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史上最全的PCB线路板(印制线路板)知识总结

PCB线路板(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),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……

一、简介

PCB线路板(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),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),用来代替以往装置电子元器件的底盘,并实现电子元器件之间的相互连接。由于这种板是采用电子印刷术制作的,故被称为“印刷电路板”。习惯称“印制线路板”为“印制电路”是不确切的,因为在印制板上并没有“印制元件”而仅有布线。

二、基本组成

目前的电路板,主要由以下组成:

1.线路与图面(Pattern):线路是作为原件之间导通的工具,在设计上会另外设计大铜面作为接地及电源层。线路与图面是同时做出的。

2.介电层(Dielectric):用来保持线路及各层之间的绝缘性,也称为基材。

3.孔(Through hole / via):导通孔可使两层次以上的线路彼此导通,较大的导通孔则做为零件插件用,另外有非导通孔(nPTH)通常用来作为表面贴装定位,组装时固定螺丝用。

4.防焊油墨(Solder resistant /Solder Mask):并非全部的铜面都要吃锡上零件,因此非吃锡的区域,会印一层隔绝铜面吃锡的物质(通常为环氧树脂),避免非吃锡的线路间短路。根据不同的工艺,分为绿油、红油、蓝油。

5.丝印(Legend /Marking/Silk screen):此为非必要之构成,主要的功能是在电路板上标注各零件的名称、位置框,方便组装后维修及辨识用。

6.表面处理(Surface Finish):由于铜面在一般环境中,很容易氧化,导致无法上锡(焊锡性不良),因此会在要吃锡的铜面上进行保护。保护的方式有喷锡(HASL)、化金(ENIG)、化银(Immersion Silver)、化锡(Immersion Tin)、有机保焊剂(OSP),方法各有优缺点,统称为表面处理。

三、发展简史

在印制电路板出现之前,电子元件之间的互连都是依靠电线直接连接而组成完整的线路。现在,电路面包板只是作为有效的实验工具而存在,而印制电路板在电子工业中已经成了占据了绝对统治的地位。

20世纪初,人们为了简化电子机器的制作,减少电子零件间的配线,降低制作成本等,于是开始钻研以印刷的方式取代配线的方法。三十年间,不断有工程师提出在绝缘的基板上加以金属导体作配线。

最成功的是1925年,美国的 Charles Ducas 在绝缘的基板上印刷出线路图案,再以电镀的方式,成功建立导体作配线。

直至1936年,奥地利人保罗·爱斯勒(Paul Eisler)在英国发表了箔膜技术,他在一个收音机装置内采用了印刷电路板;而在日本,宫本喜之助以喷附配线法“メタリコン法吹着配线方法(特许119384号)”成功申请专利。而两者中 Paul Eisler 的方法与现今的印制电路板最为相似,这类做法称为减去法,是把不需要的金属除去;而Charles Ducas、宫本喜之助的做法是只加上所需的配线,称为加成法。虽然如此,但因为当时的电子零件发热量大,两者的基板也难以配合使用,以致未有正式的使用,不过也使印刷电路技术更进一步。

