《精编》PCB印制电路板的设计与制造

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1、微电子制造概论 印制电路板的设计和制造 印制电路板设计基础 印制电路板的几个概念设计流程设计基本原则设计软件举例 印制电路板的几个概念 印制电路板 印刷电路板 PCB 按材料不同可以分为纸质覆铜板 玻璃覆铜板 绕性材料覆铜板按导电层数单面板双面板多层板 印制插头 坐标网格 印制电路板的几个概念 元器件的封装形式插装器件贴装器件 印制电路板的几个概念 元器件的封装形式插装器件贴装器件 片式电容或电阻 印制电路板的几个概念 导线铜膜导线飞线 印制电路板的几个概念 助焊膜和阻焊膜助焊膜SolderMask 阻焊膜PasteMask 印制电路板的几个概念 层半盲孔 Blind 盲孔 Buried 过孔

2、 via Mil 电 密耳 千分之一英寸 印制电路板的几个概念 焊盘丝印层 SilkScreenoverlay PCB设计 设计流程布局元件的选择热处理设计焊盘设计基准设计和元件布局设计文件档案布线和检查电磁兼容性设计信号完整性设计 DFMDFT仿真 设计流程 绘制电路原理图规划电路板设置各项参数载入网格表和元器件封装元器件自动布局手工调整布局比较网格表以及DRC校验文件保存 打印输出送厂加工 设计基本原则 元件布局关键元件优先 如单片机 DSP FPGA等模拟电路通道和数字电路通道分开高频元件引脚铜箔导线尽量短重量大的元件加支架固定各元件间尽量平行放置其他 设计基本原则 布线微处理器芯片的数

3、据线和地址线尽量平行放置铜箔导线间距不能小于12mil 以免产生击穿导线拐弯时 一般取45度或圆弧 高频为甚 以免产生信号反射尽量加粗电源线 增强抗噪能力数模电路接地分开数字电路接地布成环状有助增强抗干扰能力其他 设计基本原则 去耦电容的配置去耦电容不是一般称的滤波电容 滤波电容指电源系统用的 去藕电容则是分布在器件附近或子电路处主要用于对付器件自身或外源性噪声的特殊滤波电容 故有特称 去耦电容 去耦指 去除 噪声 耦合 之意 1 去耦电容的一般配置原则 设计基本原则 电源输入端跨接一个10 100uF的电解电容器 如果印制电路板的位置允许 采用100uF以上的电解电容器的抗干扰效果会更好 为

4、每个集成电路芯片配置一个0 01uF的陶瓷电容器 如遇到印制电路板空间小而装不下时 可每4 10个芯片配置一个1 10uF钽电解电容器 这种器件的高频阻抗特别小 在500kHz 20MHz范围内阻抗小于1 而且漏电流很小 0 5uA以下 对于噪声能力弱 关断时电流变化大的器件和ROM RAM等存储型器件 应在芯片的电源线 Vcc 和地线 GND 间直接接入去耦电容 设计基本原则 去耦电容的引线不能过长 特别是高频旁路电容不能带引线 在印制板中有接触器 继电器 按钮等元件时 操作它们时均会产生较大火花放电 必须RC电路来吸收放电电流 一般R取1 2K C取2 2 47UF CMOS的输入阻抗很高

5、 且易受感应 因此在使用时对不用端要接地或接正电源 设计基本原则 设计时应确定使用高频低频中频三种去耦电容 中频与低频去耦电容可根据器件与PCB功耗决定 可分别选47 1000uF和470 3300uF 高频电容计算为 C P V V F 每个集成电路一个去耦电容 每个电解电容边上都要加一个小的高频旁路电容 用大容量的钽电容或聚酷电容而不用电解电容作电路充放电储能电容 使用管状电时 外壳要接地 PCB制造技术 典型的印制电路板技术挠性基板与玻璃基板微过孔技术 典型的印制电路板技术 对基板材料的性能要求加工要求尺寸稳定性电镀性孔加工性翘曲和扭曲耐化学药品性粘结性紫外光遮蔽性 典型的印制电路板技术

6、 对基板材料的性能要求安装性能尺寸稳定性平整度耐热冲击性可焊性剥离强度 典型的印制电路板技术 对基板材料的性能要求整机运行性能电气绝缘性介电特性基板厚度耐热 耐湿 耐霉机械性能热传导性安全性环境特性 常用的印制电路板材料 基板材料的分类刚性基板 覆铜箔层压板 CCL 纸基板 酚醛树脂板 FR1 FR2环氧树脂板 FR3玻璃布基板环氧树脂板 FR4 FR5 耐高温型 聚酰亚胺树脂板 PI等复合材料基板 环氧树脂型 CEM 1 3 聚酯树脂类 CEM 7 8 积层多层板基材 感光树脂 热固性树脂 其他粘结片基材特殊型金属板 陶瓷板 耐热的热塑性基板 电路板材料的选择玻璃层比纸 布板要好 工作温度

