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电路板的基础知识


电路板的基础知识 路板的基础
编制: 王志云 日期: 2008/9/18

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电路板基础知识
目录
一. 二. 三. 四.

电路板的历史 电路板的定义 电路板的分类 覆铜板

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一,印制电路板历史 印制电路板历史

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PCB(printed circuit board),即印制电路 板是在绝缘基材上,按预定设计,制成印制线 路,印制元件或由两者组合而成的导电图形后 制成的板. 它作为元器件的支撑,并且提供系统电路工 作所需要的电气连接,是实现电子产品小型化, 轻量化,装配机械化和自动化的重要基础部件, 在电子工业中有广泛应用.
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PCB诞生于上世纪四,五十年代,发展于 上世纪八,九十年代.伴随半导体技术 和计算机技术的进步,印刷电路板向着 高密度,细导线,更多层数的方向发展,其 设计技术也从最初的手工绘制发展到计 算机辅助设计(CAD)和电子设计自动化 (EDA).
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二,印制电路板定义 印制电路板定义

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1)

印制电路板是电子元器件互连的以产生电气 性能的最基本的载体,其主要功能是支撑电 路元件以及互连电路元件. 印制电路板全称为Print Circuit Board (PCB) 或 印制线路板Print Wire Board (PWB).

2)

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三,电路板的分类 路板的分类

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以板的硬度分为 1) 以板的硬度分为:
硬板 软板 软硬结合板

层数分 2) 以线路层数分为:
单面板 假双面板 金属化孔双面板 多层板

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单面板:仅在介质基材一面具有导线,插件孔由模 面板: 具冲压出来. 面板: 假双面板:在介质基材的两面都有导线,但其两面 线路并不导通,元件孔由模具冲压出来. 化孔双面板: 金属化孔双面板:在介质基材的两面都有导线,两 面导线经过金属化孔或另外的加固孔来形成互连. 多层板:具有三层或三层以上的导线层,其层间用 介质材料绝缘,各层间用金属化孔来形成互连.

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导通孔状态图示 态图示
L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 L10 L11

埋孔

L12

通孔

盲孔

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3)

以板面处理分为 以板面处理分为:
喷锡板 化锡板 化银板 化镍金板 电镍金板 OSP板

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喷锡板:喷锡又称热风整平,其目的是在电路板的 焊盘或插件孔铜箔上喷锡可防止铜面氧化,喷锡 后下游焊接元器件更容易. 喷锡工艺通常分为垂直喷锡和水平喷锡两种方式, 垂直喷锡设备成本低,生产效率高,目前使用较为 普遍,缺点是锡面平整度相对较差;水平喷锡设备 昂贵,但锡面平整度好. 喷锡所用的锡材料分为纯锡和铅锡合金两种;铅 锡合金中通常锡和铅的含量比为63/37.有铅喷锡 随着欧盟ROHS环保指令的实施而逐步退出.

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化锡板:化锡又称沉锡,其制程原理是将电路板浸 入含锡的化学药水中,通过化为反应的方式在铜 箔表面镀上锡层,化锡是对应欧盟ROHS环保指 令的一个新的制程,其优点是锡层表面平滑,但因 其缺点是成本高,锡层较薄,存放时间短,保存条件 高等,故目前普及率较低. 化银板:化银又称沉银,其原理同化锡相同,此制程 的产生同样是对应欧盟ROHS环保指令的一个新 的制程,相应于化锡板来讲,其制程技术相对成熟, 此制程目前在电路板行业已得到比较广泛的使 用,化银成本相对较高.

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化镍金板:化金又称沉金,其原理同化锡和化银相同,化金 是一个比较成熟的传统的制程,化金的COB邦定效果是其 它制程无法替代的,其上锡性能好,保存时间长,亦符合欧 盟ROHS环保指令要求,缺点是成本较高. 电镍金板:电金是一个技术成熟的传统工艺,其原理是将镍 和金 (俗称金盐)溶于化学药水中,将电路板浸于电镀缸中 并通上电流而在电路板的铜箔面上生成镍金镀层,电镍金 因其镀层硬度高,耐磨损,不易氧化的特点在电子产品名得 到广泛的应用,尤其以电脑,通讯产品的卡板中应用较为突 出.

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OSP板:OSP意为可悍性有机铜面保护剂,其制程 原理是通过一种替代咪唑衍生的活性组分与金 属铜表面发生的化学反应,使线路板的焊盘和通 孔焊接位置形成均匀,极薄,透明的有机涂层,该 涂层具有优良的耐热性,它可作为喷锡和其它金 属化表面处理的替代工艺,因其制作成本较低, 且技术成熟,故目前已被行广泛使用.

