印刷電路板概念

　　印制電路板{PCB線路板}，又稱印刷電路板，是電子元器件電氣連接的提供者。它的發(fā)展已有100多年的歷史了；它的設(shè)計(jì)主要是版圖設(shè)計(jì)；采用電路板的主要優(yōu)點(diǎn)是大大減少布線和裝配的差錯(cuò)，提高了自動(dòng)化水平和生產(chǎn)勞動(dòng)率。

　　印制電路板分類

　　1、單面板

　　在最基本的PCB上，零件集中在其中一面，導(dǎo)線則集中在另一面上。因?yàn)閷?dǎo)線只出現(xiàn)在其中一面，所以這種PCB叫作單面板（Single-sided）。因?yàn)閱蚊姘逶谠O(shè)計(jì)線路上有許多嚴(yán)格的限制（因?yàn)橹挥幸幻妫季€間不能交叉而必須繞獨(dú)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

　　這種電路板的兩面都有布線，不過(guò)要用上兩面的導(dǎo)線，必須要在兩面間有適當(dāng)?shù)碾娐愤B接才行。這種電路間的“橋梁”叫做導(dǎo)孔（via）。導(dǎo)孔是在PCB上，充滿或涂上金屬的小洞，它可以與兩面的導(dǎo)線相連接。因?yàn)殡p面板的面積比單面板大了一倍，雙面板解決了單面板中因?yàn)椴季€交錯(cuò)的難點(diǎn)（可以通過(guò)導(dǎo)孔通到另一面），它更適合用在比單面板更復(fù)雜的電路上。

　　3、多層板

　　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(nèi)層、二塊單面作外層或二塊雙面作內(nèi)層、二塊單面作外層的印刷線路板，通過(guò)定位系統(tǒng)及絕緣粘結(jié)材料交替在一起且導(dǎo)電圖形按設(shè)計(jì)要求進(jìn)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(shù)并不代表有幾層獨(dú)立的布線層，在特殊情況下會(huì)加入空層來(lái)控制板厚，通常層數(shù)都是偶數(shù)，并且包含最外側(cè)的兩層。大部分的主機(jī)板都是4到8層的結(jié)構(gòu)，不過(guò)技術(shù)上理論可以做到近100層的PCB板。大型的超級(jí)計(jì)算機(jī)大多使用相當(dāng)多層的主機(jī)板，不過(guò)因?yàn)檫@類計(jì)算機(jī)已經(jīng)可以用許多普通計(jì)算機(jī)的集群代替，超多層板已經(jīng)漸漸不被使用了。因?yàn)镻CB中的各層都緊密的結(jié)合，一般不太容易看出實(shí)際數(shù)目，不過(guò)如果仔細(xì)觀察主機(jī)板，還是可以看出來(lái)。

　　印制電路板特性

　　1）電子元件封裝后，能實(shí)現(xiàn)電氣導(dǎo)通。

　　2）要求絕緣部分不可有電流流通。

　　3）要求導(dǎo)通部分必須有電流流通。

　　4）必須達(dá)到能貼裝元件的要求，是元器件固定和裝配的機(jī)械支撐。

　　5）必須有完整清析的識(shí)別字符和元件符號(hào)。

　　6）可以固定在機(jī)器適當(dāng)部位。

　　印制電路板作用

　　電子設(shè)備采用印制板后，由于同類印制板的一致性，從而避免了人工接線的差錯(cuò)，并可實(shí)現(xiàn)電子元器件自動(dòng)插裝或貼裝、自動(dòng)焊錫、自動(dòng)檢測(cè)，保證了電子設(shè)備的質(zhì)量，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低了成本，并便于維修。

　　印刷電路板的設(shè)計(jì)

　　布局

　　布局，是把電路器件放在印制電路板布線區(qū)內(nèi)。布局是否合理不僅影響后面的布線工作，而且對(duì)整個(gè)電路板的性能也有重要影響。在保證電路功能和性能指標(biāo)后，要滿足工藝性、檢測(cè)和維修方面的要求，元件應(yīng)均勻、整齊、緊湊布放在PCB上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接，以得到均勻的組裝密度。

