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电路板设计制作厂家_印制电路板(PCB)的设计与

印制电路板的设计,是根据设计人员的意图,根据电子产品的电原理图和元器件的形状尺寸,将电子元器件合理地进行排列并实现电气连接,将电原理图转换成印制电路板图、并确定加工技术要求的过程。印制电路板的电路设计要考虑到电路的复杂程度、元件的外型和重量、工作电流的大小、电路电压的高低,以便选择合适的板基材料并确定印制电路板的类型,在设计印制导线的走向时,还要考虑到电路的工作频率,以尽量减少导线间的分布电容和分布电感等。

设计印制电路板应具备的条件如下。

1)根据整机总体设计要求,已经确定了电路图,选定了该电路所有的元器件,元器件的型号和规格均已确定。

2)确定了对某些元器件的特殊要求,如哪些元器件需要屏蔽、需要经常调整或更换;哪些导线需要采用屏蔽线;电路工作的环境条件,如温度、湿度、气压等已经明确。

3)确定了印制电路板与整机其他部分(或分机)的连接形式,已经确定了插座和连接器件的型号规格。

1.印制电路板设计的主要内容

PCB的设计包括电路设计和封装设计(即印制导线设计)两部分。

PCB设计的主要内容包括:

(1)熟悉并掌握原理图中每个元器件外形尺寸、封装形式、引线方式、管脚排列顺序、各管脚功能及其形状等,由此确定元器件的安装位置和散热、加固等其它安装要求。

(2)查找线路中的电磁干扰源,以及易受外界干扰的敏感器件,确定排除干扰的措施。

(3)根据电气性能和机械性能,布设导线和组件,确定元器件的安装方式、位置和尺寸,确定印制导线的宽度、间距和焊盘的直径、孔距等。

(4)确定印制电路板的尺寸、形状、材料、种类以及外部连接和安装方法。

对于主要由分立元器件组成的不太复杂的电路,可采用单面板设计;对于集成电路较多的较复杂的电路,可采用双面板进行设计。

2.印制电路板的设计步骤与方法

在着手设计印制电路板时,设计人员应依据有关规则和标准,参考有关的技术文件。如图1所示的设计步骤。在技术文件中,规定了一系列电路板的尺寸、层数、元器件尺寸、坐标网格的间距、焊接元件的排列间隔、制作印制电路板图形的工艺等。

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图1 印制电路板的设计步骤

设计步骤中印制电路板的材料选择必须考虑到电气和机械特性,当然还要考虑到价格和制造成本,从而选择印制电路板的基材。电气特性是指基材的绝缘电阻、抗电弧性、印制导线电阻、击穿强度、抗剪强度和硬度。印制电路板厚度的确定,要从结构的角度来考虑,主要是考虑电路板对其上装有的所有元器件重量的承受能力和使用中承受的机械负荷能力。如果只在印制电路板上装配集成电路、小功率晶体管、电阻、电容等小功率元器件,在没有较强的负荷振动条件下,使用厚度为1.5mm(尺寸在500mm×500mm以内)的印制电路板即可。如果板面较大或支撑强度不够,应选择2~2.5 mm厚的板。印制电路板的厚度已标准化,其尺寸为1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm几种,最常用的是1.5mm和2.0mm。

对于尺寸很小的印制电路板如计算器、电子表等,为了减小重量和降低成本,可选用更薄一些的敷铜箔层压板来制作。

(1)印制电路板材料、厚度和板面尺寸的选定,确定印制电路板与外部的连接,确定元器件的安装方法。

印制电路板的尺寸与印制电路板的加工和装配有密切关系,应从装配工艺的角度考虑两个方面的问题:一方面是便于自动化组装,使设备的性能得到充分利用,能使用通用化、标准化的工具和夹具,另一方面是便于将印制电路板组装成不同规格的产品,安装方便,固定可靠。

1)材料的选择。材料的选择必须考虑到电气和机械特性、购买的相对价格和制造的相对成本等方面。

2)厚度的确定。厚度的选择主要是考虑印制板上装有的所有元器件重量的承受能力和使用中承受的机械负荷能力。

3)形状和尺寸。印制板的结构尺寸应从装配工艺角度考虑两个方面的问题:一方面是便于自动化组装,使设备的性能得到充分利用,能使用通用化、标准化的工具和夹具;另一方面是便于将印制电路板组装成不同规格的产品,且安装方便、固定可靠。

