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印制电路板

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印刷电路板

印刷电路板，又称印制电路板，印刷线路板，常使用英文缩写PCB（Printed circuit board）或写PWB（Printed wire board），是重要的电子部件，是电子元件的支撑体，是电子元器件线路连接的提供者。传统的电路板，采用印刷蚀刻阻剂的工法，做出电路的线路及图面，因此被称为印刷电路板或印刷线路板。由于电子产品不断微小化跟精细化，目前大多数的电路板都是采用贴附蚀刻阻剂(压膜或涂布)，经过曝光显影后，再以蚀刻做出电路板。

历史

有对外接口的电路板，可以跟别的系统电路板连结

在印制电路板出现之前，电子元件之间的互连都是依靠电线直接连接而组成完整的线路。现在，电路面包板只是作为有效的实验工具而存在，而印刷电路板在电子工业中已经成了占据了绝对统治的地位。

20世纪初，人们为了简化电子机器的制作，减少电子零件间的配线，降低制作成本等优点，于是开始钻研以印刷的方式取代配线的方法。三十年间，不断有工程师提出在绝缘的基板上加以金属导体作配线。而最成功的是1925年，美国的Charles Ducas 在绝缘的基板上印刷出线路图案，再以电镀的方式，成功建立导体作配线。[1]

直至1936年，奥地利人保罗·爱斯勒（Paul Eisler）在英国发表了箔膜技术[1]，他在一个收音机装置内采用了印刷电路板；而在日本，宫本喜之助以喷附配线法“メタリコン法吹着配線方法(特許119384号)”成功申请专利。[2]而两者中Paul Eisler 的方法与现今的印刷电路板最为相似，这类做法称为减去法，是把不需要的金属除去；而Charles Ducas、宫本喜之助的做法是只加上所需的配线，称为加成法。虽然如此，但因为当时的电子零件发热量大，两者的基板也难以配合使用[1]，以致未有正式的实用作，不过也使印刷电路技术更进一步。

1941年，美国在滑石上漆上铜膏作配线，以制作近接信管。 1943年，美国人将该技术大量使用于军用收音机内。 1947年，环氧树脂开始用作制造基板。同时NBS开始研究以印刷电路技术形成线圈、电容器、电阻器等制造技术。 1948年，美国正式认可这个发明用于商业用途。 自20世纪50年代起，发热量较低的电晶体大量取代了真空管的地位，印刷电路版技术才开始被广泛采用。而当时以蚀刻箔膜技术为主流[1]。 1950年，日本使用玻璃基板上以银漆作配线；和以酚醛树脂制的纸质酚醛基板（CCL）上以铜箔作配线。[1] 1951年，聚酰亚胺的出现，便树脂的耐热性再进一步，也制造了聚亚酰胺基板。[1] 1953年，Motorola开发出电镀贯穿孔法的双面板。这方法也应用到后期的多层电路板上。[1] 印刷电路板广泛被使用10年后的60年代，其技术也日益成熟。而自从Motorola的双面板面世，多层印刷电路板开始出现，使配线与基板面积之比更为提高。

1960年，V. Dahlgreen以印有电路的金属箔膜贴在热可塑性的塑胶中，造出软性印刷电路板。[1] 1961年，美国的Hazeltine Corporation参考了电镀贯穿孔法，制作出多层板。[1] 1967年，发表了增层法之一的“Plated-up technology”。[1][3] 1969年，FD-R以聚酰亚胺制造了软性印刷电路板。[1] 1979年，Pactel发表了增层法之一的“Pactel法”。[1] 1984年，NTT开发了薄膜回路的“Copper Polyimide法”。[1] 1988年，西门子公司开发了Microwiring Substrate的增层印刷电路板。[1]

1990年，IBM开发了“表面增层线路”（Surface Laminar Circuit，SLC）的增层印刷电路板。[1] 1995年，松下电器开发了ALIVH的增层印刷电路板。[1] 1996年，东芝开发了B2it的增层印刷电路板。[1] 就在众多的增层印刷电路板方案被提出的1990年代末期，增层印刷电路板也正式大量地被实用化，直至现在。

制造印刷电路板

基材

基材普遍是以基板的绝缘部分作分类，常见的原料为电木板、玻璃纤维板，以及各式的塑胶板。而PCB的制造商普遍会以一种以玻璃纤维、不织物料、以及树脂组成的绝缘部分，再以环氧树脂和铜箔压制成“黏合片”（prepreg）使用。