　　按電路流程安排各個(gè)功能電路單元的位置，輸入和輸出信號(hào)、高電平和低電平部分盡可能不交叉，信號(hào)傳輸路線最短。

　　功能區(qū)分

　　元器件的位置應(yīng)按電源電壓、數(shù)字及模擬電路、速度快慢、電流大小等進(jìn)行分組，以免相互干擾。

　　電路板上同時(shí)安裝數(shù)字電路和模擬電路時(shí)，兩種電路的地線和供電系統(tǒng)完全分開(kāi)，有條件時(shí)將數(shù)字電路和模擬電路安排在不同層內(nèi)。電路板上需要布置快速、中速和低速邏輯電路時(shí)，應(yīng)安放在緊靠連接器范圍內(nèi);而低速邏輯和存儲(chǔ)器，應(yīng)安放在遠(yuǎn)離連接器范圍內(nèi)。這樣，有利于減小共阻抗耦合、輻射和交擾的減小。時(shí)鐘電路和高頻電路是主要的騷擾輻射源，一定要單獨(dú)安排，遠(yuǎn)離敏感電路。

　　熱磁兼顧

　　發(fā)熱元件與熱敏元件盡可能遠(yuǎn)離，要考慮電磁兼容的影響。

　　工藝性

　?、艑用?/p>

　　貼裝元件盡可能在一面，簡(jiǎn)化組裝工藝。

　?、凭嚯x

　　元器件之間距離的最小限制根據(jù)元件外形和其他相關(guān)性能確定，目前元器件之間的距離一般不小于0.2mm～0.3mm，元器件距印制板邊緣的距離應(yīng)大于2mm。

　?、欠较?/p>

　　元件排列的方向和疏密程度應(yīng)有利于空氣的對(duì)流。考慮組裝工藝，元件方向盡可能一致。

　　布線

　　1、導(dǎo)線

　?、艑挾?/p>

　　印制導(dǎo)線的最小寬度，主要由導(dǎo)線和絕緣基板間的粘附強(qiáng)度和流過(guò)它們的電流值決定。印制導(dǎo)線可盡量寬一些，尤其是電源線和地線，在板面允許的條件下盡量寬一些，即使面積緊張的條件下一般不小于1mm。特別是地線，即使局部不允許加寬，也應(yīng)在允許的地方加寬，以降低整個(gè)地線系統(tǒng)的電阻。對(duì)長(zhǎng)度超過(guò)80mm的導(dǎo)線，即使工作電流不大，也應(yīng)加寬以減小導(dǎo)線壓降對(duì)電路的影響。

　　⑵長(zhǎng)度

　　要極小化布線的長(zhǎng)度，布線越短，干擾和串?dāng)_越少，并且它的寄生電抗也越低，輻射更少。特別是場(chǎng)效應(yīng)管柵極，三極管的基極和高頻回路更應(yīng)注意布線要短。

　　⑶間距

　　相鄰導(dǎo)線之間的距離應(yīng)滿足電氣安全的要求，串?dāng)_和電壓擊穿是影響布線間距的主要電氣特性。為了便于操作和生產(chǎn)，間距應(yīng)盡量寬些，選擇最小間距至少應(yīng)該適合所施加的電壓。這個(gè)電壓包括工作電壓、附加的波動(dòng)電壓、過(guò)電壓和因其它原因產(chǎn)生的峰值電壓。當(dāng)電路中存在有市電電壓時(shí)，出于安全的需要間距應(yīng)該更寬些。

　　⑷路徑

　　信號(hào)路徑的寬度，從驅(qū)動(dòng)到負(fù)載應(yīng)該是常數(shù)。改變路徑寬度對(duì)路徑阻抗（電阻、電感、和電容）產(chǎn)生改變，會(huì)產(chǎn)生反射和造成線路阻抗不平衡。所以，最好保持路徑的寬度不變。在布線中，最好避免使用直角和銳角，一般拐角應(yīng)該大于90°。直角的路徑內(nèi)部的邊緣能產(chǎn)生集中的電場(chǎng)，該電場(chǎng)產(chǎn)生耦合到相鄰路徑的噪聲，45°路徑優(yōu)于直角和銳角路徑。當(dāng)兩條導(dǎo)線以銳角相遇連接時(shí)，應(yīng)將銳角改成圓形。

　　2、孔徑和焊盤尺寸

　　元件安裝孔的直徑應(yīng)該與元件的引線直徑較好的匹配，使安裝孔的直徑略大于元件引線直徑的（0.15～0.3）mm。通常DIL封裝的管腳和絕大多數(shù)的小型元件使用0.8mm的孔徑，焊盤直徑大約為2mm。對(duì)于大孔徑焊盤為了獲得較好的附著能力，焊盤的直徑與孔徑之比，對(duì)于環(huán)氧玻璃板基大約為2，而對(duì)于苯酚紙板基應(yīng)為（2.5～3）。