印制电路板的外形应尽量简单,一般为长方形,应尽量避免采用异形板。印制电路板的尺寸应尽量靠近标准系列的尺寸,以便简化工艺,降低加工成本。

对于多层印制电路板的厚度也要根据电路的电气性能和结构要求来决定。

(2)印制电路板上元器件排列的设计,用于确定可放置的印制导线的宽度、间距和焊盘的直径和孔径。

用手工绘制PCB图时,可借助于坐标纸上的方格正确地表达在印制电路板上元器件的坐标位置。在设计和绘制坐标尺寸图时,应根据电路图并考虑元器件布局和布线的要求,哪些元器件在板内,有哪些要加固,要散热,要屏蔽;哪些元器件在板外,需要多少板外连线,引出端的位置如何等,必要时还应画出板外元器件接线图。

典型元器件是全部需安装的元器件中在几何尺寸上具有代表性的元器件,它是布置元器件时的基本单元。再估计一下其他大元器件尺寸相当于典型元件的倍数(即一个大元器件在几何尺寸上相当于几个典型元器件),这样就可以算出整个印制电路板需要多大尺寸。

阻容元件、晶体管等应尽量使用标准跨距,以适应元器件引线的自动成型。各元器件的安装孔的圆心必须设置于坐标格的交点上。

元器件在印制电路板上的排列方式主要有三种:不规则排列(图2所示)、坐标排列(图3所示)、坐标格排列(图4所示)。典型组件排列如图5所示。

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图2 不规则排列

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图3 坐标排列

image.png图4 坐标格排列

image.png(a)典型元器件(组件)的尺寸    (b)典型组件的排列方式

图5 典型组件排列印制板板图

(3) 印制电路板上地线的设计

1)一般将公共地线布置在印制电路板的边缘,并留有一定的距离,便于印制电路板安装与机械加工,有利于提高电路的绝缘性能。

2)在设计高频电路时,为减小引线电感和接地阻抗,防止自激,地线应有足够的宽度。

3)印制电路板上每级电路的地线,在多数情况下可以设计成自封闭回路。但外界有强磁场的情况下,应避免封闭地线组成的线圈产生电磁感应而影响电路的电性能。

(4)输入、输出端的设计

1)输入、输出端尽量按信号流程顺序排列,使信号便于流通,并可减小导线之间的寄生干扰;

2)输入、输出端尽可能的远离,在可能的情况下最好用地线隔离开。可减小输入、输出端信号的相互干扰。

(5)排版连线图的设计

排版连线图是指:用简单线条表示印制导线的走向和元器件的连接关系的图样。如图6所示。

image.png图6 由原理图到印制版图的排版方向

(6)根据电原理图绘制印制电路板图的草图

首先要选定排版方向及确定主要元器件的位置。

当排版的方向确定以后,接下来首先是确定单元电路及其主要元器件,如晶体管、集成电路等的布设。然后再布设特殊元器件,最后确定对外连接的方式和位置。

原理图的绘制一般以信号流程及反映元器件在图中的作用为依据,因而再原理图中走线交叉现象很多,这对读图毫无影响,但在印制电路板中出现导线的交叉现象是不允许的,因此在排版中,首先要绘制单线不交叉图,可通过重新排列元器件位置与方向来解决。在较复杂的电路中,有时导线完全不交叉很困难的,这时可采用“飞线”来解决。“飞线”即是在印制电路板导线的交叉处切断一根,从板的元器件面用一根短接线连接。“飞线”过多,会影响元器件安装效率,不能算是成功之作,所以只有在迫不得以的情况下才使用。

3.印制电路板的布局

(1)整体布局

在进行印制电路板布局之前必须对电路原理图有深刻的理解,只有在彻底理解电路原理的基础上,才能做到正确、合理的布局。在进行布局时,要考虑到避免各级电路之间和元器件之间的相互干扰,这些干扰包括电场干扰——电容耦合干扰、磁场干扰——电感耦合干扰、高频和低频间干扰、高压和低压间干扰,还有热干扰等。在进行布局时,还要满足设计指标、符合生产加工和装配工艺的要求,要考虑到电路调试和维护维修的方便。对电路中的所用器件的电气特性和物理特征要充分了解,如元器件的额定功率、电压、电流、工作频率,元器件的物理特性,如体积、宽度、高度、外形等。印制电路板的整体布局还要考虑到整个板的重心平稳、元件疏密恰当、排列美观大方。

