单元3 表面组装印制线路板.ppt

单元3表面组装印制板 1 定义表面组装印刷电路板是一种附着于绝缘基材表面 用印刷 蚀刻 钻孔等手段制造出导电图形和安装电子元器件孔 构成电器互连 并保证电子产品的电气 热 和机械性能的可靠性 称为表面组装印刷电路板 简称PCB 2 特点密度高 小孔径 多层数 高板厚 孔径比 优良的运输性 高平整光洁度和尺寸稳定性等 图3 1表面组装印制板 覆铜板的非电技术指标 抗剥强度单位宽度的铜箔剥离基板所需的最小力 主要取决于粘合剂的性能和铜箔表面处理的质量 翘曲度单位长度的翘曲值抗弯强度覆铜板单位面积所能承受弯曲的能力 取决于基板材料耐浸焊性覆铜板置入一定温度的熔融焊锡中停留一段时间所能承受的抗剥能力 表面组装电路板基板 制作表面组装印刷电路板的基材叫做电路板基板 制作基板的材料有两大类 一类是有机材料制成的基板 另一类是无机材料制成的基板 有机类基板是用增强材料浸渍树脂胶黏剂 经过烘干 裁剪 叠合成坯料 然后覆上铜箔 用钢板作为模具 在热压机中经高温 高压成形 最后制成覆铜板 CCL 如图所示 基板决定PCB板的机械性能 耐浸焊性 抗弯强度 一 基板材料分类1 无机材料 陶瓷材料基板无机类基板主要是指陶瓷类基板 其中是以氧化铝基陶瓷为主 也包括氧化铍和氮化铝基的金属陶瓷 陶瓷基板主要用于混合电路的基板 通常以膜的形式在绝缘基板上互连无源元件而形成集成电路 其中厚膜电路采用网印烧结的方法成膜 薄膜电路采用真空溅射或化学沉积的工艺方法成膜 无机类基板材料主要有 氮化铝基板 碳化硅基板 低温烧制基板 无机类基板特点 具有CTE Coeffcientofthermalexpansion 热膨胀系数 低 耐高温 高的化学稳定性 性脆 不能耐受急冷急热和成品率低等特点 覆铜板 2 有机材料树脂类基板常用的有 纸基CCL 常用的牌号 有酚醛树脂覆铜箔板FR 1经济性 阻燃FR 2高电性 阻燃 冷冲 XXXPC高电性 冷冲 XPC经济性经济性 冷冲 环氧树脂覆铜箔板FR 3高电性 阻燃 特点 1 只能冲孔 不能钻孔 2 价格便宜 用于民品 玻璃布基 常用牌号玻璃布 环氧树脂覆铜箔板FR 4耐热玻璃布 环氧树脂覆铜箔板FR 5G11玻璃布 聚酰亚胺树脂覆铜箔板GPY玻璃布 聚四氟乙烯树脂覆铜箔板特点 1 能高速钻孔 不能冲孔 2 性能优良 用于中 高挡电子产品中 复合基CCL 常用环氧树脂类 CEM 1 纸 芯 玻璃布 面 环氧树脂覆铜箔板 可以阻燃 CEM 2 玻璃毡 芯 玻璃布 面 环氧树脂覆铜箔板 非阻燃 CEM3 阻燃特点 冲孔性能较好 适用于大批量生产 聚酯树脂类 玻璃毡 芯 玻璃布 面 聚酯树脂覆铜箔板玻璃纤维 芯 玻璃布 面 聚酯树脂覆铜板特点 性能介于上述两种材料之间 可冲可钻 金属基CCL 有两种类型金属芯型 Cu Invar Cu结构包覆金属型要求 各层板的CTE尽可能的相一致 特点 提高刚性 强度 有良好的散热性 挠性CCL 1 聚酯树脂覆铜箔板2 聚酰亚胺覆铜箔板 表面组装PCB基板的结构 表面组装PCB基板的结构总体来讲是层结构 根据不同的材料 不同的层数 结构不同 通常有机材料印刷电路板 其增强材料就是玻璃纤维 玻璃纤维很容易和树脂相结合 我们把结构紧密 强度高的玻璃纤维布浸入树脂中 硬化后就得到了隔热绝缘层 这就是不易弯曲的PCB基板 