制网格有助于布局。在空白板上的光孔涂层上,将成品的光掩模复制到光层涂层上。

PCB作为计算机上的设计(左),并将其视为带有组件(右)的板组件。板是双面的,带有整孔板,绿色焊料抗性和白色传奇。已经使用了表面安装和整孔组件。

现代PCB设计使用专用布局软件,通常在以下步骤中:

  1. 通过电子设计自动化EDA )工具捕获示意图
  2. 卡尺寸和模板是根据PCB的所需电路和外壳决定的。
  3. 确定组件和散热器的位置。
  4. 决定PCB的层堆栈,根据复杂性,有一到数十层。确定地面动力飞机。动力平面是与接地平面的对应物,并作为交流信号接地行为,同时为安装在PCB上的电路提供直流电源。信号互连在信号平面上追溯。信号平面可以在外层和内层上。为了获得最佳的EMI性能,高频信号在电源或接地平面之间的内部层中进行路由。
  5. 使用介电层厚度,路由铜厚度和痕量宽度确定线阻抗。如果有差异信号,也考虑了痕量分离。微带条纹或双条线可用于路由信号。
  6. 放置组件。考虑热考虑和几何形状。 VIA和土地被标记。
  7. 信号迹线路由。电子设计自动化工具通常会自动创建电源和接地平面的间隙和连接。
  8. 制造数据由一组Gerber文件,一个钻头文件和一个选择文件组成。

小组化

可以将几个小的打印电路板分组为处理作为面板。由设计重复的N -Times组成的面板也称为n -panel,而多面板将几种不同的设计结合在单个面板上。外部工具条通常包括工具孔,一组面板基准测试优惠券,并且可能包括孵化的铜倒入或类似的图案,即使在整个面板上进行铜分配,以避免弯曲。汇编器通常将组件安装在面板上,而不是单个PCB上,因为这是有效的。对于将板放置在板边缘附近的板子也可能需要镶板,因为否则在组装过程中无法安装板。大多数组装店都需要在板周围至少10毫米的免费区域。

depaneling

最终,面板通过铣削或切割将面板沿着穿孔或凹槽分解成单个PCB。对于铣削面板,单个板之间的常见距离为2-3毫米。如今,depaneling通常是由激光器完成的,这些激光器削减了没有接触的板。激光depanering减轻了对脆弱电路的压力,从而提高了无缺陷单位的产量。

铜图案

第一步是在铜箔PCB层上的保护罩上复制制造商凸轮系统中的图案。随后的蚀刻将面膜不受保护的不需要的铜去除不需要的铜。 (或者,可以将导电墨水射入空白(非导电)板上。该技术也用于混合电路的制造中。)

  1. 丝绸丝网印刷使用耐蚀刻油墨来制作保护性面膜。
  2. PhotoNgraving使用光震和开发人员有选择地去除对紫外线敏感的光片涂层,从而创建一个光孔掩模,以保护其下方的铜。直接成像技术有时用于高分辨率要求。实验是用热抵抗进行的。可以使用激光代替光掩膜。这被称为无膜光刻或直接成像。
  3. PCB铣削使用两轴或三轴机械铣削系统将铜箔从基板上铣削出来。 PCB铣床(称为“ PCB Prototyper”)以与绘图仪相似的方式运行,从主机软件接收命令,该命令控制X,Y和(如果相关)Z Axis的铣削头的位置。
  4. 激光抵抗消融黑色油漆在铜层层压板上,放入CNC激光绘图仪中。激光栅格扫描PCB并消融(蒸发)无需抗拒的油漆。 (注意:激光铜消融很少使用,被认为是实验性的。)
  5. 激光蚀刻铜可以通过CNC激光直接去除。就像上面的PCB铣削一样,这主要用于原型制作。
  6. EDM蚀刻使用电气放电从浸入介电液中的基材上去除金属

