2020-05-15 09:35

印制板(PCB)的工艺选型

一、PCB的由来

印制电路板又称印刷电路板、印刷线路板,简称印制板,英文简称PCB(Printed Circuit Board)或PWB(Printed Wiring Board)。它以绝缘板为基材,切成一定尺寸,其上至少附有一个导电图形,并布有孔(如元件孔、紧固孔、金属化孔等),用以安装电子元器件并实现电子元器件之间的相互连接。作为现代电子产品的基本部件之一,印制板广泛应用于各类电子产品中,小到电子手表、计算器,大到计算机、通信电子设备、军用/航天系统等,只要有电子元器件,就离不开印制电路板。

印制电路板的创造者是奥地利人保罗·爱斯勒(Paul Eisler)。1936年,他首先在收音机里采用了印制电路板。1943年,美国人将该技术运用于军用收音机。1948年,美国正式认可此发明并用于商业用途。自20世纪50年代中期起,印制电路板才开始被广泛运用。



印制电路板具有导电线路和绝缘底板的双重作用。它可以实现电路中各个元器件的电气连接,代替复杂的布线,减少接线量,简化电子产品的装配、焊接和调试工作;同时能够缩小整机体积,降低产品成本,提高产品的质量和可靠性。

在PCB出现之前,电子元器件之间的互连都是依托导线直接连接完成的,如图1所示,而如今,导线仅用于试验电路中,印制电路板在电子工业中已占据了绝对控制的地位。



图1

二、PCB工艺选型的目的

随着电子技术的发展,印制电路板从单面板逐步发展为双面板、多层板、挠性板和刚-挠结合板,制造加工技术上不断向高精度、高密度、细孔径、细导线、小间距、高可靠、多层化、轻量化、薄型化方向发展,印制电路板加工的技术含量越来越高,技术难度也越来越大,印制电路板性能和质量开始成为影响电子产品的性能、质量和可靠性的重要因素。

常见PCB种类如图2所示。



图2

事实上,印制电路板的性能和质量与印制电路板的结构类型、选用基材、加工工艺有关,不同类型(刚性和挠性)、不同的结构(单面、双面、多层)、不同的基材的性能指标是不同的。因此,印制电路板工艺选型的目的就是根据电子产品的性能和质量需求,结合后续的组装工艺制程,确定印制电路板的各种指标及参数,以保证电子产品的性能和质量。

三、电子装联常用PCB分类及简介

根据结构形式、性能等级、材料、用途的不同,PCB可有多种分类方式,下面进行简要介绍。

3.1 按结构形式分类

印制电路板按结构形式可以分为以下4种基本类型。

(1)单面板

单面板是指印制板上仅一面有导电图形。这种结构形式的印制板,元器件集中在其中一面,导线则集中在另一面上。因为导线只出现在其中一面上,所以这种PCB叫作单面板(Single-sided)。

单面板在设计线路上有许多严格的限制(因为只有一面,布线间不能交叉,必须绕独自的路径),现在已经很少使用。

单面板实物图如图3所示。



图3

(2)双面板

双面板是指印制板上双面都有导电图形。这种结构形式的印制板两面都有导线,在双面导线之间通过金属导孔(via)进行互连。双面板的布线面积比单面板大了一倍,双面板解决了单面板中布线交错的难点(可以通过导孔通到另一面),适用于更加复杂的电路。

双面板实物图如图4所示。




图4

(3)多层板

多层板是指印制板至少有4层或4层以上互相连接的导电图形层,层间用绝缘材料相隔,经黏合热压后形成。多层印制板的采用是为了进一步增加有效的布线面积,通常采用一块双面板作内层、两块单面板作外层或两块双面板作内层、两块单面板作外层,通过定位系统及绝缘黏结材料互连在一起,且导电图形按设计要求进行互连。值得注意的是,板子的层数并不代表有几层独立的布线层,因为在特殊情况下会加入空层来控制板厚,通常层数都是偶数,并且包含最外侧的两层。目前,常见的台式计算主板多为4~8层的结构,某些大型的超级计算机主板可达40层以上,另外,理论上,多层板可以做到近100层。

多层板实物图如图5所示。



图5

(4)挠性印制板

挠性印制板即挠性印制电路板(Flexible Printed Circuit Board,FPC),又称为柔性印制电路板或软性印制电路板。根据IPC的定义,挠性印制板是指以印制的方式,在挠性基材上面进行线路图形的设计和制作的产品。与刚性印制板相比,挠性印制板具有高度挠曲性,可自由弯曲、卷绕、扭转、折叠,可立体配线,可依照空间布局要求任意安排、改变形状,并在三维空间内任意移动和伸缩,可达到组件装配和导线连接一体化的效果,是电子产品向高密度、小型化、轻量化、薄型化、高可靠性方向发展的重要基础支持。

