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1、1,第三章 印刷电路板的设计与制作,印制电路板(PCBPrinted Circuit Board)亦称印制线路板,简称印制板。印制电路板是电子设备的一种极其重要的基础组装部件,它广泛用于家用电器、仪器仪表、计算机等各种电子设备中。所谓印制电路板是指:在绝缘基板上,有选择的加工安装孔、连接导线和装配焊接电子元器件的焊盘,以实现元器件间的电气连接的组装板。印制电路板的出现与发展,给电子工业带来了重大的改革,极大的促进了电子产品的更新换代。这是由于印制电路板具有许多独特的功能和优点,概括起来有:,2,(1)印制电路板可以实现电路中各个元器件间的电气连接,代替复杂的布线,减少了传统方式下的接线工作量,
2、简化了电子产品的装配、焊接、调试工作。,(2)印制电路板缩小了整机体积,降低了产品成本,提高了电子设备的质量和可靠性。,(3)印制电路板具有良好的一致性,它可以采用标准化设计,有利于装备生产的自动化和焊接的机械化,提高了生产率。,(4)印制电路板装备的部件有好的机械性能和电气性能,使电子设备实现单元组合化,使整块经过装配调试的印制板作为一个备件,便于整机产品的互换与维修。,正是由于以上优点,印制电路板已经极其广泛地应用在电子产品的生产制造中,没有印制板就没有现代电子信息产业的高速发展。熟悉印制电路板的基本知识,掌握印制电路板基本设计方法和制作工艺,了解生产过程是电子工艺技术的基本要求。,3,第
3、一节 印制电路板及其连接,电子设备是由各种电子原件和机械零件组合而成的。这些元件、零件相互间经济、快速、准确、可靠地连接起来,才能组成真正可靠的电子设备。熟悉印制电路板的材料和性能,以及印制电路板连接方式是设计和制作印制电路板的基础。,一、概述,1、基本概念,按照国际电工委员会(IEC)194号公报的规定,关于印制电路板的术语及定义可分为以下几种。印制采用某种方法,在一个表面上再现图形和符号的工艺。,4,印制线路粘附到基材表面上的作为电气元器件之间,包括屏蔽部分的电气连接的薄导体条构成的图形,以及印制导线、焊盘等,所有的功能元件与基材是分不开的。,印制电路用印制法得到的电路,包括印制元件、印制
4、线路或者它们的组合,所有这些都是预先设计好的,并附在基材的表面上。,印制板部件具有电气、机械元件或者连接其它印制板的印制板,其所有制造工艺(焊接涂覆等)均已完成。,2、印制电路板分类,印制电路板按基材的性质可分为刚性印制板和挠性印制板两大类;按布线层次可分为单面板、双面板和多层板。目前单面板和双面板的应用最为广泛,这两种板的设计制造是这一章介绍的主要内容。,5,刚性印制板具有一定的机械强度,用它装成的部件具有一定的抗弯能力,在使用时处于平展状态。一般电子设备中使用的都是刚性印制板。挠性印制板是以软层状塑料或其它软质绝缘材料为基材而制成。它所制成的部件可以弯曲和伸缩,在使用时可根据安装要求将其弯
5、曲。挠性印制板一般用于特殊场合,如:某些数字万用表的显示屏是可以旋转的,其内部往往采用挠性印制板。单面板绝缘基板上仅一面具有导电图形的印制电路板。他常采用层压纸板和玻璃布板加工制成。单面板的导电图形比较简单,大多采用丝网漏印法制成。双面板绝缘基板的两面都有导电图形的印制电路板。通常采用环氧纸板和玻璃布板加工制成。由于两面都有导电图形,所以一般采用金属化孔使两面的导电图形连接起来。双面板一般采用丝印法或感光法制成。,6,多层板有三层或三层以上导电图形的印制电路板。多层板内层导电图形与绝缘粘结片叠合压制而成,外层为敷箔板,经压制成为一个整体。为了将夹在绝缘基板中间的印制导线引出,多层板上安装元件的