印制电路板上的元器件一般分为规则排列和不规则排列。

规则排列也叫整齐排列,即把元器件按一定规律或一定方向排列,这种排列由于受元器件位置和方向的限制,印制电路板导线的布线距离就长而且复杂,电路间的干扰也大,一般只在电路工作在低电压、低频(1MHz以下)的情况下使用。规则排列的优点是整齐美观,且便于进行机械化打孔及装配。

不规则排列也叫就近排列,由于不受元器件位置和方向的限制,按照电路的电气连接就近布局,布线距离短而简捷,电路间的干扰少,有利于减少分布参数,适合高频(30MHz以上)电路的布局。不规则排列的缺点是外观不整齐,也不便于进行机械化打孔及装配。

(2)元器件布局

对于单面印制电路板,元器件只能安装在没有印制电路的一面,元器件的引线通过安装孔焊接在印制导线的焊盘上。对于双面印制电路板,元器件也尽可能安装在板的一面,以便于加工、安装和维护。

在板面上的元器件应按照电原理图的顺序尽量成直线排列,并力求电路安装紧凑和密集,以缩短引线,减少分布电容,这对于高频电路尤为重要。

如果由于电路的特殊要求必须将整个电路分成几块进行安装,则应使每一块装配好的印制电路板成为具有独立功能的电路,以便于单独进行调试和维护。

为了合理地布置元器件、缩小体积和提高机械强度,可在主要的印制电路板之外再安装一块“辅助板”,将一些笨重元器件如变压器、扼流圈、大电容器、继电器等安装在辅助板上,这样有利于加工和装配。

布置元器件的位置时,应考虑它们之间的相互影响。元器件放置的方向应与相邻的印制导线交叉,电感器件要注意防止电磁干扰,线圈的轴线应垂直于板面,这样安装元件间的电磁干扰最小。

电路中有发热的元器件应放在有利于散热的位置,必要时可单独放置或加装散热片,以利于元器件本身的降温和减少对邻近元器件的影响。对大而重的元器件尽可能安置在印制电路板上靠近固定端的位置,并降低其重心,以提高整板的机械强度和耐振、耐冲击能力,以及减小印制电路板的负荷和变形。

(3) 印制导线的布设

1)地线的布设

①一般将公共地线布置在印制电路板的边缘,便于将印制电路板安装在机架上,也便于与机架(地)相连接。导线与印制电路板的边缘应留有一定的距离(不小于板厚),这不仅便于安装导轨和进行机械加工,而且还提高了电路的绝缘性能。

②在各级电路的内部,应防止因局部电流而产生的地阻抗干扰,采用一点接地是最好的办法。在电路各级间分别采取一点接地的原理示意图。但在实际布线时并不一定能绝对做到,而是尽量使它们安排在一个公共区域之内。

③当电路工作频率在30MHZ以上或是工作在高速开关的数字电路中,为了减少地阻抗,常采用大面积覆盖地线,这时各级的内部元器件接地也应贯彻一点接地的原则,即在一个小的区域内接地。

2)输入、输出端导线的布设

为了减小导线间的寄生耦合,在布线时要按照信号的流通顺序进行排列,电路的输入端和输出端应尽可能远离,输入端和输出端之间最好用地线隔开。由于输入端和输出端靠得过近,且输出导线过长,将会产生寄生耦合。

3)高频电路导线的布设

对于高频电路必须保证高频导线、晶体管各电极的引线、输入和输出线短而直,若线间距离较小要避免导线相互平行。高频电路应避免用外接导线跨接,若需要交叉的导线较多,最好采用双面印制电路板,将交叉的导线印制在板的两面,这样可使连接导线短而直,在双面板两面的印制线应避免互相平行,以减小导线间的寄生耦合,最好成垂直布置或斜交。

4)印制电路板的对外连接

印制电路板对外的连接有多种形式,可根据整机结构要求而确定。一般采用以下两种方法。

①用导线互连:将需要对外进行连接的接点,先用印制导线引到印制电路板的一端,导线应从被焊点的背面穿入焊接孔。

对于电路有特殊需要如连接高频高压外导线时,应在合适的位置引出,不应与其它导线一起走线,以避免相互干扰。

②用印制电路板接插式互连:印制电路板接插的簧片式互连,将印制电路板的一端制成插头形状,以便插入有接触簧片的插座中去。采用针孔式插头与插座的连接,在针孔式插头的两边设有固定孔与印制电路板固定,在插头上有90°弯针,其一端与印制电路板接点焊接,另一端可插入插座内。

