第二章基板的结构与性能.ppt

1、第二章 基板的结构与性能,1,第一节 立体连接方式,1、立体连接方式概念 多层PCB一般按其导体层的层数称为3, 4, 5, 6, n层板。 通常中心部的芯板为多层板，上下两侧为积层板，其总层数按积层板+芯板+积层板的顺序表示。 (如：1 + 4 + 1、3 + 6 + 3等),多层PCB: 在绝缘基板表面和内部形成导体层，为了实现三维立体布线，厚度方向的连接必不可少 为了实现立体连接，需要在绝缘层厚度方向制孔，在孔的内壁和孔中形成导体以实现电路连以实现电气连接。,3,2、有机制孔与连接 有机材料积层实现层间连接: 紫外光、激光等在有机层上制孔; 电镀金属层实现层间的电气连接。 特点：孔径和孔

2、距都可以做得很小，通孔埋孔后可进行积层, 特别适用于高密度布线和高密度封装。,4,3、陶瓷布线与连接的方法 陶瓷多层布线板一般采用金属浆料丝网印刷电路图形或填孔，经烧结形成导体布线层和层间连接。 与有机基材相比： 有机基材不能承受烧结的高温，电镀法在有机基材中是不可缺少的关键技术。,5,丝网印刷,第二节 多层印制电路板的结构,1、电镀通孔多层PCB Plating though hole (PTH) 在孔的内壁电镀金属膜，并由此实现不同层导体图形立体连接。,6,7,8,具有为通孔贯穿式多层板,特点： 用于引脚插入型封装，孔径较大； 用于表面贴装型封装时，电镀通孔起着电气导通作用； 为了提高封装

3、密度，在保证加工性、可靠性的前提下，孔径和孔距应尽量小。,9,2、金属芯/金属衬底多层PCB,10,11,12,c ) 金属衬底多层PCB是在厚金属板的一侧积层布线层而构成。,金属层的特点与应用 金属芯金属衬底中金属层的厚度一般为0.1-0.5 mm，布线导体层的厚度 0.018-0.07mm。导体 金属层 满足某些特殊需求，如改善散热性、传输强电流、构成磁路(电动机、继电器等)。 改善散热性选择铝、铜等； 传输强电流选择铜等； 构成磁路等选择铁、坡莫合金等； 热膨胀系数匹配合金复合材料。,13,3、刚-挠性(Rigid-Flex)多层PCB 刚性部分与挠性部分交替出现。 挠性PCB由刚性PC

4、B中的多层芯板的一部分构成，多层PCB的连接可直接由挠性部分完成，有可能缩短布线长度。,14,缺点：与刚性板相比，其制造工艺复杂，价格较高。 优点：重量轻，可弯曲折叠，使用方便，综合性能优良，而且不需要接线端子及承插接口。 用途： 形状复杂的刚-挠性多层PCB多用于航空航天器及军用设备等，一般民用电子设备中采用不多。,15,4、电镀层间连接积层式多层PCB 积层式多层PCB的制造过程: 逐层形成导体层、绝缘层，完成层间导体图形的连接，经逐步积层形成多层布线层。,16,由电镀埋孔层间互连方式形成的2+4+2层积层式多层PCB的结构。 积层部分很薄，难以自力保持其形状，需要靠中间的刚性板支持，一般

5、称该刚性板为芯板。,17,芯板为4层板，芯板中设有IVH结构。在芯板的上下两面积层绝缘层，再由光刻法、激光制孔，经电镀、刻蚀完成导体层的连接并形成电路图形。,18,层间导通孔的孔径可以做得很小，从而扩大了布线区域。电路图形的线宽、间距都可以做得更加精细。20-80 mm 由于层间距可以做得很小，对于特性阻抗匹配、抑制电磁波辐射等都有好处。,19,5、转印积层式多层PCB 针对电路图形在镍或不锈钢等金属板上电镀薄铜层 (包括图形电镀、形成导体图形等），再将其转印到绝缘板上。 用绝缘材料埋入电路图形。 由于两层绝缘层、一层电路层三者之间由树脂粘结，可保证电路图形稳定可靠，表面平滑。,20,21,转