绝缘板不能传递电信号 于是需要在表面覆盖一层铜箔 所以我们把PCB板也称之为覆铜基板 有多少层数就要覆盖多少层铜箔 有机树脂类覆铜板 金属基 芯 覆铜板 陶瓷基覆铜板 这三大类覆铜板的结构及材料组成如图3 3所示 金属基覆铜板 陶瓷基覆铜板 1 铜箔2 绝缘材料3 绝缘层4 金属层5 粘接剂6 陶瓷板 有机树脂类覆铜板 二 基板材料的几个重要参数 1 CTE 热膨胀系数2 Tg 玻璃转化温度3 d 材料分解温度4 T288 分层时间 三 PCB基板的制造工艺 1 PCB 印刷电路板 的核心就是玻璃纤维 玻璃纤维很容易和树脂相结合 我们把结构紧密 强度高的玻璃纤维布浸入树脂中 硬化后就得到了隔热绝缘 不易弯曲的PCB基板 绝缘板不能传递电信号 于是需要在表面覆铜 所以我们把PCB板也称之为覆铜基板 常见覆铜基板的代号是FR 4 压延法 就是将高纯度 99 98 的铜 最薄可以小于1mil 密耳 用碾压法贴在PCB基板上 因为环氧树脂与铜箔有极好的粘合性 铜箔的附着强度和工作温度较高 可以在260 的熔锡中浸焊而无起泡 电镀法 所谓电解铜在初中化学已经学过 CuSO4电解液能不断制造一层层的 铜箔 这个更容易控制厚度 时间越长铜箔越厚 通常厂里对铜箔的厚度有很严格的要求 一般在0 3mil和3mil之间 有专用的铜箔厚度测试仪检验其品质 2 覆铜有两种方法 主要是基于两个理由 一个是均匀的铜箔可以有非常均匀的电阻温度系数 介电常数低 这样能让信号传输损失更小 这和电容要求不同 电容要求介电常数高 这样才能在有限体积下容纳更高的容量 其次 薄铜箔通过大电流情况下温升较小 这对于散热和元件寿命都是有很大好处的 数字集成电路中铜线宽度最好小于0 3mm也是这个道理 制作精良的PCB成品板非常均匀 光泽柔和 因为表面刷上阻焊剂 为什么要让铜箔这么薄呢 覆铜板主要生产流程 单面刚性印制板制作工艺流程 制备单面覆铜板 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 紫外线 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 单面印刷板制造工艺中的关键技术介绍 1 照相底版制造技术在印制电路制造技术中 无论是采用干膜光致抗蚀剂 简称干膜 或液态光致抗蚀剂 简称湿膜 工艺 都离不开照相底片 从20世纪80年代始 PCB制造技术中实现了以光绘机或激光光绘机替代传统的绘 贴 图 照相工艺 从而提高PCB制作质量 缩短生产周期 因而深受PCB业界的广泛欢迎 其工艺通常是在计算机 光绘机对照相制版软片进行光扫描之后 用银盐基的照相制版软片 SO或CR制版软片 通过精密曝光机的暗室处理 显影 定影 冲洗等 曝光成像获得负片 2 图形转移把相版上的印制电路图形转移到覆铜箔上 称为图形转移 具体方法有丝网漏印法 光化学法 直接感光法和光敏干膜法 等 3 化学蚀刻俗称烂板 它是利用化学方法去除板上不需要的铜箔 留下组成焊盘 印制导线及符号的图形 1 蚀刻溶液三氯化铁 FeCl3 2FeCl3 Cu 2FeCl2 CuCl2 特点 蚀刻速度快 质量好 溶铜量大 溶液稳定 价格低廉 但污染严重 废水处理麻烦 只适用于实验室少量加工 酸性氯化铜 CuCl2 NaCl HCl 特点 溶液呈酸性 回收再生方法简单 