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电路板

Modified by Jun Chu on Aug 2, 2018

打开任何电子产品,内部均有一个印刷电路板(PCB)。 印刷电路板提供了构成设计的电子元器件的机械安装,以及这些元器件之间的电气连接。 半个世纪以来,PCB已经在电子行业得到了广泛应用,并且已经发展成为由熟练工程师创建并使用专业工艺制造的复杂项目。

尽管了解PCB制造方式对于设计人员而言并非强制要求,但那些掌握相关工艺的人员能更好地设计出成本更低、制造成品率更高的PCB。

PCB(印刷电路板)几乎是所有电子产品的核心。

PCB分析

以下章节将介绍各种类型的PCB(从单面板到刚柔结合板)以及所有PCB制造过程中常见因素的关键元素。

单面电路板

制造的最简单的PCB称为单面PCB,因为这种电路板只有一面(通常为底面)有导线。

单面PCB有针对顶面元器件及底面焊接的空间。

单面PCB的使用方式与所有PCB的使用方式大致相同,即称为芯板的绝缘基板。 芯板可以由多种材质制成,具体取决于最终电路的所需特性,但最常见的材料是玻璃纤维。

绝缘芯板通常由称之为FR4的材料制造而成。 这是一种阻燃的4类玻璃纤维增强环氧树脂层压板(一种坚固的刚性绝缘体,在干燥和潮湿的条件下保持高机械性能和绝缘性能,还具有良好的制造性能)。

在芯板的一面完全涂覆薄铜层。 在钻完将用于安装元器件的孔之后,使用化学蚀刻工艺清除多余的铜,留下将电气连接电路元器件所需的走线和焊盘。

电路板的顶面被称为元件面,因为通孔元器件通常安装在此面。由此元器件的引线可以穿过电路板伸出底面,从而更轻松地将引线焊接到铜焊盘和走线上。 此规则不适用于表面贴装元器件,因为这类元器件需要直接安装在铜焊盘上,且只存在于焊接面

双面电路板

双面PCB比单面PCB稍复杂,在芯板的顶面和底面均有铜线。 这使得布线更复杂。 按照惯例,通孔元器件仍安装在顶层,表面贴装元器件安装在底层,如同单面PCB一样。

双面PCB在电路板的顶面和底面均有传导走线。

电镀通孔(PTH)

双面电路板通常依赖通孔元器件的引线来提供顶层和底层之间的电路连接。 但是,这不可能始终可行,因为走线有时需要在与元器件引线不重合的位置处穿过顶层和底层。因此,双面PCB的常见附加件是电镀通孔(PTH)

带电镀通孔的双面PCB。

在钻孔后通过电解工艺使铜在孔内沉积,可实现通孔电镀。 这在顶层和底层的铜之间产生传导路径,而不依赖于通孔元器件的引线。

顶部和底部阻焊层

大多数PCB元件均采用波峰焊接或回流焊接工艺进行焊接。 无论采用哪种方式,除非使用阻焊层,否则相邻走线之间可能发生焊接桥接。 顾名思义,阻焊层提供了一种排斥力(或掩模),有助于阻止焊料在电路板区域随意粘附铜,引起故障。 第二个好处在于阻焊层还可以防止PCB走线上暴露的铜发生腐蚀。

带电镀通孔和阻焊层的双面PCB。

虽然几乎任何颜色都有可能,但传统上阻焊层是绿色的,因此大多数人一想到电路板就认为是绿色的。 使用精密丝网印刷工艺将PCB的顶层和底层涂覆阻焊层。

丝印层

当需要将公司标识、部件编号或说明等可视化信息涂覆到电路板上时,可通过丝印技术将文本施加到电路板的外表面。 丝印信息通常为白色,以便与所选阻焊层形成对比,但是可以使用任何颜色。 如果空间允许,丝印文本可以说明元器件标号、开关设置要求以及协助组装过程的其它功能。