6、孔需经金属孔处理,使之与夹在绝缘基板中间的印制导线连接。其导电图形的制作以感光法为主,多层板的特点是:,(1)与集成电路配合使用,可使整机小型化,减少整机重量。,(2)提高了布线密度,缩小了元件间的间距,缩短了信号的传输路径。,(3)减少了元器件焊接点,降低了故障率。,(4)由于增设了屏蔽层,电路的信号失真减少。,(5)引入了接地散热层,可减少局部过热现象,提高整机工作的可靠性。,7,3、印制电路的形成,由于印制线路工艺技术的飞速发展,制造方法以不少于十种,分类也很复杂,但从基本制造工艺来看,可分为两大类,即减成法和加成法。,(1)减成法,这是最普遍采用的方法,即在敷铜板上,通过光化学法,网印
7、图形转移或电镀图形抗蚀层,然后蚀刻掉非图形部分的铜箔或采用机械方式去除不需要部分而制成印制电路板。蚀刻法:采用化学腐蚀方法减去不需要的铜箔,这是目前最主要的制造方法。雕刻法:用机械加工方法除去不需要的铜箔,在单件试制或业余条件下可快速制出印制电路板。,8,(2)加成法,在未敷铜箔的基材上,有选择的沉积导电材料而形成导电图形的印制板。有丝印电镀法,粘贴法等。,二、敷铜板材料及其技术指标,1、敷铜板的组成,制造印制电路板的主要材料是敷铜板(又名覆铜板)。所谓敷铜板,就是经过粘贴,热挤压工艺,使一定厚度的铜箔牢固地覆盖在绝缘基板上。所用基板材料及厚度不同,铜箔与粘贴剂也各有差异,制造出来的敷铜板在性
8、能上就有很大的差别。铜箔覆在基板的一面,称作单面敷铜板,覆在基板二面的称作双面敷铜板。,9,(1)基板,高分子合成树脂和增强材料组成的绝缘层压板可以作为敷铜板的基板。合成树脂的种类繁多,常用的有酚醛树脂、环氧树脂、聚四氟乙烯等。增强材料一般有纸质和布质两种,它们决定了基板的机械性能,如耐寒性、抗弯强度等。,(2)铜箔,它是制造敷铜板的关键材料,必须有较高的导电率及良好的焊接性。要求铜箔表面不得有划痕、砂眼和皱褶,金属纯度不低于99.8%,厚度误差不大于+5m。按照部颁标准规定,铜箔厚度的标称系列为18、25、35、70和105m。我国目前正在逐步推广适用35m厚度的铜箔。铜箔越薄,越容易蚀刻和
9、钻孔,特别适合于制造线路复杂的高密度的印制板。,10,(3)粘合剂,粘合剂是铜箔能否牢固的覆盖在基板上的重要因素。敷铜板的抗剥强度主要取决于粘合剂的性能。,2、常见敷铜板种类及特性,目前我国大量使用的敷铜板有以下几种类型,其特性见表3.1。,3、敷铜板的非电技术指标,敷铜板质量的优劣直接影响印制板的质量。衡量敷铜板质量的主要非电技术标准有以下几项。,(1)抗剥强度,抗剥强度是指单位宽度的铜箔剥离基板所需要的最小力,单位为kg/cm。用这个标准来衡量铜箔与基板之间的结合强度。此项指标主要取决于粘合剂的性能及制造工艺。,11,表3.1 常见敷铜板种类及特性,12,(2)翘曲度,翘曲度指单位长度上的
10、翘曲值,衡量敷铜板相对于平面的不平度指标,取决于基板材料和厚度。,(3)抗弯强度,抗弯强度表明敷铜板所能承受弯曲的能力,单位为kg/cm。这项指标主要取决于敷铜板的基板材料。在确定印制板厚度时应考虑这项指标。,(4)耐浸焊性,耐浸焊性指敷铜板置入一定温度的熔融焊锡中停留一段时间(一般为10s)后,所能承受的铜箔抗剥能力。一般要求铜箔板不起泡、不分层。如果浸焊性差,印制板在经过多次焊接时,将可能使焊盘及导线脱落。此项指标对印制电路板的质量影响很大,主要取决于板材和粘合剂。除上述几项指标外,衡量敷铜板的技术指标还有表面平滑度、光滑度、坑深、介电性能、表面电阻、耐氰化物等,其电气指标参阅相关手册。,
11、13,第二节 印制电路板制造工艺,一、印制电路板制造过程的基本环节,印制电路板制造工艺技术发展很快,不同条件、不同规模的制造厂家采用的工艺技术不尽相同。对于不同类型和不同要求的印制电路板要采用不同的制造工艺,但在这些不同的工艺流程中,有许多必不可少的基本环节是类似的。,1、底图胶片制版,底图胶片(也叫原版底片,在生产时还要把它翻拍成生产底片)确定了印制电路板上要配置的图形。在印制电路板的生产过程中,无论采用什么方法都需要使用符合质量要求的1:1的底图胶片,所以它是制造印制电路板所使用的最重要的工具。它是制造工艺中最先的步骤之一,最终的产品只能接近它的质量和精确度。,14,获得底图胶片通常有两种
