PCB制板的基础知识

Joejoe1

一、PCB概念
% y# b" \! O& Y: f' B( n, ?6 l3 d0 r6 q4 {  c0 `6 J
, d! ]5 J$ d! @7 T( {, L  YPCB（PrintedCircuitBoard），中文名称为印制电路板，又称印刷电路板、印刷线路板，是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的提供者。由于它是采用电子印刷术制作的，故被称为“印刷”电路板。
; i1 Q2 e3 T# g3 V& `二、PCB在各种电子设备中作用和功能1 w5 L% @! H+ _8 ?0 h
2 F0 B# B% p8 `　　1.焊盘：提供集成电路等各种电子元器件固定、装配的机械支撑。　
; f# o7 f3 t: C) T　　2.走线：实现集成电路等各种电子元器件之间的布线和电气连接（信号传输）或电绝缘。提供所要求的电气特性，如特性阻抗等。　
. M; D' I& L3 z4 l+ G7 _　　3.绿油和丝印：为自动装配提供阻焊图形，为元器件插装、检查、维修提供识别字符和图形。
8 c: P& ~  h% I; O! S- I$ H三、PCB技术发展概要
9 m8 g  F- J3 C" s1 H　　从1903年至今,若以PCB组装技术的应用和发展角度来看,可分为三个阶段
) N+ |, Y5 g; C0 J( V8 z　　1 通孔插装技术(THT)阶段PCB
9 b- A8 U: X. F　　  1.金属化孔的作用：
; o, O. p- E8 A, n' I　　    (1).电气互连---信号传输/ k  m3 y" G- m% y( \$ C
　　    (2).支撑元器件---引脚尺寸限制通孔尺寸的缩小
! b& p& _" F; W. z; R3 Q　　　   a.引脚的刚性7 {: I# |4 l3 o8 U6 _
; v5 M: b) \1 b' j: G　　　   b.自动化插装的要求8 Z! ]# z" h$ f! f
　　  2.提高密度的途径
% C+ w4 {( @) i; q. q% }　　    (1)减小器件孔的尺寸，但受到元件引脚的刚性及插装精度的限制，孔径≥0.8mm9 s8 P: i; Y8 J; Q
　　    (2)缩小线宽/间距：0.3mm—0.2mm—0.15mm—0.1mm- Q4 c7 A% ^1 b
　　    (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PCB2 p$ l+ A# I9 ]2 l
　　  1.导通孔的作用：仅起到电气互连的作用，孔径可以尽可能的小，堵上孔也可以。4 y! K4 k3 P" Q# u
8 r# c: ~/ F: Z　　  2.提高密度的主要途径
, ~6 q$ v8 r5 c( a" r8 v　　　①.过孔尺寸急剧减小：0.8mm—0.5mm—0.4mm—0.3mm—0.25mm6 P* w$ b" V" R7 k! p' b
  W: Z; @4 _" w: _7 K# `9 L　　　  ②.过孔的结构发生本质变化：
' a3 ~0 E, W( [　　　  a.埋盲孔结构优点：提高布线密度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）( z! l; _5 ^# m8 A4 l3 r6 J
$ ~* y1 ^* C, D2 l# d* k1 d　　　  b.盘内孔（hole in pad）消除了中继孔及连线9 c& P9 X/ `7 }7 J6 i- r
# U+ P& m, a$ d- X/ m0 t　　　  ③薄型化：双面板：1.6mm—1.0mm—0.8mm—0.5mm
5 V/ a0 B6 _5 F- e　　　  ④PCB平整度：
8 N/ X- Q! I) K( a6 Q8 D$ G6 |9 N　　　  a.概念：PCB板基板翘曲度和PCB板面上连接盘表面的共面性。# c, K* s7 [0 v. Z
% T( P8 Y* \( _　　　  b.PCB翘曲度是由于热、机械引起残留应力的综合结果
" g9 p3 N: i+ }9 Z: F) a　　　  c.连接盘的表面涂层：HASL、化学镀NI/AU、电镀NI/AU…
( j2 x  H* ]. |  `, Y7 L# p+ ?/ Y' n6 {　  3 芯片级封装(CSP)阶段PCB) `6 Z7 X/ c  ]. M' \' ^7 l
5 |9 O, |9 t0 F$ B　　CSP开始进入急剧的变革于发展之中,推动PCB技术不断向前发展， PCB工业将走向激光时代和纳米时代.2 F" c9 C' _& V5 ^5 K" C/ ]# X
! N# {. e7 q( F3 }4 {0 d# |* T四、PCB表面涂覆技术
" q# R, w6 }6 Z; X　　PCB表面涂覆技术是指阻焊涂覆(兼保护)层以外的可供电气连接用的可焊性涂(镀)覆层和保护层。
　　按用途分类：1 P4 w/ V) b5 a5 h0 D' D& n
4 l" c4 }9 U- o7 l　　1.焊接用：因铜的表面必须有涂覆层保护，不然在空气中很容易氧化。
1 R6 s" s8 Y+ _/ f" E: ?　　2.接插件用：电镀Ni/Au或化学镀Ni/Au（硬金，含P及Co）
　　3.线焊用：wire bonding 工艺
　　热风整平（HASL或HAL）
　　从熔融Sn/Pb焊料中出来的PCB经热风（230℃）吹平的方法。, A9 S8 i- B9 P0 b$ t2 |" Z. u# D
/ h9 @0 u9 I1 A9 k　　1.基本要求：
2 c5 @/ P! C( x3 H; V  ^( |/ [2 g8 p　　(1). Sn/Pb=63/37（重量比）
　　(2).涂覆厚度至少>3um
