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PCB線路板(印制線路板)知識總結

發布日期:2022-01-06 12:22:37  |  關注:107

一、簡介

PCB線路板(印制電路板),又稱印刷電路板、印刷線路板,簡稱印制板,英文簡稱PCB(printed circuit board )或PWB(printed wiring board),以絕緣板為基材,切成一定尺寸,其上至少附有一個導電圖形,并布有孔(如元件孔、緊固孔、金屬化孔等),用來代替以往裝置電子元器件的底盤,并實現電子元器件之間的相互連接。由于這種板是采用電子印刷術制作的,故被稱為“印刷電路板”。習慣稱“印制線路板”為“印制電路”是不確切的,因為在印制板上并沒有“印制元件”而僅有布線。

二、基本組成

目前的電路板,主要由以下組成:

1,線路與圖面(Pattern):線路是作為原件之間導通的工具,在設計上會另外設計大銅面作為接地及電源層。線路與圖面是同時做出的。

2,介電層(Dielectric):用來保持線路及各層之間的絕緣性,也稱為基材。

3,孔(Through hole / via):導通孔可使兩層次以上的線路彼此導通,較大的導通孔則做為零件插件用,另外有非導通孔(nPTH)通常用來作為表面貼裝定位,組裝時固定螺絲用。

4,防焊油墨(Solder resistant /Solder Mask):并非全部的銅面都要吃錫上零件,因此非吃錫的區域,會印一層隔絕銅面吃錫的物質(通常為環氧樹脂),避免非吃錫的線路間短路。根據不同的工藝,分為綠油、紅油、藍油。

5,絲?。↙egend /Marking/Silk screen):此為非必要之構成,主要的功能是在電路板上標注各零件的名稱、位置框,方便組裝后維修及辨識用。

6,表面處理(Surface Finish):由于銅面在一般環境中,很容易氧化,導致無法上錫(焊錫性不良),因此會在要吃錫的銅面上進行保護。保護的方式有噴錫(HASL)、化金(ENIG)、化銀(Immersion Silver)、化錫(Immersion Tin)、有機保焊劑(OSP),方法各有優缺點,統稱為表面處理。


三、發展簡史


在印制電路板出現之前,電子元件之間的互連都是依靠電線直接連接而組成完整的線路?,F在,電路面包板只是作為有效的實驗工具而存在,而印制電路板在電子工業中已經成了占據了絕對統治的地位。


20世紀初,人們為了簡化電子機器的制作,減少電子零件間的配線,降低制作成本等,于是開始鉆研以印刷的方式取代配線的方法。三十年間,不斷有工程師提出在絕緣的基板上加以金屬導體作配線。


最成功的是1925年,美國的 Charles Ducas 在絕緣的基板上印刷出線路圖案,再以電鍍的方式,成功建立導體作配線。


直至1936年,奧地利人保羅·愛斯勒(Paul Eisler)在英國發表了箔膜技術,他在一個收音機裝置內采用了印刷電路板;而在日本,宮本喜之助以噴附配線法“メタリコン法吹著配線方法(特許119384號)”成功申請專利。而兩者中 Paul Eisler 的方法與現今的印制電路板最為相似,這類做法稱為減去法,是把不需要的金屬除去;而Charles Ducas、宮本喜之助的做法是只加上所需的配線,稱為加成法。雖然如此,但因為當時的電子零件發熱量大,兩者的基板也難以配合使用,以致未有正式的使用,不過也使印刷電路技術更進一步。