　　過(guò)孔，一般被使用在多層PCB中，它的最小可用直徑是與板基的厚度相關(guān)，通常板基的厚度與過(guò)孔直徑比是6：1。高速信號(hào)時(shí)，過(guò)孔產(chǎn)生（1～4）nH的電感和（0.3～0.8）pF的電容的路徑。因此，當(dāng)鋪設(shè)高速信號(hào)通道時(shí)，過(guò)孔應(yīng)該被保持到絕對(duì)的最小。對(duì)于高速的并行線（例如地址和數(shù)據(jù)線），如果層的改變是不可避免，應(yīng)該確保每根信號(hào)線的過(guò)孔數(shù)一樣。并且應(yīng)盡量減少過(guò)孔數(shù)量，必要時(shí)需設(shè)置印制導(dǎo)線保護(hù)環(huán)或保護(hù)線，以防止振蕩和改善電路性能。

　　3、地線設(shè)計(jì)

　　不合理的地線設(shè)計(jì)會(huì)使印制電路板產(chǎn)生干擾，達(dá)不到設(shè)計(jì)指標(biāo)，甚至無(wú)法工作。地線是電路中電位的參考點(diǎn)，又是電流公共通道。地電位理論上是零電位，但實(shí)際上由于導(dǎo)線阻抗的存在，地線各處電位不都是零。因?yàn)榈鼐€只要有一定長(zhǎng)度就不是一個(gè)處處為零的等電位點(diǎn)，地線不僅是必不可少的電路公共通道，又是產(chǎn)生干擾的一個(gè)渠道。

　　一點(diǎn)接地是消除地線干擾的基本原則。所有電路、設(shè)備的地線都必須接到統(tǒng)一的接地點(diǎn)上，以該點(diǎn)作為電路、設(shè)備的零電位參考點(diǎn)（面）。一點(diǎn)接地分公用地線串聯(lián)一點(diǎn)接地和獨(dú)立地線并聯(lián)一點(diǎn)接地。

　　公用地線串聯(lián)一點(diǎn)接地方式比較簡(jiǎn)單，各個(gè)電路接地引線比較短，其電阻相對(duì)小，這種接地方式常用于設(shè)備機(jī)柜中的接地。獨(dú)立地線并聯(lián)一點(diǎn)接地，只有一個(gè)物理點(diǎn)被定義為接地參考點(diǎn)，其他各個(gè)需要接地的點(diǎn)都直接接到這一點(diǎn)上，各電路的地電位只與本電路的地電流基地阻抗有關(guān)，不受其他電路的影響。

　　具體布線時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

　?、抛呔€長(zhǎng)度盡量短，以便使引線電感極小化。在低頻電路中，因?yàn)樗须娐返牡仉娏髁鹘?jīng)公共的接地阻抗或接地平面，所以避免采用多點(diǎn)接地。

　?、乒驳鼐€應(yīng)盡量布置在印制電路板邊緣部分。電路板上應(yīng)盡可能多保留銅箔做地線，可以增強(qiáng)屏蔽能力。

　?、请p層板可以使用地線面，地線面的目的是提供一個(gè)低阻抗的地線。

　?、榷鄬佑≈齐娐钒逯?，可設(shè)置接地層，接地層設(shè)計(jì)成網(wǎng)狀。地線網(wǎng)格的間距不能太大，因?yàn)榈鼐€的一個(gè)主要作用是提供信號(hào)回流路徑，若網(wǎng)格的間距過(guò)大，會(huì)形成較大的信號(hào)環(huán)路面積。大環(huán)路面積會(huì)引起輻射和敏感度問(wèn)題。另外，信號(hào)回流實(shí)際走環(huán)路面積小的路徑，其他地線并不起作用。

　?、傻鼐€面能夠使輻射的環(huán)路最小。

　　印制線路板制作流程

　　我們來(lái)看一下印刷電路板是如何制作的，以四層為例。四層PCB板制作過(guò)程：

　　1.化學(xué)清洗—【ChemicalClean】

　　為得到良好質(zhì)量的蝕刻圖形，就要確?？刮g層與基板表面牢固的結(jié)合，要求基板表面無(wú)氧化層、油污、灰塵、指印以及其他的污物。因此在涂布抗蝕層前首先要對(duì)板進(jìn)行表面清洗并使銅箔表面達(dá)到一定的粗化層度。