PCB顶面添加了说明元器件标号的丝印信息

多层电路板

目前为止,仅描述了包含一个或两个铜层的PCB,但是可以创建包含更多铜层的PCB。 这些PCB被称为多层PCB,它们可以提供更密集的布线拓扑以及更优良的电气噪声特性。 多层PCB的每个层将是信号层或平面层。

  • 信号层:这些层完全保留,用于将电信号从一个元器件传送到另一个元器件。
  • 平面层:这些层由大块铜皮制成,通常用于VCC和GND等电源供应。 平面层利用较大的表面积,可以很好地防止和抑制电气噪声。

PCB的分解图中包括红色,浅绿色和浅棕色的信号层,以及绿色和深褐色的平面层。

多层PCB可以通过几种不同的方式制造,但最简单的方法是将多个薄的双面PCB层压在一起,在每个PCB之间使用预浸料层。

预浸料为预浸材料的简称,是一种柔性材料,通常还含有玻璃布,提供给PCB制造商进行部分固化(未完全凝固)。 制造过程中,将预浸料纳入层堆栈的刚性层之间,然后加热至最终固化;之后,预浸料将变坚固,有助于连接各层并形成成品电路板的整体结构。

双面PCB与预浸料层的比例可以根据成本、重量和机电考虑进行定义。 以下场景说明了示例8层电路板的层堆栈的变化。

  1. 场景1——偏向外层对的8层电路板。

偏向外层对的8层电路板。

在该层堆栈中,所有四个芯板上的铜皮可以同时蚀刻,接着将这些铜夹在(层压)预浸料层周围。 此PCB需要最简单的制造工艺。

  1. 场景2——偏向内层对的8层电路板。

偏向内层对的8层电路板。

在该层堆栈中,三个芯板上的铜皮可以同时蚀刻,但外部预浸料层和铜层必须单独加入,作为层压工艺的一部分。 接着,PCB作为一个整体必须再次经过蚀刻工艺,以便清除最新添加的外层上多余的铜。

  1. 场景3——由单个芯板、多个预浸料层构成的8层PCB。

由单个芯板、多个预浸料层构成的8层PCB。

在该层堆栈中,通过多个预浸料和铜层逐渐构建单个PCB芯板。 每次添加新的预浸料和铜层时,PCB必须再次经过蚀刻工艺,以便清除最新添加的外层上多余的铜。 对于6个不同的预浸料层,该工艺将按顺序进行。由于电路板必须经过铜蚀刻工艺的次数太多,该PCB需要最复杂的制造工艺。

盲孔和埋孔

Bec 因为可以单独蚀刻、钻孔和电镀用于创建多层PCB的芯板,所以在将其层压至完整的堆栈前,可以创建仅连接至内层且不存在于最终电路板一面或双面表面上的过孔。 这意味着此时可将PCB外层上过孔所占用的接触面积用于布线。 这类过孔包括:

  • 盲孔:仅位于PCB一侧表面上的过孔。
  • 埋孔:不位于PCB任意侧表面的过孔。

尽管在高级PCB设计中使用盲孔和埋孔越来越常见,但需认真考虑PCB的层叠,确保电路板实际上可以制造。 考虑下图中的层叠,包含3个夹在2个预敷料层之间的双面芯板。 同时,考虑不知情的工程师所要求的过孔布局。



典型的6层PCB叠层(顶层)和不可能的过孔布局。

过孔布局不具有可行性,因为不可能钻出(和电镀)仅穿过预浸料层的孔。 因此,在上图中,无法钻出第3个和第5个过孔(从左数起)。 为了克服这一问题,您将需要钻穿一个相邻的芯板层并使用精确的深度控制来创建更合理的设计,如图所示。


钻穿相邻芯板并使用精确的深度控制在预浸料层钻孔。

尽管上述设计更为合理,但它限制了将各层层压在一起的方式,而且一些PCB制造商可能不允许这种做法。 总之,所提出的建议不一定可行。 工作流应遵循以下内容:

  1. 蚀刻、钻孔和电镀每个双面芯板。
  2. 将覆盖内层2的电路板层压在底层上。
  3. 使用受控深度钻孔,钻出和电镀左侧第五个过孔。
  4. 添加最后的预浸料层,接着添加覆盖顶层和内层1的外芯板。
  5. 使用受控深度钻孔,钻出和电镀左侧第三个过孔。

这个过程比较复杂,需要多次通过钻孔、电镀和层压工艺。 更好的选择是一次性将所有芯板层压在一起并使用受控深度钻孔来创建两个盲孔,将上述步骤2-4简化为一个步骤,如下图所示。


在预浸料层上钻孔的改进方法。

最后,如果指定制造商无法提供受控钻孔深度,则除了在预浸料层需要过孔连接的点处一直钻电路板外,别无它法,如下图所示。


对必须穿过一个预浸料层的过孔使用完整通孔钻孔。

显然,这意味着过孔在PCB外层所占据的接触面积无法再用于布线,但是这可能是可以以合理价格制造PCB设计所必需的折衷方案。

刚柔结合电路板

刚柔结合电路板是柔性电路和刚性电路组合的印刷电路的名称。 这种组合非常适合同时利用柔性电路和刚性电路的优势:刚性电路可以承载全部或大部分元器件,而柔性段充当刚性段之间的互联。

通过柔性段连接PCB的刚性段,可设计复杂的混合型PCB,该PCB可以根据外壳进行折叠。

柔性电路由柔性基板材料和铜皮叠层制成,通过粘合剂、高温和压力层压在一起。 下图显示了柔性电路的简化视图,其中的构成元件归纳如下:

   柔性电路制造方式的简化视图,材料在高温和压力下层压。

  • 基板:最常见的基板是聚酰亚胺,一种坚固而柔韧的热固性聚合物(热固性)。 聚酰亚胺通常用于柔性电路制造的示例包括:Apical、Kapton、UPILEX、VTEC PI、Norton TH和Kaptrex。(请注意,这些为注册商标,归各商标持有人所有。)
  • :铜层通常为轧制退火(RA)铜,有时是熟铜。 这些形式的铜生产成铜箔,且提供良好的挠度。 它们具有细长的颗粒,因此需要在动态柔性电路中正确定位,以实现最大弯曲寿命。 这可以通过沿着轧辊定位动态柔性电路实现(因此电路弯曲的方式与铜箔在轧辊上卷绕的方式相同)。 柔性制造商通常在制造面板的准备过程中处理这一问题,只有在工程师执行自己的电路拼板(柔性电路设计中称之为嵌套),这才会成为问题。 铜箔通常涂覆光敏层,接着通过暴露和蚀刻得到期望的导线和端接焊盘样式。
  • 粘合剂:粘合剂通常为丙烯酸,作为结构中最柔软的材料,粘合剂带来了最多制造挑战。 包括: 挤出,将粘合剂挤出到切入覆盖层的开口中而接近铜层;由于丙烯酸粘合剂具有较高的热膨胀系数(CTE),导致Z轴膨胀缺陷;由于吸湿率较高,排除水汽,从而导致电镀通孔处出现树脂凹陷、脱落和分层。 备选粘合剂和无粘合剂工艺可供选择,这些可能更适合代价敏感度较低的应用。

有许多可用于柔性电路和刚柔结合电路的标准叠层,称之为类型。 这些类型归纳如下:

  • 类型1(单层):此类提供了单面柔性布线,包含一个导电层和一个或两个聚酰亚胺外覆盖层。

   1类柔性结构,带2个覆盖层,两侧有进接孔,元器件孔没有电镀。

功能概要
一个导电层,或者层压在两个绝缘层之间,或者在一侧未覆盖。
导体的进接孔可以在一侧或两侧
元器件孔没有电镀。
可以使用元器件、加强件、引脚和连接件。
适用于静态和动态柔性应用。
  • 类型2(双层):此类提供了双面柔性印刷布线,包含两个有电镀通孔、有或者没有加强件的导电层。

