PCB设计第1讲

PCB设计长安大学电子与控制工程学院自动化系李登峰手机：[phone]Email：[e-mail]主要内容第一节认识PCB第二节PCB制作工艺第三节PCB设计流程第四节PCB中的各种对象第五节AltiumDesigner概述第一章PCB设计概述第一节认识PCB一、什么是PCB?Printedcircuitboard；简写：PCB中文：印制电路板印制板也称为印制线路板或印制电路板，通过印制板上的印制导线、焊盘及金属化过孔实现元器件引脚之间的电气连接。由于印制板上的导电图形（如元件引脚焊盘、印制连线、过孔等）以及说明性文字（如元件轮廓、序号、型号）等均通过印制方法实现，因此称为印制电路板。二、PCB的作用通过一定的工艺，在绝缘性能很高的基材上覆盖一层导电性能良好的铜薄膜，就构成了生产印制电路板所必需的材料——覆铜板。按电路要求，在覆铜板上刻蚀出导电图形，并钻出元件引脚安装孔、实现电气互连的过孔以及固定整个电路板所需的螺丝孔，就获得了电子产品所需的印制电路板。PCB是为完成第一层次的元件和其它电子电路零件接合提供的一个组装基地，组装成一个具特定功能的模块或产品。PCB在整个电子产品中，扮演了连接所有功能的角色，电子产品的功能出现故障时，最先被怀疑往往就是PCB，所以PCB的生产控制尤为严格和重要。三、PCB板材料覆以铜箔的绝缘层压板称为覆铜箔层压板，简称覆铜板。它是用腐蚀铜箔法制作电路板的主要材料。1、覆铜板铜箔绝缘介质层铜箔2、覆铜板的种类按基材的品种可分为纸基板和玻璃布板；按黏结树脂来分有酚醛、环氧酚醛、聚四氟乙烯等。（1）酚醛纸基覆铜板它是用浸渍过酚醛树脂的绝缘纸或纤维板作为基板，两面加无碱玻璃布，并在一面或两面覆以电解紫铜箔，经热压而成的板状制品。这类层压板价格低廉，但机械强度低，易吸水，耐高温性能差（一般不超过100℃）。主要用于低频和一般民用产品中。标准厚度有1.0mm、1.5mm、2.0mm三种，一般应优先选用1.5mm和2.0mm厚的层压板。（2）环氧酚醛玻璃布覆铜板这是用浸渍过环氧树脂的无碱玻璃布板作为基板，一面或两面覆以电解紫铜箔经热压而成的层压制品，这类层压板的电气和机械性能良好，加工方便，可用于恶劣环境和超高频电路中。（3）环氧玻璃布覆铜板这类层压板由浸渍双氰胺固化剂的环氧树脂的玻璃布板作为基板，一面或两面覆以电解紫铜箔经热压而成。这类层板基材的透明度良好，与环氧酚醛覆铜板相比，具有较好的机械加工性能，防潮性良好，工作温度较高。（4）聚四氟乙烯玻璃布覆铜板这是以无碱玻璃布浸渍聚四氟乙烯分散乳液为基材，覆以经氧化处理的电解紫铜箔，经热压而成的层压板，是一种耐高温和高绝缘的新型材料。具有较宽的耐温范围（−23℃～260℃），在200℃下可长期工作，在300℃下间断工作。它主要用在高频和超高频电路中。此外，还有聚苯乙烯覆铜板、软性聚酯覆铜板等。（1）抗弯强度抗弯强度表示材料能承受弯曲、冲击、振动的能力，以单位面积受的力来计算，单位为kg/cm2（英美国家为磅/平方英寸）。（2）抗剥强度抗剥强度是指在覆铜板上，剥开1cm宽度的铜箔所需要的力，用kg/cm来表示。它用来衡量铜箔与基板之间的结合力。（3）耐热性能耐热性能是指材料能够长期工作，而不引起性能降低所承受的的最高温度。（4）吸水性吸水性主要用来考虑潮湿环境对敷铜板电气性能的影响。3、覆铜板的性能参数（5）翘曲度翘曲度用来衡量板材的翘曲程度，双面印制电路板的翘曲度比单面的好，厚的比薄的好。（6）介电常数当双面板的两面各印制出一定面积的铜箔时，利用中间的绝缘基板作为介质就组成了一个电容器。介电常数不同，电容量不同。（7）损耗因素损耗因素表示绝缘板材作为印制电容器的介质时，或者在覆铜板上所印制线圈时，在绝缘介质上的功率损耗。（8）表面电阻和体积电阻表面电阻与体积电阻用于衡量绝缘基板的绝缘性能。随着温湿度的升高，材料的绝缘电阻降低。（9）覆铜板的厚度(1)板材的确定–常用的覆铜板有酚醛纸板、酚醛玻璃布板，环氧玻璃布板等。