1941年 美国在滑石上漆上铜膏作配线,以制作近接信管。

1943年 美国人将该技术大量使用于军用收音机内。

1947年 环氧树脂开始用作制造基板。同时NBS开始研究以印刷电路技术形成线圈、电容器、电阻器等制造技术。

1948年 美国正式认可这个发明用于商业用途。

20世纪50年代起,发热量较低的晶体管大量取代了真空管的地位,印刷电路版技术才开始被广泛采用。而当时以蚀刻箔膜技术为主流。

1950年 日本使用玻璃基板上以银漆作配线;和以酚醛树脂制的纸质酚醛基板(CCL)上以铜箔作配线。

1951年 聚酰亚胺的出现,便树脂的耐热性再进一步,也制造了聚亚酰胺基板。

1953年 Motorola开发出电镀贯穿孔法的双面板。这方法也应用到后期的多层电路板上。

印制电路板广泛被使用10年后的60年代,其技术也日益成熟。而自从Motorola的双面板面世,多层印制电路板开始出现,使配线与基板面积之比更为提高。

1960年 V. Dahlgreen 以印有电路的金属箔膜贴在热可塑性的塑胶中,造出软性印制电路板。

1961年 美国的 Hazeltine Corporation 参考了电镀贯穿孔法,制作出多层板。

1967年 发表了增层法之一的“Plated-up technology”。

1969年 FD-R以聚酰亚胺制造了软性印制电路板。

1979年 Pactel发表了增层法之一的“Pactel法”。

1984年 NTT开发了薄膜回路的“Copper Polyimide法”。

1988年 西门子公司开发了Microwiring Substrate的增层印制电路板。

1990年 IBM开发了“表面增层线路”(Surface Laminar Circuit,SLC)的增层印制电路板。

1995年 松下电器开发了ALIVH的增层印制电路板。

1996年 东芝开发了Bit的增层印制电路板。

就在众多的增层印制电路板方案被提出的1990年代末期,增层印制电路板也正式大量地被实用化,直至现在。

四、重要性

它是重要的电子部件,是电子元器件的支撑体。

印刷电路板并非一般终端产品,在名称的定义上略为混乱。

例如:个人电脑用的母板,称为主板,而不能直接称为电路板,虽然主机板中有电路板的存在,但是并不相同,因此评估产业时两者有关却不能说相同。

再譬如:因为有集成电路零件装载在电路板上,因而新闻媒体称他为IC板,但实质上他也不等同于印刷电路板。我们通常说的印刷电路板是指裸板——即没有上元器件的电路板。

五、分类

根据PCB印刷线路板电路层数分类:PCB印刷线路板分为单面板、双面板和多层板。常见的多层板一般为4层板或6层板,复杂的多层板可达几十层。

PCB板有以下三种主要的划分类型:

1.单面板

单面板(Single-SidedBoards)在最基本的PCB上,零件集中在其中一面,导线则集中在另一面上。因为导线只出现在其中一面,所以这种PCB叫作单面板(Single-sided)。因为单面板在设计线路上有许多严格的限制(因为只有一面,布线间不能交叉而必须绕独自的路径),所以只有早期的电路才使用这类的板子。

2.双面板

双面板(Double-SidedBoards)这种电路板的两面都有布线,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”叫做导孔(via)。导孔是在PCB上,充满或涂上金属的小孔,它可以与两面的导线相连接。因为双面板的面积比单面板大了一倍,双面板解决了单面板中因为布线交错的难点(可以通过过孔导通到另一面),它更适合用在比单面板更复杂的电路上。

3.多层板

多层板(Multi-LayerBoards)为了增加可以布线的面积,多层板用上了更多单或双面的布线板。用一块双面作内层、二块单面作外层,或二块双面作内层、二块单面作外层的印刷线路板,通过定位系统及绝缘粘结材料交替在一起且导电图形按设计要求进行互连的印刷线路板就成为四层、六层印刷电路板了,也称为多层印刷线路板。

板子的层数并不代表有几层独立的布线层,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。大部分的主机板都是4到8层的结构,不过技术理论上可以做到近100层的PCB板。大型的超级计算机大多使用相当多层的主机板,不过因为这类计算机已经可以用许多普通计算机的集群代替,超多层板已经渐渐不被使用了。因为PCB中的各层都紧密的结合,一般不太容易看出实际数目,不过如果仔细观察主机板,还是可以看出来。