所选的方法取决于要生产的董事会数量和所需的分辨率。

大容量
  • 丝网印刷 - 用于具有更大功能的PCB
  • 摄影 - 当需要更精细的功能时使用
小体积
  • 打印到透明的胶片上,并用作照片面膜以及光敏的板,然后用作蚀刻。 (或者,使用薄膜照相机)
  • 激光抵抗消融
  • PCB铣削
  • 激光蚀刻
业余爱好者
  • 激光打印的抗性:激光印刷在碳粉转移纸上,用铁或改良的层层板器进行热转移到裸层压板上,浸入水浴中,用标记物修饰,然后蚀刻。
  • 乙烯基膜和抗性,不可清洗的标记,其他一些方法。劳动密集型,仅适用於单板。

蚀刻

PCB铜电镀线在模式镀铜过程中
PCB在镀铜的过程中(请注意蓝色干膜抗)
两种处理方法用于生产带有板孔的双面PWB

在该过程的减法方法之后,将铜痕迹应用于表面的过程被称为蚀刻,尽管也有加性和半添加方法。

减法方法从完全涂层的板上取出铜,以仅留下所需的铜图案。最简单的方法是用于小规模生产的,通常是业余爱好者,是浸入蚀刻的方法,其中将板浸入蚀刻溶液(例如氯化铁)中。与用于质量生产的方法相比,蚀刻时间很长。热量和搅拌可以应用于浴缸以加快蚀刻速度。在气泡蚀刻中,空气通过蚀变浴,以搅拌溶液并加快蚀刻速度。飞溅蚀刻使用电动机驱动的桨与Etchant的飞溅板。该过程在商业上已经过时了,因为它不如喷雾蚀刻快。在喷雾蚀刻中,蚀刻溶液由喷嘴分布在板上,并由泵循环。调整喷嘴模式,流速,温度和蚀刻成分可预测地控制蚀刻率和高产量。随着更多的铜从董事会消耗,蚀刻师变得饱和且效率降低。不同的蚀刻剂具有不同的铜能力,其中有些溶液高达150克铜。在商业用途中,可以将蚀刻剂再生以恢复其活性,并且溶解的铜回收和出售。小规模蚀刻需要注意处理用过的蚀刻剂,由于其金属含量而具有腐蚀性和毒性。蚀刻师在所有不受抵抗保护的表面上去除铜。当耐能型铜的薄边缘在抵抗下的铜边缘时,就会发生“底切”。这可以减少导体宽度并引起开路。需要仔细控制蚀刻时间以防止弯曲。如果将金属电镀用作抵抗,则可以“悬垂”,在距离紧密间隔时可能会导致相邻迹线之间的短路。蚀刻后,可以通过将木板刷子擦除悬垂。

在加性方法中,使用复杂的过程将图案电镀到裸子基板上。添加剂方法的优点是需要更少的材料,而产生的废物却少。在完整的添加剂过程中,裸露的层压板上覆盖着一部光敏膜,该膜成像(通过口罩暴露在光线下,然后开发出来,从而去除了未曝光的膜)。裸露的区域在化学浴中敏感,通常包含钯,类似于通过孔镀层的钯,这使得裸露的区域能够粘合金属离子。然后将层压板用铜在敏化区域中。剥去面具后,PCB完成。

半添加过程是最常见的过程:不公平的板上已经有一层薄薄的铜层。然后施加反向掩码。 (与减法过程面具不同,此掩膜暴露了最终将成为痕迹的基材的那些部分。)然后将额外的铜铺在未掩盖区域的板上;铜可以将其镀至任何所需的重量。然后施加锡导管或其他表面塑料。面罩被剥去,简短的蚀刻步骤可以从木板上取下现已暴露的裸露的原始铜层压板,从而隔离了各个痕迹。以这种方式制作了一些具有镀孔孔的单面板。 1960年代后期,通用电气制造的消费者收音机使用加法板。 (半)添加剂过程通常用于多层板,因为它有助于通过孔在电路板上产生导电性vias电镀

工业蚀刻通常是用硫酸铵氯化铁完成的。对于PTH(板孔),在钻孔后完成电气沉积的其他步骤,然后对铜进行电镀铜以建立厚度,筛选板,并用锡/铅镀锡。锡/铅变成了抵抗,使裸露的铜被蚀刻了。