File:Xgs pic ss 01.jpg
Xgs游戏机电路设计

而常见的基材及主要成份有：

  • FR-1 ──酚醛棉纸，这基材通称电木板（比FR-2较高经济性）
  • FR-2 ──酚醛棉纸，
  • FR-3 ──棉纸（Cotton paper）、环氧树脂
  • FR-4 ──玻璃布（Woven glass）、环氧树脂
  • FR-5 ──玻璃布、环氧树脂
  • FR-6 ──毛面玻璃、聚酯
  • G-10 ──玻璃布、环氧树脂
  • CEM-1 ──棉纸、环氧树脂（阻燃）
  • CEM-2 ──棉纸、环氧树脂（非阻燃）
  • CEM-3 ──玻璃布、环氧树脂
  • CEM-4 ──玻璃布、环氧树脂
  • CEM-5 ──玻璃布、多元酯
  • AIN ──氮化铝
  • SIC ──碳化硅

金属涂层

金属涂层除了是基板上的配线外，也就是基板线路跟电子元件焊接的地方。此外，由于不同的金属价钱不同，因此直接影响生产的成本。另外，每种金属的可焊性、接触性，电阻阻值等等不同，这也会直接影响元件的效能。

常用的金属涂层有：

  • 铜
  • 锡
  • 铅锡合金（或锡铜合金）
    • 即焊料，厚度通常在5至25μm，锡含量约在63%[4]
  • 金
    • 一般只会镀在接口[4]
  • 银
    • 一般只会镀在接口，或以整体也是银的合金

线路设计

印制电路板的设计是以电路原理图为蓝本，实现电路使用者所需要的功能。印刷电路板的设计主要指版图设计，需要内部电子元件、金属连线、通孔和外部连接的布局、电磁保护、热耗散、串音等各种因素。优秀的线路设计可以节约生产成本，达到良好的电路性能和散热性能。简单的版图设计可以用手工实现，但复杂的线路设计一般也需要借助计算机辅助设计（CAD）实现，而著名的设计软体有OrCAD、Pads (也即PowerPCB)、Altium designer (也即Protel)、FreePCB、CAM350等。

电路板的基本组成

目前的电路板，主要由以下组成

  • 线路与图面(Pattern):线路是做为原件之间导通的工具，在设计上会另外设计大铜面作为接地及电源层。线路与图面是同时做出的。
  • 介电层(Dielectric):用来保持线路及各层之间的绝缘性，俗称为基材
  • 孔(Through hole / via):导通孔可使两层次以上的线路彼此导通，较大的导通孔则做为零件插件用，另外有非导通孔(nPTH)通常用来作为表面贴装定位，组装时固定螺丝用
  • 防焊油墨(Solder resistant /Solder Mask) :并非全部的铜面都要吃锡上零件，因此非吃锡的区域，会印一层隔绝铜面吃锡的物质(通常为环氧树脂)，避免非吃锡的线路间短路。根据不同的工艺，分为绿油、红油、蓝油。
  • 丝印（Legend /Marking/Silk screen):此为非必要之构成，主要的功能是在电路板上标注各零件的名称、位置框，方便组装后维修及辨识用。
  • 表面处理(Surface Finish):由于铜面在一般环境中，很容易氧化，导致无法上锡(焊锡性不良)，因此会在要吃锡的铜面上进行保护。保护的方式有喷锡(HASL)，化金(ENIG)，化银(Immersion Silver)，化锡(Immersion Tin)，有机保焊剂(OSP)，方法各有优缺点，统称为表面处理。

基本制作

根据不同的技术可分为消除和增加两大类过程。

减去法

减去法（Subtractive），是利用化学品或机械将空白的电路板（即铺有完整一块的金属箔的电路板）上不需要的地方除去，馀下的地方便是所需要的电路。

  • 丝网印刷：把预先设计好的电路图制成丝网遮罩，丝网上不需要的电路部分会被蜡或者不透水的物料覆盖，然后把丝网遮罩放到空白线路板上面，再在丝网上油上不会被腐蚀的保护剂，把线路板放到腐蚀液中，没有被保护剂遮住的部份便会被蚀走，最后把保护剂清理。
  • 感光板：把预先设计好的电路图制在透光的胶片遮罩上（最简单的做法就是用打印机印出来的投影片），同理应把需要的部份印成不透明的颜色，再在空白线路板上涂上感光颜料，将预备好的胶片遮罩放在电路板上照射强光数分钟，除去遮罩后用显影剂把电路板上的图案显示出来，最后如同用丝网印刷的方法一样把电路腐蚀。
  • 刻印：利用铣床或雷射雕刻机直接把空白线路上不需要的部份除去。