污染小 操作方便 碱性氯化铜 CuCl2 NH4Cl NH3H2O 特点 蚀刻速度快也容易控制 维护方便 成本低廉 过氧化氢 硫酸 H2O2 H2SO4 特点 蚀刻速度快 溶铜量大 铜的回收方便 无需废水处理 浸入式泡沫式泼溅式喷淋式 蚀刻方式 4 腐蚀后的清洗 流水冲洗法 流水中清洗30分钟 采用冷水 热水 冷水 热水循环过程冲洗 中和清洗法 流水冲洗一下 放入82 10 的草酸溶液中处理 再用热水 冷水冲洗 热熔和热风平整工艺是将已经制作好的PCB布线铜板 浸入熔融的SnPb合金中 使焊盘及通孔表面粘附SnPb合金层 通过热风刀的作用 使SnPb合金层连续 光亮 平整的工艺方法 此工艺的目的是提高PCB板的可焊性和满足细间距器件贴装的需要 具体的工艺步骤如下 5 热熔和热风平整工艺技术 热风整平的前处理 除油 铜箔表面进行粗化处理 黑化或棕化处理 其目的主要是除掉铜表面的油脂和氧化物 增加铜的表面积 增加其和黏结片的结合力 涂覆助焊剂 涂助焊剂可以改善铜箔表面状态 使熔融焊料在铜箔表面完全润湿 为焊料表面在贮存过程中提供防氧化的保护作用 热风整平工艺参数的设置 风刀温度 风刀温度一般控制在250 5 风刀压力 一般控制范围是136kPa 238kPa 浸涂时间 浸涂时间控制在2s 4s的范围内 风刀间距 风刀间距一般控制在0 95cm 1 25cm 上下风刀间距一般保持在 左右 太大易出现焊料飞溅 风刀角度 一般情况下 风刀与水平呈50 到75 的角度 预热温度和时间 243 15s 使印制板而温度升至80 左右 凹蚀处理 是多层板生产过程中的一个工序 是为化学沉铜实现内外层电路互连的预处理过程 其目的是去除高速钻孔过程中因高温而产生的环氧树脂钻污 同时要去除通孔中的环氧树脂和玻璃纤维 保证化学沉铜后电路连接的高度可靠性 凹蚀工艺原理 根据 相似相溶 规律 PCB环氧树脂是高聚形化合物 其腐蚀形式主要有溶解 溶胀和化学裂解 凹蚀工艺是利用浓硫酸溶解环氧树脂作用 去除通孔中的环氧树脂和玻璃纤维 达到凹蚀的目的 且作用是十分明显的 6 助焊剂与阻焊剂的使用 助焊剂保护镀层不氧化 又可提高可焊性基本要求 在常温下稳定 表面张力小腐蚀性小 绝缘性能好容易清除焊接后的残留物不产生刺激性气味和有害气体材料来源丰富 成本低 配制简便 阻焊剂作用 限定焊接区域 防止焊接时搭焊 桥连造成的短路 改善焊接的准确性 减少虚焊 防止潮湿的气体和有害气体对印制板的侵蚀 2 双面刚性印制板典型工艺流程 制备双面覆铜板 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 3 PCB多层板的生产工艺流程 开料 Upto4layer 内层涂布 曝光 显影 蚀刻 去墨 棕化 压合 钻孔 PTH 过孔 压干膜 曝光 显影 镀铜 去膜 蚀刻 剥锡 半成品检测 防焊 曝光 显影 后烤 喷锡 印文字 成型 成检 OSP 化学沉铜 或化银 包装 出货 孔金属化与金属涂覆 孔金属化利用化学镀技术 即用氧化 还原反应产生金属镀层 用于双层板 多层印制板的生产基本步骤 钻孔 孔壁处理 化学沉铜 电镀铜加厚 检验内容 外观 孔壁金属层应该完整 光滑 无空穴 无堵塞电性能 金属化孔镀层与焊盘的短路与断路 孔与导线间的孔线电阻值机械强度 孔壁与焊盘的结合力应超过一定的值 