7、电性能 酚醛和甲醛树脂板耐湿性能和高频性能不好 但电性能和温度较好最常用环氧树脂浸渍的玻璃布层压板FR4高频下 氟碳树脂浸渍的玻璃布层压板PTFE PCB制作工艺单面板制作工艺 单面板制作工艺基板 酚醛纸基 环氧纸基 环氧玻璃布基 单面覆铜工艺 铜箔蚀刻法金属箔蚀刻法 PCB单面板制造流程 下料磨边 钻孔 外层图形 全板镀金 蚀刻 检验 丝印阻焊 热风整平 丝印字符 外形加工 测试 检验 外形加工 一 印制板外形加工方法 1 铣外形 利用数控铣床加工外形 需提供铣外形数据以及相应定位孔数据 这些数据均由编程人员提供 由于印制板拼板间距不可能很大 一般为3mm左右 因此铣刀直径一般为3mm或2

8、4mm 先在铣床垫板上钻管位孔 用销钉将印制板与铣床垫板固定后 再用铣外形数据铣外形 2 冲外形 利用冲床冲切外形 需使用模具 并且模具上定位钉与印制板的定位孔相对应 一般选择3 0mm左右的孔作定位孔 3 开 V 槽 利用 V 槽切割机沿印制板设计的 V 槽线将印制板切割成彼此相连的几部分 4 钻外形 利用钻床沿外形线处钻孔 通常开 V 槽与钻外形只作加工的辅助手段 钻孔 数控钻铣 一 钻床选择1 机床台面的刚性和稳定性 2 转轴的转速和稳定度 3 台面的移动精度和位移重复精度 4 X Y Z轴的进给速率 5 台面的移动及固定装置 6 最大加工尺寸 7 操作系统和控制系统 8 刀具管理系统

9、9 光尺系统的选购 10 吸尘系统 11 保护系统 钻孔 数控钻铣 一 钻头选择数控钻床的钻头种类 印制板钻孔用钻头有直柄麻花钻头 定柄麻花钻头和定柄铲形 undercut 钻头 直柄麻花钻头大都用于单头钻床 钻较简单的印制板或单面板 现在在大型的线路板生产厂中已很少见到 其钻孔深度可达钻头直径的10倍 在基板叠层不高的情况下 使用钻套可避免钻偏 目前大部分的厂家使用数控钻床 数控钻床使用的是硬质合金的定柄钻头 其特点是能实现自动更换钻头 定位精度高 不需要使用钻套 大螺旋角 排屑速度快 适于高速切削 在排屑槽全长范围内 钻头直径是一个倒锥 钻削时与孔壁的磨擦小 钻孔质量较高 常见的钻柄直径有

10、3 00mm和3 175mm 钻头的材质 印制板钻孔用钻头一般都采用硬质合金 因为环氧玻璃布复铜箔板对刀具的磨损特别快 所谓硬质合金是以碳化钨粉末为基体 以钴粉作粘结剂经加压 烧结而成 通常含碳化钨94 含钴6 由于其硬度很高 非常耐磨 有一定强度 适于高速切削 但韧性差 非常脆 为了改善硬质合金的性能 有的采用在碳化基体上化学汽相沉积一层5 7微米的特硬碳化钛 TIC 或氮化钛 TIN 使其具有更高的硬度 有的用离子注入技术 将钛 氮 和碳注入其基体一定的深度 不但提高了硬度和强度而且在钻头重磨时这些注入成份还能内迁 还有的用物理方法在钻头顶部生成一层金刚石膜 极大的提高了钻头的硬度与耐磨性

11、 硬质合金的硬度与强度 不仅和碳化钨与钴的配比有关 也与粉末的颗粒有关 超微细颗粒的硬质合金钻头 其碳化钨相晶粒的平均尺寸在1微米以下 这种钻头 不仅硬度高而且抗压和抗弯强度都提高了 为了节省成本现在许多钻头采用焊接柄结构 原来的钻头为整体都是硬质合金 现在后部的钻柄采用了不锈钢 成本大大下降但是由于采用不同的材质其动态的同心度不及整体硬质合金钻头 特别在小直径方面 PCB制作工艺单面板制作工艺 PCB制作工艺双面板制作工艺 双面板制作工艺互连两层 贯穿连接 过孔 孔的金属化 PTH 减成法加成法 无需蚀刻 制造工艺堵孔法 正相抗蚀 工艺简单 浪费大 清除堵孔物质较难掩蔽法工艺导线法图形电镀