1941年,美國在滑石上漆上銅膏作配線,以制作近接信管。


1943年,美國人將該技術大量使用于軍用收音機內。


1947年,環氧樹脂開始用作制造基板。同時NBS開始研究以印刷電路技術形成線圈、電容器、電阻器等制造技術。


1948年,美國正式認可這個發明用于商業用途。


20世紀50年代起,發熱量較低的晶體管大量取代了真空管的地位,印刷電路版技術才開始被廣泛采用。而當時以蝕刻箔膜技術為主流。


1950年,日本使用玻璃基板上以銀漆作配線;和以酚醛樹脂制的紙質酚醛基板(CCL)上以銅箔作配線。


1951年,聚酰亞胺的出現,便樹脂的耐熱性再進一步,也制造了聚亞酰胺基板。


1953年,Motorola開發出電鍍貫穿孔法的雙面板。這方法也應用到后期的多層電路板上。


印制電路板廣泛被使用10年后的60年代,其技術也日益成熟。而自從Motorola的雙面板面世,多層印制電路板開始出現,使配線與基板面積之比更為提高。


1960年,V. Dahlgreen 以印有電路的金屬箔膜貼在熱可塑性的塑膠中,造出軟性印制電路板。1961年,美國的 Hazeltine Corporation 參考了電鍍貫穿孔法,制作出多層板。


1967年,發表了增層法之一的“Plated-up technology”。


1969年,FD-R以聚酰亞胺制造了軟性印制電路板。


1979年,Pactel發表了增層法之一的“Pactel法”。


1984年,NTT開發了薄膜回路的“Copper Polyimide法”。


1988年,西門子公司開發了Microwiring Substrate的增層印制電路板。


1990年,IBM開發了“表面增層線路”(Surface Laminar Circuit,SLC)的增層印制電路板。


1995年,松下電器開發了ALIVH的增層印制電路板。


1996年,東芝開發了Bit的增層印制電路板。


就在眾多的增層印制電路板方案被提出的1990年代末期,增層印制電路板也正式大量地被實用化,直至現在。


四、重要性它是重要的電子部件


是電子元器件的支撐體。印刷電路板并非一般終端產品,在名稱的定義上略為混亂。


例如:個人電腦用的母板,稱為主板,而不能直接稱為電路板,雖然主機板中有電路板的存在,但是并不相同,因此評估產業時兩者有關卻不能說相同。


再譬如:因為有集成電路零件裝載在電路板上,因而新聞媒體稱他為IC板,但實質上他也不等同于印刷電路板。我們通常說的印刷電路板是指裸板——即沒有上元器件的電路板。


五、分類


根據PCB印刷線路板電路層數分類:PCB印刷線路板分為單面板、雙面板和多層板。常見的多層板一般為4層板或6層板,復雜的多層板可達幾十層。


PCB板有以下三種主要的劃分類型:

1,單面板

單面板(Single-SidedBoards)在最基本的PCB上,零件集中在其中一面,導線則集中在另一面上。因為導線只出現在其中一面,所以這種PCB叫作單面板(Single-sided)。因為單面板在設計線路上有許多嚴格的限制(因為只有一面,布線間不能交叉而必須繞獨自的路徑),所以只有早期的電路才使用這類的板子。

2,雙面板

雙面板(Double-SidedBoards)這種電路板的兩面都有布線,不過要用上兩面的導線,必須要在兩面間有適當的電路連接才行。這種電路間的“橋梁”叫做導孔(via)。導孔是在PCB上,充滿或涂上金屬的小孔,它可以與兩面的導線相連接。因為雙面板的面積比單面板大了一倍,雙面板解決了單面板中因為布線交錯的難點(可以通過過孔導通到另一面),它更適合用在比單面板更復雜的電路上。

3,多層板

多層板(Multi-LayerBoards)為了增加可以布線的面積,多層板用上了更多單或雙面的布線板。用一塊雙面作內層、二塊單面作外層,或二塊雙面作內層、二塊單面作外層的印刷線路板,通過定位系統及絕緣粘結材料交替在一起且導電圖形按設計要求進行互連的印刷線路板就成為四層、六層印刷電路板了,也稱為多層印刷線路板。

板子的層數并不代表有幾層獨立的布線層,在特殊情況下會加入空層來控制板厚,通常層數都是偶數,并且包含最外側的兩層。大部分的主機板都是4到8層的結構,不過技術理論上可以做到近100層的PCB板。大型的超級計算機大多使用相當多層的主機板,不過因為這類計算機已經可以用許多普通計算機的集群代替,超多層板已經漸漸不被使用了。因為PCB中的各層都緊密的結合,一般不太容易看出實際數目,不過如果仔細觀察主機板,還是可以看出來。