金属涂覆在印制板图形铜箔上涂覆一层金属 如 金 银 锡 铅锡合金等 目的是提高印制板的导电 可焊性 耐磨 寿命等性能 涂覆方法 电镀或化学镀 陶瓷基板电路制造技术 陶瓷基板电路制造技术 就是在陶瓷基板上制造集成电路 其方法是在陶瓷基体上用某种方法覆盖一层金属膜 之后通过高温烧结 在绝缘基板上形成有一定厚度的膜构成的互连线 再在其上相应的位置 组装上半导体器件及有源元件和无源元件 形成的集成电路 陶瓷基板电路按成膜方法不同可以分为两大类 一类叫做厚膜电路 另一类叫薄膜电路 厚膜电路的制作技术 厚膜电路制造技术 是先在陶瓷基板上丝网印刷连接线的金属浆料 之后高温烧结形成有一定厚度坚固的膜形成的互连线 组装上半导体元器件就成为了集成电路 这种集成电路叫厚膜混合集成电路 这种电路的特点 膜厚比较大 有几微米至几十微米 可以在非真空条件下成膜 用于大功率 大电流 耐高温 低频电路中 制造工艺流程 基片清洗 制网 印刷 烧结 装调 检 入库 薄膜电路的制造技术 薄膜电路的制造技术 就是在真空环境中通过蒸镀的方法在硅材料及衬底上获得厚度很薄的一层金属薄膜 利用外延生长工艺 氧化介质薄膜生长工艺 半导体高温掺杂 离子注入低温掺杂 薄膜气相淀积工艺 图形光刻工艺 掩模制备等工艺等一系列工序 最后得到薄膜电路 制造工艺流程 基板制备 真空蒸镀薄膜积淀 掺杂 光刻 电镀 检 薄膜电路特点 薄膜的厚度一般都比较薄 在1微米以下 薄膜电路一般用于高精度 高稳定性 低噪声电路及微波 抗辐射电路 3 2 1选择PCB材料时应考虑的因素 1 应适当选择玻璃化转变温度 Tg 较高的基材 Tg应高于电路工作温度 2 要求热膨胀系数 CTE 低 由于X Y和厚度方向的热膨胀系数不一致 容易造成PCB变形 严重时会造成金属化孔断裂和损坏元件 3 要求耐热性高 一般要求PCB能有250 50s的耐热性 4 要求平整度好 SMT的PCB翘曲度要求 0 0075mm mm 5 电气性能方面 高频电路时要求选择介电常数高 介质损耗小的材料 绝缘电阻 耐电压强度 抗电弧性能都要满足产品要求 无铅印刷电路板 无铅焊接对印刷电路板使用的材料提出了更高的要求 它们必需能够在更高的焊接温度停留更长的时间 这是一个巨大的挑战 无铅再流焊与锡铅再流焊相比 温度高出大约25 停留时间延长30秒至60秒 无铅波峰焊与锡铅波峰焊相比 温度高出约10 停留时间延长2秒至3秒 因而要更加重视印刷电路板所用材料的性能 树脂的玻璃化转变温度 Tg 是指聚合物材料从坚硬状态转成柔软状态的温度 玻璃化转温度会影响热膨胀系数 CTE 和Z轴的膨胀 玻璃化转温度Tg的温度范围约在130 至170 之间 对所有的印刷电路板来说 建议玻璃化转温度应在140 以上 如果印刷电路板中含有BGA 而且印刷电路板的层数在十层以上 或者长宽比比较高 超过6 1 建议玻璃化转温度应在165 以上 但必需记住一点 仅仅玻璃化转温度是不足以说明树脂材料的耐热性 热膨胀系数指的是在高于或者低于玻璃化转温度时产生的材料膨胀的总量 一般用温度变化摄氐一度的ppm来表示 因为Z轴膨胀会影响电镀孔的可靠性 所以是非常重要的 Z轴的热膨胀系数大约为每度50ppm 85ppm 在高于玻璃化转变温度时 这个数值会增大两倍到三倍 材料分解温度 Td 通常是指树脂质量损失 分解达到最初质量的5 从而造成层压失效 