六、拼板规范

1.电路板拼板宽度≤260mm(SIEMENS线)或≤300mm(FUJI线);如果需要自动点胶,PCB拼板宽度×长度≤125mm×180mm。

2.拼板外形尽量接近正方形,推荐采用2×2、3×3、……拼板;但不要拼成阴阳板。

3.电路板拼板的外框(夹持边)应采用闭环设计,确保PCB拼板固定在夹具上以后不会变形。

4.小板之间的中心距控制在75mm~145mm之间。

5.拼板外框与内部小板、小板与小板之间的连接点附近不能有大的器件或伸出的器件,且元器件与PCB板的边缘应留有大于0.5mm的空间,以保证切割刀具正常运行。

6.在拼板外框的四角开出四个定位孔,孔径4mm±0.01mm;孔的强度要适中,保证在上下板过程中不会断裂;孔径及位置精度要高,孔壁光滑无毛刺。

7.电路板拼板内的每块小板至少要有三个定位孔,3mm≤孔径≤6mm,边缘定位孔1mm内不允许布线或者贴片。

8.用于电路板的整板定位和用于细间距器件定位的基准符号,原则上间距小于0.65mm的QFP应在其对角位置设置;用于拼版电路板的定位基准符号应成对使用,布置于定位要素的对角处。

9.设置基准定位点时,通常在定位点的周围留出比其大1.5 mm的无阻焊区

七、外观

裸板(板上没有零件)也常被称为"印刷线路板Printed Wiring Board(PWB)"。板子本身的基板是由绝缘隔热、不易弯曲的材质所制作成。在表面可以看到的细小线路材料是铜箔,原本铜箔是覆盖在整个板子上的,而在制造过程中部份被蚀刻处理掉,留下来的部份就变成网状的细小线路了。这些线路被称作导线(conductor pattern)或称布线,并用来提供PCB上零件的电路连接。

通常PCB的颜色都是绿色或是棕色,这是阻焊(solder mask)的颜色。是绝缘的防护层,可以保护铜线,也防止波峰焊时造成的短路,并节省焊锡的用量。在阻焊层上还会印刷上一层丝网印刷面(silk screen)。通常在这上面会印上文字与符号(大多是白色的),以标示出各零件在板子上的位置。丝网印刷面也被称作图标面(legend)。

在制成最终产品时,其上会安装集成电路、电晶体、二极管、被动元件(如电阻、电容、连接器等)及其他各种各样的电子零件。借着导线连通,可以形成电子讯号连结及应有机能。

八、主要优点

采用印制板的主要优点是:

1.由于图形具有重复性(再现性)和一致性,减少了布线和装配的差错,节省了设备的维修、调试和检查时间;

2.设计上可以标准化,利于互换;

3.布线密度高、体积小、重量轻,利于电子设备的小型化;

4.利于机械化、自动化生产,提高了劳动生产率并降低了电子设备的造价。

5.FPC软性板的耐弯折性、精密性更好的应到高精密仪器上(如相机、手机、摄像机等)。

九、市场现状

近十几年来,我国印制电路板制造行业发展迅速,总产值、总产量双双位居世界第一。由于电子产品日新月异,价格战改变了供应链的结构,中国兼具产业分布、成本和市场优势,已经成为全球最重要的印制电路板生产基地。

印制电路板从单层发展到双面板、多层板和挠性板,并不断地向高精度、高密度和高可靠性方向发展。不断缩小体积、减少成本、提高性能,使得印制电路板在未来电子产品的发展过程中,仍然保持强大的生命力。

未来印制电路板生产制造技术发展趋势是在性能上向高密度、高精度、细孔径、细导线、小间距、高可靠、多层化、高速传输、轻量、薄型方向发展。

《中国印制电路板制造行业市场前瞻与投资战略规划分析报告前瞻》调查数据显示,2010年中国规模以上印制电路板生产企业共计908家,资产总计2161.76 亿元;实现销售收入2257.96 亿元,同比增长29.16%;获得利润总额94.03 亿元,同比增长50.08%。

十、设计

印制电路板的设计是以电路原理图为根据,实现电路设计者所需要的功能。印制电路板的设计主要指版图设计,需要考虑外部连接的布局、内部电子元件的优化布局、金属连线和通孔的优化布局、电磁保护、热耗散等各种因素。优秀的版图设计可以节约生产成本,达到良好的电路性能和散热性能。简单的版图设计可以用手工实现,复杂的版图设计需要借助计算机辅助设计(CAD)实现。

