《电路板的基础知识》PPT课件.ppt

电路板的基础知识编制 王志云日期 2008 9 18 目录电路板的历史电路板的定义电路板的分类覆铜板 电路板基础知识 一 印制电路板历史 电路板基础知识 PCB printedcircuitboard 即印制电路板是在绝缘基材上 按预定设计 制成印制线路 印制元件或由两者组合而成的导电图形后制成的板 它作为元器件的支撑 并且提供系统电路工作所需要的电气连接 是实现电子产品小型化 轻量化 装配机械化和自动化的重要基础部件 在电子工业中有广泛应用 电路板基础知识 PCB诞生于上世纪四 五十年代 发展于上世纪八 九十年代 伴随半导体技术和计算机技术的进步 印刷电路板向着高密度 细导线 更多层数的方向发展 其设计技术也从最初的手工绘制发展到计算机辅助设计 CAD 和电子设计自动化 EDA 电路板基础知识 二 印制电路板定义 电路板基础知识 印制电路板是电子元器件互连的以产生电气性能的最基本的载体 其主要功能是支撑电路元件以及互连电路元件 印制电路板全称为PrintCircuitBoard PCB 或印制线路板PrintWireBoard PWB 电路板基础知识 三 电路板的分类 电路板基础知识 以板的硬度分为 硬板软板软硬结合板以线路层数分为 单面板假双面板金属化孔双面板多层板 电路板基础知识 单面板 仅在介质基材一面具有导线 插件孔由模具沖压出來 假双面板 在介质基材的两面都有导线 但其两面线路并不导通 元件孔由模具沖压出來 金属化孔双面板 在介质基材的两面都有导线 两面导线经过金属化孔或另外的加固孔来形成互连 多层板 具有三层或三层以上的导线层 其层间用介质材料绝缘 各层间用金属化孔来形成互连 电路板基础知识 导通孔狀态图示 电路板基础知识 以板面处理分为 噴锡板化锡板化银板化镍金板电镍金板OSP板 电路板基础知识 喷锡板 喷锡又称热风整平 其目的是在电路板的焊盘或插件孔铜箔上喷锡可防止铜面氧化 喷锡后下游焊接元器件更容易 喷锡工艺通常分为垂直喷锡和水平喷锡两种方式 垂直喷锡设备成本低 生产效率高 目前使用较为普遍 缺点是锡面平整度相对较差 水平喷锡设备昂贵 但锡面平整度好 喷锡所用的锡材料分为纯锡和铅锡合金两种 铅锡合金中通常锡和铅的含量比为63 37 有铅喷锡随着欧盟ROHS环保指令的实施而逐步退出 电路板基础知识 化锡板 化锡又称沉锡 其制程原理是将电路板浸入含锡的化学药水中 通过化为反应的方式在铜箔表面镀上锡层 化锡是对应欧盟ROHS环保指令的一个新的制程 其优点是锡层表面平滑 但因其缺点是成本高 锡层较薄 存放时间短 保存条件高等 故目前普及率较低 化银板 化银又称沉银 其原理同化锡相同 此制程的产生同样是对应欧盟ROHS环保指令的一个新的制程 相应于化锡板来讲 其制程技术相对成熟 此制程目前在电路板行业已得到比较广泛的使用 化银成本相对较高 电路板基础知识 化镍金板 化金又称沉金 其原理同化锡和化银相同 化金是一个比较成熟的传统的制程 化金的COB邦定效果是其它制程无法替代的 其上锡性能好 保存时间长 亦符合欧盟ROHS环保指令要求 缺点是成本较高 电镍金板 电金是一个技术成熟的传统工艺 其原理是将镍和金 俗称金盐 溶于化学药水中 将电路板浸于电镀缸中并通上电流而在电路板的铜箔面上生成镍金镀层 电镍金因其镀层硬度高 耐磨损 不易氧化的特点在电子产品名得到广泛的应用 尤其以电脑 通讯产品的卡板中应用较为突出 电路板基础知识 OSP板 OSP意为可悍性有机铜面保护剂 其制程原理是通过一种替代咪唑衍生的活性组分与金属铜表面发生的化学反应 使线路板的焊盘和通孔焊接位置形成均匀 极薄 透明的有机涂层 该涂层具有优良的耐热性 它可作为喷锡和其它金属化表面处理的替代工艺 因其制作成本较低 且技术成熟 故目前已被行广泛使用 电路板基础知识 