印刷电路板

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印刷電路板

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,是电子元器件線路连接的提供者。傳統的電路板,採用印刷蝕刻阻劑的工法,做出電路的線路及圖面,因此被稱為印刷電路板或印刷線路板。由於電子產品不斷微小化跟精細化,目前大多數的電路板都是採用貼附蝕刻阻劑(壓膜或塗佈),經過曝光顯影後,再以蝕刻做出電路板。

历史[编辑]

有對外接口的電路板,可以跟別的系統電路板連結

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世紀初,人們為了簡化電子機器的製作,減少電子零件間的配線,降低製作成本等優點,於是開始鑽研以印刷的方式取代配線的方法。三十年間,不斷有工程師提出在絕緣的基板上加以金屬導體作配線。而最成功的是1925年,美國的Charles Ducas 在絕緣的基板上印刷出線路圖案,再以電鍍的方式,成功建立導體作配線。[1]

直至1936年,奥地利保罗·爱斯勒Paul Eisler)在英國發表了箔膜技術[1],他在一个收音机装置内采用了印刷电路板;而在日本宮本喜之助噴附配線法メタリコン法吹着配線方法(特許119384号)」成功申請專利。[2]而兩者中Paul Eisler 的方法與現今的印刷電路板最為相似,這類做法稱為減去法,是把不需要的金屬除去;而Charles Ducas、宮本喜之助的做法是只加上所需的配線,稱為加成法。雖然如此,但因為當時的電子零件發熱量大,兩者的基板也難以配合使用[1],以致未有正式的實用作,不過也使印刷電路技術更進一步。

1941年,美國滑石上漆上銅膏作配線,以製作近接信管。 1943年,美国人将该技术大量使用于军用收音机内。 1947年,環氧樹脂開始用作製造基板。同時NBS開始研究以印刷電路技術形成線圈電容器電阻器等製造技術。 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,發熱量較低的電晶體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。而當時以蝕刻箔膜技術為主流[1]。 1950年,日本使用玻璃基板上以銀漆配線;和以酚醛樹脂製的紙質酚醛基板(CCL)上以箔作配線。[1] 1951年,聚酰亞胺的出現,便樹脂的耐熱性再進一步,也製造了聚亞醯胺基板。[1] 1953年,Motorola開發出電鍍貫穿孔法的雙面板。這方法也應用到後期的多層電路板上。[1] 印刷電路板廣泛被使用10年後的60年代,其技術也日益成熟。而自從Motorola的雙面板面世,多層印刷電路板開始出現,使配線與基板面積之比更為提高。

1960年,V. Dahlgreen以印有電路的金屬箔膜貼在熱可塑性塑膠中,造出軟性印刷電路板。[1] 1961年,美國的Hazeltine Corporation參考了電鍍貫穿孔法,製作出多層板[1] 1967年,發表了增層法之一的「Plated-up technology」。[1][3] 1969年,FD-R以聚醯亚胺製造了軟性印刷電路板。[1] 1979年,Pactel發表了增層法之一的「Pactel法」。[1] 1984年,NTT開發了薄膜回路的「Copper Polyimide法」。[1] 1988年,西門子公司開發了Microwiring Substrate的增層印刷電路板。[1]

1990年,IBM開發了「表面增層線路」(Surface Laminar Circuit,SLC)的增層印刷電路板。[1] 1995年,松下電器開發了ALIVH的增層印刷電路板。[1] 1996年,東芝開發了B2it的增層印刷電路板。[1] 就在眾多的增層印刷電路板方案被提出的1990年代末期,增層印刷電路板也正式大量地被實用化,直至現在。

製造印刷電路板[编辑]

基材[编辑]

基材普遍是以基板的絕緣部分作分類,常見的原料為電木板、玻璃纖維板,以及各式的塑膠板。而PCB的製造商普遍會以一種以玻璃纖維、不織物料、以及樹脂組成的絕緣部分,再以環氧樹脂和銅箔壓製成「黏合片」(prepreg)使用。

Xgs遊戲機電路設計

而常見的基材及主要成份有:

  • FR-1 ──酚醛棉纸,這基材通稱電木板(比FR-2較高經濟性)
  • FR-2 ──酚醛棉纸,
  • FR-3 ──棉紙(Cotton paper)、環氧樹脂
  • FR-4 ──玻璃布(Woven glass)、環氧樹脂
  • FR-5 ──玻璃布、環氧樹脂
  • FR-6 ──毛面玻璃、聚酯
  • G-10 ──玻璃布、環氧樹脂
  • CEM-1 ──棉紙、環氧樹脂(阻燃)
  • CEM-2 ──棉紙、環氧樹脂(非阻燃)
  • CEM-3 ──玻璃布、環氧樹脂
  • CEM-4 ──玻璃布、環氧樹脂
  • CEM-5 ──玻璃布、多元酯
  • AIN ──氮化鋁
  • SIC ──碳化硅

金屬塗層[编辑]

金屬塗層除了是基板上的配線外,也就是基板線路跟電子元件焊接的地方。此外,由於不同的金屬價錢不同,因此直接影響生產的成本。另外,每種金屬的可焊性、接觸性,電阻阻值等等不同,這也會直接影響元件的效能。

常用的金屬塗層有:

  • 鉛錫合金(或錫銅合金)
    • 即焊料,厚度通常在5至25μm,錫含量約在63%[4]
    • 一般只會鍍在接口[4]
    • 一般只會鍍在接口,或以整體也是銀的合金

線路設計[编辑]

印制电路板的设计是以电路原理图為藍本,實現電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、通孔和外部连接的佈局、电磁保护热耗散串音等各种因素。优秀的線路設計可以节约生产成本,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,但複雜的線路設計一般也需要借助计算机辅助设计(CAD)实现,而著名的設計軟體有OrCADPads (也即PowerPCB)、Altium designer (也即Protel)、FreePCBCAM350等。

電路板的基本組成[编辑]

目前的電路板,主要由以下組成

  • 線路與圖面(Pattern):線路是做為原件之間導通的工具,在設計上會另外設計大銅面作為接地及電源層。線路與圖面是同時做出的。
  • 介電層(Dielectric):用來保持線路及各層之間的絕緣性,俗稱為基材
  • 孔(Through hole / via):導通孔可使兩層次以上的線路彼此導通,較大的導通孔則做為零件插件用,另外有非導通孔(nPTH)通常用來作為表面贴装定位,組裝時固定螺絲用
  • 防焊油墨(Solder resistant /Solder Mask) :並非全部的銅面都要吃錫上零件,因此非吃錫的區域,會印一層隔絕銅面吃錫的物質(通常為環氧樹脂),避免非吃錫的線路間短路。根据不同的工艺,分为綠油、红油、蓝油。
  • 丝印(Legend /Marking/Silk screen):此為非必要之構成,主要的功能是在電路板上標註各零件的名稱、位置框,方便組裝後維修及辨識用。
  • 表面處理(Surface Finish):由於銅面在一般環境中,很容易氧化,導致無法上錫(焊錫性不良),因此會在要吃錫的銅面上進行保護。保護的方式有噴錫(HASL),化金(ENIG),化銀(Immersion Silver),化錫(Immersion Tin),有機保焊劑(OSP),方法各有優缺點,統稱為表面處理。

基本製作[编辑]

根據不同的技術可分為消除和增加兩大類過程。

減去法[编辑]

減去法(Subtractive),是利用化學品或機械將空白的電路板(即鋪有完整一塊的金屬箔的電路板)上不需要的地方除去,餘下的地方便是所需要的電路。

  • 絲網印刷:把預先設計好的電路圖制成絲網遮罩,絲網上不需要的電路部分會被蠟或者不透水的物料覆蓋,然後把絲網遮罩放到空白線路板上面,再在絲網上油上不會被腐蝕的保護劑,把線路板放到腐蝕液中,沒有被保護劑遮住的部份便會被蝕走,最後把保護劑清理。
  • 感光板:把預先設計好的電路圖制在透光的膠片遮罩上(最簡單的做法就是用打印機印出來的投影片),同理應把需要的部份印成不透明的顏色,再在空白線路板上塗上感光顏料,將預備好的膠片遮罩放在電路板上照射強光數分鐘,除去遮罩後用顯影劑把電路板上的圖案顯示出來,最後如同用絲網印刷的方法一樣把電路腐蝕。
  • 刻印:利用銑床雷射彫刻機直接把空白線路上不需要的部份除去。