挠性印制板还具有优良的电性能,耐高温,耐燃,化学性质稳定,安定性好,它的使用为电路设计及整机装配提供了极大方便。目前挠性印制板已广泛应用于电子产品,特别是高档电子产品中,如笔记本电脑、智能手机、军事仪器设备、汽车仪表电路、照相机等。挠性印制板的最大缺点是其机械刚度不够,但通过使用增强材料或采用软硬结合的刚-挠板设计,可以较好地解决其承载能力不强的问题,挠性印制板未来应用的范围和发展前景将越来越好。

刚-挠板实物图如图6所示。




图6

3.2 按性能等级分类

印制板按性能等级可分为以下三级。

(1)1级——普通电子产品

1级PCB主要用于消费类电子产品,如某些计算机产品及其外围设备等。对于此类PCB,外观上没有严格要求,只要具有完整的电路功能,能满足使用要求即可。

(2)2级——服务类电子产品

2级PCB主要用于服务类电子产品,包括计算机、通信设备、复杂的商用电子设备、仪器、仪表及一些对用途要求并不非常苛刻的产品。这类产品要求有较长的寿命,对不间断工作有要求,但工作环境并不恶劣。对于此类PCB,允许外观不够完美,但性能应完好,且有一定的可靠性。

(3)3级——高可靠性产品

3级PCB主要用于高可靠性产品,包括持续性能要求严格的设备、不允许有停机时间的设备和用于精密武器和生命支持的设备等。该类产品不但要求功能完整,还要求能随时、不间断地正常工作,需要具有很强的环境适应性、高度的保险性和可靠性。对于此类PCB,从设计到产品验收都应有严格的质量保证措施,必要时还应做一些可靠性试验。

3.3 按材料分类

印制板按所用材料不同,可分为有机树脂材料和无机材料两大类。

印制板的详细材料分类如表1所示。

表1


3.4 按用途分类

印制板还可按用途进行分类,因为用于某类产品的印制板,可能在层数、基材和结构形式上的要求是不同的,最终产品应是多种分类形式的组合。例如大类为刚性板、挠性板,再分为单面板、双面板、多层板,细分为酚醛纸基单面板、环氧玻璃布双面板、环氧玻璃布多层板等。

按用途对印制板进行分类,如表2所示。

表2

四、PCB生产工艺简介

印制板自出现以来得到了广泛应用,在现代电子产品中占据不可替代的重要地位。印制板制造工艺技术也得到了不断发展,不同类型、不同等级要求的印制板,其制造工艺是不同的。目前,电子产品使用最广泛的是多层覆铜板,此外,在高档电子产品中,刚-挠板得到了很好的应用,是未来印制板发展的主要方向之一。下面对PCB的制造工艺进行简要介绍,包括典型生产工序和生产工艺两部分。