   2类柔性结构,两侧有进接孔及电镀通孔。

功能概要
两个导电层之间有绝缘层;外层可以有覆盖物或裸焊盘。
电镀通孔可提供各层之间的连接。
可以在一侧或两侧设置没有覆盖物的进接孔或裸焊盘。;两侧的过孔可以覆盖。
可以使用元器件、加强件、引脚和连接件。
适用于静态和动态柔性应用。
  • 类型3(多层):此类提供了多层柔性印刷布线,包含三个或多个带电镀通孔、有或者没有加强件的导电层。

   3类柔性结构,两侧有进接孔及电镀通孔。

功能概要
三个或多个导电层,各层之间有柔性绝缘层;外层可以有覆盖物或裸焊盘。
电镀通孔可提供各层之间的连接。
可以在一侧或两侧设置没有覆盖物的进接孔或裸焊盘。
过孔可以是盲孔或埋孔。
可以使用元器件、加强件、引脚和连接件。
通常用于静态柔性应用。
  • 类型4(多层刚柔结合):此类提供了多层刚柔材料结合(刚柔结合),包含三个或多个带电镀通孔的导电层。 刚柔结构在刚性层有导线,而多层电路在刚性层有加强件。

  4类刚柔结构,刚性段是通过将刚性层添加至柔性结构外侧形成的。

功能概要
三个或多个导电层,各层之间有作为绝缘体的柔性或刚性绝缘材料;外层可以有覆盖物或裸焊盘。
电镀通孔延伸穿过刚性层和柔性层(不包括盲孔和埋孔)。
可以在一侧或两侧设置没有覆盖物的进接孔或裸焊盘。
过孔或互联可以完全覆盖,以实现最大绝缘性能。
可以使用元器件、加强件、引脚、连接件、散热器和安装支架。
根据下列标准定义这些类型:
  • IPC 6013B《柔性印刷电路板的质量要求和性能规范》
  • MIL-P-50884E《军用标准:印刷电路板,柔性或刚柔结合,一般规范》。

PCB制造过程

PCB的制造过程相当简单,虽然各制造商可能略有不同,但了解此过程如何运作将有助于您创建不太可能遭受制造问题的PCB。 下面给出了标准多层PCB(非柔性或刚柔结合)制造工艺的详细分步流程。

  1. 材料选择:选择最终装配所需的芯板和预浸料层并按尺寸进行切割。
  2. 钻出和金属化盲孔/埋孔:只有当电路板有盲孔和/或埋孔时,才需要执行此步骤。 钻出过孔并在过孔壁上涂覆金属化层,确保通过芯板传导。
  3. 层压/曝光/显影光阻剂:在敷铜芯板上施用光阻涂层。 然后通过该层底片负像将其在紫外光下曝光。 显影后,曝光的光阻剂将硬化,因此下一步使用的蚀刻剂不可穿透。 冲洗未曝光的光阻剂,使光阻剂下方的铜暴露。
  4. 蚀刻:浸入酸浴中,去除未受保护的铜。
  5. 剥离光阻剂:不再需要用于保护铜皮的光阻剂并将其去除。
  6. 将芯板与预浸料一起层压以制造面板:依次堆栈芯板及芯板之间的预浸料层。 放入热压型机中时,预浸料将熔化成环氧胶,并将芯层粘合在一起形成完整的层叠板。
  7. 钻出并金属化孔/过孔:钻出过孔和穿过整个面板的通孔,并用金属化层涂覆孔壁以确保传导。
  8. 层压/曝光/显影光阻剂:在外层施用光阻涂层。 然后通过外层底片负像将其在紫外光下曝光。 显影后,曝光的光阻剂将硬化,因此下一步使用的蚀刻剂不可滲透。 冲洗未曝光的光阻剂,使光阻剂下方的铜暴露。
  9. 蚀刻:浸入酸浴中,去除未受保护的铜。
  10. 剥离光阻剂:不再需要用于保护铜皮的光阻剂并将其去除。
  11. 印刷阻焊层:将阻焊层印刷到电路板上,保护下方的铜底片免受氧化并防止焊料粘附PCB的非预期部分。
  12. 进行表面处理:对暴露的铜区域进行表面处理,保护其免受元件的影响,并提供适合元件安装和焊接的表面。
  13. 印刷丝印:将丝印文本和图形印刷到完成的PCB上。
  14. 切割:对完成的PCB进行数控CNC切割至成型。
  15. 包装和运输PCB成品:在将PCB成品运输客户之前,将PCB装入保护PCB免受潮湿和腐蚀的包装中。
这个过程获得了制造裸板,在经过客户要求的外观检验和裸板测试后,将裸板送入装配厂。PCB将通过贴片机并根据所提供的贴片和材料清单制造输出进行装配。 通常,组装后还应进行在线组装测试。