9 |) G% J! \# T9 i5 G2 z) n　　(3)避免形成非可焊性的Cu3Sn的出现， Cu3Sn出现的原因是锡量不足，如Sn/Pb合金涂覆层太薄，焊点组成由可焊的Cu6Sn5– Cu4Sn3-- Cu3Sn2—不可焊的Cu3Sn
　　2.工艺流程+ N7 H6 @+ w2 G& v
. |0 F" W; n4 \6 y% A) }4 C$ A& g4 ~    去除抗蚀剂—板面清洁处理—印阻焊及字符—清洁处理—涂助焊剂— 热风整平—清洁处理
8 G$ _! E- x! W2 \' `　　3.缺点：# t+ {7 b# H0 ?9 T( l, \6 K0 `* y4 e" q
　　a.铅锡表面张力太大，容易形成龟背现象。
　　b.焊盘表面不平整，不利于SMT焊接。4 k6 s( z) i& f9 g" E. p
　　化学镀Ni/Au是指PCB连接盘上化学镀Ni(厚度≥3um)后再镀上一层0.05-0.15um薄金，或镀上一层厚金(0.3-0.5um)。由于化学镀层均匀，共面性好，并可提供多次焊接性能，因此具有推广应用的趋势。其中镀薄金（0.05-0.1um）是为了保护Ni的可焊性，而镀厚金（0.3-0.5um）是为了线焊(wire bonding)工艺需要。" B5 w$ m: t4 Q) n" g/ Z
, f1 p, x$ p1 E: u　　1.Ni层的作用：
; U% A  |( M/ l2 M$ X7 b　　a.作为Au、Cu之间的隔离层，防止它们之间相互扩散，造成其扩散部位呈疏松状态。) p" Z% {1 `* j; C; ~
; Q5 f) V+ j8 q0 N, c/ q　　b.作为可焊的镀层，厚度至少>3um
% v+ c, z: D% J! G5 ], I" g2 W5 E7 F2 ^9 s　　2.Au的作用：
　　Au是Ni的保护层，厚度0.05-0.15之间，不能太薄，因金的气孔性较大如果太薄不能很好的保护Ni，造成Ni氧化。其厚度也不能>0.15um，因焊点中会形成金铜合金Au3Au2(脆 ),当焊点中Au超过3%时，可焊性变差。% s; S8 o* f) g
　　电镀Ni/Au
5 }4 K/ e  T% g4 e　　镀层结构基本同化学Ni/Au，因采用电镀的方式，镀层的均匀性要差一些。( n: M$ ]9 a! X* H
* X* I, y1 B9 S& k3 e7 [五、PCB设计输出生产文件 注意事项
9 G& s& M2 X4 y$ R: W  Q　　1.需要输出的层有：
# q+ f5 g, c% F/ G. @; [" ^　（1）.布线层包括顶层/底层/中间布线层；& l# e7 Y# o8 d% y' f% t
5 u2 g* \) v% L9 N  u    （2）.丝印层包括顶层丝印/底层丝印；
( Z* O6 i& ~# l7 m7 S( b! x    （3）.阻焊层包括顶层阻焊和底层阻焊；# X8 [1 y# g4 u! P6 ~# }
% }9 P) J$ V- O' f5 h    （4）.电源层包括VCC 层和GND 层；2 T, {  i  V" j: i% P1 W
    （5）.另外还要生成钻孔文件NCDrill。6 O. D4 p' F# @5 x6 U7 P! V; q
6 v) {  C& E" z. f　　2. 如果电源层设置为Split/Mixed ，那么在AddDocument 窗口的Document 项选择Routing 并且每次输出光绘文件之前都要对PCB图使用PourManager 的Plane Connect 进行覆铜；如果设置为CAMPlane 则选择Plane 在设置Layer 项的时候要把Layer25 加上在Layer25 层中选择pads 和Vias。6 U5 L1 ^" {/ p, C( g
: w$ H# O# ]& d; S- G　　3. 在设备设置窗口按Device Setup 将Aperture 的值改为199。4 V9 G( c3 P4 J8 `# {* Y
; K) t2 b% N. u4 [; @, r, _　　4. 在设置每层的Layer 时将BoardOutline 选上。, U0 u& N1 Y  ?, j3 @
: x5 U9 v! S, M1 }　　5. 设置丝印层的Layer 时不要选择PartType 选择顶层底层和丝印层的Outline Text Line。2 P0 v" y% u- l4 N
　　6. 设置阻焊层的Layer 时选择过孔表示过孔上不加阻焊。一般过孔都会组焊层覆盖。" S1 U- @/ Y7 m: U

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9 R9 a; E2 \# G5 C8 f( d- E六、安规标识要求
　　1. 保险管的安规标识齐全保险丝附近是否有6 项完整的标识，包括保险丝序号、熔断特性、额定电流值、防爆特性、额定电压值、英文警告标识。如F101 F3.15AH,250Vac, “CAUTION：For ContinuedProtection Against Risk of Fire，Replace Only With SameType and Rating of Fuse” 。若PCB上没有空间排布英文警告标识，可将工，英文警告标识放到产品的使用说明书中说明。
　　2. PCB上危险电压区域标注高压警示符PCB的危险电压区域部分应用40mil 宽的虚线与安全电压区域隔离，并印上高压危险标识和“ DANGER!HIGHVOTAGE ” 。( g* c8 a6 p8 L$ d
　　3. 原、付边隔离带标识清楚PCB的原、付边隔离带清晰，中间有虚线标识。1 o" J' B9 u6 q* r% I: a- _+ V' f
, ]: j$ ], Z9 D% S　　4. PCB板安规标识应明确齐全。
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