特点与基板材料ppt医学课件

PCB的特点与基板材料 印制电路是一种附着于绝缘基材表面，用于连接电子元器件的导电图形，印制电 路的成品板称为印制电路板，即 PCB（ Printed Circuit Board）。 早期通孔元器件组装的电子产品所用的 PCB又称为插装印制板或单面板。它是将 铜箔粘压在绝缘基板上，按预定设计，用印制、蚀刻、钻孔等手段制造出导体图形和 元器件安装孔，构成电气互连。 PCB对电路的电性能、热性能、机械强度和可靠性都 起着重要作用。 目前，绝大多数电子产品都是在 PCB的双面插、贴装元器件。 由于 SMT用的 PCB与 THT用的 PCB在设计、材料等方面都有很多差异，为了区别 ，通常将专用于 SMT的 PCB专称为 SMB。 序 号 主 要 功 能 1 提供各种分立 电 子元器件及集成 电 路等 固定、装配的机械支撑 2 实现 集成 电 路与各种分立 电 子元器件 之 间 的布 线 和 电 气 连 接或 电绝缘 3 提供 电 子 产 品 电 路所要求的 电 气特性，如 特性阻抗等 4 为电 子 产 品大 规 模生 产过 程中自 动焊 接提供阻 焊图 形， 为 元件插（ 贴 ）装、 检查 、 维 修提供 识别 字符和 图 形 表 1-1 PCB在电子设备中的主要功能 8.1.1 PCB的分类 1. 刚性印制板 刚性印制板具有一定的机械强度，用它装成的部件具有一定的抗弯能力，在使用 时处于平展状态。一般电子设备中使用的都是刚性印制板。 2. 挠性印制板 挠性印制板是以软层状塑料或其他软质绝缘材料为基材而制成。它所制成的部件 可以弯曲和伸缩，在使用时可根据安装要求将其弯曲。 3. 单面板 (单面 PCB) 单面板 (单面 PCB)绝缘基板上仅一面具有导电图形的印制电路板称为单面 PCB。 它通常采用层压纸板和玻璃布板加工制成。单面板的导电图形比较简单，大多采用丝 网漏印法制成。 4. 双面板（双面 PCB） 绝缘基板的两面都有导电图形的印制电路板称为双面 PCB。它通常采用环氧纸板 和玻璃布板加工制成。由于两面都有导电图形，所以一般采用金属化孔使两面的导电 图形连接起来。 5.多层板（多层 PCB） 多层 PCB有三层或三层以上导电图形的印制电路板。多层板内层导电图形与绝 缘粘结片叠合压制而成，外层为敷箔板，经压制成为一个整体。为了将夹在绝缘基板 中间的印制导线引出，多层板上安装元件的孔必需经金属化孔处理，使之与夹在绝缘 基板中的印制导线连接。 1）与集成电路配合使用，可使整机小型化，减少整机重量。 2）提高了布线密度，缩小了元器件的间距，缩短了信号的传输路径。 3）减少了元器件焊接点，降低了故障率。 4）由于增设了屏蔽层，电路的信号失真减少。 5）引入了接地散热层，可减少局部过热现象，提高整机工作的可靠性。 多层 PCB适用于广泛的高新技术产业，如电信、计算机、工业控制、数码产品、 科教仪器、医疗器械、汽车、航空航天防御等。 8.1.2 PCB的特点 1. PCB的一般特点 1）可高密度化。印制板的高密度能够随着集成电路集成度提高和安装技 术进步而发展。 2）高可靠性。可保证长期可靠地工作。 3）可设计性。对 PCB的各种性能（电气、物理、化学、机械等）的要 求，可以通过设计标准化、规范化等来实现，时间短、效率高。 4）可生产性。可进行标准化、规模（量）化、自动化等生产。 5）可测试性。建立了比较完整的测试方法、测试标准、各种测试设备 与仪器等来检测并鉴定 PCB产品的合格性和使用寿命。 6）可组装性。 PCB产品便于各种元器件进行标准化组装，进行自动化 、规模化的批量生产。 7）可维护性。由于 PCB产品和各种元件组装的部件是以标准化设计与 规模化生产的，因而，这些部件也是标准化的。所以，一旦系统发生故障， 可以快速、方便、灵活地进行更换，迅速恢服系统工作。 2.表面组装 PCB（ SMB）的特点 由于一些高集成度的 SMD具有面积大、引脚数量多、引脚间距密， PCB 布线密集的特点；因此，对于 SMB来说，无论是基材的选用，还是图形的设 计及制造，都提出了比通孔插装（ THT）所用 PCB更高的要求。 