印刷电路板作为重要的电子部件,是电子元器件的支撑体。由于其在电子元器件领域的重要作用,因此被许多人称为“电子航母”。


现在,通信产品、计算机和其他几乎全部的电子产品,都使用了印刷电路。印刷电路技术的发展和完善,为改变世界面貌的发明——集成电路的问世,创造了条件。随着科学技术的发展,印刷电路板被广泛应用于军工、通讯、医疗、电力、汽车、工业控制、智能手机、可穿戴等高新技术领域。

 

印刷电路的发明
印刷电路时奥地利电气工程师保•艾斯勒于 20 世纪 30 年代中期发明的。艾斯勒早年在维也纳工程学院学习电气工程,1930 年毕业后,曾学习过印刷技术。他在对电子线路板进行研究时,他经常到图书馆查阅有关印刷技术方面的书刊。

 

经过认真思考,他萌发出一个念头:要是像印刷书籍或报纸一样,把电子设备的电路一次印刷在线路板上,就不需要用手工一块一块地制作线路板,线路也不用由人一根一根地焊接了,就可以大大提高电子产品的生产效率和可靠性。

 

 

在印刷行业,为了在纸上印刷出图片,通常采用照相制版技术。即通过照相,把拍摄下来的图片底版,蚀刻在铜版或锌版上,用这种铜版或锌版,就可印刷出许许多多的图片来。

 

艾斯勒在制造电路板时,也采用与印刷业类似的制版方式进行尝试。他先画出电子线路图,再把线路图蚀刻在覆盖有一层铜箔的绝缘板上,使不需要的铜箔被蚀刻掉,只留下导通的线路。这样,各个电子元件,就通过这块板上铜箔所形成的电路相互连接起来了。这种印刷线路,既能提高电子产品的可靠性,又能大大提高生产效率,对开发电子新产品有极大的价值和潜力。

 

 

采用印刷电路技术,使电子设备的批量生产变得简单易行,为电子产品的机械化、自动化生产奠定了基础。20 世纪 50 年代以来,包括通信设备在内的各种电子产品取得的大幅度进展都与采用印刷电路工艺密不可分。

 

随着印刷电路制造水平的不断提高,制作出的印刷电路可达到很高的精度,从而把电路板的生产制造推向一个崭新的阶段。在印刷行业进行制版时,通过拍摄可以将一幅很大的图片缩小到一定的尺寸。

 

在制造印刷电路时,同样也可以把电子线路图缩小制版,使之成为面积很小,关注发烧友公众号回复资料和地址可以获取电子资料一份。线路复杂而可靠性却又很高的电子线路板。这种印刷电路板,对于线路复杂、可靠性要求很高的通信设备和计算机来说,是十分适用的。印刷电路技术的发展,为随后集成电路的发明,奠定了必要的技术基础。

 

 

线路板从发明至今,其历史 60 余年。历史表明:没有线路板,没有电子线路,飞行、交通、原子能、计算机、宇航、通信、家电……这一切都无法实现。

 

道理是容易理解的。芯片,IC,集成电路是电子信息工业的粮食,半导体技术体现了一个国家的工业现代化水平,引导电子信息产业的发展。而半导体(集成电路、 IC)的电气互连和装配必须靠线路板。

 

印刷电路板的种类
实际电子产品中使用的印刷电路板千差万别,根据不同的标准印刷电路板有不同的分类。

 

 

一、按印刷电路的分布分类

按印制电路约分布可将印制电路板分为单面板、双面板、多层扳 3 种

 

• 单面板

 

 

单面板是在厚度为 0.2—5mm 的绝缘基板上,只有一个表面敷有铜箔,通过印制和腐蚀的方法在基板上形成印制电路。单面板制造简单,装配方便,适用于一放电路要求,如收音机、电视机等;不适用于要求高组装密度或复杂电路的场合。

 

• 双面板

 

 

双面板是在厚度为 0.2—5mm 的绝缘基板两面均印制电路。它适用于一般要求的电子产品,如电子计算机、电子仪器和仪表等。由于双面板印制电路的布线密度较单面板高,所以能减小设备的体积。

 