层压

切穿SDRAM模块,一个多层PCB(安装BGA )。请注意, Via可见为明亮的铜色带,在板的顶部和底层之间延伸。

多层打印电路板在板内有微量层。这是通过在压力和热量一段时间内施加压力和热量将一堆材料层压来实现的。这导致了不可分割的一件产品。例如,可以通过从双面覆盖的层压板开始,蚀刻两侧的电路,然后层压到顶部和底部的预备和铜箔,从而制造四层PCB。然后将其钻孔,镀板和蚀刻,以在顶部和底层上获得痕迹。

内部层在层压前进行完整的机器检查,因为之后无法纠正错误。自动光学检查(AOI)机器将板的图像与原始设计数据产生的数字图像进行了比较。自动化光塑料(AOS)机器然后可以使用激光添加缺失的铜或去除多余的铜,从而减少必须丢弃的PCB数量。 PCB轨道的宽度仅为10微米。

钻孔

孔眼(空心)

通过PCB的孔通常用涂有碳化钨的钻头钻孔。由于板材料是磨料,因此使用了涂层的碳化钨。高速钢的钻头会很快枯萎,撕裂铜并破坏了木板。钻孔是使用计算机控制的钻机来完成的,该钻机使用钻头文件Excellon文件来描述每个钻孔的位置和大小。

vias

可以通过电镀或插入空心金属孔眼来连接板层,可以通过电镀或插入空心金属孔。一些导电孔旨在插入整孔组件导线。其他用于连接板层的其他人称为VIA

微vias

当需要直径小于76.2微米的VIA时,由于磨损和破裂速率高,用机械钻头进行钻孔是不可能的。在这种情况下,可以对激光进行激光钻孔-激光蒸发。激光钻孔的VIA通常在孔内部表面下方。这些孔称为微型vias ,直径为小至10微米。

盲和埋葬

在层压之前,通过受控的深度钻孔,激光钻孔或预滴PCB的各个板,也可以产生仅连接一些铜层的孔,而不是通过整个木板,也可以通过对PCB的单个板进行预滴。当这些孔连接两个或多个内部铜层并且没有外层时,这些孔将内部铜层连接到外层时称为盲肠。激光钻机可以每秒钻成千上万个孔,并且可以使用UV或CO 2激光器。

具有两个或多层层的木板的孔墙可以进行导电,然后用铜进行电镀以形成板状孔。这些孔电气连接PCB的导电层。

涂抹

对于多层板,具有三层或更多层的板通常会在层压板系统中产生粘合剂的高温分解产物的涂片。在可以通过孔铺设孔之前,必须通过化学隔离过程或血浆蚀刻来清除此涂片。隔离过程可确保在孔通过孔时与铜层建立良好的连接。在高可靠性板上,一种称为Etch-back的工艺是用基于高锰酸钾的蚀刻剂或等离子体蚀刻的化学执行的。蚀刻折叠去除树脂和玻璃纤维,使铜层延伸到孔中,并且随着孔的铺路,将铜层与沉积的铜延伸。

电镀和涂层

适当的电镀或表面表面选择对于过程产量,返工量,现场故障率和可靠性至关重要。

PCB可以用焊接焊接焊料,锡或黄金。

蚀刻PCB并用水冲洗后,涂上焊料面膜,然后将裸露的铜涂有焊料,镍/金或其他一些抗腐蚀涂层。

哑光焊料通常被融合为裸铜提供更好的粘结表面。治疗,例如苯并咪唑硫醇,可防止裸铜的表面氧化。通常将安装组件的位置镀板,因为未处理的裸铜会很快氧化,因此不容易销售。传统上,任何裸露的铜都涂有热空气(焊料)平整(Hasl又名HAL)的焊料。 HASL饰面可防止氧化底层铜,从而确保可卖的表面。该焊料是一种-合金,但是现在使用新的焊料化合物来符合欧盟的ROHS指令,这限制了铅的使用。这些无铅化合物之一是SN100CL,由99.3%的锡,0.7%的铜,0.05%的镍和60 ppm锗的名义组成。