　　內(nèi)層板材：開(kāi)始做四層板，內(nèi)層（第二層和第三層）是必須先做的。內(nèi)層板材是由玻璃纖維和環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合在上下表面的銅薄板。

　　2.裁板壓膜—【CutSheetDryFilmLamination】

　　涂光刻膠：為了在內(nèi)層板材作出我們需要的形狀，我們首先在內(nèi)層板材上貼上干膜（光刻膠，光致抗蝕劑）。干膜是由聚酯簿膜，光致抗蝕膜及聚乙烯保護(hù)膜三部分組成的。貼膜時(shí)，先從干膜上剝下聚乙烯保護(hù)膜，然后在加熱加壓的條件下將干膜粘貼在銅面上。

　　3.曝光和顯影-【ImageExpose】【ImageDevelop】

　　曝光：在紫外光的照射下，光引發(fā)劑吸收了光能分解成游離基，游離基再引發(fā)光聚合單體產(chǎn)生聚合交聯(lián)反應(yīng)，反應(yīng)后形成不溶于稀堿溶液的高分子結(jié)構(gòu)。聚合反應(yīng)還要持續(xù)一段時(shí)間，為保證工藝的穩(wěn)定性，曝光后不要立即撕去聚酯膜，應(yīng)停留15分鐘以上，以時(shí)聚合反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，顯影前撕去聚酯膜。

　　顯影：感光膜中未曝光部分的活性基團(tuán)與稀堿溶液反應(yīng)生產(chǎn)可溶性物質(zhì)而溶解下來(lái)，留下已感光交聯(lián)固化的圖形部分。

　　4.蝕刻-【CopperEtch】

　　在撓性印制板或印制板的生產(chǎn)過(guò)程中，以化學(xué)反應(yīng)方法將不要部分的銅箔予以去除，使之形成所需的回路圖形，光刻膠下方的銅是被保留下來(lái)不受蝕刻的影響的。

　　5.去膜，蝕后沖孔，AOI檢查，氧化

　　StripResist】【PostEtchPunch】【AOIInspection】【Oxide】

　　去膜的目的是清除蝕刻后板面留存的抗蝕層使下面的銅箔暴露出來(lái)。“膜渣”過(guò)濾以及廢液回收則須妥善處理。如果去膜后的水洗能完全清洗干凈，則可以考慮不做酸洗。板面清洗后最后要完全干燥，避免水份殘留。

　　6.疊板-保護(hù)膜膠片【Layupwithprepreg】

　　進(jìn)壓合機(jī)之前，需將各多層板使用原料準(zhǔn)備好，以便疊板（Lay-up）作業(yè)。除已氧化處理之內(nèi)層外，尚需保護(hù)膜膠片（Prepreg）-環(huán)氧樹(shù)脂浸漬玻璃纖維。疊片的作用是按一定的次序?qū)⒏灿斜Ｗo(hù)膜的板子疊放以來(lái)并置于二層鋼板之間。

　　7.疊板-銅箔和真空層壓

　　【Layupwithcopperfoil】【VacuumLaminationPress】

　　銅箔-給目前的內(nèi)層板材再在兩側(cè)都覆蓋一層銅箔，然后進(jìn)行多層加壓（在固定的時(shí)間內(nèi)需要測(cè)量溫度和壓力的擠壓）完成后冷卻到室溫，剩下的就是一個(gè)多層合在一起的板材了。

　　8.CNC鉆孔【CNCDrill】

　　在內(nèi)層精確的條件下，數(shù)控鉆孔根據(jù)模式鉆孔。鉆孔精度要求很高，以確?？资窃谡_位置。

　　9.電鍍-通孔【ElectrolessCopper】

　　為了使通孔能在各層之間導(dǎo)通（使孔壁上之非導(dǎo)體部份之樹(shù)脂及玻纖束進(jìn)行金屬化），在孔中必須填充銅。第一步是在孔中鍍薄薄一層銅，這個(gè)過(guò)程完全是化學(xué)反應(yīng)。最終鍍的銅厚為50英寸的百萬(wàn)分之一。

