印制电路技术基础介绍.ppt

制作 徐学军 Date 10 January 2007 印制电路技术基础介绍 一 印制板的一般定义 1 1 印制板的定义 印制电路是指在绝缘基材上 按预定设计 制成印制线路 印制元件或由两者结合而成的导电图形 在绝缘基材上 提供元器件之间电气连接的导电图形 称为印制线路 不包括印制元件 印制电路或者印制线路的成品板称为印制电路板或者印制线路板 亦称印制板 英文名称是PrintedCircuitBoard 也有称PrintedWiringBoard 缩写是PCB PWB WhatisthePCB 一 印制板的一般定义 高密度互连板 HighDensityInterconnection 简称HDI 简单地说就是采用加层法及微盲孔所制造的多层板 也就是先按传统做法得到有 无 电镀通孔的核心板 再于两外层加做细线与微盲孔的增层而成的多层板 凡采用非机械钻孔 得到漏斗状的微盲孔 其面环处的上孔径约125 200UM 底垫处的下孔径约100 150UM者 特称为微盲孔或微孔 高密度互连结构的HDI与较早流行的顺序积成多层板 SBU 差异不大 两者与传统印制板主要的不同之处即在于成孔方式与层加工次序 HDI技术同时也影响到板面组件的组装 不但由早先的通孔插装 改为表面贴装 再改为更短的球栅阵列 BGA 甚至无脚式的垫间贴合 LGA 或覆晶 flipchip 式凸块对装与组装 以及印制板本身采用内嵌式元器件等都有大幅度的改进 1 2 HDI定义及特点 普通PCB多层板 HDI 柔性PCB 软硬结合板 1 3 PCB发展史 20世纪的40年代 英国人PaulEisler博士及其助手 第一个采用了印制电路板制造整机 收音机 并率先提出了印制电路板的概念 因此PaulEisler博士又被称为 印制电路之父 经过几十年的研究和生产实践 印制电路产业获得了很大的发展 1995年全世界印制电路板 PCB 产值超过了240亿美元 据最新统计资料表明 到21世纪初 全世界印制电路生产总值约为400亿美元 随着信息产业的飞速发展 极大地刺激了印制电路的大规模生产 其应用范围由早期的收音机 电视机 电唱机 扩大到随身听 摄像机 个人电脑 笔记本电脑 电子交换机 移动电话等产品 从铜箔腐蚀法成为印制电路的主要生产方法之后 印制电路技术发展非常迅速 1953年出现了两面互连的双面印制板 1960年出现了多层板 近些年 由于超大规模集成电路的发展 印制电路的技术不断更新 整个印制电路行业得到了蓬勃的发展 1 3 PCB发展史 现代印制电路技术的发展 中国发展史 我国从20世纪50年代中期开始研制单面印制电路板 20世纪60年代开发出国产的覆铜箔板材料 并且已经能大规模生产单面印制板 小批量生产双面板 1964年 电子部所属有关单位已经开始研究生产多层板 20世纪80年代改革开放以后 以上海无线电二十厂为首的一批国有大厂开始引进国外先进的单面和双面印制板生产线 经过20多年的消化吸收 较快地提高了我国印制电路的生产技术水平 进入20世纪90年代以后特别是90年代中后期 我国香港和台湾地区等印制电路板厂家纷纷来合资或独资办厂 使我国印制电路产业发展迅猛 现中国已经成为世界上最大的PCB板生产基地 产量占全世界的70 以上 二 印制板的作用与地位 2 1印制板在电子工业中地位 随着印制板用途扩大 重要性提升 并与其上下产业间紧密结合 其产业结构也在扩展变化 国际上称为 电子电路产业 ElectronicCircuitsIndustry 并且建立了世界性的同行业联合组织 世界电子电路协会 WECC 电子电路产业的关系如下 2 1印制板在电子工业中作用 印制电路板在电子整机设备中的作用有 为晶体管 集成电路 