1.定义
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 Wiring Board),是重要的电子部件,是电子元器件的支撑体,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,制作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,再以蚀刻制作出电路板。在GB2036—94印制电路术语中解释是:“印制电路和印制线路成品板统称印制板。它包括刚性、挠性和刚挠结合的单面、双面和多层印制板等”。
印制电路是指在绝缘基材上,按预定设计形成印制元器件或印制线路以及两者结合的导电图形;印制线路是指在绝缘基材上形成的导电图形,用于元器件之间连接,但不包括印制元器件。
UL认证中,印制线路板称为PWB(Printed Wiring Board);印制电路板PCB(Printed Circuit Board)是指“板子+印制元器件=PCB”。日常工作中,人们常把印制线路板、印制电路板统称为印制板。
几乎每种电子设备,小到电子手表、计算器,大到计算机、通信电子设备、军用武器系统,只要有集成电路等电子元器件,为了它们之间的电器互连,都要使用印制板。在较大型的电子产品研究过程中,最基本的成功因素是该产品的印制板的设计、文件编制和制造。印制板的设计和制造质量直接影响到整个产品的质量和成本,甚至导致商业竞争的成败。
2.功能
印制电路在电子设备中提供如下功能:
● 提供集成电路等各种电子元器件固定、装配的机械支撑;
● 实现集成电路等各种电子元器件之间的布线和电器连接或电绝缘;
● 提供所要求的电气特性,如特性阻抗等;
● 为自动焊提供阻焊图形,为元器件插装、检查、维修提供识别字符和图形。
如图3.1所示,列出了印制电路板发展的关键历程。
图3.1 印制电路板发展历程
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,等等,开始钻研以印刷的方式取代配线的方法。30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。其中最成功的是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。两者中Paul Eisler 的方法与现今的印制电路板最为相似,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。由于当时的电子零件发热量大,两者的基板难以配合使用,以致未有正式的实用案例,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,以制作接线管。
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制成线圈、电容器、电阻器等制造技术。
1948年,美国正式认可1947年的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;和以酚醛树脂制成的纸质酚醛基板(CCL)上以铜箔作配线。
1951年,聚酰亚胺的出现,使树脂的耐热性进一步提高,也制造了聚亚酰胺基板。
1953年,Motorola开发出电镀贯穿孔法的双面板。这种方法也应用到后期的多层电路板上。印制电路板广泛被使用10年后的20世纪60年代,其技术日益成熟。而自从Motorola的双面板面世,多层印制电路板开始出现,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,制造出软性印制电路板。
1961年,美国的Hazeltine Corporation参考了电镀贯穿孔法,制作出多层板。
1967年,发表了积层法之一的“Plated-up technology”。
1969年,FD-R以聚酰亚胺制造了软性印制电路板。
1979年,Pactel发表了积层法之一的“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的积层印制电路板。
1990年,IBM开发了“表面积层线路”(Surface Laminar Circuit,SLC)的积层印制电路板。
1995年,松下电器开发了ALIVH的积层印制电路板。
1996年,东芝开发了Bit的积层印制电路板。在众多的积层印制电路板方案被提出的1990年代末期,积层印制电路板也正式大量地被实用化,直至现在。
随着制作工艺的进步,印制电路板朝着更高精度和更高密度的方向发展,印制电路板更加复杂起来,基于多层板框架多样化的形式(比如混压、埋/嵌式、多结构等)不断出现。
若以PCB装联技术的应用和发展角度来看,可分为三个阶段:通孔插装技术阶段PCB、表面安装技术阶段PCB、芯片级封装阶段PCB。
1.通孔插装技术(THT)阶段PCB
1)金属化孔的作用
(1)电器互连:信号传输。
(2)支撑元器件:引脚尺寸限制通孔尺寸的缩小。
① 引脚的刚性。
② 自动化插装的要求。
2)提高密度的途径
(1)减小元器件孔的尺寸,但受到元器件引脚的刚性及插装精度的限制,孔径≥0.8 mm。
(2)缩小线宽/间距:0.3 mm→0.2 mm→0.15 mm→0.1 mm。
(3)增加层数:单面→双面→4层→6层→8层→10层→12层→64层。
2.表面安装技术(SMT)阶段PCB
1)导通孔的作用
仅起到电器互连的作用,孔径可以尽可能得小,堵上孔也可以。
2)提高密度的主要途径
(1)过孔尺寸急剧减小:0.8 mm→0.5 mm→0.4 mm→0.3 mm→0.25 mm。
(2)过孔的结构发生本质变化:
① 埋盲孔结构优点是提高了布线密度1/3以上、减小PCB尺寸或减少层数、提高可靠性、改善了特性阻抗控制,减小了串扰、噪声或失真(因线短,孔小)。
② 盘内孔(Hole in Pad)消除了中继孔及连线。
(3)薄型化:(双面板)1.6 mm→1.0 mm→0.8 mm→0.5 mm。
(4)PCB平整度。
① 概念:PCB基板翘曲度和PCB面上连接盘表面的共面性。
② PCB翘曲度是由于热、机械引起残留应力的综合结果。
③ 连接盘的表面涂层:HASL、化学镀Ni/Au、电镀Ni/AU、OSP等。
3.芯片级封装(CSP)阶段PCB
CSP已开始进入急剧的变革发展之中,推动了PCB技术不断向前发展,PCB工业将走向激光时代和纳米时代。
1.按结构来分
按结构可分为刚性印制板(Rigid PCB)、挠性印制板(Flex PCB)、刚-挠印制板(R-F PCB)、齐平印制板(Flat Printed Board)。
2.按用途来分
按用途可分为民用印制板、工业用印制板和军用印制板。
3.按基材来分
按基材可分为纸基印制板、环氧玻纤布印制板、复合基材印制板和特种基材印制板。
4.按电路层数来分
按电路层数可分为单面板、双面板和多层板。常见的多层板一般为4层板或6层板,复杂的多层板可达十几层。
(1)单面板(Single-Sided Boards):在最基本的PCB上,零件集中在其中一面,导线则集中在另一面上。因为导线只出现在其中一面,所以这种PCB叫作单面板(Single-Sided)。因为单面板在设计线路上有许多严格的限制(因为只有一面,布线间不能交叉而必须绕独自的路径),所以只有早期的电路才使用这类的板子。
(2)双面板(Double-Sided Boards):这种电路板的两面都有布线,不过要用上两面的导线,必须要在两面间有适当的电路连接才行。这种电路间的“桥梁”叫作过孔(Via)。因为双面板的面积比单面板大了一倍,而且因为布线可以互相交错(可以绕到另一面),它更适合用在比单面板更复杂的电路上。
(3)多层板(Multi-Layer Boards):为了增加可以布线的面积,多层板用上了更多单或双面的布线板。用一块双面作内层、两块单面作外层或两块双面作内层、两块单面作外层的印刷线路板,通过定位系统及绝缘黏结材料交替在一起且导电图形按设计要求进行互连的印刷线路板就成为四层、六层印刷电路板,也称为多层印刷线路板。板子的层数就代表了有几层独立的布线层,通常层数都是偶数,并且包含最外侧的两层。