不同的板材，其机械性能与电气性能有很大差别，故应仔细选择。–选择板材的依据是整机的性能要求、使用尺寸、整机价格等。选择时要统筹考虑，既要了解覆铜板的性能指标，又要熟悉电子产品的特点，以获得良好的性能价格比(2)印制电路板形状的选择–印制电路板的形状通常由整机的外形确定，一般采用长宽比例不太悬殊的长方形。它可以大大简化成形加工，节省板材。在一些批量生产中，为了降低线路板的制作成本，提高线路板的自动装焊率，常把两、三块面积小的印制电路板和主印制电路板共同设计成一个整矩形。待装焊后沿工艺孔掰开，分别装在整机的不同部位上。4、覆铜板的选用(3)印制电路板的尺寸的选择选择印制电路板的尺寸选择要考虑整机的内部结构及印制电路板上元器件的数量及尺寸。板上元器件排列彼此间要留有一定的间隔。特别是在高压电路中，更要注意留有足够的间距。在考虑元器件所占面积的同时，还要考虑发热元器件所需散热片的尺寸。在确定了板的面积后，四周还应留出5~10mm（单边），以便于印制电路板在整机中的固定。(4)板厚的确定根据国标GB2473-84规定，覆铜板的标称厚度有0.2，0.5，0.8，1.0，1.2，1.6，2.0，2.4，3.2，6.4，0.7，1.5mm等多种。在确定板厚时，主要考虑以下因素。（1）当印制板对外通过直接式插座连接时，过厚插不进去，过薄接触不良。一般应选1.5mm左右。（2）要考虑板的尺寸、板上元器件的体积、重量等。板的尺寸及元器件重量过大，都应适当增加板厚，否则容易产生翘曲。四、PCB的种类及结构印制板种类很多，根据导电层数目的不同，可以将印制板分为：单面电路板（简称单面板）双面电路板（简称双面板）多层电路板根据覆铜板基底材料的不同，又可将印制板分为：纸质覆铜箔层压板玻璃布覆铜箔层压板单面板所用的覆铜板只有一面敷铜箔，另一面空白，因而也只能在敷铜箔面上制作导电图形。单面板上的导电图形主要包括固定、连接元件引脚的焊盘和实现元件引脚互连的印制导线，该面称为“焊锡面”。没有铜膜的一面用于安放元件，因此该面称为“元件面”。双面板基板的上下两面均覆盖铜箔。因此，上、下两面都含有导电图形，导电图形中除了焊盘、印制导线外，还有用于使上、下两面印制导线相连的金属化过孔。在双面板中，元件也只安装在其中的一个面上，该面同样称为“元件面”，另一面称为“焊锡面”。在双面板中，需要制作连接上、下面印制导线的金属化过孔，生产工艺流程比单面板多，成本高。多层板随着集成电路技术的不断发展，元器件集成度越来越高，引脚数目迅速增加，电路图中元器件连接关系越来越复杂。此外，器件工作频率也越来越高，双面板已不能满足布线和电磁屏蔽要求，于是就出现了多层板。在多层板中导电层的数目一般为4、6、8、10等，例如在四层板中，上、下面（层）是信号层（信号线布线层），在上、下两层之间还有电源层和地线层。在多层板中，可充分利用电路板的多层结构解决电磁干扰问题，提高了电路系统的可靠性；由于可布线层数多，走线方便，布通率高，连线短，印制板面积也较小（印制导线占用面积小），目前计算机设备，如主机板、内存条、显示卡等均采用4或6层印制电路板。多层板结构示意图第二节PCB制作工艺A、内层线路C、孔金属化D、外层干膜E、外层线路F、丝印H、后工序B、层压钻孔G、表面工艺一、内层线路流程介绍前处理压膜曝光DES开料冲孔DES为显影;蚀刻;去膜连线简称1.开料(BOARDCUT)目的依制前设计所规划要求,将基板材料裁切成工作所需尺寸主要生产物料:覆铜板注意事项:避免板边毛刺影响品质,裁切后进行磨边,圆角处理。考虑涨缩影响,裁切板送下制程前进行烘烤。裁切须注意经纬方向与工程指示一致，以避免翘曲等问题。2、前处理(PRETREAT)目的:去除铜面上的污染物，增加铜面粗糙度,以利于后续的压膜制作过程。铜箔绝缘层前处理后铜面状况示意图3.压膜(LAMINATION)目的:将经处理之基板铜面透过热压方式贴上抗蚀干膜主要生产物料:干膜(DryFilm)干膜压膜前压膜后压膜4.