六、拼板規范

1,電路板拼板寬度≤260mm(SIEMENS線)或≤300mm(FUJI線);如果需要自動點膠,PCB拼板寬度×長度≤125mm×180mm。

2,拼板外形盡量接近正方形,推薦采用2×2、3×3、……拼板;但不要拼成陰陽板。

3,電路板拼板的外框(夾持邊)應采用閉環設計,確保PCB拼板固定在夾具上以后不會變形。

4,小板之間的中心距控制在75mm~145mm之間。

5,拼板外框與內部小板、小板與小板之間的連接點附近不能有大的器件或伸出的器件,且元器件與PCB板的邊緣應留有大于0.5mm的空間,以保證切割刀具正常運行。

6,在拼板外框的四角開出四個定位孔,孔徑4mm±0.01mm;孔的強度要適中,保證在上下板過程中不會斷裂;孔徑及位置精度要高,孔壁光滑無毛刺。

7,電路板拼板內的每塊小板至少要有三個定位孔,3mm≤孔徑≤6mm,邊緣定位孔1mm內不允許布線或者貼片。

8,用于電路板的整板定位和用于細間距器件定位的基準符號,原則上間距小于0.65mm的QFP應在其對角位置設置;用于拼版電路板的定位基準符號應成對使用,布置于定位要素的對角處。

9,設置基準定位點時,通常在定位點的周圍留出比其大1.5 mm的無阻焊區


七、外觀

裸板(板上沒有零件)也常被稱為"印刷線路板Printed Wiring Board(PWB)"。板子本身的基板是由絕緣隔熱、不易彎曲的材質所制作成。在表面可以看到的細小線路材料是銅箔,原本銅箔是覆蓋在整個板子上的,而在制造過程中部份被蝕刻處理掉,留下來的部份就變成網狀的細小線路了。這些線路被稱作導線(conductor pattern)或稱布線,并用來提供PCB上零件的電路連接。


通常PCB的顏色都是綠色或是棕色,這是阻焊(solder mask)的顏色。是絕緣的防護層,可以保護銅線,也防止波峰焊時造成的短路,并節省焊錫的用量。在阻焊層上還會印刷上一層絲網印刷面(silk screen)。通常在這上面會印上文字與符號(大多是白色的),以標示出各零件在板子上的位置。絲網印刷面也被稱作圖標面(legend)。


在制成最終產品時,其上會安裝集成電路、電晶體、二極管、被動元件(如電阻、電容、連接器等)及其他各種各樣的電子零件。借著導線連通,可以形成電子訊號連結及應有機能。


八、主要優點


采用印制板的主要優點是:

1,由于圖形具有重復性(再現性)和一致性,減少了布線和裝配的差錯,節省了設備的維修、調試和檢查時間;

2,設計上可以標準化,利于互換;

3,布線密度高、體積小、重量輕,利于電子設備的小型化;

4,利于機械化、自動化生產,提高了勞動生產率并降低了電子設備的造價。

5,FPC軟性板的耐彎折性、精密性更好的應到高精密儀器上(如相機、手機、攝像機等)。


九、市場現狀


近十幾年來,我國印制電路板制造行業發展迅速,總產值、總產量雙雙位居世界第一。由于電子產品日新月異,價格戰改變了供應鏈的結構,中國兼具產業分布、成本和市場優勢,已經成為全球最重要的印制電路板生產基地。


印制電路板從單層發展到雙面板、多層板和撓性板,并不斷地向高精度、高密度和高可靠性方向發展。不斷縮小體積、減少成本、提高性能,使得印制電路板在未來電子產品的發展過程中,仍然保持強大的生命力。


未來印制電路板生產制造技術發展趨勢是在性能上向高密度、高精度、細孔徑、細導線、小間距、高可靠、多層化、高速傳輸、輕量、薄型方向發展。


《中國印制電路板制造行業市場前瞻與投資戰略規劃分析報告前瞻》調查數據顯示,2010年中國規模以上印制電路板生產企業共計908家,資產總計2161.76 億元;實現銷售收入2257.96 億元,同比增長29.16%;獲得利潤總額94.03 億元,同比增長50.08%。