分层 的温度 材料分解温度Td的温度范围大约在290 至370 对所有的印刷电路板来说 建议的材料分解温度应高于325 分层时间 T260和T288 是指一种材料在分层之前在某一温度下 T260 260 T288 288 保持没有出现分层所能够承受的最长时间 T260的推荐值为30分钟以上 T288的推荐值是大于5分钟 无铅焊接温度升高 印刷电路可焊性保质期 存放时间 不超过六个月 表面镀层的厚度均匀而且平整 表面镀层的导电性能良好 可以用在线测试 根据这些标准 最好对无铅PCB表面处理是浸银和有机焊料保护剂 保证印刷电路板材料可以在无铅焊接工艺中使用 选用耐高温材料制作的PCB以提高其 g和抗热变能力 如用含N酚醛树脂取代双氰胺作固化剂 通过N和P作用提高PCB的阻燃性 选用的无铅PCB材料其 g CTE d T288 以及吸水率等指标都应满足高温焊接的要求 3 5多层挠性线路板 为了减少电子产品的组装尺寸 重量 避免连线错误 增加组装灵活性 提高可靠性 实现不同装配条件下的三维立体组装 满足电子产品日益发展的需求 挠性电路作为一种具有薄 轻 可挠曲 能满足三维组装需求特点的互连技术 在电子制造业得到日趋广泛的应用和重视 3 5 1挠性线路板材料的选择 挠性印制线路板所选用的材料好坏直接影响电路板生产及其性能 通常覆铜材料可选用无粘接剂聚酰亚胺 PI 挠性基材 聚酰亚胺有很好的可挠性 优良的电气性能和耐热性能 多层挠性板的层间粘接层也选用聚酰亚胺材料 因为它与PI基材配合 热膨胀系数 CTE 一致 外层图形的保护材料 是感光显影型覆盖干膜 用贴膜机贴压后 通过感光显影方式漏出焊接部分 可解决组装细密性的问题 还有一类是液态丝网印刷型覆盖材料 常用的有热固型聚酰亚胺材料 这类材料也能较好地满足细间距 高密度装配的挠性板的要求 多层挠性板的制造制造工艺流程 工艺流程 下料 预烘 电解清洗底片 内层单片图形转移 酸性蚀刻 AOI检查 冲定位孔 内层氧化 层压 钻孔 等离子体去沾污 金属化孔 外层图形 AOI检查 图形电镀 碱性蚀刻 退铅锡 通断测试 覆盖保护层 涂覆有机预助焊剂 外型加工 工艺流程中的关键技术 1 内层单片的图形转移对挠性线路而言 图形转移在高密度 细线条的印制板中 因为挠性单片既薄又软 给表面处理等操作带来很大困难 若用机械力可能造成基材变形 卷折 尺寸伸缩等 操作不易控制 此时可采用电解清洗法 这种方法既可保证表面清洁度 其微蚀作用还可保证铜面的粗糙度 有利于0 1mm 0 15mm线宽 间距的图形制作 若采用的是酸性蚀刻液 还要注意控制蚀刻速率 以保证设计要求的线宽和间距 2 挠性材料的多层定位 挠性基材的尺寸稳定性较差 因为聚酰亚胺材料有较强的吸潮性 在不同的温 湿度环境中收缩变形严重 造成多层板的层压对位困难 为了克服这一困难 可采用以下措施 1 冲定位孔 能消除湿法处理过程中材料伸缩变形带来的误差 2 层压后用X 射线对位钻孔 确定偏移量 使钻孔更为精确 3 针对聚酰亚胺的材料特性及环境特点 参考钻孔偏移量绘制外层底片 提高外层底片与钻孔板的重合度 这样可以满足层间对位 保证0 1mm 0 15mm环宽的要求 保证外层图形转移的精确度 3 层压 即使是采用冲定位孔方法 层压前的单片处理对层间对位也有着很大影响 首先 由于聚酰亚胺材料不耐碱 在强碱溶液中产生溶胀 