曝光(EXPOSURE)目的:经光线照射作用将原始底片上的图像转移到感光底板上.主要生产工具:底片（film)曝光前曝光后白色透光部分发生光聚合反应,黑色部分则因不透光,不发生反应，显影时发生反应的部分不能被溶解掉而保留在板面上。5.显影(DEVELOPING)目的:用碱液作用将未发生化学反应之干膜部分冲掉.显影后显影前工艺原理：使用将未发生聚合反应之干膜冲掉,而发生聚合反应之干膜则保留在板面上作为蚀刻时之抗蚀保护层。6.蚀刻(ETCHING)目的:利用药液将显影后露出的铜蚀掉,形成内层线路图形主要生产物料:蚀刻药液蚀刻后蚀刻前7.退膜(STRIP)目的:利用强碱将保护铜面之抗蚀层剥掉,露出线路图形去膜后去膜前8.冲孔目的:利用CCD对位冲出定位孔及铆钉孔9.内层检查工艺AOI检验:全称为AutomaticOpticalInspection，自动光学检测☆目的：通过光学反射原理将图像回馈至设备处理，与设定的逻辑判断原则或资料图形相比较，找出缺点位置.由于AOI所用的测试方式为逻辑比较，一定会存在一些误判的缺点，故需通过人工加以确认.LONGWIDTHVIOLATIONNICKSPROTRUSIONDISHDOWNFINEOPENSURFACESHORTWIDESHORTFINESHORTSHAVEDPADSPACINGWIDTHVIOLATIONPINHOLENICKOVERETCHEDPADCOPPERSPLASHMISSINGPADMissingJunctionMissingOpen二、层压钻孔流程棕化铆合叠板压合后处理钻孔目的：层压：将铜箔（Copper)、半固化片（Prepreg)与棕化处理后的内层线路板压合成多层板。钻孔：在板面上钻出层与层之间线路连接的导通孔。1.棕化目的:(1)粗化铜面,增加与树脂接触表面积(2)增加铜面对流动树脂的湿润性(3)使铜面钝化,避免发生不良反应注意事项:棕化膜很薄,极易发生擦花问题。2.铆合目的:(四层板不需铆钉)利用铆钉将多张内层板钉在一起,以避免后续加工时产生层间滑移主要生产物料:铆钉;半固化片（P/P)2L3L4L5L铆钉3.叠板目的:将预叠合好之板叠成待压多层板形式主要生产物料:铜箔、半固化片Layer1Layer2Layer3Layer4Layer5Layer62L3L4L5L4.压合目的:通过热压方式将叠合板压成多层板主要生产辅料:牛皮纸、钢板钢板压力牛皮纸承载盘热板可叠很多层5.后处理目的:对层压后的板经过磨边;打靶;铣边等工序进行初步的外形处理以便后工序生产品质控制要求及提供后工序加工之工具孔。主要生产物料:钻头;铣刀6.钻孔目的:在板面上钻出层与层之间线路连接的导通孔主要原物料:钻头;盖板;垫板盖板:主要为铝片,在制程中起钻头定位;散热;减少毛头;防压力脚压伤作用垫板:主要为复合板,在制程中起保护钻机台面;防出口性毛头;降低钻针温度及清洁钻针沟槽胶渣作用铝盖板垫板钻头墊木板鋁板三、孔金属化工艺流程去毛刺(Deburr)去胶渣(Desmear)化学铜(PTH)一次铜Panelplating目的:使孔璧上的非导体部分之树脂及玻璃纤维进行金属化方便进行后面的电镀过程,提供足够导电及保护的金属孔璧。1.去毛刺除胶渣毛刺形成原因:钻孔后孔边缘未切断的铜丝及未切断的玻璃布目的:去除孔边缘的毛刺,防止镀孔不良重要的原物料：磨刷胶渣形成原因:钻孔时造成的高温的过玻璃化转变温度,而形成融熔态,产生胶渣。去胶渣的目的:裸露出各层需互连的铜环，另膨松剂可改善孔壁结构，增强电镀铜附著力。重要的原物料：除胶剂2.沉铜工艺化学銅(PTH)化学铜目的:通過化学沉积的方式使表面沉积上厚度为20-40微英寸的化学铜。PTH3.电镀工艺—电镀铜一次铜一次铜目的:镀上200-500微英寸的厚度的铜以保护仅有20-40microinch厚度的化学铜不被后续制作过程破坏造成孔破。