十、設計


印制電路板的設計是以電路原理圖為根據,實現電路設計者所需要的功能。印制電路板的設計主要指版圖設計,需要考慮外部連接的布局、內部電子元件的優化布局、金屬連線和通孔的優化布局、電磁保護、熱耗散等各種因素。優秀的版圖設計可以節約生產成本,達到良好的電路性能和散熱性能。簡單的版圖設計可以用手工實現,復雜的版圖設計需要借助計算機輔助設計(CAD)實現。


1,地線設計

在電子設備中的線路板、電路板、PCB板上,接地是控制干擾的重要方法。如能將接地和屏蔽正確結合起來使用,可解決大部分干擾問題。電子設備中地線結構大致有系統地、機殼地(屏蔽地)、數字地(邏輯地)和仿真地等。


在地線設計中應注意以下幾點:

(1) 正確選擇單點接地與多點接地

低頻電路中,信號的工作頻率小于1MHz,它的布線和器件間的電感影響較小,而接地電路形成的環流對干擾影響較大,因而應采用一點接地。當信號工作頻率大于10MHz時,地線阻抗變得很大,此時應盡量降低地線阻抗,應采用就近多點接地。當工作頻率在1~10MHz時,如果采用一點接地,其地線長度不應超過波長的1/20,否則應采用多點接地法。

(2) 將數字電路與仿真電路分開

電路板上既有高速邏輯電路,又有線性電路,應使它們盡量分開,而兩者的地線不要相混,分別與電源端地線相連。要盡量加大線性電路的接地面積。 

(3) 盡量加粗接地線

若接地線很細,接地電位則隨電流的變化而變化,致使電子設備的定時信號電平不穩,抗噪聲性能變差。因此應將接地線盡量加粗,使它能通過三倍于印制電路板的允許電流。如有可能,接地線的寬度應大于3mm。

(4) 將接地線構成死循環路

設計只由數字電路組成的印制電路板的地線系統時,將接地線做成死循環路可以明顯的提高抗噪聲能力。其原因在于:印制電路板上有很多集成電路組件,尤其遇有耗電多的組件時,因受接地線粗細的限制,會在地結上產生較大的電位差,引起抗噪聲能力下降,若將接地結構成環路,則會縮小電位差值,提高電子設備的抗噪聲能力。

2,高速多層

在電子產品趨于多功能復雜化的前題下,集成電路元件的接點距離隨之縮小,信號傳送的速度則相對提高,隨之而來的是接線數量的提高、點間配線的長度局部性縮短,這些就需要應用高密度線路配置及微孔技術來達成目的。配線與跨接基本上對單雙面板而言有其達成的困難,因而電路板會走向多層化,又由于訊號線不斷的增加,更多的電源層與接地層就為設計的必須手段,這些都促使多層印刷電路板(Multilayer Printed Circuit Board)更加普遍。


對于高速化訊號的電性要求,電路板必須提供具有交流電特性的阻抗控制、高頻傳輸能力、降低不必要的輻射(EMI)等。采用Stripline、Microstrip的結構,多層化就成為必要的設計。為減低訊號傳送的品質問題,會采用低介電質系數、低衰減率的絕緣材料,為配合電子元件構裝的小型化及陣列化,電路板也不斷的提高密度以因應需求。BGA (BallGrid Array)、CSP (Chip Scale Package)、DCA (Direct ChipAttachment)等組零件組裝方式的出現,更促使印刷電路板推向前所未有的高密度境界。


凡直徑小于150um以下的孔在業界被稱為微孔(Microvia),利用這種微孔的幾何結構技術所作出的電路可以提高組裝、空間利用等等的效益,同時對于電子產品的小型化也有其必要性。


對于這類結構的電路板產品,業界曾經有過多個不同的名稱來稱呼這樣的電路板。例如:歐美業者曾經因為制作的程序是采用序列式的建構方式,因此將這類的產品稱為SBU (Sequence Build UpProcess),一般翻譯為“序列式增層法”。至于日本業者,則因為這類的產品所制作出來的孔結構比以往的孔都要小很多,因此稱這類產品的制作技術為MVP (Micro Via Process),一般翻譯為“微孔制程”。也有人因為傳統的多層板被稱為MLB (Multilayer Board),因此稱呼這類的電路板為BUM (Build Up Multilayer Board),一般翻譯為“增層式多層板”。