电阻 电容 电感等元器件提供了固定和装配的机械支撑 实现晶体管 集成电路 电阻 电容 电感等元件之间的布线和电气连接 电绝缘来满足其电气特性 为电子装配工艺中元件的检查 维修提供了识别字符和图形 为波峰焊接提供了阻焊图形 二 印制板的作用与地位 二 印制板的作用与地位 2 2 印制板在电子工业中地位 二 印制板的作用与地位 2 3印制电路的发展 驱动PCB发展的主要因素是集成电路集成度的提高和组装技术的进步 集成电路 IC 的高度集成化 IC器件集成度的提高 IC器件的I O数的增加安装技术的进步 方型扁平式封装技术QFP Quadflatpackage 球栅阵列封装技术BGA BallGridArrayPackage 芯片级安装技术CSP ChipScalePackage 2 3 2印制电路技术的阶段印制电路技术起源可追溯到二十世纪初 自诞生以来到现在 PCB已走过了三个阶段 通孔插装技术ThroughHoleTechnology THT 用PCB阶段表面安装技术SurfaceMountingTechnology SMT 用PCB阶段芯片级封装Chipscalepackage CSP 用PCB阶段 2 3 1驱动PCB发展的主要因素 二 印制板的作用与地位 2 3印制电路的发展 2 3 3印制电路技术的发展趋势 当代印制板生产面临着电子元件高集成化 组装技术的发展和市场竞争的挑战 推动PCB的材料 工艺 设备 检测和标准等的发展和重大改革 以适应电子工业产品 轻 薄 短 小 的要求 从总体上看 PCB技术发展的特点 可简化为 密 薄 平 三字概括 并以 密 为主导或核心而迅速发展着 印制电路板密度定义 在两个焊盘间布设1根导线 导线宽度大于0 3mm 为低密度印制电路板 在两个焊盘间布设2根导线 导线宽度大约为0 2mm 为中密度印制电路板 在两个焊盘间布设3根导线 导线宽度为0 1 0 15mm 为高密度印制电路板 在两个焊盘间布线4根及4根以上导线 导线宽度为0 05 0 08mm 为超高密度印制电路板 三 印制板的种类 3 1各种印制板的结构 无论何种印制板 其基本结构有三方面 绝缘层 基材 导体层 电路图形 保护层 防焊图形或覆盖膜 3 2 印制板分类 1 根据不同的目的 印制电路板有很多种分类方法 1 根据印制板基材强度分类 1 刚性印制板 用刚性基材制成的印制板 2 柔性印制板 用柔性基材制成的印制板 又称软性印制板 3 刚柔性印制板 利用柔性基材 并在不同区域与刚性基材结合制成的印制板 2 根据印制板导电图形制作方法分类 1 减成法印制板 采用减成法工艺制作的印制电路板 2 加成法印制板 采用加成法工艺制作的印制电路板 3 根据印制板基材分类 1 有机印制板 常规印制板都是有机印制板 主要由树脂 增强材料和铜箔三种材料构成 树脂材料有酚醛树脂 环氧树脂 聚酰亚胺等 2 无机印制板 即通常所说的厚薄膜电路 由陶瓷 金属铝等材料构成 无机印制板广泛用于高频电子仪器 3 2 印制板分类 2 4 根据印制板孔的制作工艺分类 1 孔化印制板 采用孔金属化工艺制作的印制板 2 非孔化印制板 不采用孔金属化工艺制作的印制板 5 根据印制板导电结构分类 1 单面印制板 是仅有一面有导电图形的印制电路板 因为导线只出现在其中一面 所以称这种印制电路板为单面印制板 简称单面板 单面板在设计线路上有许多严格的限制 因为只有一面 要求在布线时不能交叉而必须绕独自的路径 所以只有在简单的电路才予使用 2 双面印制板 两面上均有导电图形的印制板 这种电路板的两个面都有布线 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 叫过孔 