1.地线设计

在电子设备中的线路板、电路板、PCB板上,接地是控制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用,可解决大部分干扰问题。电子设备中地线结构大致有系统地、机壳地(屏蔽地)、数字地(逻辑地)和仿真地等。在地线设计中应注意以下几点:

1) 正确选择单点接地与多点接地

低频电路中,信号的工作频率小于1MHz,它的布线和器件间的电感影响较小,而接地电路形成的环流对干扰影响较大,因而应采用一点接地。当信号工作频率大于10MHz时,地线阻抗变得很大,此时应尽量降低地线阻抗,应采用就近多点接地。当工作频率在1~10MHz时,如果采用一点接地,其地线长度不应超过波长的1/20,否则应采用多点接地法。

2) 将数字电路与仿真电路分开

电路板上既有高速逻辑电路,又有线性电路,应使它们尽量分开,而两者的地线不要相混,分别与电源端地线相连。要尽量加大线性电路的接地面积。

3) 尽量加粗接地线

若接地线很细,接地电位则随电流的变化而变化,致使电子设备的定时信号电平不稳,抗噪声性能变差。因此应将接地线尽量加粗,使它能通过三倍于印制电路板的允许电流。如有可能,接地线的宽度应大于3mm。

4) 将接地线构成死循环路

设计只由数字电路组成的印制电路板的地线系统时,将接地线做成死循环路可以明显的提高抗噪声能力。其原因在于:印制电路板上有很多集成电路组件,尤其遇有耗电多的组件时,因受接地线粗细的限制,会在地结上产生较大的电位差,引起抗噪声能力下降,若将接地结构成环路,则会缩小电位差值,提高电子设备的抗噪声能力。

2.高速多层

在电子产品趋于多功能复杂化的前题下,集成电路元件的接点距离随之缩小,信号传送的速度则相对提高,随之而来的是接线数量的提高、点间配线的长度局部性缩短,这些就需要应用高密度线路配置及微孔技术来达成目的。配线与跨接基本上对单双面板而言有其达成的困难,因而电路板会走向多层化,又由于讯号线不断的增加,更多的电源层与接地层就为设计的必须手段,这些都促使多层印刷电路板(Multilayer Printed Circuit Board)更加普遍。

对于高速化讯号的电性要求,电路板必须提供具有交流电特性的阻抗控制、高频传输能力、降低不必要的辐射(EMI)等。采用Stripline、Microstrip的结构,多层化就成为必要的设计。为减低讯号传送的品质问题,会采用低介电质系数、低衰减率的绝缘材料,为配合电子元件构装的小型化及阵列化,电路板也不断的提高密度以因应需求。BGA (BallGrid Array)、CSP (Chip Scale Package)、DCA (Direct ChipAttachment)等组零件组装方式的出现,更促使印刷电路板推向前所未有的高密度境界。

凡直径小于150um以下的孔在业界被称为微孔(Microvia),利用这种微孔的几何结构技术所作出的电路可以提高组装、空间利用等等的效益,同时对于电子产品的小型化也有其必要性。

对于这类结构的电路板产品,业界曾经有过多个不同的名称来称呼这样的电路板。例如:欧美业者曾经因为制作的程序是采用序列式的建构方式,因此将这类的产品称为SBU (Sequence Build UpProcess),一般翻译为“序列式增层法”。至于日本业者,则因为这类的产品所制作出来的孔结构比以往的孔都要小很多,因此称这类产品的制作技术为MVP (Micro Via Process),一般翻译为“微孔制程”。也有人因为传统的多层板被称为MLB (Multilayer Board),因此称呼这类的电路板为BUM (Build Up Multilayer Board),一般翻译为“增层式多层板”。