12、基本途径:一种是利用计算机辅助设计系统和光学绘图机直接绘制出来;另一种是先绘制黑白底片底图,再经过照相制版得到。,(1)CAD光绘法,这种方法是应用CAD软件布线,将生成黑白图和照相制版这两个工序合二为一,原理是光点扫描。CAD光绘法制作的原版底片精度高,质量好,但需要比较昂贵、复杂的设备和一定水平的技术人员进行操作,所以成本较高。这种方法在国外已广泛采用,国内也基本普及。,(2)照相制版法,用绘制好的黑白底片进行照相制版,版面尺寸通过调整相机的焦距准确达到印制板的设计尺寸,相版要求反差大、无砂眼。整个制版过程与普通照相大体相同,其过程如图3.1所示。,15,需要注意的是,在照相制版以前,应该
13、检查核对底图的正确性,特别是那些经过长时间放置的底图;曝光前,应该确保焦距准确,才能保证尺寸精确;相版干燥以后需要修版,对相版上的砂眼要进行修补,用刀刮掉不需要的搭接和黑斑。制作双面板的相版,应使正、反面两次照相的焦距保持一致,保证两面图形尺寸的完全吻合。这种方法耗时多、效率低、精度差。随着计算机的普及应用,此方法在实际应用中已较少使用。,图3.1 照片制版流程,16,2、图形转移,照相底版制好后,将底版上的电路图转移到覆铜板上,称为图形转移。具体方法有丝网漏印、光化学法等。,(1)丝网漏印法,用丝网漏印法在覆铜板上印制电路图形,与油印机在纸上印刷文字相类似。在丝网上涂敷、粘附一层漆膜或胶膜,
14、然后按照技术要求将印制电路图制成镂空图形(相当于油印中蜡纸上的字形)。目前,漆膜丝网已被感光膜丝网或感光胶丝网取代。经过贴膜(制膜)、曝光、显影、去膜等工艺过程,即可制成用于漏印的电路图形丝网。漏印时,只需将敷铜板在底板上定位,使丝网与敷铜板直接接触,将印料倒入固定丝网的筐内,用橡皮刮板刮压印料,即可在覆铜板上形成印料组成的图形。漏印后需要烘干、修版。,17,漏印可通过手动、半自动、自动漏印机实现,其所用丝网材料有真丝绢、合成纤维绢和金属丝三种,规格以目为单位。常用绢为150300目,即每平方毫米上有150300个网孔。绢目数越大,印出的图形越精细。丝网漏印多用于批量生产,印制单面板的导线、焊
15、盘或版面上的文字符号。这种工艺的优点是设备简单、价格低廉、操作方便。缺点是精度不高。漏印材料要求耐腐蚀,并有一定的附着力。在简易的制板工艺中,可以用助焊剂和阻焊涂料作为漏印材料 ,即先用助焊剂漏印焊盘,再用阻焊材料套印焊盘之间的印制导线。待漏印材料干燥以后进行腐蚀,腐蚀掉覆铜板上不要的铜箔后,助焊剂随焊盘,阻焊涂料随印制导线均留在板上。这是一种简洁的印制电路板的制作工艺。,18,(2)直接感光法(光化学法之一),将照相底板上的图形转移到敷铜箔表面,形成一个抗蚀或电镀的掩模图形,后进行蚀刻或电镀以制成印制电路。直接感光法适用于品种多、批量小的印制电路板生产,它的尺寸精度很高、工艺简单,对单面板或
16、双面板都能应用。直接感光制板法的主要工艺流程如图3.2所示。,图3.2直接感光制板法的主要工艺流程, 表面处理:用有机溶剂去除敷铜板表面上的油脂等有机污物,用酸去除氧化层。通过表面处理,可以使感光胶在铜箔表面牢固地粘附。, 上胶:在敷铜板表面涂覆一层可以感光的液体材料(感光胶)。上感光胶的方法有离心式甩胶、手工涂胶、滚胶、浸胶、喷胶等。无论采用哪种方式都要求有合适的厚度,良好的均匀性以及合适的干湿程度。,19, 曝光(晒版):将照相底版至于上胶烘干后的敷铜板上,置于光源下曝光。光线通过相版,使感光胶发生化学反应,引起胶膜理化性能变化,使聚合物交连,胶膜硬化。曝光时,应注意相版与覆铜板的定位,特别是双面印制板,定位更要严格,否则两面图形将不能吻合。, 显影与染色:在曝光后,由于化学反应的结果,曝光部分已经发生了实质性的变化,显影能力与粘和能力得到提高,在一定的温度与时间内不再溶于水;而未曝光部分,没有发生类似变化,很容易溶解于水。曝光后的板在显影液中显影后,再进入染色溶液中,将感光部分的胶膜染色硬化,显示出印制板图形,便于检查线路是否完整,为下一步修版提供方便。未感光部分的胶膜在温水中溶解,脱落。,