十一、制造


1,拼版

PCB設計完成因為PCB板形太小,不能滿足生產工藝要求,或者一個產品由幾塊PCB組成,這樣就需要把若干小板拼成一個面積符合生產要求的大板,或者將一個產品所用的多個PCB拼在一起而便于生產安裝。前者類似于郵票板,它既能夠滿足PCB生產工藝條件也便于元器件安裝,使用時再分開,十分方便;后者是將一個產品的若干套PCB板拼裝在一起,這樣便于生產,也便于對一個產品齊套,清楚明了。

2,數據生成

PCB板生產的基礎是菲林底版。早期制作菲林底版時,需要先制作出菲林底圖,然后再利用底圖進行照相或翻版。底圖的精度必須與印制板所要求的一致,并且應該考慮對生產工藝造成的偏差進行補償。底圖可由客戶提供也可由生產廠家制作,但雙方應密切合作和協商,使之既能滿足用戶要求,又能適應生產條件。在用戶提供底圖的情況下,廠家應檢驗并認可底圖,用戶可以評定并認可原版或第一塊印制板產品。底圖制作方法有手工繪制、貼圖和CAD制圖。隨著計算機技術的發展,印制板CAD技術得到極大的進步,印制板生產工藝水平也不斷向多層,細導線,小孔徑,高密度方向迅速提高,原有的菲林制版工藝已無法滿足印制板的設計需要,于是出現了光繪技術。使用光繪機可以直接將CAD設計的PCB圖形數據文件送入光繪機的計算機系統,控制光繪機利用光線直接在底片上繪制圖形。然后經過顯影、定影得到菲林底版。使用光繪技術制作的印制板菲林底版,速度快、精度高、質量好,而且避免了在人工貼圖或繪制底圖時可能出現的人為錯誤,大大提高了工作效率,縮短了印制板的生產周期。激光光繪機,在很短的時間內就能完成過去多人長時間才能完成的工作,而且其繪制的細導線、高密度底版也是人工操作無法比擬的。按照激光光繪機的結構不同,可以分為平板式、內滾桶式(Internal Drum)和外滾桶式(External Drum)。光繪機使用的標準數據格式是Gerber-RS274格式,也是印制板設計生產行業的標準數據格式。Gerber格式的命名引用自光繪機設計生產的先驅者——美國Gerber公司。光繪圖數據的產生,是將CAD軟件產生的設計數據轉化稱為光繪數據(多為Gerber數據),經過CAM系統進行修改、編輯,完成光繪預處理(拼版、鏡像等),使之達到印制板生產工藝的要求。然后將處理完的數據送入光繪機,由光繪機的光柵(Raster)圖象數據處理器轉換成為光柵數據,此光柵數據通過高倍快速壓縮還原算法發送至激光光繪機,完成光繪。

3,光繪數據格式

光繪數據格式是以向量式光繪機的數據格式Gerber數據為基礎發展起來的,并對向量式光繪機的數據格式進行了擴展,并兼容了HPGL惠普繪圖儀格式,Autocad DXF、TIFF等專用和通用圖形數據格式。一些CAD和CAM開發廠商還對Gerber數據作了擴展。

以下對Gerber數據作一簡單介紹。Gerber數據的正式名稱為Gerber RS-274格式。向量式光繪機碼盤上的每一種符號,在Gerber數據中,均有一相應的D碼(D-CODE)。這樣,光繪機就能夠通過D碼來控制、選擇碼盤,繪制出相應的圖形。將D碼和D碼所對應符號的形狀、尺寸大小進行列表,即得到一D碼表。此D碼表就成為從CAD設計到光繪機利用此數據進行光繪的一個橋梁。用戶在提供Gerber光繪數據的同時,必須提供相應的D碼表。這樣,光繪機就可以依據D碼表確定應選用何種符號盤進行曝光,從而繪制出正確的圖形。在一個D碼表中,一般應該包括D碼,每個D碼所對應碼盤的形狀、尺寸、以及該碼盤的曝光方式。