4.1 生产工序

(1)开料

●目的:根据工程资料MI的要求,将符合要求的大张板材裁切成小块生产板件,直至成为符合客户要求的小块板料。

●流程:大板材→按MI要求切板→锔板→啤圆角磨边→出板。

(2)钻孔

●目的:根据工程资料要求,在所开符合要求尺寸的板上的相应位置处钻出所求的孔径。

●流程:叠板销钉→上板→钻孔→下板→检查修理。

(3)沉铜

●目的:利用化学方法在绝缘孔壁上沉积上一层薄铜。

●流程:粗磨→挂板→沉铜自动线→下板→浸稀H2SO4→加厚铜。

(4)图形转移

●目的:将生产菲林上的图形转移到板上。

●流程1(蓝油流程):磨板→印第一面→烘干→印第二面→烘干→曝光→冲影→检查。

●流程2(干膜流程):磨板→压膜→静置→对位→曝光→静置→冲影→检查。

(5)图形电镀

●目的:在线路图形裸露的铜皮上或孔壁上电镀一层达到要求厚度的铜层与要求厚度的金镍或锡层。

●流程:上板→除油→水洗二次→微蚀→水洗→酸洗→镀铜→水洗→浸酸→镀锡→水洗→下板。

(6)褪膜

●目的:用NaOH溶液退去抗电镀覆盖膜层,使非线路铜层裸露出来。

●流程:水膜(插架→浸碱→冲洗→擦洗→过机);干膜(放板→过机)。

(7)蚀刻

●目的:利用化学反应法将非线路部位的铜层腐蚀掉。

●流程:(略)。

(8)绿油

●目的:将绿油菲林的图形转移到板上,起到保护线路和阻止焊接零件时线路上锡的作用。

●流程:磨板→印感光绿油→锔板→曝光→冲影→磨板→印第一面→烘板→印第二面→烘板。

(9)印字

●目的:提供一种便于辨认的标记。

●流程:绿油终锔后→冷却静置→调网→印字符→后锔。

(10)焊盘镀层

●目的:通过表面处理工艺在焊盘上镀上一层要求厚度的可焊性镀层,使之具有更好的可焊性和电性能。

●镀金流程:上板→除油→水洗两次→微蚀→水洗两次→酸洗→镀铜→水洗→镀镍→水洗→镀金。

●镀锡流程:微蚀→风干→预热→松香涂覆→焊锡涂覆→热风平整→风冷→洗涤风干。

(11)成型

●目的:通过模具冲压出或通过数控锣机锣出客户所需要的形状。成型的方法有机锣、啤板、手锣、手切。

●说明:数据锣机板与啤板的精确度较高,手锣其次,手切板精确度最低且只能做一些简单的外形。

(12)测试

●目的:通过电子100%测试,检测目视不易发现的开路、短路等影响功能的缺陷。

●流程:上模→放板→测试→FQC目检→修理→返测试→REJ→报废。

(13)终检

●目的:100%目检板件外观缺陷,并对轻微缺陷进行修理,避免有问题及缺陷板件流出。

●流程:来料→查看资料→目检→FQA抽查→包装→处理→检查。

4.2 生产工艺

印制板生产是一个高度专业化和规模化的生产过程,生产工序相对固化,只是在印制板的结构设计、材料选择和表面涂覆工艺方面略有差别。以下是几种典型的印制板生产工艺。

(1)热风整平单面板生产流程(如图7所示)




图7

(2)热风整平双面板生产流程(如图8所示)



图8

(3)化学沉金多层板生产流程(如图9所示)



图9


(4)化学镀金+金手指多层板生产流程(如图10所示)



图10

五、PCB表面处理工艺简介

PCB表面处理最基本的目的是保证良好的可焊性或电性能。由于铜在空气中很容易被氧化,而铜的氧化层对焊接有很大的影响,如果铜层被氧化则很容易造成假焊、虚焊,严重时会造成焊盘与元器件无法焊接,虽然可以采用强助焊剂除去大多数铜的氧化物,但强助焊剂本身的残留也会给产品带来腐蚀。因此业内普遍的处理方式是在PCB生产制造时增加一道工序,即在焊盘表面涂覆(镀)上一层物质,保护焊盘不被氧化。

目前国内的PCB表面处理工艺有:喷锡(Hot Air Solder Leveling,HASL热风整平)、OSP(防氧化)、全板镀镍金、沉金、沉锡、沉银、化学镍钯金、电镀硬金,某些特殊应用场合还会有一些特殊的PCB表面处理工艺。下面进行简要介绍。

(1)热风整平(喷锡)

热风整平又名热风焊料整平(俗称喷锡),它是在PCB表面涂覆熔融锡(铅)焊料并用加热压缩空气整(吹)平的工艺,以形成一层既抗铜氧化又可提供良好的可焊性的镀层。热风整平时焊料和铜在结合处形成铜锡金属间化合物。PCB进行热风整平时要沉在熔融的焊料中,风刀在焊料凝固之前吹平液态的焊料,风刀能够将铜面上焊料的弯月状最小化并阻止焊料桥接。热风整平分为垂直式和水平式两种,一般认为水平式较好,其镀层比较均匀,且便于实现自动化生产。

① HASL工艺的优点是:价格较低,焊接性能佳。

② HASL工艺的缺点是:不适合用来焊接细间隙的引脚及过小的元器件,因为喷锡板的表面平整度较差,且在后续组装过程中容易产生锡珠(solder bead),对细间隙引脚(fine pitch)元器件较易造成短路。