过孔是在印制电路板上充满或涂上金属的小洞 可以与两面的导线相连接 因为双面板的面积比单面板大一倍 而且布线可以互相交错 可以绕到另一面 更适合用在更复杂的电路上 3 多层印制板 由3层或3层以上导电图形与绝缘材料交替粘接在一起 层压而制成的印制板 简称多层板 3 3 印制板的加工方法 20世纪初 印制电路制造已有许多相关专利 但一直没有得到实际的大规模应用 20世纪40年代 由于航空航天技术的发展 迫切需要一种高可靠性的电路连接方式 美国航空局和美国标准局在1947年发起了首次印制电路技术研讨会 列出26种不同的制造方法 可归结为如下六大类 1 涂料法 把金属粉末和胶黏剂混合 制成导电涂料 用通常的印刷方法将导电图形涂在基板上 2 模压法 利用模压工艺 在塑料绝缘基板上放一张金属箔 用刻有导电图形的模具对金属箔进行热压 这样受热受压部位的金属箔被黏合在基板上形成导电图形 其余部分的金属箔则脱落 3 粉末烧结法 用一块所需要图形的模板 将胶黏剂在基板上涂覆成导电图形 上面再撒一层金属粉末 然后将金属粉末烧结成导电图形 4 喷涂法 用模板覆盖在绝缘基板上 把熔融金属或导电涂料喷涂到基板表面 即形成导电图形 5 真空镀膜法 采用模板覆盖在绝缘基板上 在真空条件下使用阴极溅射或真空蒸发工艺得到金属膜图形 6 化学沉积法 利用化学反应将所需要的金属沉积到绝缘基板上形成导电图形 上述方法由于生产工艺条件的限制 都没有能够实现大规模的工业化生产 但其中的有些方法直到现在还不断的被借鉴 发展成为新的工艺 新的方法 现代印制电路制造工艺主要分为加成法和减成法 3 3 1 加成法工艺 在绝缘基材表面上 有选择性地沉积导电金属而形成导电图形的方法 称为加成法 3 3 1 加成法工艺 加成法工艺的优点 1 由于加成法避免大量蚀刻铜 以及由此带来的大量蚀刻溶液处理费用 大大降低了印制板生产成本 2 加成法工艺比减成法工艺的工序减少了约1 3 简化了生产工序 提高了生产效率 尤其避免了产品档次越高 工序越复杂的恶性循环 3 加成法工艺能达到齐平导线和齐平表面 从而能制造SMT等高精密度印制板 4 在加成法工艺中 由于孔壁和导线同时化学镀铜 孔壁和板面上导电图形的镀铜层厚度均匀一致 提高了金属化孔的可靠性 也能满足高厚径比印制板 小孔内镀铜的要求 3 3 1 1加成法的分类 印制板的加成法制造工艺可以分为如下三类 1 全加成法是仅用化学沉铜方法形成导电图形的加成法工艺 工艺流程 钻孔 成像 增黏处理 负相 化学镀铜 去除抗蚀剂 该工艺采用催化性层压板作基材 2 半加成法在绝缘基材表面上 用化学沉积金属 结合电镀蚀刻或者三者并用形成导电图形的加成法工艺 工艺流程 钻孔 催化处理和增黏处理 化学镀铜 成像 电镀抗蚀剂 图形电镀铜 负相 去除抗蚀剂 差分蚀刻 制造所用基材是普通层压板 3 部分加成法是在催化性覆铜层压板上 采用加成法制造印制板 工艺流程 成像 抗蚀刻 蚀刻铜 正相 去除抗蚀层 全板涂覆电镀抗蚀剂 钻孔 孔内化学镀铜 去除电镀抗蚀剂 3 3 2 减成法工艺 减成法工艺是在覆铜箔层压板表面上 有选择性除去部分铜箔来获得导电图形的方法 减成法是当今印制电路制造的主要方法 它的最大优点是工艺成熟 稳定和可靠 3 3 2 1减成法工艺分类 1 非孔化印制板此类印制板采用丝网印刷 然后蚀刻出印制板的方法生产 也可采用光化学法生产 非穿孔镀印制板主要是单面板 也有少量双面板 主要用于电视机 收音机 2 孔化印制板在已经钻孔的覆铜箔层压板上 采用化学镀和电镀等方法 使两层或两层以上导电图形之间的孔由电绝缘成为电气连接 此类印制板称为穿孔镀印制板 穿孔镀印制板主要用于计算机 程控交换机 手机等 根据电镀方法的不同 分为图形电镀和全板电镀 A 