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以所使用的板材的材质区 质区分 4) 以所使用的板材的材质区分
纸质印制板 玻璃布基印制板 合成纤维印制板 陶瓷基底板 金属芯基板

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四, 覆铜板

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1) 覆铜板的定义 覆铜板的定义
覆铜板:英文简称CCL,它是制作电路板最基本的材 料,其为一面或两面覆有金属铜箔的层压板. 覆铜板分刚性和挠性两类. 覆铜板的基材是不导电的绝缘材料. 覆铜板是由铜箔/粘结树脂/纸或纤维布在加温加压 的条件下形成的层压制品.
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2)

覆铜板的分类 覆铜板的分类
覆铜板按其基本材料组成分为:
纸质板(XPC,XXPC,XXXPC) 复合纤维板(CEM-1,CEM-3) 玻璃纤维板(FR-4) 陶瓷基板,金属基板

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纸质覆铜板 纸质覆铜板
a.纸质覆铜板构成为铜箔+纸+树脂. b.纸质覆铜板按其所含树脂又分为:xpc→xxpc
→ xxxpc,
x:表示树脂含量,x越多树脂含量越多,其绝缘 性能越好. p:(paper)表示纸质. C:(cold punching)表示可以冷冲

纸质覆铜板其缺点为:硬度相对较差,在潮湿 环境下容易吸收水分,受高温热膨胀及冷却 后收缩变化较大,且电器性能较纤维板低. 优点为原材料成本低,因其质地较软可以冲 孔,故在电路板制程中孔加工成本低.

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复合纤维板 此种板材常用型号为CEM-1和CEM-3两种.
C: (composite)合成 E: (epoxy)环氧树脂,其特性是不易燃烧,加上此种树脂材料的阻 燃性就增大了. M: (material)基材

CEM-1构成为:铜箔+纸(芯)+纤维布+环氧树脂 CEM-3构成为:铜箔+玻纤非织布(芯)+玻纤布(面)+ 环氧树脂.
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CEM-3比CEM-1板料中所含的纤维层数量更多, 故CEM-3的耐燃性,绝缘性,硬度等高于CEM-1. 复合纤维板成本较玻璃纤维板低,解决了纸板 的硬度不足和纤维板不易冲孔问题. 其缺点是电气性能虽接近玻璃纤维板,但仍不 可完全替代FR-4材料.仅有部分要求不高的电 路板可用此材料替代FR-4使用.
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玻璃纤维板 构成为铜箔+玻璃纤维布+树脂 玻璃纤维板行业目前主为采用的是FR-4材料. 其优点是硬度高,防火性能强,电气特性稳定,可做 镀通孔制程. 其缺点是主要原料为玻璃纤维布和环氧树脂,故板 材制作成本和电路板制程时孔的加工成本高.

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陶瓷基板,金属基板 故名思意,就是分别用陶瓷或者金属,如铁基,铝基,铜基 等等作为介质层的基材. 主要应用在一些高温,高湿,高传导,需要不间断连续作 业等领域. 因条件限制,制作成本较高,应用不是很广泛,主要应用 在军事领域较多.
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覆铜板料在UL标准中的级数区分 UL是美国<保险实验室>的英文简称,全称是Underwriters Laboratories Inc,其成立于894年,至今已有一百多年的历史,其成产宗旨是测试各种 材料,装置,设备以及各种体系对生命和财产有无危害,它在美国和全球 享有名,是目前全球最大,历史最长,威信最高的安全检定机构. UL定出了一般日常用品的使用安全标准,对每一类产品均有一定的标 准要求以保障使用者的安全,现时世界上大多数国家参照其标准订立了 自己国家之安全标准,但在欧洲的部分国家,另有其标准要求,但其本内 容大致相同. 印刷电路板相对应的标准是UL796.

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铜箔(copper foil) 按IPC-CF-150 将铜箔分为两个类型:电解铜箔和辗轧铜箔,再将之 分成八个等级:class 1 到 class 4 是电解铜箔,class 5 到 class 8 是 轧延铜箔. 辗轧法 是将铜块经多次辗轧制作而成,其所辗出之宽度受到技术限制很难 达到标准尺寸基板的要求 (3 呎*4呎),而且很容易在辗制过程中造 成报废,因表面粗糙度不够,所以与树脂之结合能力比较不好,而且 制造过程中所受应力需要做热处理之回火轫化,故其成本较高. 其优点是:延展性Ductility高,对FPC使用于动态环境下,信赖度极 佳.低的表面棱线Low-profile Surface,对于一些Microwave电子应用 是一利基. 其缺点是:和基材的附着力不好,成本较高,因技术问题,宽度受限

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电镀法 最常使用于基板上的铜箔就是ED铜.利用硫酸铜镀液,在殊特深 入地下的大型镀槽中,阴阳极距非常短,以非常高的速度冲动镀 液,以 600 ASF 之高电流密度,将柱状 结晶的铜层镀在表面非常 光滑又经钝化的不锈钢大桶状之转胴轮上,因钝化处理过的不锈 钢胴轮上对铜层之附着力并不好,故镀面可自转轮上撕下,如此 所镀得的连续铜层,可由转轮速度,电流密度而得不同厚度之铜 箔,贴在转胴之光滑铜箔表面称为光面,另一面对镀液之粗糙结 晶表面称为毛面. 此种铜箔的优点是:价格便宜,可有各种尺寸与厚度. 其缺点是:延展性差,应力极高无法挠曲又很容易折断.