加成法[编辑]

加成法(Additive),現在普遍是在一塊預先鍍上薄銅的基板上,覆蓋光阻劑(D/F),經紫外光曝光再顯影,把需要的地方露出,然後利用電鍍把線路板上正式線路銅厚增厚到所需要的規格,再鍍上一層抗蝕刻阻劑-金屬薄錫,最後除去光阻劑(這製程稱為去膜),再把光阻劑下的銅箔層蝕刻掉。

多層製作[编辑]

積層法[编辑]

[1] 積層法是製作多層印刷電路板的方法之一。是在製作內層後才包上外層,再把外層以減去法加成法所處理。不斷重複積層法的動作,可以得到再多層的多層印刷電路板則為順序積層法

  1. 內層製作
  2. 積層編成(即黏合不同的層數的動作)
  3. 積層完成(減去法的外層含金屬箔膜;加成法)
  4. 鑽孔
    • 減去法
      • Panel電鍍法
        1. 全塊PCB電鍍
        2. 在表面要保留的地方加上阻絕層(resist,防以被蝕刻)
        3. 蝕刻
        4. 去除阻絕層
      • Pattern電鍍法
        1. 在表面要保留的地方加上阻絕層
        2. 電鍍所需表面至一定厚度
        3. 去除阻絕層
        4. 蝕刻至不需要的金屬箔膜消失
    • 加成法
      1. 令表面粗糙化
      • 完全加成法(full-additive)
        1. 在不要導體的地方加上阻絕層
        2. 以無電解銅組成線路
      • 部分加成法(semi-additive)
        1. 以無電解銅覆蓋整塊PCB
        2. 在不要導體的地方加上阻絕層
        3. 電解鍍銅
        4. 去除阻絕層
        5. 蝕刻至原在阻絕層下無電解銅消失

增層法[编辑]

增層法是製作多層印刷電路板的方法之一,顧名思義是把印刷電路板一層一層的加上。每加上一層就處理至所需的形狀。

ALIVH[编辑]

[1]

ALIVH(Any Layer Interstitial Via Hole,Any Layer IVA)是日本松下電器開發的增層技術。這是使用芳香族聚醯胺Aramid)纖維布料為基材。

  1. 把纖維布料浸在環氧樹脂成為「黏合片」(prepreg)
  2. 雷射鑽孔
  3. 鑽孔中填滿導電膏
  4. 在外層黏上銅箔
  5. 銅箔上以蝕刻的方法製作線路圖案
  6. 把完成第二步驟的半成品黏上在銅箔上
  7. 積層編成
  8. 再不停重覆第五至七的步驟,直至完成

B2it[编辑]

[1]

B2it(Buried Bump Interconnection Technology)是東芝開發的增層技術。

  1. 先製作一塊雙面板或多層板
  2. 在銅箔上印刷圓錐銀膏
  3. 放黏合片在銀膏上,並使銀膏貫穿黏合片
  4. 把上一步的黏合片黏在第一步的板上
  5. 以蝕刻的方法把黏合片的銅箔製成線路圖案
  6. 再不停重覆第二至四的步驟,直至完成

产业现状[编辑]

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。目前日本中国大陆臺湾西欧美国为主要的印制电路板制造基地。

参见[编辑]

參考文獻[编辑]

  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 增層、多層印刷電路板技術 ISBN 957-21-3192-3
  2. ^ 《4.2 積層体の構造の概要》-日本專利局(特許庁)
  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:電子工業出版社,2006年10月,3-4。 ISBN 7-121-03298-8

外部連結[编辑]