6、印的图形的线宽、间距都可达40 mm左右 6、导体浆料实现层间连接的积层PCB 1.松下ALIVH 2.东芝B2it,ALIVH：any layer inner via hole 任意层内通孔 采用芳酰胺(aramide)非织造布环氧树脂半固化片材料，用激光打孔，在孔中填充导电浆料，再与铜箔积层，经过光刻形成电路图形后，多层叠层热压而成。,22,B2it埋入凸点互连积层多层结构 B2it: buried bump interconnection technology 在铜箔上由导电浆料制作圆锥状凸柱，在层压过程中，使其穿透绝缘半固化片材料，实现与另一导体层的连接，多次重复上述过程可获得积层式多

7、层PCB。,23,第三节 多层PCB的电气性能,1、多层PCB的一般电气性能 直流特性 导体电阻；绝缘电阻； 交流持性 特性阻抗；信号传输速度；交叉噪声； 高频特性；电磁屏蔽特性。,24,1）影响导体电阻的因素 a) 原因：在多层PCB表面和内部所布置的大量连接电子几器件的导体布线， 不仅越来越长， 而且越来越细。 希望导体的布线电阻尽可能低。 高密度封装可望缩短元器件间的布线距离，但由于布线的微细化，电阻有可能进一步增加。,b) 集成度：随着芯片集成度的提高和高性能化，搭载系统LSI等高性能半导体元件可提高整体性能，但在同一块PCB上搭载具有多种功能的芯片或元器件，有可能造成布线长度的增加。

8、 LSI: large scale integration 大规模集成电路,c）铜材料：导体布线多由铜箔、镀铜膜形成，以铜材料为主体。按电阻率来说，铜仅次于银，其电阻率是相当低的。布线电阻取决于布线长度及横截面积。,铜的电阻率为0.0174 mm。 对于布线宽度10 mm、厚度5 mm的横截面积 50 mm2的布线来说，布线长度为50mm时，其阻值达17.4 。,长度为10mm时，电阻为3.48 。 对于小型封装来说，尽管布线电阻不会产生太大的问题，但随着基板尺寸加大，布线电阻对信号传输的影响将不可忽视。,PCB布线的横截面积一般应在: 100或150 mm2以上。,d）大电流：除了铜布线的电

9、阻之外，容许电流也是必须考虑的因素之一,2）绝缘电阻的影响 若导体间的绝缘不好，或者完全不绝缘，则PCB上形成导体、电路等的功能会下降，有时会完全失效并引起故障。因此绝缘特性极为重要。,绝缘特性的由来: a) 多层PCB的绝缘特性取决于绝缘基板及绝缘材料的绝缘特性。 b) 材料的吸水性、材料内的杂质、界面结合情况。 c) 热应力等引起的裂纹等诸多因素相关。,例如： 多层PCB制造过程中处理液的残留，由外部污染等造成的影响都会造成绝缘特性的下降。 使用环境的温度、湿度、腐蚀性气体的存在也会引起绝缘性的变化。,绝缘电阻需要保持在5 108 以上。,现代发展要求: a）随着表面贴装方式的进展，裸芯片

10、搭载方式的增多，元器件向小型化、轻量化的进展，作为搭载元器件基板的多层PCB也不可避免地向薄型化方向发展。,b）不仅表面导体布线及内层导体布线间距缩短，而且层间间距也不断缩小。层间距因绝缘材料的电气性能不同而异，可以小到20mm，因此层间绝缘非常重要。,3）特性阻抗及传输速度 a）工作频率 在快速发展的信息时代，电子设备的性能指标逐年向上，工作频率逐步提高，其中使用的半导体元件，特别是LSI的发展速度更是日新月异。,为适应传输信号的高速化，在材料、图形设计、层结构等方面都会产生相应变化，特性阻抗就是其中之一，要求PCB应具有良好的匹配特性。,b）特性阻抗不匹配的后果: 若电子元器件的输入或输出

11、特性阻抗与多层PCB上导体电路的特性阻抗不匹配，则会向界面处 产生信号反射，形成噪声，使传输信号质量下降。 这种影响对于工作在高频领域，处理高速信号的先进电子设备来说特别显著。,c）特性阻抗公式 Z0(/m),R：导体电阻(/m)； L:电感(H/m)； G: 绝缘层的电导(m/); C：导体间电容（F/m）; ：角速度；2f（f 信号频率)。,当频率很高时，特性阻抗Z0可简化为：,r：相对介电常数； C0, V0 分别为介电常数为1时的电容及位相速度。,噪声来源的反射系数：,Zr：实际的负载阻抗； Zr = Z0时， = 0，在此条件下无反射发生。,d）实现特性阻抗匹配，采用特殊的传输回路,