　　10.裁板壓膜【CutSheet】【DryFilmLamination】

　　涂光刻膠：我們有一次在外層涂光刻膠。

　　11.曝光和顯影-【ImageExpose】【ImageDevelop】

　　外層曝光和顯影

　　12.線路電鍍：【CopperPatternElectroPlating】

　　此次也成為二次鍍銅，主要目的是加厚線路銅和通孔銅厚。

　　13.電鍍錫【TinPatternElectroPlating】

　　其主要目的是蝕刻阻劑，保護(hù)其所覆蓋的銅導(dǎo)體不會(huì)在堿性蝕銅時(shí)受到攻擊（保護(hù)所有銅線路和通孔內(nèi)部）。

　　14.去膜【StripResist】

　　我們已經(jīng)知道了目的，只需要用化學(xué)方法，表面的銅被暴露出來(lái)。

　　15.蝕刻【CopperEtch】

　　我們知道了蝕刻的目的，鍍錫部分保護(hù)了下面的銅箔。

　　16.預(yù)硬化曝光顯影上阻焊

　　【LPIcoatingside1】【TackDry】【LPIcoatingside2】【TackDry】

　　【ImageExpose】【ImageDevelop】【ThermalCureSoldermask】

　　阻焊層，是為了把焊盤露出來(lái)用的，也就是通常說(shuō)的綠油層，實(shí)際上就是在綠油層上挖孔，把焊盤等不需要綠油蓋住的地方露出來(lái)。適當(dāng)清洗可以得到合適的表面特征。

　　17.表面處理

　　【Surfacefinish】

　　》HASL，Silver，OSP，ENIG熱風(fēng)整平，沉銀，有機(jī)保焊劑，化學(xué)鎳金

　　》TabGoldifany金手指

　　熱風(fēng)整平焊料涂覆ＨＡＬ（俗稱噴錫）過(guò)程是先把印制板上浸上助焊劑，隨后在熔融焊料里浸涂，然后從兩片風(fēng)刀之間通過(guò)，用風(fēng)刀中的熱壓縮空氣把印制板上的多余焊料吹掉，同時(shí)排除金屬孔內(nèi)的多余焊料，從而得到一個(gè)光亮、平整、均勻的焊料涂層。

　　金手指（GoldFinger，或稱EdgeConnector）設(shè)計(jì)的目的，在于藉由connector連接器的插接作為板對(duì)外連絡(luò)的出口，因此須要金手指制程。之所以選擇金是因?yàn)樗鼉?yōu)越的導(dǎo)電度及抗氧化性。但因?yàn)榻鸬某杀緲O高所以只應(yīng)用于金手指，局部鍍或化學(xué)金。

　　最后總結(jié)一下所有的過(guò)程：

　　1） Inner Layer 內(nèi)層

　　》 Chemical Clean 化學(xué)清洗

　　》 Cut Sheet Dry Film Lamination 裁板 壓膜

　　》 Image Expose 曝光

　　》 Image Develop 顯影

　　》 Copper Etch 蝕銅

　　》 Strip Resist 去膜

　　》 Post Etch Punch 蝕后沖孔

　　》 AOI Inspection AOI 檢查

　　》 Oxide 氧化

　　》 Layup 疊板

　　》 Vacuum Lamination Press 壓合

　　2） CNC Drilling 鉆孔

　　》 CNC Drilling 鉆孔

　　3） Outer Layer 外層

　　》 Deburr 去毛刺

　　》 Etch back - Desmear 除膠渣

　　》 Electroless Copper 電鍍-通孔

　　》 Cut Sheet Dry Film Lamination 裁板 壓膜

　　》 Image Expose 曝光

　　》 Image Develop 顯影

　　4） Plating 電鍍

　　》 Image Develop 顯影

　　》 Copper Pattern Electro Plating 二次鍍銅

　　》 Tin Pattern Electro Plating 鍍錫

　　》 Strip Resist 去膜

　　》 Copper Etch 蝕銅

　　》 Strip Tin 剝錫

　　5） Solder Mask 阻焊

　　》 Surface prep 前處理

　　》 LPI coating side 1 印刷

　　》 Tack Dry 預(yù)硬化

　　》 LPI coating side 2 印刷

　　》 Tack Dry 預(yù)硬化

　　》 Image Expose 曝光

　　》 Image Develop 顯影

　　》 Thermal Cure Soldermask 印阻焊

　　6） Surface finish 表面處理

　　》 HASL， Silver， OSP， ENIG 熱風(fēng)整平，沉銀，有機(jī)保焊劑，化學(xué)鎳金

　　》 Tab Gold if any 金手指

　　》 Legend 圖例

　　7） Profile 成型

　　》 NC Routing or punch

　　8） ET Testing， continuity and isolation

　　9） QC Inspection

　　》 Ionics 離子殘余量測(cè)試

　　》 100% Visual Inspection 目檢

　　》 Audit Sample Mechanical Inspection

　　》 Pack & Shipping 包裝及出貨