以所使用的板材的材质区分纸质印制板玻璃布基印制板合成纤维印制板陶瓷基底板金属芯基板 电路板基础知识 四 覆铜板 电路板基础知识 覆铜板的定义覆铜板 英文简称CCL 它是制作电路板最基本的材料 其为一面或两面覆有金属铜箔的层压板 覆铜板分刚性和挠性两类 覆铜板的基材是不导电的绝緣材料 覆铜板是由铜箔 粘结树脂 纸或纤维布在加温加压的条件下形成的层压制品 电路板基础知识 覆铜板的分类覆铜板按其基本材料组成分为 纸质板 XPC XXPC XXXPC 复合纤维板 CEM 1 CEM 3 玻璃纤维板 FR 4 陶瓷基板 金属基板 电路板基础知识 纸质覆铜板纸质覆铜板构成为铜箔 纸 树脂 纸质覆铜板按其所含树脂又分为 xpc xxpc xxxpc x 表示树脂含量 x越多树脂含量越多 其绝缘性能越好 p paper 表示纸质 C coldpunching 表示可以冷沖纸质覆铜板其缺点为 硬度相对较差 在潮湿环境下容易吸收水分 受高温热膨胀及冷却后收缩变化较大 且电器性能较纤维板低 优点为原材料成本低 因其质地较软可以冲孔 故在電路板制程中孔加工成本低 电路板基础知识 复合纤维板此种板材常用型号为CEM 1和CEM 3两种 C composite 合成E epoxy 环氧树脂 其特性是不易燃烧 加上此种树脂材料的阻燃性就增大了 M material 基材CEM 1构成为 铜箔 纸 芯 纤维布 环氧树脂CEM 3构成为 铜箔 玻纤非织布 芯 玻纤布 面 环氧树脂 电路板基础知识 CEM 3比CEM 1板料中所含的纤维层数量更多 故CEM 3的耐燃性 绝缘性 硬度等高于CEM 1 复合纤维板成本较玻璃纤维板低 解决了纸板的硬度不足和纤维板不易冲孔问题 其缺点是电气性能虽接近玻璃纤维板 但仍不可完全替代FR 4材料 仅有部分要求不高的电路板可用此材料替代FR 4使用 电路板基础知识 玻璃纤维板构成为铜箔 玻璃纤维布 树脂玻璃纤维板行业目前主为采用的是FR 4材料 其优点是硬度高 防火性能强 电气特性稳定 可做镀通孔制程 其缺点是主要原料为玻璃纤维布和环氧树脂 故板材制作成本和电路板制程时孔的加工成本高 电路板基础知识 陶瓷基板 金属基板故名思意 就是分别用陶瓷或者金属 如铁基 铝基 铜基等等作为介质层的基材 主要应用在一些高温 高湿 高传导 需要不间断连续作业等领域 因条件限制 制作成本较高 应用不是很广泛 主要应用在军事领域较多 电路板基础知识 覆铜板料在UL标准中的级数区分UL是美国的英文简称 全称是UnderwritersLaboratoriesInc 其成立于894年 至今已有一百多年的历史 其成产宗旨是测试各种材料 装置 设备以及各种体系对生命和财产有无危害 它在美国和全球享有名 是目前全球最大 历史最长 威信最高的安全检定机构 UL定出了一般日常用品的使用安全标准 对每一类产品均有一定的标准要求以保障使用者的安全 现时世界上大多数国家参照其标准订立了自己国家之安全标准 但在欧洲的部分国家 另有其标准要求 但其本内容大致相同 印刷电路板相对应的标准是UL796 电路板基础知识 铜箔 copperfoil 按IPC CF 150将铜箔分为两个类型 电解铜箔和辗轧铜箔 再将之分成八个等级 class1到class4是电解铜箔 class5到class8是轧延铜箔 辗轧法是将铜块经多次辗轧制作而成 其所辗出之宽度受到技术限制很难达到标准尺寸基板的要求 3呎 4呎 而且很容易在辗制过程中造成报废 因表面粗糙度不够 所以与树脂之结合能力比较不好 而且制造过程中所受应力需要做热处理之回火轫化 故其成本较高 其优点是 延展性Ductility高 对FPC使用于动态环境下 信赖度极佳 低的表面棱线Low profileSurface 对于一些Microwave电子应用是一利基 其缺点是 