使用与PCB和所使用的零件兼容焊料很重要。一个例子是使用锡铅焊球(BGA)的球网阵列(BGA),以在裸露的铜痕迹上失去球或使用无铅焊料的连接。

其他使用的平台是有机焊具有防腐剂(OSP),浸入银(IAG),浸入式锡(ISN),电镍浸入式金(ENIG)涂层,电气镍电钯浸泡金(Enepig)和直接金镀金(超过镍) 。沿某些板的一个边缘放置的边缘连接器通常被镀镍,然后使用ENIG镀金。另一个涂料考虑因素是将涂料金属迅速扩散到锡焊中。 TIN形成溶解在液体液体或固体(在50°C下),剥离表面涂层或离开空隙的锡液中的Cu 6 Sn 5和Ag 3 Cu等金属间。

电化学迁移(ECM)是在直流电压偏置的影响下在印刷电路板(PCB)上或在印刷电路板(PCB)中的生长。已知银,锌和铝在电场的影响下生长晶须。银还会在卤化物和其他离子存在下生长进行表面路径,从而使其成为使用电子产品的糟糕选择。锡将由于板表面的张力而生长“晶须”。锡导管或焊料镀料也会生长晶须,仅通过减少锡的百分比而降低。将熔化焊料或锡板的回流以减轻表面应力降低晶须的发生率。另一个涂料问题是锡生物,在低温下将锡转化为粉状同素。

抵抗焊接应用

带有红色焊料和白色丝网印刷的PCB
带有绿色焊料面膜和黄色丝网印刷的PCB

不应焊接的区域可以用焊料(焊料面具)覆盖。焊料面膜是使PCB具有特征性绿色的原因,尽管它也有其他几种颜色,例如红色,蓝色,紫色,黄色,黑色和白色。当今使用的最常见的焊料之一被称为“ LPI”(液态摄影焊料面膜)。将光敏涂层应用于PWB的表面,然后通过焊料蒙版映像膜暴露在光线上,最后开发在未曝光区域被冲走的地方。干薄膜焊料面膜类似于用于对PWB进行镀膜或蚀刻的干膜。被层压到PWB表面后,它被成像并开发为LPI。曾经但由于其精度低和分辨率而不再常用,是筛选环氧墨水。除了排斥焊料外,焊料抗性还提供了从环境中的保护,否则将暴露于铜。

传奇 /丝网印刷

通常在PCB的一个或两侧印刷传说(也称为丝线丝网印刷)。它包含组件指定器,开关设置,测试点和其他指示,有助于组装,测试,维修,有时使用电路板。

有三种打印传说的方法:

  1. 丝网印刷环氧墨水是已建立的方法,导致了替代名称。
  2. 液体照片成像是一种比丝网印刷更准确的方法。
  3. 墨水喷射打印越来越多地使用。墨水可以打印每个PWB单元所特有的可变数据,例如文本或带有序列号的条形码

裸板测试

没有安装组件的板通常对“短裤”和“打开”进行裸板测试。这称为电测试PCB E检验。简短是不应连接的两个点之间的连接。开放是应该连接的点之间缺少的连接。对于大量生产,刚性针适配器中的“指甲床”之类的固定装置与板上的铜​​土地接触。固定装置或适配器是一项巨大的固定成本,此方法仅对于大容量或高价值生产而言是经济的。对于中小型或中型生产,使用飞行探针测试仪,在XY驱动器上移动测试探针以与铜土地接触。不需要固定装置,因此固定成本要低得多。 CAM系统指示电气测试仪根据需要将电压施加到每个接触点的电压,并检查该电压是否出现在适当的接触点上,仅在这些接触点上出现。

