1 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),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。由于它是采用电子印刷技术制作的,故被称为“印刷”电路板。
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。
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,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线方法(特许119384号)”成功申请专利。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,以致未有正式的实用作,不过也使印刷电路技术更进一步。
2 发展史
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,发热量较低的晶体管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。
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。
1951年,聚酰亚胺的出现,使树脂的耐热性再进一步,也制造了聚酰亚胺基板。
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。
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。
1961年,美国的Hazeltine Corporation参考了电镀贯穿孔法,制作出多层板。
1967年,发表了增层法之一的“Plated-up technology”。
1969年,FD-R以聚酰亚胺制造了软性印刷电路板。
1979年,Pactel发表了增层法之一的“Pactel法”。
1984年,NTT开发了薄膜回路的“Copper Polyimide法”。
1988年,西门子公司开发了Microwiring Substrate的增层印刷电路板。
1990年,IBM开发了“表面增层线路”(Surface Laminar Circuit,SLC)的增层印刷电路板。
1995年,松下电器开发了ALIVH的增层印刷电路板。
1996年,东芝开发了B2it的增层印刷电路板。
3 实用化
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。为大型、高密度的印刷电路板装配(PCBA, printed circuit board assembly)发展一个稳健的测试策略是重要的,以保证与设计的符合与功能。除了这些复杂装配的建立与测试之外,单单投入在电子零件中的金钱可能是很高的,当一个单元到最后测试时可能达到25,000美元。由于这样的高成本,查找与修理装配的问题现在比其过去甚至是更为重要的步骤。今天更复杂的装配大约18平方英寸,18层;在顶面和底面有2900多个元件;含有6000个电路节点;有超过20000个焊接点需要测试。
4 范围
在朗讯加速的制造工厂(N. Andover, MA),制造和测试艺术级的PCBA和完整的传送系统。超过5000节点数的装配对我们是一个关注,因为它们已经接近我们现有的在线测试(ICT, in circuit test)设备的资源极限(图一)。我们现在制造大约800种不同的PCBA或“节点”。在这800种节点中,大约20种在5000~6000个节点范围。可是,这个数迅速增长。
5 新项目
新的开发项目要求更加复杂、更大的PCBA和更紧密的包装。这些要求挑战我们建造和测试这些单元的能力。更进一步,具有更小元件和更高节点数的更大电路板可能将会继续。例如,现在正在画电路板图的一个设计,有大约116000个节点、超过5100个元件和超过37800个要求测试或确认的焊接点。这个单元还有BGA在顶面与底面,BGA是紧接着的。使用传统的针床测试这个尺寸和复杂性的板,ICT一种方法是不可能的。
在制造工艺,特别是在测试中,不断增加的PCBA复杂性和密度不是一个新的问题。意识到的增加ICT测试夹具内的测试针数量不是要走的方向,我们开始观察可代替的电路确认方法。看到每百万探针不接触的数量,我们发现在5000个节点时,许多发现的错误(少于31)可能是由于探针接触问题而不是实际制造的缺陷(表一)。因此,我们着手将测试针的数量减少,而不是上升。尽管如此,我们制造工艺的品质还是评估到整个PCBA。我们决定使用传统的ICT与X射线分层法相结合是一个可行的解决方案。
6 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。
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
7 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,不同的金属也有不同的价钱,不同的会直接影响生产的成本;不同的金属也有不同的可焊性、接触性,也有不同的电阻阻值,也会直接影响元件的效能。
常用的金属涂层有:
铜
锡
厚度通常在5至15μm
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%
金
一般只会镀在接口
银
一般只会镀在接口,或以整体也是银的合金
8 线路设计
印制电路板的设计是以电子电路图为蓝本,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,而著名的设计软件有Protel、OrCAD、PowerPCB、FreePCB等。
9 基本制作
10 ALIVH
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。
把纤维布料浸在环氧树脂成为“黏合片”(prepreg)
雷射钻孔
钻孔中填满导电膏
在外层黏上铜箔
铜箔上以蚀刻的方法制作线路图案
把完成第二步骤的半成品黏上在铜箔上
积层编成
再不停重复第五至七的步骤,直至完成
B2it
B2it(Buried Bump Interconnection Technology)是东芝开发的增层技术。
先制作一块双面板或多层板
在铜箔上印刷圆锥银膏
放黏合片在银膏上,并使银膏贯穿黏合片
把上一步的黏合片黏在第一步的板上
以蚀刻的方法把黏合片的铜箔制成线路图案
再不停重复第二至四的步骤,直至完成
11 生产方式
12 产业现状
13 应用