和基材的附着力不好 成本较高 因技术问题 宽度受限 电路板基础知识 电镀法最常使用于基板上的铜箔就是ED铜 利用硫酸铜镀液 在殊特深入地下的大型镀槽中 阴阳极距非常短 以非常高的速度冲动镀液 以600ASF之高电流密度 将柱状结晶的铜层镀在表面非常光滑又经钝化的不锈钢大桶状之转胴轮上 因钝化处理过的不锈钢胴轮上对铜层之附着力并不好 故镀面可自转轮上撕下 如此所镀得的连续铜层 可由转轮速度 电流密度而得不同厚度之铜箔 贴在转胴之光滑铜箔表面称为光面 另一面对镀液之粗糙结晶表面称为毛面 此种铜箔的优点是 价格便宜 可有各种尺寸与厚度 其缺点是 延展性差 应力极高无法挠曲又很容易折断 电路板基础知识 铜箔的厚度单位铜箔生产业者为计算成本 方便订价 多以每平方呎之重量做为厚度之计算单位 如1 0Ounce oz 的定义是一平方呎面积单面覆盖铜箔重量1oz 28 35g 的铜层厚度 经单位换算35微米 micron 或1 35mil 一般厚度1oz及1 2oz 而超薄铜箔可达1 4oz或更低 薄铜箔是指0 5oz 17 5micron 以下厚度则称超薄铜箔 3 8oz以下因本身太薄很不容易操作故需要另加载体 Carrier 才能做各种操作 称复合式copperfoil 否则很容易造成损伤 所用之载体有两类 一类是以传统ED铜箔为载体 厚约2 1mil 另一类载体是铝箔 厚度约3mil 两者使用之前须将载体撕离 超薄铜箔最不易克服的问题就是 针孔 或 疏孔 Porosity 因厚度太薄 电镀时无法将疏孔完全填满 补救之道是降低电流密度 让结晶变细 细线路 尤其是5mil以下更需要超薄铜箔 以减少蚀刻时的过蚀与侧蚀 电路板基础知识 玻璃纤维玻璃纤维 Fiberglass 在PCB基板中的功用 是作为补强材料 基板的补强材料尚有其它种 如纸质基板的纸材 聚醯胺 纤维 以及石英 Quartz 纤维 本节仅讨论最大宗的玻璃纤维 玻璃 Glass 本身是一种混合物 其组成见表它是一些无机物经高温融熔合而成 再经抽丝冷却而成一种非结晶结构的坚硬物体 此物质的使用 已有数千年的历史 电路板基础知识 玻璃纤维布玻璃纤维的制成可分两种 一种是连续式 Continuous 的纤维另一种则是不连续式 discontinuous 的纤维前者即用于织成玻璃布 Fabric 后者则做成片状之玻璃席 Mat FR4等基材 即是使用前者 CEM3基材 则采用后者玻璃席 玻璃纤维的等级可分四种商品 A级为高碱性 C级为抗化性 E级为电子用途 S级为高强度 电路板中所用的就是E级玻璃 主要是其介电性质优于其它叁种 电路板基础知识 玻璃纤维一些共同的特性如下所述 高强度 和其它纺织用纤维比较 玻璃有极高强度 在某些应用上 其强度 重量比甚至超过铁丝 抗热与火 玻璃纤维为无机物 因此不会燃烧抗化性 可耐大部份化学品 也不会霉菌 细菌的渗入及昆虫的攻击 防潮 玻璃并不吸水 即使在很潮湿的环境 依然保持它的机械强度 热性质 玻纤有很低的熬线性膨胀系数 及高的热导系数 因此在高温环境下有极佳的表现 电性 由于玻璃纤维的不导电性 是一个很好的绝缘物质的选择 电路板基础知识 树脂树脂亦是制作覆铜板的一种主要组成原料 树脂的种类很多 覆铜板板常用的树脂主要为 环氧树脂和酚醛树脂酚醛树脂是人类最早开发成功而又商业化的聚合物 是由液态的酚 phenol 及液态的甲醛 Formaldehyde俗称Formalin 两种便宜的化学品 在酸性或碱性的催化条件下发生立体架桥 Crosslinkage 的连续反应而硬化成为固态的合成材料 环氧树脂 EpoxyResin 是目前印刷线路板业用途最广的底材 在液态时称为清漆或称凡立水 Varnish 或称为A stage 玻璃布在浸胶半干成胶片后再经高温软化液化而呈现黏着性而用于双面基板制作或多层板