集会

测试点的PCB

在组装中,裸板被带有电子组件(或“填充”),以形成功能性打印电路组件(PCA),有时称为“印刷电路板组件”(PCBA)。在整个孔技术中,组件导线插入被导电所包围的孔中。孔将组件保持在适当的位置。在表面安装技术(SMT)中,将组件放置在PCB上,以使销钉与PCB表面上的导电土地对齐;以前应用于垫子的焊料糊暂时将组件固定在适当的位置;如果将表面安装的组件应用于板的两侧,则将底部的组件粘在板上。在通过孔和表面安装座中,将组件焊接;一旦冷却并固化,焊料将将组件永久固定在适当的位置,并将其电气连接到板上。

有多种用于将组件连接到PCB的焊接技术。大量生产通常是通过拾取机器和散装波浪焊接用于整孔零件的散装波焊的,或用于SMT组件和/或整个孔零件的反流烤箱,但是熟练的技术人员可以将零件换成非常小的零件(例如,在显微镜下,在显微镜下,使用镊子和微调焊接铁,用于少量原型的0201包装。选择性焊接可用于精致的零件。某些SMT零件不能用手焊接,例如BGA包装。所有的整孔组件都可以手工焊接,使其对原型制作很喜欢,在大小,重量以及在大量生产中使用的确切组件的使用并不关心。

通常,由于某些所需的组件仅在表面安装套件中可用,而另一些则仅在整个孔包装中可用,因此必须将整孔和表面安装的结构组合在一起。或者,即使所有组件都在整个孔包中可用,也可能希望利用通过使用一些可用的表面安装设备获得的尺寸,重量和成本降低。使用两种方法的另一个原因是,整孔安装可以为可能承受身体压力的组件提供所需的强度(例如经常交配和拆除的连接器,或者连接到预期向PCB和Connector施加重大压力的电缆界面),而预期不受欢迎的组件将使用表面安装技术占用更少的空间。有关进一步比较,请参见SMT页面

董事会填充后,可能会以多种方式进行测试:

为了促进这些测试,PCB可以使用额外的垫子设计以建立临时连接。有时,这些垫必须用电阻隔离。电路测试还可以运动某些组件的边界扫描测试特征。电路测试系统也可用于编程板上的非易失性内存组件。

在边界扫描测试中,测试电路集成到板上的各种IC中,形成了PCB迹线之间的临时连接,以测试IC正确安装正确。边界扫描测试要求所有要测试的IC都使用标准测试配置程序,最常见的是联合测试行动组( JTAG )标准。 JTAG测试体系结构提供了一种方法,可以通过使用ICS中的电路将IC本身作为测试探针使用ICS中的电路来测试板上集成电路之间的互连。 JTAG工具供应商提供了各种类型的刺激和复杂算法,不仅是为了检测失败的网络,还可以将故障隔离到特定的网,设备和引脚。

当董事会失败时,技术人员可能会去焊接并替换失败的组件,该任务称为返工

保护和包装

用于极端环境的PCB通常具有共形涂层,该涂层是通过焊接组件后通过浸入或喷涂来应用的。涂层可防止腐蚀和泄漏电流或由于凝结而导致的短路。最早的保形外套是。现代的保形外套通常是矽橡胶,聚氨酯,丙烯酸或环氧树脂的稀溶液。施加共形涂层的另一种技术是使塑料被溅射到真空室中的PCB上。共形涂料的主要缺点是董事会的维修非常困难。

许多组装的PCB对静态敏感,因此必须将它们放在运输过程中的抗静态袋中。处理这些板时,用户必须接地(接地) 。处理技术不当可能会通过板通过董事会传输累积的静态电荷,破坏或破坏组件。损坏可能不会立即影响功能,但可能会导致稍后的早期失败,导致间歇性的操作故障,或者导致董事会正常运行的环境和电气条件的范围缩小。即使是裸板有时也是静态敏感的:痕迹变得非常好,以至于可以通过静态放电吹痕迹(或更改其特征)。在非传统的PCB(例如MCMS和Microwave PCB)上尤其如此。