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铜箔的厚度单位 铜箔生产业者为计算成本,方便订价,多以每平方呎之重量做为厚 度之计算单位,如1.0 Ounce (oz)的定义是一平方呎面积单面覆盖 铜箔重量1oz (28.35g)的铜层厚度.经单位换算35微米 (micron)或 1.35 mil. 一般厚度1 oz 及1/2 oz,而超薄铜箔可达 1/4 oz或更低. 薄铜箔是指 0.5 oz (17.5 micron ) 以下厚度则称超薄铜箔,3/8 oz 以下因本身太薄很不容易操作故需要另加载体 (Carrier) 才能做 各种操作(称复合式copper foil),否则很容易造成损伤.所用之载体 有两类,一类是以传统 ED 铜箔为载体,厚约2.1 mil.另一类载体是 铝箔,厚度约3 mil.两者使用之前须将载体撕离.超薄铜箔最不易 克服的问题就是 " 针孔 " 或 " 疏孔 "(Porosity),因厚度太薄,电镀 时无法将疏孔完全填满.补救之道是降低电流密度,让结晶变细. 细线路,尤其是5 mil以下更需要超薄铜箔,以减少蚀刻时的过蚀与 侧蚀.

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玻璃纤维 玻璃纤维(Fiberglass)在PCB基板中的功用,是作为补强材料. 基板的补强材料尚有其它种,如纸质基板的纸材,聚醯胺)纤 维,以及石英(Quartz)纤维,本节仅讨论最大宗的玻璃纤维. 玻璃(Glass)本身是一种混合物,其组成见表它是一些无机 物经高温融熔合而成,再经抽丝冷却而成一种非结晶结构 的坚硬物体.此物质的使用,已有数千年的历史.

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玻璃纤维布 玻璃纤维的制成可分两种,一种是连续式(Continuous) 的纤维另一种则是不连续式(discontinuous)的纤维前者 即用于织成玻璃布(Fabric),后者则做成片状之玻璃席 (Mat).FR4等基材,即是使用前者,CEM3基材,则 采用后者玻璃席. 玻璃纤维的等级可分四种商品:A级为高碱性,C级 为抗化性,E级为电子用途,S级为高强度.电路板中 所用的就是E级玻璃,主要是其介电性质优于其它叁 种.

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玻璃纤维一些共同的特性如下所述: 高强度:和其它纺织用纤维比较,玻璃有极高强度.在某些应用上, 其强度/重量比甚至超过铁丝. 抗热与火:玻璃纤维为无机物,因此不会燃烧 抗化性:可耐大部份化学品,也不会霉菌,细菌的渗入及昆虫的 攻击. 防潮:玻璃并不吸水,即使在很潮湿的环境,依然保持它的机械强 度. 热性质:玻纤有很低的熬线性膨胀系数,及高的热导系数,因 此在高温环境下有极佳的表现. 电性:由于玻璃纤维的不导电性,是一个很好的绝缘物质的选择

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树脂 树脂亦是制作覆铜板的一种主要组成原料,树脂的种类很多,覆铜板板 常用的树脂主要为:环氧树脂和酚醛树脂 酚醛树脂是人类最早开发成功而又商业化的聚合物,是由液态的酚 (phenol)及液态的甲醛( Formaldehyde 俗称Formalin )两种便宜 的化学品,在酸性或碱性的催化条件下发生立体架桥( Crosslinkage ) 的连续反应而硬化成为固态的合成材料. 环氧树脂(Epoxy Resin)是目前印刷线路板业用途最广的底材,在液态 时称为清漆或称凡立水(Varnish) 或称为 A-stage,玻璃布在浸胶半干 成胶片后再经高温软化液化而呈现黏着性而用于双面基板制作或多 层板之压合用称 B-stage prepreg ,经此压合再硬化而无法回复之最终 状态称为 C-stage.

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常用覆铜板规格 电路板厂常用的覆铜板尺寸有以下几个规格: 36″x48″(37″x49″) 40″x48″(41″x49″) 42″x48″(43″x49″) 电路板厂常用的覆铜板厚度有以下几个规格: 0.1mm,0.15mm,0.2mm,0.4mm,0.6mm,0.8mm,1.0mm, 1.2mm,1.5mm,1.6mm,2.0mm 电路板厂常用的覆铜板铜箔厚度有以下几个规格: a. oz ,oz,1oz,2oz

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