5)印制连接盘

连接盘也叫焊盘,是指印制导线在焊接孔周围的金属部分,供外接引线焊接用。连接盘的尺寸取决于焊接孔的尺寸。焊接孔是指固定元器件引线或跨接线贯穿基板的孔。显然,焊接孔的直径应该稍大于焊接元器件的引线直径。焊接孔径的大小与工艺有关,当焊接孔径大于或等于印制电路板厚度时,可用冲孔;当焊接孔径小于印制电路板厚度时,可用钻孔。一般焊接孔的规格不宜过多。

连接盘的直径D应大于焊接孔内径d,一般取D=(2~3)d,为了保证焊接及结合强度。

连接盘的形状有不同选择,圆形连接盘用得最多,因为圆焊盘在焊接时,焊锡将自然堆焊成光滑的圆锥形,结合牢固、美观。但有时,为了增加连接盘的粘附强度,也采用正方形、椭圆形和长圆形连接盘。

6)印制导线

若焊盘与焊盘间的连线合为一体,犹如水上小岛,故称为岛形焊盘。岛形焊盘常用于元器件的不规则排列中,有利于元器件的密集和固定,并可大量减少印制导线的长度与数量。此外,焊盘与印制线合为一体后,铜箔面积加大,使焊盘和印制线的抗剥离强度大大增加。岛形焊盘多用在高频电路中,它可以减少接点和印制导线的电感,增大地线的屏蔽面积,减少接点间的寄生耦合。

设计印制电路板时,当元器件布局和布线初步确定后,就要具体地设计印制导线与印制电路板图形。这时必然会遇到印制线宽度、导线间距等等设计尺寸的确定以及图形的格式等问题。导线的尺寸和图形格式不能随便选择,它关系到印制电路板的总尺寸和电路性能。

7)定位孔的绘制与定位方法

①印制导线的宽度

一般情况下,印制导线应尽可能宽一些,这有利于承受电流和便于制造。0.05mm厚铜箔的导线宽度与允许电流和自身电阻大小的关系可以计算。

在决定印制导线宽度时,除需要考虑载流量外,还应注意它在板上的剥离强度以及与连接盘的协调,一般取线宽b=(1/3~2/3)D。一般的导线宽度可在0.3~2.0 mm之间,建议优先采用0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm规格,其中0.5mm导线宽度主要用于微小型化电子产品。

印制导线本身也具有电阻,当电流流过时将产生热量和产生电压降。印制导线的电阻在一般情况下可不予考虑,但当其作为公共地线时,为避免地线产生的电位差而引起寄生反馈时要考虑起阻值。

印制电路的电源线和接地线的载流量较大,因此在设计时要适当加宽,一般取1.5~2.0mm。

当要求印制导线的电阻和电感比较小时,可采用较宽的信号线;当要求分布电容比较小时,可采用较窄的信号线。

②印制导线的间距:在一般情况下,导线的间距等于导线宽度即可,但不能小于1mm,否则在焊接元器件时采用浸焊方法就有困难。对微小型化设备,最小导线间距不小于0.4mm。导线间距的选择与焊接工艺有关,采用浸焊或波峰焊时,导线间距要大一些,采用手工焊接时,导线间距适当可小一些。

在高压电路中,相邻导线间存在着高电位梯度,必须考虑其影响。印制导线间的击穿将导致基板表面炭化、腐蚀和破裂。在高频电路中,导线间距将影响分布电容的大小,从而影响着电路的损耗和稳定性。因此导线间距的选择要根据基板材料、工作环境、分布电容大小等因素来综合确定。最小导线间距还同印制电路板的加工方法有关,选用时就更需要综合考虑。

③印制导线的形状:印制导线的形状可分为平直均匀形、斜线均匀形、曲线均匀形、曲线非均匀形。如图7所示。

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图7 印制导线的形状

印制导线的图形除要考虑机械因素、电气因素外,还要考虑导线图形的美观大方,所以在设计印制导线的图形时,应遵循如图8所示的原则。

image.png图8 印制导线形状

设计印制导线的图形时,应遵循原则如下:

①在同一印制电路板上的导线宽度(除地线外)最好一样;

②印制导线应走向平直,不应有急剧的弯曲和出现尖角,所有弯曲与过渡部分均须用圆弧连接;

③印制导线应尽可能避免有分支,如必须有分支,分支处应圆滑;

④印制导线尽避免长距离平行,对双面布设的印制线不能平行,应交叉布设;

⑤如果印制电路板面需要有大面积的铜箔,例如电路中的接地部分,则整个区域应镂空成栅状,这样在浸焊时能迅速加热,并保证涂锡均匀。栅状铜箔还能防止印制电路板受热变形,防止铜箔翘起和剥脱。

4.印制电路板图的计算机辅助设计

(1)印制电路板CAD

印制电路板设计直接影响到产品的质量与电气性能。随着电子工业的发展,各种类型印制电路板需求量越来越大,要求设计制造印制电路板的周期越短越好。传统的手工设计已满足不了生产上的需求,现代计算机的发展为电路原理图和印制电路板图的CAD设计提供了强有力的手段。印制电路板CAD文件实际上是载入印制电路板设计信息的文件,其文件结构如图9所示。

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图9 人工设计和计算机辅助设计的比较

(2)CAD的操作步骤:

1)在CAD软件上画出电路原理图。

2)向计算机输入能反映出印制板布线结构的参数,包括:焊盘尺寸大小、元器件的孔径和焊盘、走线关系、印制导线宽度、最小间距、布线区域尺寸等参数。

3)操作计算机执行布线设计命令,则计算机可自动完成印制电路板的设计。

4)布线后,审查走线的合理性,并对不理想的走线进行修改。

5)定稿后,通过绘图机按所需比例直接绘制黑白底图。

6)将设计存入软盘,可以永久性保存。

(3)几种常用的印制电路板CAD软件

目前,印制电路板的设计大多使用计算机设计软件进行设计。这类软件主要有:SMARTWORK、TANGO、Protel等几种。

用计算机将设计好的PCB图保存,提交给印制电路板的生产厂家。




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印制电路板的制作及检验

1.印制电路板的制作

印制电路板的制作过程分为:底图胶片制版、图形转移、腐刻、印制电路板的机械加工与质量检验等。

(1)底图胶片制版

1)CAD光绘法

这种方法是应用CAD软件对印制电路板进行布线后,使用获得的数据文件来驱动光学绘图机,使感光胶片曝光,经过暗室操作制成原版底图胶片。

2)照相制版法

照相制版法是先进行黑白底图的绘制,再将绘制好的印制电路板黑白底图,通过照相进行制版的方法。

(2)图形转移

把相版上的印制电路图形转移到覆铜板上,称为图形转移。

具体方法有丝网漏印、光化学法。

1)丝网漏印法

丝网漏印法是指:将所需要的印制电路图形制在丝网上,然后用油墨通过丝网模版将印制电路图形漏印在铜箔板上,形成耐腐蚀的保护层,经烘干、修版后,实现图形转移。

2)光化学法

目前,在大批量的印制板生产中,大多采用光化学法即直接乳剂制板法制作图形。如图10所示。

image.png图10 光化学法工艺流程

(3)腐蚀技术(腐刻)

腐蚀是指利用化学或电化学方法,对涂有抗蚀剂并经感光显影后的印制电路板上未感光的部分,进行腐蚀去除铜箔,在印制板上留下精确的线路图形的过程。

腐蚀方法有摇槽法、浸蚀法和喷蚀法三种。

摇槽法最简单,所用的设备是一只放腐蚀剂的槽,装于不断摇动的台面上。

浸蚀法是将工件浸没在盛有能保温的大槽中蚀刻。

喷蚀法生产速度较快,用泵将腐蚀剂喷于印制板表面进行腐蚀加工。

2.工业制板

实际生产中,制造印制板要经过几十道工序。主要有:

(1)绘制照相底图

照相底图是用来制作照相原版或生产底板的。大多数的底图是由设计者绘制的,早期的印制电路板生产是手工布线贴图,效率低、精度低、周期长。随着计算机及其应用软件的发展,目前,工程技术人员可以利用CAD/CAM软件来辅助设计、辅助生产印制电路板。大大提高了生产效率和制板质量。