首先，对用于制造 SMB的基板来说，其性能要求比插装 PCB基板性能要 求高得多；其次， SMB的设计、制造工艺也要复杂得多，许多高新技术是制 造插装 PCB根本不用的技术，如多层板、金属化孔、盲孔和埋孔等技术，但 在 SMT制造中却几乎全部使用，故世界上又将 SMB制造能力作为 PCB制造水 平的标志。 1） 密度更高。由于有些 SMD器件引脚数高达 100 500条之多，引脚 中心距已由 1.27mm过渡到 0.5mm，甚至 0.3mm，因此 SMB要求细线、窄 间距，线宽从 0.2 0.3mm缩小到 0.15mm、 0.1mm甚至 0.05mm， 2.54mm网格之间过双线已发展到过 3根导线，最新技术已达到过 6根导线。 2） 孔径更小。单面 PCB中的过孔主要用来插装元器件，而在 SMB中大 多数金属化孔不再用来插装元器件，而是用来实现层与层导线之间的互连， 小孔径为 SMB提供更多的空间。目前 SMB上的孔径为 0.46 0.3mm， 并向 0.2 0.1mm方向发展，与此同时，出现了盲孔和埋孔技术为特征 的内层中继孔。 3）热膨胀系数 (CTE)低。由于 SMD器件引脚多且短，器件本体与 PCB 之间的 CTE不一致，由于热应力而造成器件损坏的事情经常会发生。因此要 求 SMD基材的 CTE应尽可能低，以适应与器件的匹配性；如今， CSP、 FC等 芯片级的器件已用来直接贴装在 SMB上，这就对 SMB的 CTE提出了更高的要 求。 4）耐高温性能好。 SMT焊接过程中，经常需要双面贴装元器件，因此 要求 SMB能耐两次回流焊温度，并要求 SMB变形小、不起泡；二次回流前后 焊盘仍有优良的可焊性， SMB表面仍有较高的光洁度。 5）平整度更高。 SMB要求很高的平整度，以便 SMD引脚与 SMB焊盘密 切配合， SMB焊盘表面涂覆层不再使用传统 PCB制造时的 Sn Pb合金热风 整平工艺，而是采用镀金工艺或者预热助焊剂涂覆工艺。 8.2 基板材料 用于 PCB的基材品种大体上分为两大类，即有机类基板材料和无机类基 板材料。 无机类基板主要是陶瓷板和瓷釉包覆钢基板。 有机类基板材料是指用增强材料如玻璃纤维布 (纤维纸、玻璃毡等 )，浸 以树脂黏合剂，通过烘干成坯料，然后覆上铜箔，经高温高压而制成。这类 基板，称为覆铜箔层压板 (CCL)，俗称覆铜板，是制造 PCB的主要材料。 CCL的品种很多，一般按板的增强材料不同，可划分为：纸基、玻璃纤维布基、 复合基（ CEM系列）、积层多层板基和特殊材料基 (陶瓷、金属芯基等 )五大类。 若按板所采用的树脂胶黏剂不同进行分类，常见的纸基 CCL有：酚醛树脂（ XPC 、 XXXPC、 FR一 1、 FR一 2等）、环氧树脂（ FE一 3）、聚酯树脂等各种类型。常见 的玻璃纤维布基 CCL有环氧树脂（ FR一 4、 FR一 5），它是目前最广泛使用的玻璃纤维 布基类型。另外还有其他特殊性树脂（以玻璃纤维布、聚基酰胺纤维、无纺布等为增 加材料）：双马来酰亚胺改性三嗪树脂（ BT）、聚酰亚胺树脂（ PI）、二亚苯基醚树 脂（ PPO）、马来酸酐亚胺 苯乙烯树脂（ MS）、聚氰酸酯树脂、聚烯烃树脂等。 从 CCL的性能分类，又分为一般性能 CCL、低介电常数 CCL、高耐热性的 CCL（一 般板的在 150 以上）、低热膨胀系数的 CCL（一般用于封装基板上）等类型。 若按基材的刚柔来分，又可分为刚性 CCL和挠性 CCL。 8.3.1玻璃化转变温度 (Tg) 除了陶瓷基板外，几乎所有的层压板都含有聚合物。聚合物是由有机材 料合成而来的，它的特点是在一定温度条件下，基材形态会发生变化，在这 个温度之下基材是硬而脆的，即类似玻璃的形态，通常被称为玻璃态；若在 这个温度之上，材料会变软，呈橡胶样形态，又称之为橡胶态或皮革态，此 时它的机械强度明显变低，因此把这种决定材料性能的临界温度称为玻璃化 转变温度 (简称 Tg)。它是选择基板的 个关键参数，这是因为在 SMT焊接过 程中，焊接温度通常在 220 左右，远远高于 PCB基板的 Tg，故 PCB受高温 后会出现明显的热变形，而片式元器件却是直接焊在 PCB表面的，当焊接温 度降低后，焊点通常在 180 就首先冷却凝固，而此时 PCB温度仍高于 Tg， PCB仍处于热变形状态，过一段时间后才能完全冷却，此时 PCB必然会产生 很大的热应力，该应力作用在已焊接完成的元器件引脚上，严重时会使元件 损坏，如图 1-4所示。 