Cordwood建筑

山木模块
Cordwood的结构用于接近引信

Cordwood的结构可以节省大量空间,并且经常与空间处于高级空间(例如Fuzes ,导弹指导和遥测系统)和高速计算机的应用中的电线式组件一起使用,而短路很重要。在Cordwood的结构中,将轴向导管的组件安装在两个平行平面之间。该名称来自轴向导管的组件(电容器,电阻器,线圈和二极管)的方式,就像一堆柴火一样堆叠在平行的行和圆柱中。组件要幺用跳线焊接在一起,要幺通过以直角焊接到组件导线上的薄镍丝带将其连接到其他组件。为了避免将不同的互连层缩短,它们之间放置了薄的绝缘卡。卡中的穿孔或孔允许组件导致将其投影到下一个互连层。该系统的一个缺点是,必须使用特殊的态组件来制造可靠的互连焊接。组件的差分热膨胀可能会对组件和PCB轨迹的导线施加压力,并造成机械损坏(如Apollo程序上的几个模块所示)。此外,很难更换位于内部的组件。一些版本的Cordwood Construction使用了焊接的单面PCB作为互连方法(如图所示),从而允许使用正常导致的组件,而成本很难卸下板或更换任何不在边缘的组件。

集成电路的出现之前,该方法允许最高的组件堆积密度。因此,包括控制数据公司在内的许多计算机供应商使用了它。一旦PCB普遍存在,主要在航空航天或其他极高密度的电子设备中,很少使用Cordwood的施工方法。

类型

突破板

突破板可以允许两个不兼容的连接器之间的互连。
该突破板允许SD卡的销钉轻松访问,同时仍允许该卡被热盘。

用于原型制作的单个组件的最小PCB称为突破板。突破板的目的是“突破”组件在单独的终端上的导线,以便可以轻松地与它们进行手动连接。突破板特别用于表面成分或具有细铅螺距的任何组件。

先进的PCB可能包含嵌入基板中的组件,例如电容器和集成电路,以减少PCB表面上的组件所占用的空间量,同时改善电气特性。

多线板

MultiWire是一种互连专利技术,它使用了嵌入非导电矩阵(通常是塑料树脂)的机器路由的绝缘电线。它在1980年代和1990年代使用。截至2010年,Multiwire仍可以通过日立提供。

由于在嵌入矩阵内堆叠互连(电线)非常容易,因此该方法使设计人员能够完全忘记电线的路由(通常是PCB设计的耗时操作):设计师需要连接的任何地方从一个位置/引脚到另一个位置/销钉中的直线将电线绘制。这导致了非常短的设计时间(即使在高密度设计中也没有复杂的算法)以及减少的串扰(当电线彼此平行时会更糟 - 几乎从来没有在多线中发生),尽管成本太高了当需要大量数量时,要与更便宜的PCB技术竞争。

比PCB布局更容易地对多线板布局进行更正。

用途

由于其层的多功能性,尤其是铜层,印刷电路板已被用作其用于电子和生物医学工程的典型用途。 PCB层已被用于制造传感器,例如电容压力传感器和加速度计,诸如微丙酸器和微型捕捞器之类的执行器,以及用于执行聚合酶链传感器和执行器的平台和执行器的平台反应(PCR)和燃料电池仅举几例。

维修

制造商可能不支持印刷电路板的组件级维修,因为与对组件级别的故障排除的时间和成本相比,替换成本相对较低。在董事会级维修中,技术人员确定了故障驻留并替换故障的板(PCA)。从制造商的角度来看,这种转变在经济上是有效的,但在实质上也很浪费,因为由于一个较小且廉价的部分(例如电阻器或电容器)失败,因此可能会丢弃数百个功能组件的电路板。这种做法是造成电子废物问题的重要原因。

立法

在许多国家(包括所有欧洲单一市场参与者,英国土耳其中国),立法限制了电气设备中的使用。因此,在此类国家 /地区出售的PCB必须使用无铅制造工艺和无铅焊料,并且附件的组件必须自己合规。

安全标准UL 796涵盖了印刷布线板的组件安全要求,以用作设备或设备中的组件。测试分析的特征,例如可燃性,最高工作温度,电气跟踪,热偏转和直接支持活电气部件。

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