(2)有机可焊性保护剂(OSP)工艺

有机可焊性保护剂工艺是PCB铜箔表面处理的符合RoHS指令要求的一种工艺。世界范围内,目前有25%~30%的PCB使用OSP工艺,且该比例还在持续上升。OSP工艺可以用在低技术含量的PCB上,也可以用在高技术含量的PCB上,如单面电视机用PCB、高密度芯片封装用PCB。对于含BGA器件的PCB,OSP应用也较多。事实上,对于没有表面连接功能性要求或储存期限定的应用场合,OSP工艺将是最理想的表面处理工艺。

① OSP工艺的优点是:制程简单,表面非常平整,适合无铅焊接和SMT。

② OSP工艺的缺点是:焊接时需要氮气,且回流焊次数受限(多次焊接会导致膜被破坏,2次没有问题),不适合压接技术,不适合返修且存储条件要求高。

(3)全板镀镍金

全板镀镍金是在PCB表面导体上先镀一层镍再镀一层金,镀镍主要是为了防止金和铜间的扩散。目前电镀镍金主要有两类:镀软金(纯金,表面看起来不亮)和镀硬金(表面平滑且坚硬,耐磨,含有钴等其他元素,表面看起来较光亮)。软金主要用于芯片封装时打金线,硬金主要用在非焊接处的电性互连。

① 镀金工艺的优点是:较长的存储时间(>12个月),适合接触开关设计和金线邦定,适合电测试。

② 镀金工艺的缺点是:较高的成本,金比较厚且金层厚度一致性差,焊接过程中,可能因金太厚而导致焊点脆化,影响强度。

(4)化学镀镍/浸金(ENIG)

化学镀镍/浸金也叫沉金,是在铜面上包裹一层厚厚的、电性良好的镍合金,这可以长期保护PCB。ENIG具有其他表面处理工艺所不具备的对环境的忍耐性,此外沉金也可以阻止铜的溶解,这将有益于无铅组装。

① ENIG工艺的优点是:不易氧化,可长时间存放,表面平整,适合用于焊接细间隙引脚及焊点较小的元器件,可耐受多次回流焊,适合返修,适合用作COB(Chip On Board)打线的基材。

② ENIG工艺的缺点是:成本较高,焊接强度较差,容易产生黑盘问题,镍层会随时间逐渐氧化,长期可靠性不良。

(5)其他表面处理工艺

其他表面处理工艺还包括沉锡工艺、沉银工艺、化学镍钯金和电镀硬金等。

① 沉锡工艺:由于与焊料的良好兼容性,使其具有良好的可焊性,同时其平整度优良,适合无铅焊接和压接;缺点是不耐存储。焊接过程最好有N2保护,且容易产生“锡须”。

② 沉银工艺:介于有机涂覆和化学镀镍/沉金之间,工艺比较简单,即使暴露在热、湿和有污染的环境中,银仍然能够保持良好的可焊性;缺点是不具备化学镀镍/沉金所具有的好的物理强度,存储条件要求高,易污染,易氧化,同时焊接强度不好,易出现微空洞问题。

③ 化学镍钯金:较沉金在镍和金之间多了一层钯,从而具有更好的抗腐蚀性,抵抗环境攻击性强,适合长时间存储,适用于无铅焊接、厚板和开关接触设计等。

④ 电镀硬金:常用于对耐磨性能要求高的电连接器“接触对”中。

六、PCB工艺选型要求

6.1 基材选择

印制板的基材直接影响印制板的基本性能、制造工艺和成本,选用时应进行综合考虑。除应满足电子产品电气性能、机械性能的要求外,还应同时考虑印制板在后续组装生产中的性能要求,即能否经受住电子产品装联整个工艺过程(包括回流焊、波峰焊、压接、返修、清洗、三防涂覆等工序)中的热应力和机械应力考验,特别是波峰焊和回流焊过程的热冲击对基材的考验最大。

不同基材的性能和成本差异较大,选用时应结合产品的性能特点进行选择,以满足要求为原则,切勿盲目追求高性能、高价格。一般通信类产品印制板应满足2级以上要求,高可靠产品应满足3级要求,SMT印制板应选择高Tg(玻璃化转变温度)的材料,至少要高于印制板的工作温度(140℃),同时应选择耐热性能好的材料(260℃,保持50s)。目前电子产品中广泛使用的是以减成法(铜箔蚀刻法)制造印制板时所采用的覆铜箔层压板(简称覆铜板),它也是目前国内外使用量最大的印制板基材。

PCB基材选用要素及说明如表3所示。

表3


6.2 厚度选择

印制板的厚度应满足产品对其机械强度的要求,此外,还应根据其外形尺寸、层数、所安装元器件的质量、安装方式等进行综合考虑。

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