图形电镀 在双面覆铜箔层压板上 用丝网印刷或光化学方法形成导电图形 在导电图形上镀上铅 锡 锡 铈 锡 镍或金等抗蚀金属 再除去电路图形以外的抗蚀剂 经蚀刻而成 图形电镀法又分为图形电镀蚀刻工艺和裸铜覆阻焊膜工艺 B 全板电镀 在双面覆铜箔层压板上 电镀铜至规定厚度 然后用丝网印刷或光化学方法进行图像转移 得到抗腐蚀的正相电路图像 经过腐蚀再去除抗蚀剂制成印制板 全板电镀法又可细分为堵孔法和掩蔽法 四 印制板用基材 4 1材料概述 印制板制造用材料可分为两大类 主材料 成为产品一部分的材料 如覆铜箔层压板 阻焊剂油墨 标记油墨 辅助材料 生产过程中耗用材料 如抗蚀干膜 蚀刻溶液 化学清洗剂 钻孔垫板等 主材料最终成为了产品的一部分 决定了印制板的某些性能特点 四 印制板用基材 4 2覆铜箔层压板 覆铜箔层压板CCL CopperCladLaminate 将增强材料浸以树脂 一面或两面覆以铜箔 经热压而成的一种板状材料覆铜箔层压板的结构 铜箔 导电体 树脂 粘合剂和绝缘体 增强物 加强羁绊的机械强度和绝缘性 4 2 1覆铜箔层压板的结构 4 2 2 覆铜箔层结构 S S S S S S L L L L L L 21 21 6 14 14 14 14 14 14 21 21 废料 铜箔 树脂 增强物 四 印制板用基材 1 机械刚性 刚性覆铜板和挠性覆铜板 通常刚性覆铜板采用间歇式层压成型的方式 挠性覆铜板大量使用的是在聚酰亚胺或聚酯的薄膜上覆以铜箔而构成 2 按不同的绝缘材料 结构划分 有机树脂类覆铜板 金属基 芯 覆铜板 陶瓷基覆铜板 3 按不同的绝缘层的厚度划分 常规板和薄型板 一般将厚度 不含铜箔厚度 小于0 8mm的环氧树脂覆铜板 称为薄板 IPC标准为0 5MM 4 按所采用不同的增强材料划分 常用有三大类 玻纤布基覆铜板 纸基覆铜板 复合基覆铜板 特殊 芳酰胺纤维无纺布基覆铜板 合成纤维基覆铜板等 5 按所采用的绝缘树脂划分 最常见的主体树脂有 酚醛树脂 环氧树脂 聚酰亚胺树脂 聚酯树脂 聚苯醚树脂 氰酸酯树脂 聚四氟乙烯树脂 双马来酰亚胺三嗪树脂 综合上述的按采用不同增强材料和采用不同绝缘树脂的两种分类原则 可以将刚性覆铜板划分为五大类 纸基覆铜板 玻纤布基覆铜板 复合基覆铜板 积层法多层板用基板材料 4 2 2覆铜箔层压板的种类 4 2 2覆铜箔层压板的种类 6 按阻燃特性的等级划分UL标准对基板材料阻燃特性划分出不同的四类不同的阻燃等级是 UL 94V0级 UL 94V1级UL 94V2级以及UL HB级 7 按覆铜板的某个特殊性能划分按Tg的不同分类按有无卤素存在的分类 含卤型和无卤化基板材料 按基板材料的线膨胀系数大小的分类纸基板按冲孔预热温度高低的分类按耐漏电痕迹性高低的分类 四 印制板用基材 4 3预浸材料 P片 半固化片 预浸材料 prepreg 将纤维材料浸渍一种树脂 并被固化至中间阶段 B阶段 的片状材料 树脂的三种状态 A阶的完全未固化状态 B阶的半固化状态 C阶的完全固化状态 A StageB StageC Stage 四 印制板用基材 4 4铜箔和涂树脂铜箔 铜箔 压延铜箔是由铜锭经热压 韧化 刨削去垢 冷轧 连续轫化 酸洗 最后压延及脱脂干燥等得到原始压延铜箔 再经粗化及防锈处理后得到商品化的铜箔 纯度高于99 8 电解铜箔是将硫酸铜溶液在滚轮式的电镀槽中于巨大滚轮表面镀得连续铜层 然后再经粗化 耐热处理及防锈处理后得到商品化的铜箔 纯度高于99 9 涂树脂铜箔 涂树脂铜箔 RCC ResinCoatedCopper 在铜箔一面涂覆了树脂胶液 经烘干成半固化状态 供制作积层多层板用 四 印制板的设计 4 4印制板的规格 印制板产品分级 按不同使用场合 