十二、功能測試

更密集的PCB、更高的總線速度以及模擬RF電路等等對測試都提出了前所未有的挑戰,這種環境下的功能測試需要認真的設計、深思熟慮的測試方法和適當的工具才能提供可信的測試結果。

在同夾具供應商打交道時,要記住這些問題的同時,還要想到產品將在何處制造,這是一個很多測試工程師會忽略的地方。例如我們假定測試工程師身在美國的加利福尼亞,而產品制造地卻在泰國。測試工程師會認為產品需要昂貴的自動化夾具,因為在加州廠房價格高,要求測試儀盡量少,而且還要用自動化夾具以減少雇用高技術高工資的操作工。但在泰國,這兩個問題都不存在,讓人工來解決這些問題更加便宜,因為這里的勞動力成本很低,地價也很便宜,大廠房不是一個問題。因此有時候一流設備在有的國家可能不一定受歡迎。


1,技術水平

在高密度UUT中,如果需要校準或診斷則很可能需要由人工進行探查,這是由于針床接觸受到限制以及測試更快(用探針測試UUT可以迅速采集到數據而不是將信息反饋到邊緣連接器上)等原因,所以要求由操作員探查UUT上的測試點。不管在哪里,都應確保測試點已清楚地標出。


探針類型和普通操作工也應該注意,需要考慮的問題包括:

1,探針大過測試點嗎?探針有使幾個測試點短路并損壞UUT的危險嗎?對操作工有觸電危害嗎?

2,每個操作工能很快找出測試點并進行檢查嗎?測試點是否很大易于辨認呢?

3,操作工將探針按在測試點上要多長時間才能得出準確的讀數?如果時間太長,在小的測試區會出現一些麻煩,如操作工的手會因測試時間太長而滑動,所以建議擴大測試區以避免這個問題。

考慮上述問題后測試工程師應重新評估測試探針的類型,修改測試文件以更好地識別出測試點位置,或者甚至改變對操作工的要求。

2,自動探查

在某些情況下會要求使用自動探查,例如在PCB難以用人工探查,或者操作工技術水平所限而使得測試速度大大降低的時候,這時就應考慮用自動化方法。

自動探查可以消除人為誤差,降低幾個測試點短路的可能性,并使測試操作加快。但是要知道自動探查也可能存在一些局限,根據供應商的設計而各有不同,

包括:

(1),UUT的大小

(2),同步探針的數量

(3),兩個測試點相距有多近?

(4),測試探針的定位精度

(5),系統能對UUT進行兩面探測嗎?

(6),探針移至下一個測試點有多快?

(7),探針系統要求的實際間隔是多少?(一般來講它比離線式功能測試系統要大)


自動探查通常不用針床夾具接觸其它測試點,而且一般它比生產線速度慢,因此可能需要采取兩種步驟:如果探測儀僅用于診斷,可以考慮在生產線上采用傳統的功能測試系統,而把探測儀作為診斷系統放在生產線邊上;如果探測儀的目的是UUT校準,那么唯一的真正解決辦法是采用多個系統,要知道這還是比人工操作要快得多。

如何整合到生產線上也是必須要研究的一個關鍵問題,生產線上還有空間嗎?系統能與傳送帶連接嗎?好在許多新型探測系統都與SMEMA標準兼容,因此它們可以在在線環境下工作。

3,邊界掃描

這項技術早在產品設計階段就應該進行討論,因為它需要專門的元器件來執行這項任務。在以數字電路為主的UUT中,可以購買帶有IEEE 1194(邊界掃描)支持的器件,這樣只做很少或不用探測就能解決大部分診斷問題。邊界掃描會降低UUT的整體功能性,因為它會增大每個兼容器件的面積(每個芯片增加4~5個引腳以及一些線路),所以選擇這項技術的原則,就是所花費的成本應該能使診斷結果得到改善。應記住邊界掃描可用于對UUT上的閃速存儲器和PLD器件進行編程,這也更進一步增加了選用該測試方法的理由。

如何處理一個有局限的設計?

如果UUT設計已經完成并確定下來,此時選擇就很有限。當然也可以要求在下次改版或新產品中進行修改,但是工藝改善總是需要一定的時間,而你仍然要對目前的狀況進行處理。

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