Tg高的 PCB具有下列优点：钻孔加工过程中，有利于钻制微小孔，低 Tg 的板材钻孔时会因高速钻孔产生大量的热能，而引起板材中树脂软化以致加 工困难。 Tg高的 PCB在较高温度环境中仍具有相对较小的 CTE，与片式元器 件的 CTE相接近，故能保证产品可靠地工作。特别是随着 FQFP、 BGA、 CSP 等多引脚器件的问世，对 PCB要求越来越高。元器件经高温焊接后， PCB的 热变形会对元器件产生较高的热应力，因此，在选择电子产品的 PCB基材时 应适当选择 Tg较高的基材。 图 8-4 PCB热应力使元件损坏 8.3.2热膨胀系数 (CTF) 任何材料受热后都会膨胀，热膨胀系数 (CTE) 是指每单位温度变化所引 发的材料尺寸的线性变化量。 高分子材料的 CTE通常高于无机材料，当膨胀应力超过材料承受限度时 ，会对材料产生损坏。对于多层结构的 PCB来说，其 X、 Y方向（即长、宽方 向）的 CTE与 Z方向（厚度）的 CTE存在差异性。因此当多层板受热时， Z方 向中的金属化孔就会因膨胀应力的差异而受到损坏，严重时会造成金属化孔 发生断裂。因为多层板是由几片单层 “半固化树脂片 ”热压制成的，半固化树 脂片则是由玻璃纤维布浸渍环氧树脂后，加热烘烤使环氧玻璃纤维布处于半 固化状态，然后将半固化片逐层叠加起来，如需要做内层电路，还应按要求 放置内电路铜箔，最后将叠加好的几层半固化片热压成型，冷却后再在需要 的位置上钻孔并进行电镀处理，最后生成电镀通孔，称为金属化孔。金属化 孔制成后，也就实现了 PCB层与层之间的互连。 由于基板上钻孔后的孔壁几乎就是环氧树脂，它与镀铜层的结合力不会 很高。一般金属化孔的孔壁仅在 25m厚左右，且铜层致密性较低，早期多 层板的结构对金属化孔留下一定的隐患，即半固化片中因受玻璃纤维布的增 强作用以及名层铜布线的约束，通常 CTE明显减小，以环氧半固化板为例， 每层的 CTE为（ 13 15） 10-6/ 。而多层板层与层之间主要依靠环氧树 脂本身的粘结力实现粘合，因此环氧树脂在没有其他材料的增强和约束下， 其 CTE在受热后会明显变大，通常为（ 50 100） 10-6 。半固化片层 为 XY方向，而半固化片之间则为 Z方向，因此 XY方向与 Z方向的 CTE存在 明显的差异性。再由于金属化孔的孔壁薄，镀铜层结构又不太致密，因此 PCB受热后， Z方向的热应力就会作用在金属化孔的孔壁上，对它的脆弱部分 施加应力后，会导致孔壁断裂或部分断裂。 图 8-5 热应力对金属化孔壁的作用 为了克服或消除上述隐患，通常采取以下一些措施： 1）凹蚀工艺，以增强金属化孔壁与多层板的结合力； 2）适当控制多层板的层数，目前主张使用 8 10层，使金属孔的径深比控制在 1 ： 3左右，这是最保险的径深比，目前最常见的径深比是 1： 6左右； 3）使用 CTE相对小的材料或者用 CTE性能相反的材料叠加使用，使 PCB整体的 CTE减小； 4）在 PCB制造工艺上，采用盲孔和埋孔技术，以达到减小径深比的目的，这是 一种最理想的办法。盲孔是指表层和内部某些分层互连，无须贯穿整个基板，减小了 孔的深度；埋孔则仅是内部分层之间的互连，可使孔的深度进一步减小。尽管盲孔和 埋孔在制作时难度大，但却大大提高了 PCB的可靠性。 采取以上措施后，有效地防止了产品在使用过程中金属化孔断裂的现象发生。 图 8-6 盲孔和埋孔 8.3.3平整度与耐热性 1.平整度 由于 SMT的工艺特点，目前对 PCB要求很高的平整度，以使表面贴装元器件引脚 与 PCB焊盘密切配合。因此， PCB焊盘表面涂覆层不仅使用 Sn Pb合金热风整平工艺 ，而且大量采用镀金工艺或者预热助焊剂涂覆工艺，以提高其平整度。 2. 耐热性 通常 SMT工艺有时需经两次回流焊接，因而经过一次高温后，仍然要求保持板间 的平整度，方能保证二次贴片的可靠性；而表面贴装元器件焊盘越来越小，焊盘的粘 结强度相对较小，若 PCB使用的基材耐热性高，则焊盘的抗剥强度也较高，一般要求 用于 SMT工艺的 PCB能具有 250 50s的耐热性。 8.3.4电气性能与特性阻抗 1.电器性能 由于无线通信技术向高频化方向发展，对 PCB的高频特性要求更加提高 ，特别是移动通信系统的扩增，所用的频率也由短波带（ 300M 1