技术性能等级分为三级 1级 一般电子产品 包括消费类产品 一些计算机及其外部设备 不注重于外观缺陷而主要要求印制板功能的场合 2级 耐用电子产品 包括通讯设备 复杂的商用机器与仪器 有长期不间断工作要求 但非关键的 印制板允许有某些外观缺陷 3级 高可靠性电子产品 需立即启动工作或连续不间断工作的设备 如生命维持装置和航空控制系统 印制板需要高保证水平 五 印制板的制造工艺流程 5 1单面印制板 表面处理工艺 成型前 选择性沉镍金 喷锡 沉锡 镀金成型后 OSP 化银 一般在电性测试完成后进行 五 印制板的制造工艺流程 5 2双面印制板 减成法制作 五 印制板的制造工艺流程 5 3常规多层印制板 外层减成法制作 五 印制板的制造工艺流程 5 3常规多层印制板外层加成法制作 耐电镀图形 去除抗蚀镀层相当于减成法的微影 都为制作外层图形 五 印制板的制造工艺流程 5 4含盲埋孔多层印制板 外层减成法制作 1 N 1 X RAY 外框成型 五 印制板的制造工艺流程 一般孔分为 通孔 NPTH PTH 盲孔 埋孔PTH VIA孔及插件孔 通孔 盲孔 埋孔 5 5 印制板孔的分类 六 印制板制造主要工艺 6 1图形形成 印制板上图形有导体图形 阻焊图形 标记图形三种 由设计文件规定 通常按设计程序由计算机控制光绘图法绘制出照相底版图形 在生产中把照相底版图形转移到基板上加工出印制板上需要的图形 照相底版图形有正像 Positive 与负像 Negative 之分 正像为待制作的图形在照相底版上为不透明的 其他区域为透明的 负像为待制作的图形在照相底版上为透明的 其他区域为不透明的 在图形转移过程中将按要求不同选用正像或负像 应用 负片 内层线路 非图形电镀的外层线路 文字 塞孔 印刷挡墨 Laser钻孔的开窗底片正片 图形电镀线路菲林 绿油挡光 六 印制板制造主要工艺 微影 DryFilm 前处理 压膜 涂布 曝光 DES 显影 蚀刻 褪膜 6 1 图形形成 1 6 1 图形形成 2 防焊 soldermask 前处理 丝网印刷法 静电喷涂 帘涂 预烘 曝光 显影 后烘烤 固化防焊油墨 文字 丝网印刷第一面 烘烤 烘烤第二面 烘烤 六 印制板制造主要工艺 6 2孔加工 机械钻孔 模具冲孔 激光成孔A 二氧化碳雷射 B NdYAG雷射 铌 Neodymium 与钇铝柘榴石 YttriumAluminiumGarnet C Excimer ExcitedDimer Laser准分子雷射 6 2 1 激光成孔 6 2 1 1二氧化碳雷射 是利用CO2及掺杂其它如N2 He CO等气体 在增加功率及维持放电时间下 产生波长在9300nm 10600nm之间可实用的脉冲式 Pulse 红外雷射光 业界用于钻孔者有RFExcitedCO2及TEACO2两种方式激发的雷射 可用以制做盲孔之板材以无玻纤布的特殊背胶铜箔 ResinCoatedCopperFoil RCC 最佳 一般普通铜箔与传统胶片所压合的增层盲孔也还可行 但均需采选择性蚀铜制程 除去局部铜箔盖子而露出孔位处的基材 再以不伤铜箔只能烧毁非金属物质的CO2雷射光 按钻孔程序带逐一烧出盲孔 此等雷射可被树脂大量吸收 故能顺利使之烧毁及气化而完成钻孔 至于玻纤部份则因吸收不足致使烧除效果也较差 CO2雷射钻孔须先蚀铜才能烧掉正下方的非金属板材 见到铜底后即可洗孔镀孔 6 2 1 激光成孔 6 2 1 2 Nd YAG雷射 系由铌 Neodymium 与钇铝柘榴石 YttriumAluminiumGarnet 两种固媒体所共同激发出现的雷射光 此等紫外光之能量很强可直接穿过铜皮烧成盲孔 或可调整能旦烧穿两层铜皮成较深的盲孔 但由于尖峰能量很强 常会造成板材的灼