十一、制造

1.拼版

PCB设计完成因为PCB板形太小,不能满足生产工艺要求,或者一个产品由几块PCB组成,这样就需要把若干小板拼成一个面积符合生产要求的大板,或者将一个产品所用的多个PCB拼在一起而便于生产安装。前者类似于邮票板,它既能够满足PCB生产工艺条件也便于元器件安装,使用时再分开,十分方便;后者是将一个产品的若干套PCB板拼装在一起,这样便于生产,也便于对一个产品齐套,清楚明了。

2.数据生成

PCB板生产的基础是菲林底版。早期制作菲林底版时,需要先制作出菲林底图,然后再利用底图进行照相或翻版。底图的精度必须与印制板所要求的一致,并且应该考虑对生产工艺造成的偏差进行补偿。底图可由客户提供也可由生产厂家制作,但双方应密切合作和协商,使之既能满足用户要求,又能适应生产条件。在用户提供底图的情况下,厂家应检验并认可底图,用户可以评定并认可原版或第一块印制板产品。底图制作方法有手工绘制、贴图和CAD制图。随着计算机技术的发展,印制板CAD技术得到极大的进步,印制板生产工艺水平也不断向多层,细导线,小孔径,高密度方向迅速提高,原有的菲林制版工艺已无法满足印制板的设计需要,于是出现了光绘技术。使用光绘机可以直接将CAD设计的PCB图形数据文件送入光绘机的计算机系统,控制光绘机利用光线直接在底片上绘制图形。然后经过显影、定影得到菲林底版。使用光绘技术制作的印制板菲林底版,速度快、精度高、质量好,而且避免了在人工贴图或绘制底图时可能出现的人为错误,大大提高了工作效率,缩短了印制板的生产周期。激光光绘机,在很短的时间内就能完成过去多人长时间才能完成的工作,而且其绘制的细导线、高密度底版也是人工操作无法比拟的。按照激光光绘机的结构不同,可以分为平板式、内滚桶式(Internal Drum)和外滚桶式(External Drum)。光绘机使用的标准数据格式是Gerber-RS274格式,也是印制板设计生产行业的标准数据格式。Gerber格式的命名引用自光绘机设计生产的先驱者——美国Gerber公司。光绘图数据的产生,是将CAD软件产生的设计数据转化称为光绘数据(多为Gerber数据),经过CAM系统进行修改、编辑,完成光绘预处理(拼版、镜像等),使之达到印制板生产工艺的要求。然后将处理完的数据送入光绘机,由光绘机的光栅(Raster)图象数据处理器转换成为光栅数据,此光栅数据通过高倍快速压缩还原算法发送至激光光绘机,完成光绘。

3.光绘数据格式

光绘数据格式是以向量式光绘机的数据格式Gerber数据为基础发展起来的,并对向量式光绘机的数据格式进行了扩展,并兼容了HPGL惠普绘图仪格式,Autocad DXF、TIFF等专用和通用图形数据格式。一些CAD和CAM开发厂商还对Gerber数据作了扩展。

以下对Gerber数据作一简单介绍。Gerber数据的正式名称为Gerber RS-274格式。向量式光绘机码盘上的每一种符号,在Gerber数据中,均有一相应的D码(D-CODE)。这样,光绘机就能够通过D码来控制、选择码盘,绘制出相应的图形。将D码和D码所对应符号的形状、尺寸大小进行列表,即得到一D码表。此D码表就成为从CAD设计到光绘机利用此数据进行光绘的一个桥梁。用户在提供Gerber光绘数据的同时,必须提供相应的D码表。这样,光绘机就可以依据D码表确定应选用何种符号盘进行曝光,从而绘制出正确的图形。在一个D码表中,一般应该包括D码,每个D码所对应码盘的形状、尺寸、以及该码盘的曝光方式。

十二、功能测试

更密集的PCB、更高的总线速度以及模拟RF电路等等对测试都提出了前所未有的挑战,这种环境下的功能测试需要认真的设计、深思熟虑的测试方法和适当的工具才能提供可信的测试结果。