可视化制造过程

以下各节提供了更加图形化的视图,涉及不同层数的PCB裸板的制造过程。

双面电路板

  1. 双面PCB的使用方式与单面PCB的使用方式大致相同,只是芯板的顶部和底部表面均涂覆了铜。

  1. 双面电路板上预钻了所有的孔。

  1. 接着,采用光阻剂掩膜。

  1. 在光阻剂顶部仔细对齐所需走线的负像。

  1. 光阻剂涂层对光敏感,因此在强紫外光下照射电路板时,光阻剂的曝光区域变硬。

  1. 清除负覆盖层,光阻剂将显影。

  1. 冲洗光阻剂未曝光的部分,使光阻剂下方的铜层暴露。

  1. 接着将电路板浸入酸中。 硬化的光阻剂将保护其覆盖的铜层,但暴露的铜皮被腐蚀,因此只留下铜走线。

  1. 然后清除硬化的光阻剂,使其下方的铜线暴露。

  1. 接着,在过孔和孔壁进行化学电镀,确保顶层和底层之间的传导路径。

  1. 在铜层上涂覆一层薄薄的锡以帮助焊料粘附,通过阻焊层清理不需要焊料的电路板区域的焊料。 通常,阻焊层为绿色,但是也可以使用其它颜色的阻焊层。

4层电路板

  1. 对于4层板,在钻孔之前蚀刻芯板,接着通过高温和高压将预浸料和铜层粘合到外表面。

  1. 对叠层进行钻孔并蚀刻外层,与前面所述的双面电路板的处理方式大致相同。

6层及以上

  1. 对于需要6层或以上的电路板,芯层和预浸料层将交错堆栈以形成所需层数。 芯板均为单独蚀刻,接着将其夹在上方和下方将两个芯板粘合在一起的预浸料层之间。 与4层电路板一样,铜皮粘附在顶部和底部外表面。

  1. 对叠层进行钻孔并蚀刻外层,与前面所述的双面电路板的处理方式大致相同。 通过相同的方式对此工程进行延伸,可以创建30层或以上的电路板。

下一步?

无论您想制造哪一种PCB(刚性或刚柔结合),首先要做的是根据需要确定叠层。 在Altium Designer的PCB编辑器中,在Layer Stack Manager对话框中定义所有叠层(Design » Layer Stack Manager) 新电路板的默认单一堆栈包括: 一个介电芯、两个(信号)铜层以及顶部和底部阻焊/覆盖层,如下图所示。

在Layer Stack Manager对话框中执行层堆栈管理。 其中将显示新电路板的默认单一堆栈。

有关在Altium Designer中定义电路板层堆栈的更多信息,请参阅定义层堆栈

Layer Stack Manager对话框不仅适用于标准单面、双面或多层板的单一堆栈定义,还有助于定义多个堆栈,以支持刚柔结合设计。 有关设计柔性电路板的更多信息,请参见刚柔结合设计

 

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