• 多层板

在绝缘基板上印制 3 层以上印制电路的印制板称为多层板。它是由几层较薄的单面板或双面板组合而成,其厚度一般为 1.2—2.5mm。为了把夹在绝缘基板中间的电路引出,多层板上安装元件的孔需要金属化,即在小孔内表面涂效金属层,使之与夹在绝缘基板中间的印制电路接通。

 

下图是多层板结构示意图,多层板所用的元件多为贴片式元件,其特点是:

1、与集成电路配合使用,可使整机小型化,减少整机重量;

 

2、提高了布线密度,缩小了元器件的间距,缩短了信号的传输路径;

 

3、减少了元器件焊接点,降低了故障率;

 

4、增设了屏蔽层,电路的信号失真减少;

 

5、引入了接地散热层,可减少局部过热现象,提高整机工作的可靠性;

 

 

二、按基材的性质分类

按基材的性质可将印制电路板分为刚性和柔性两种。

 

刚性印制板

刚性印制板具有一定的机械强度,用它装成的部件具有平整状态。一般电子产品中使用的都是刚性印制板。

 

柔性印制板

 

 

柔性印制板是以软层状塑料或其他软质绝缘材料为基材而制成。它所制成的部件可以弯曲和伸缩,在使用时可根据安装要求将其弯曲。柔性印制板一般用于特殊场合,如某些数字万用表的显示屏是可以旋转的,其内部往往采用柔性印制板;手机的显示屏、按键等。

 

下图为手机柔性印制板,它的基材采用聚酰亚胺,并且对表面进行了防氧化处理,最小线宽线距设为 0.1mm。柔性印制板的突出特点是能弯曲、卷曲、折叠,能连接刚性印制板及活动部件,从而能立体布线,实现三维空间互连,它的体积小、重量轻、装配方便,适用于空间小、组装密度高的电子产品。

 

 

三、 按适用范围分类

按适用范围可将印制电路板分为低频和高频印制电路板两种。

 

电子设备高频化是发展趋势,尤其在无线网络、卫星通信日益发展的今天,信息产品走向高速与高频化,及通信产品走向容量大速度快的无线传输之语音、视像和数据规范化。因此发展的新一代产品都需要高频印制板,其敷箔基材可由聚四氖乙烯、豪乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯玻璃布等介质损耗及介电常数小的材料构成。

 

四、特殊印制板的种类

目前,也出现了金属芯印制板、表面安装印制板、碳膜印制板等一些特殊印制板。

 

金属芯印制板

 

 

金属芯印制板就是以一块厚度相当的金属板代替环氧玻璃布板,经过特殊处理后,使金届板两面的导体电路相互连通,而和金属部分高度绝缘。金属芯印制板的优点是散热性及尺寸稳定性好,这是因为铝、铁等磁性材料有屏蔽作用,可以防止互相干扰。

 

表面安装印制板

表面安装印制板是为了满足电子产品“轻、薄、短、小”的需要,配合管脚密度岗、成本低的表面贴装器件的安装工艺而开发的印制扳。该印制板有孔径小、线宽及间距小、精度高、基板要求高等特点。

 

碳膜印制板

碳膜印制板是在镀铜箔板上制成导体图形后,再印制一层碳膜形成触点或跨接线(电阻值符合规定要求)的印制板。其特点是生产工艺简单、成本低、周期短,具有良好的耐磨性、导电性,能使单面板实现高密度化,产品小型化、轻量化,适用于电视机、电话机、录像机及电子琴等产品。

 

 

印刷电路板的制作过程演示

以四层为例,我们来看一下印刷电路板是如何制作的。

• 第一步、化学清洗

 

 

为得到良好质量的蚀刻图形,就要确保抗蚀层与基板表面牢固的结合,要求基板表面无氧化层、油污、灰尘、指印以及其他的污物。因此在涂布抗蚀层前首先要对板进行表面清洗并使铜箔表面达到一定的粗化层度。

 

内层板材:开始做四层板,内层(第二层和第三层)是必须先做的。内层板材是由玻璃纤维和环氧树脂基复合在上下表面的铜薄板。

 

第二步、裁板 压膜

 

 