在同夹具供应商打交道时,要记住这些问题的同时,还要想到产品将在何处制造,这是一个很多测试工程师会忽略的地方。例如我们假定测试工程师身在美国的加利福尼亚,而产品制造地却在泰国。测试工程师会认为产品需要昂贵的自动化夹具,因为在加州厂房价格高,要求测试仪尽量少,而且还要用自动化夹具以减少雇用高技术高工资的操作工。但在泰国,这两个问题都不存在,让人工来解决这些问题更加便宜,因为这里的劳动力成本很低,地价也很便宜,大厂房不是一个问题。因此有时候一流设备在有的国家可能不一定受欢迎。

1.技术水平

在高密度UUT中,如果需要校准或诊断则很可能需要由人工进行探查,这是由于针床接触受到限制以及测试更快(用探针测试UUT可以迅速采集到数据而不是将信息反馈到边缘连接器上)等原因,所以要求由操作员探查UUT上的测试点。不管在哪里,都应确保测试点已清楚地标出。

探针类型和普通操作工也应该注意,需要考虑的问题包括:

1)探针大过测试点吗?探针有使几个测试点短路并损坏UUT的危险吗?对操作工有触电危害吗?

2)每个操作工能很快找出测试点并进行检查吗?测试点是否很大易于辨认呢?

3)操作工将探针按在测试点上要多长时间才能得出准确的读数?如果时间太长,在小的测试区会出现一些麻烦,如操作工的手会因测试时间太长而滑动,所以建议扩大测试区以避免这个问题。

考虑上述问题后测试工程师应重新评估测试探针的类型,修改测试文件以更好地识别出测试点位置,或者甚至改变对操作工的要求。

2.自动探查

在某些情况下会要求使用自动探查,例如在PCB难以用人工探查,或者操作工技术水平所限而使得测试速度大大降低的时候,这时就应考虑用自动化方法。

自动探查可以消除人为误差,降低几个测试点短路的可能性,并使测试操作加快。但是要知道自动探查也可能存在一些局限,根据供应商的设计而各有不同,包括:

1)UUT的大小

2)同步探针的数量

3)两个测试点相距有多近?

4)测试探针的定位精度

5)系统能对UUT进行两面探测吗?

6)探针移至下一个测试点有多快?

7)探针系统要求的实际间隔是多少?(一般来讲它比离线式功能测试系统要大)

自动探查通常不用针床夹具接触其它测试点,而且一般它比生产线速度慢,因此可能需要采取两种步骤:如果探测仪仅用于诊断,可以考虑在生产线上采用传统的功能测试系统,而把探测仪作为诊断系统放在生产线边上;如果探测仪的目的是UUT校准,那么唯一的真正解决办法是采用多个系统,要知道这还是比人工操作要快得多。

如何整合到生产线上也是必须要研究的一个关键问题,生产线上还有空间吗?系统能与传送带连接吗?好在许多新型探测系统都与SMEMA标准兼容,因此它们可以在在线环境下工作。

3.边界扫描

这项技术早在产品设计阶段就应该进行讨论,因为它需要专门的元器件来执行这项任务。在以数字电路为主的UUT中,可以购买带有IEEE 1194(边界扫描)支持的器件,这样只做很少或不用探测就能解决大部分诊断问题。边界扫描会降低UUT的整体功能性,因为它会增大每个兼容器件的面积(每个芯片增加4~5个引脚以及一些线路),所以选择这项技术的原则,就是所花费的成本应该能使诊断结果得到改善。应记住边界扫描可用于对UUT上的闪速存储器和PLD器件进行编程,这也更进一步增加了选用该测试方法的理由。

如何处理一个有局限的设计?

如果UUT设计已经完成并确定下来,此时选择就很有限。当然也可以要求在下次改版或新产品中进行修改,但是工艺改善总是需要一定的时间,而你仍然要对目前的状况进行处理。

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