12、微带布线（microstrip),42,微带布线（microstrip),在 (a)中 ，接地面为无限宽导体，在其上方或其中间布置信号线，理论上讲，在一定条件下，可以做到对信号不产生任何影响。,43,但实际上，如 (b)、(c) 所示，由于信号线周围有许多导体存在，往往会对信号造成影响。而且，接地面、电源平面也不能为无限大。,微带布线（microstrip),44,带状布线（stripline),45,带有许多预留孔（clearence)，信号线也非一条，相互间平行走向、交叉走向，相当复杂。,46,除微带布线（microstrip)、带状布线(stripline)外，还可采用共平面型（copl

13、anar type)和同轴型(coaxial type)等布线结构。,47,共平面型 在同一平面内布置信号线和接地线,共平面型结构的优点：可以布置多条封装布线。,48,同轴型,49,e) 特性阻抗经验公式 实际的特性阻抗计算是很困难的，一般采用经验公式。 例如：对于微带布线，其特性阻抗Z0 /m一般按下式计算：,50,直接进行计算相当繁琐，利用现成的软件，按图形尺寸、导体厚度、绝缘层厚度等数据代入，由计算机进行计算。根据计算结果，与试制的PCB决行相互校正最终达到阻抗匹配。,4) 介电损耗 对于绝缘材料来说，其相关的电气特性还有介电损耗。 介电损耗可由介电材料中极化电流滞后电压相位角的正切来表

14、征，它与信号频率 和电路分布参数C、R的关系是：,：损耗角。 值大时，信号会以发热的形式发生损耗，甚至消失。 对于高频应用来说，介电损耗是极为重要的特性。,5) 信号传输速度 信号传输速度v （m/ns）可表示为:,v决定于相对介电常数r , 对于高速回路来说，要求尽量选用介电常数小的绝缘材料。,6) 集肤效应 (Skin Effect) 在高频领域存在集肤效应问题。 集肤效应是随着频率提高，电流逐渐向导体表面集中的现象。 在发生集肤效应的情况下，电阻值不是与导体的断面积相关，而是与导体截而的外周长相关。,集肤深度(Skin Depth) 由于集肤效应, 从导体表面算起随深度增加，电流迅速衰减

15、。 称电流降低至1/e的距离为集肤深度。,此时的电阻为:,57,7) 交调噪声 (Cross Talk) 原因: PCB个信号线的走向十分复杂, 当平行信号线的一方加有电压时，与其邻近的导体线上会产生感应电压，并因此诱发噪声。称这种噪声为交调噪声。 这种现象在高密度布线的情况下特别显著。按测定方法不同，有前方(forward)交调噪声和后方(back)交调噪声之分。,58,图表示交调噪声大小与导体间距之间的关系。可以看出，导体间距越小，交调噪声越大。,59,防止交调噪声的方法： 加大导体间距； 减小导体与接地层之间的间距。 但是，在高密度化的总趋势下，增加布线导体间距显然是背道而驰，而减小导体

16、与接地层之间的间距往往又受到特性阻抗匹配的制约。,60,防止交调噪声的方法： 仅靠减小材料的介电常数来降低交调噪声效果不大； 通过合理设计布线尺寸并精心布置来解决； 对平行线，限制其长度； 对层间布线，尽量互相垂直。,61,8) 电磁波屏蔽特性,电子设备向高频、高速、小型化方向发展，其受外部噪声的影响加剧。 容易受到外部噪声影响或易产生电磁波辐射的部位：布线部分、所搭载的元器件以及由此构成的电子回路。,62,防止EMI措施 （Electromagnetic Interference) 改善回路结构； 通过机器外壳使电子回路与外界隔离； 接地层包围（覆）信号线，效果显著； 高频特性与传输速度直接相关，因此应尽量采用介电常数小、介电损耗小的材料； 导体布线图形的均匀性、尺寸精度。,第一节 立体连接方式概述,第二节 多层印制电路板的结构,第三节 多层P