光刻胶:为了在内层板材作出我们需要的形状,我们首先在内层板材上贴上干膜(光刻胶,光致抗蚀剂)。干膜是由聚酯簿膜、光致抗蚀膜及聚乙烯保护膜三部分组成的。贴膜时,先从干膜上剥下聚乙烯保护膜,然后在加热加压的条件下将干膜粘贴在铜面上。

 

• 第三步、曝光和显影

 

 

曝光:在紫外光的照射下,光引发剂吸收了光能分解成游离基,游离基再引发光聚合单体产生聚合交联反应,反应后形成不溶于稀碱溶液的高分子结构。聚合反应还要持续一段时间,为保证工艺的稳定性,曝光后不要立即撕去聚酯膜,应停留 15 分钟以上,以时聚合反应继续进行,显影前撕去聚酯膜。

 

显影:感光膜中未曝光部分的活性基团与稀碱溶液反应生产可溶性物质而溶解下来,留下已感光交联固化的图形部分。

 

• 第四步、蚀刻

 

 

在挠性印制板或印制板的生产过程中,以化学反应方法将不要部分的铜箔予以去除,使之形成所需的回路图形,光刻胶下方的铜是被保留下来不受蚀刻的影响的。

 

• 第五步、去膜,蚀后冲孔,AOI 检查,氧化

 

 

去膜的目的是清除蚀刻后板面留存的抗蚀层使下面的铜箔暴露出来。“膜渣”过滤以及废液回收则须妥善处理。如果去膜后的水洗能完全清洗干净,则可以考虑不做酸洗。板面清洗后最后要完全干燥,避免水份残留。

 

• 第六步、叠板 - 保护膜胶片

 

 

进压合机之前,需将各多层板使用原料准备好,以便叠板(Lay-up)作业。除已氧化处理之内层外,尚需保护膜胶片(Prepreg)- 环氧树脂浸渍玻璃纤维。叠片的作用是按一定的次序将覆有保护膜的板子叠放以来并置于二层钢板之间。

 

• 第七步、叠板 - 铜箔 和真空层压

 

 

铜箔 - 给目前的内层板材再在两侧都覆盖一层铜箔,然后进行多层加压(在固定的时间内需要测量温度和压力的挤压)完成后冷却到室温,剩下的就是一个多层合在一起的板材了。

 

• 第八步、CNC 钻孔

 

 

在内层精确的条件下,数控钻孔根据模式钻孔。钻孔精度要求很高,以确保孔是在正确位置。

 

• 第九步、电镀 - 通孔

 

 

为了使通孔能在各层之间导通(使孔壁上之非导体部份之树脂及玻纤束进行金属化),在孔中必须填充铜。第一步是在孔中镀薄薄一层铜,这个过程完全是化学反应。最终镀的铜厚为 50 英寸的百万分之一。

 

• 第十步、裁板 压膜

 

 

涂光刻胶:我们有一次在外层涂光刻胶。

 

• 第十一步、曝光和显影

 

 

外层曝光和显影

 

• 第十二步、线路电镀

 

 

此次也成为二次镀铜,主要目的是加厚线路铜和通孔铜厚。

 

• 第十三步、电镀锡

其主要目的是蚀刻阻剂, 保护其所覆盖的铜导体不会在碱性蚀铜时受到攻击(保护所有铜线路和通孔内部)。

 

• 第十四步、去膜

 

 

我们已经知道了目的,只需要用化学方法,表面的铜被暴露出来。

 

• 第十五步、蚀刻

 

 

我们知道了蚀刻的目的,镀锡部分保护了下面的铜箔。

 

• 第十六步、预硬化 曝光 显影 上阻焊

 

 

阻焊层,是为了把焊盘露出来用的,也就是通常说的绿油层,实际上就是在绿油层上挖孔,把焊盘等不需要绿油盖住的地方露出来。适当清洗可以得到合适的表面特征。

 

• 第十七步、表面处理

 

 

热风整平焊料涂覆过程是先把印制板上浸上助焊剂,随后在熔融焊料里浸涂,然后从两片风刀之间通过,用风刀中的热压缩空气把印制板上的多余焊料吹掉,同时排除金属孔内的多余焊料,从而得到一个光亮、平整、均匀的焊料涂层。