加成法

加成法（Additive），现在普遍是在一块预先镀上薄铜的基板上，覆盖光阻剂（D/F)，经紫外光曝光再显影，把需要的地方露出，然后利用电镀把线路板上正式线路铜厚增厚到所需要的规格,再镀上一层抗蚀刻阻剂－金属薄锡，最后除去光阻剂（这制程称为去膜），再把光阻剂下的铜箔层蚀刻掉。

多层制作

积层法

[1] 积层法是制作多层印刷电路板的方法之一。是在制作内层后才包上外层，再把外层以减去法或加成法所处理。不断重复积层法的动作，可以得到再多层的多层印刷电路板则为顺序积层法。

  1. 内层制作
  2. 积层编成（即黏合不同的层数的动作）
  3. 积层完成（减去法的外层含金属箔膜；加成法）
  4. 钻孔
    • 减去法
      • Panel电镀法
        1. 全块PCB电镀
        2. 在表面要保留的地方加上阻绝层（resist，防以被蚀刻）
        3. 蚀刻
        4. 去除阻绝层
      • Pattern电镀法
        1. 在表面不要保留的地方加上阻绝层
        2. 电镀所需表面至一定厚度
        3. 去除阻绝层
        4. 蚀刻至不需要的金属箔膜消失
    • 加成法
      1. 令表面粗糙化
      • 完全加成法（full-additive）
        1. 在不要导体的地方加上阻绝层
        2. 以无电解铜组成线路
      • 部分加成法（semi-additive）
        1. 以无电解铜覆盖整块PCB
        2. 在不要导体的地方加上阻绝层
        3. 电解镀铜
        4. 去除阻绝层
        5. 蚀刻至原在阻绝层下无电解铜消失

增层法

增层法是制作多层印刷电路板的方法之一，顾名思义是把印刷电路板一层一层的加上。每加上一层就处理至所需的形状。

ALIVH

[1]

ALIVH（Any Layer Interstitial Via Hole，Any Layer IVA）是日本松下电器开发的增层技术。这是使用芳香族聚酰胺（Aramid）纤维布料为基材。

  1. 把纤维布料浸在环氧树脂成为“黏合片”（prepreg）
  2. 雷射钻孔
  3. 钻孔中填满导电膏
  4. 在外层黏上铜箔
  5. 铜箔上以蚀刻的方法制作线路图案
  6. 把完成第二步骤的半成品黏上在铜箔上
  7. 积层编成
  8. 再不停重复第五至七的步骤，直至完成

B2it

[1]

B2it（Buried Bump Interconnection Technology）是东芝开发的增层技术。

  1. 先制作一块双面板或多层板
  2. 在铜箔上印刷圆锥银膏
  3. 放黏合片在银膏上，并使银膏贯穿黏合片
  4. 把上一步的黏合片黏在第一步的板上
  5. 以蚀刻的方法把黏合片的铜箔制成线路图案
  6. 再不停重复第二至四的步骤，直至完成

产业现状

由于印制电路板的制作处于电子设备制造的后半程，因此被称为电子工业的下游产业。几乎所有的电子设备都需要印制电路板的支持，因此印制电路板是全球电子元件产品中市场份额占有率最高的产品。目前日本、中国大陆、台湾、西欧和美国为主要的印制电路板制造基地。

参考文献

  1. ^ 1.00 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19 增层、多层印刷电路板技术 ISBN 957-21-3192-3
  2. ^ 《4.2 积层体の构造の概要》－日本专利局（特许庁）
  3. ^ R.L. Beadles: Interconnections and Encapsulation, AD 654-630, vol.14 of "Integrated Silicon Device Technology" ASD-IRD-63-316, Research Triangle Institute, 1967, May
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 魏雄。《PowerPCB 5.0.1 印制电路板设计与实践》北京：电子工业出版社，2006年10月，3-4。 ISBN 7-121-03298-8

参见

外部链接

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