所以在进行黑氧化处理的过程中 在强碱性工位如去油 黑氧化等适当地降低温度 减少时间 由于采用的是无粘接层基材 无须考虑粘接层在碱液中的变化 这种方法还是可行的 其次 氧化处理后的单片烘烤应避免垂直放置 应采取水平烘烤方式 可减少弯曲变形 尽量保持平整 烘烤后尽可能地缩短装模时间 防止单片再次吸潮 由于挠性单片易变形 层压前平整度较差 加之所用粘接片的树脂流动度大大低于刚性板层压用的半固化片 所以 为使粘接片与单片结合良好并嵌入细密的线条间距中 选择覆形性较好的材料作为层压衬垫材料 如用硅橡胶片即可保证其覆形性又可相对减少被压件尺寸收缩变形 4 钻孔 由于挠性基材没有加强纤维 既轻又薄 钻孔参数不适当可能造成介质层撕裂和大量粘污 所以根据不同的板厚 质材进行钻孔参数的优化 同时 盖板 垫板的选择也非常重要 因为挠性板柔软轻薄 盖 垫板不仅可以支撑板子 还起到散热作用 应当注意的是垫板最好用铝箔板或环氧胶木板 不要用纸质垫板 因为纸质垫板较软 容易产生较严重的钻孔毛刺 孔化前去毛刺时容易撕裂或擦坏孔口 给后工序工作带来麻烦 影响板子质量 还有一点应该注意的是 虽然我们在湿法处理 冲制OPE孔 层压对位等方面做了大量的工作以保证层间对位精度 但是 由于聚酰亚胺材料本身受湿热影响较大 不可避免地会产生不确定的层间偏差及板间偏差 所以 钻孔前应以X ray对位钻小孔 确定不同板子的不同的钻孔偏移量 参照该偏移量进行数据校正 确保钻孔精确有效 同时 该偏移量交至光绘工序 参考绘制外层底片 保证外层图形转移的对位精确 5 去沾污及金属化孔 多层挠性板的孔内沾污以聚酰亚胺树脂为主 挠性聚酰亚胺树脂对浓硫酸溶液显惰性 而在强碱性的高锰酸钾溶液中又会产生溶胀 所以 常规的湿法去沾污很难奏效 可用等离子体法 等离子体是指电离的气体 是原子在射频能量发生器的作用下完全或部分失去其电子层时的状态 由离子 电子 自由基 游离基团和紫外线辐射粒子等到组成 整体上显电中性 具有很高的化学活性 等离子体去沾污最大的优点是没有选择性 就是不分所处理板子的树脂类型 只要调整参数 均可进行处理 譬如 高活度的等离子流对环氧树脂 聚酰亚胺 丙烯酸 玻璃纤维等产生的沾污都能快速 均匀地把它们从孔壁上作用掉 并可以形成一定的凹蚀 有效地实现三维连接 提高金属化孔的可靠性 6 表面阻焊及可焊性保护层 由于挠性板在使用过程中有挠曲要求 普通的阻焊油墨易脆裂 无可挠性 不能满足要求 一般双面挠性板用预成型的聚酰亚胺覆盖膜不能满足精细线路的要求 可选择贴显影型挠性覆盖干膜或丝网印刷挠性液态感光显影型阻焊油墨 两者都能起到阻焊 防潮 防污染 耐机械挠曲等作用 可焊性保护层使用有机防氧化保护膜 保证焊盘表面平整 可焊 3 6刚性和挠性结合线路板 刚 挠结合印制板是指在一块印制板上包含有一个或多个刚性区和一个或多个挠性区的印制线路板 它可分为有增强层的挠性板及刚 挠结合多层板等不同类型 有刚性增强层的多层挠性板 是为适应表面贴装技术高密度组装发展起来的一种电路板 由于器件的引线及间距越来越细密 要求挠性板焊接面在焊接过程中保持较高的平整度 而挠性板的轻 薄 软的特性又决定了它无法保证这样的平整度 因此 人们在非焊接面的无需挠曲部分增加刚性增强层来提高其焊接面的平整度 而其余部分仍保持柔性 这样既可保证焊接要求又不妨碍挠曲要求 满足高密度组