12、蚀刻法 减成法 裸铜覆阻焊膜工艺 SMOBC PCB制作工艺 多层板制作工艺积层式多层板典型工艺高密度多层板的发展方向激光柔性布线技术LCVDLIEP 激光诱导液相反映沉积 激光熔覆布线挠性板微过孔技术 多层板制作工艺 多层印制板是由三层以上的导电图形层与绝缘材料层交替地经层压粘合一起而形成的印制板 并达到设计要求规定的层间导电图形互连 它具有装配密度高 体积小 重量轻 可靠性高等特点 是产值最高 发展速度最快的一类PCB产品 随着电子技术朝高速 多功能 大容量和便携低耗方向发展 多层印制板的应用越来越广泛 其层数及密度也越来越高 相应之结构也越来越复杂 所谓多层印制板的层压技术 是指利用半固

13、化片 由玻璃布浸渍环氧树脂后 烘去溶剂制成的一种片状材料 其中的树脂处于B阶段 在温度和压力作用下 具有流动性并能迅速地固化和完成粘结 将导电图形在高温 高压下粘合起来的技术 多层板制作工艺 多层印制板的层压工艺技术按所采用的定位系统的不同 可分为前定位系统层压技术和后定位系统层压技术 前者须采用销钉进行各层间的定位 而后者则无须采用销钉进行定位 因而更适用于大规模的工业化生产 此外 销钉进行定位的层压过程 一般采用电加热系统 而无销钉进行定位的层压过程 则通常采用油加热系统 半固化片 半固化片主要由树脂和增强材料组成 增强材料又分为玻纤布 纸基 复合材料等几种类型 而多层制板所使用的半固化片

14、 黏结片 大多是采用玻纤布做增强材料 经过处理的玻纤布t浸渍上树脂胶液 再经热处理 预烘 使树脂进入B阶段而制成的薄片材料称为半固化片 是多层板生产中的主要材料之一 半固化片中所用树脂主要为热靼性树脂如环氧树脂 双马来酰亚胺三嗪 聚酰亚胺等多个品种 相应的黏结片为FR 4 BT PI等不同品牌 其物理性能和电气性能都不尽相同 黏结片在生产过程中其树脂通常分为如下三个阶段 A阶段 在室温下能够完全流动的液态树脂 这是玻纤布浸胶时状态 B阶段 环氧树脂部分交联处于半固化状态 在加热条件下 又能恢复到液体状态 C阶段 树脂全部交联为C阶段 在加热加压下会软化 但不能再成为液态 这是多层板压制后半固化

15、片转成的最终状态 为了使多层板在压合后能保持最强的固着力起见 其内层板的铜导体表面 必须要先做上黑氧化处理层才行 前定位 多层板层压制作采用销钉定位法 有两圆孔销钉定位法 一孔一槽销钉定位法 三圆孔或四圆孔定位法 以及四槽孔定位法 四槽孔定位法是美国Multiline公司推出的 利用其提供的一系列四槽孔定位设备 在照相模版 内层单片上冲制出四个槽孔 然后利用相应的四个槽形销来实现图形转移 叠片 层压和数控钻孔等一系列工序的定位 后定位 采用后定位系统进行多层印制板的生产时 无需多层定位设备 直接使用铜箔和半固化片 与全部采用覆铜箔基材来进行多层板的生产相比 除了省去多层板定位设备外 还可节省制作内层线路时对外层的保护干膜和生产操作量 此外 能充分利用基材和设备 增加压机每开口中之压板数量 提高生产效率 具体做法是 1 于每内层图形边框线外 按工艺要求添加三孔定位孔标记 2 在内层图形边框线外四角处 按工艺要求添加工具孔标记 3 制作内层图形 并于四角处冲制工具孔 4 进行内层单片的黑化处理 5 层压前排板操作 对于四层以上的多层板 各内层间通过专用铆钉于工具孔位处进行铆接 以保证层间重合度 各内层间按工艺要求填入半固化片 6 按工艺要求进行层压操作 7 拆板 点孔划线 二次剪板后 于指示位置进行铣铜皮 钻定位孔操作