(2)照相制版

照相制版就是得到原版底片。用绘制好的制板底图照相制版,版面尺寸应与PCB尺寸一致。制板过程与普通照相大体相同,可分为软片剪裁→曝光→显影→定影→水洗→干燥→修版。

制版时,先按一定的比例将原图放大,然后再运用缩微照相技术将放大的原图通过光学系统缩小到原来的尺寸,成像在银盐感光材料上。再经过显影等一系列加工处理,就得到了“原版”,或称为“母版”。一般母版为“负像”。

(3)图形转移

把相版上的印制电路图形转移到覆铜板上,称图形转移,它是PCB制作过程中很重要的一道工序。根据图形转移后所得到的电路图形与所需要的电路图形是否一致,可分为“正像”和“负像”。

图形转移的方法很多,常用的有丝网漏印法和光化学法等。

1)丝网漏印

丝网漏印(简称丝印)是一种古老的印制工艺,与油印机类似。丝网漏印就是在丝网(真丝、涤纶丝等)上通过贴感光膜(制膜、曝光、显影、去膜)等感光化学处理,将图形转移到丝网上,或在丝网上黏附一层漆膜或胶膜,然后按技术要求将印制电路图制成镂空图形。然后通过刮板将印料漏印到覆铜板上,于是在覆铜板上便得到所需的电路图形。这些印料经紫外光(或加热)固化后,便具有各种不同用途的良好抗蚀性能。

丝印时所使用的“印料”常称为“抗蚀油墨”,种类很多,常用的有抗蚀印料、耐电镀印料、阻焊印料、字符印料和防护层印料等。

丝网漏印可以通过手动、半自动或自动丝印机实现。图11是最简单的丝网漏印装置,工作时只需将覆铜板在底板上定位,将印制材料放到固定丝网的框内,用橡皮板刮压印料,使丝网与覆铜板直接接触,即可在覆铜板上形成由印料组成的图形,然后烘干、修版。

image.png图11 丝网漏印

2)光化学法

光化学法有直接感光法和光敏干膜法两种。

①直接感光法。其工艺过程为覆铜板表面处理→涂感光胶→曝光→显影→固膜→修版。修版是蚀刻前必须要做的工作,可以对毛刺、断线、砂眼等进行修补。

②光敏干膜法。工艺过程与直接感光法相同,只是不是涂感光胶,而是用一种由感光性齐聚物(或共聚物)、粘合剂、光引发剂、增塑剂、稳定剂、着色剂及溶剂等成分组成薄膜作为感光材料。这种薄膜由聚酯薄膜、感光胶膜、聚乙烯薄膜三层材料组成,感光胶膜夹在中间,使用时揭掉外层的保护膜,使用贴膜机把感光胶膜贴在覆铜板上。

(4)蚀刻

蚀刻也称烂板。是生产过程的一个重要环节,它的成败关系到印制电路板的后续工序。它是利用化学方法除去板上不需要的铜箔,留下组成图形的焊盘、印制导线及符号等。蚀刻剂有许多种类,常用的蚀刻溶液有酸性氯化铜、碱性氯化铜、三氯化铁等。

三氯化铁(FeCl3)在电子学、印制电路、照相制版、金属精饰等加工和生产中,被广泛用作铜、铜合金、Ni-Fe合金及钢的蚀刻剂。它适用于丝网漏印油墨、液体光致抗蚀剂和镀金印制电路版电路图形的蚀刻。用三氯化铁为蚀刻剂的蚀刻工艺流程如下:

预蚀刻检查→蚀刻→水洗→浸酸处理→水洗→干燥→去抗蚀层→热水洗→水冲洗→(刷洗)→干燥→检验。

氯化铜(CuCl2·2H2O)作蚀刻剂,具有配方简单、蚀刻速度快、溶铜量高、稳定性好、产品质量可以得到保障、能机械化连续生产、溶液再生和铜的回收容易、对环境的污染可以得到有效的控制等突出优点,在印制电路板生产中得到了迅速地推广,目前生产中已作为首选蚀刻剂,取代了三氯化铁蚀刻剂。

氯化铜蚀刻剂根据印制板的制作方法不同,又分为酸性和碱性两种,酸性氯化铜蚀刻剂适用于丝网漏印及多层板内层电路的制作工艺。碱性氯化铜蚀刻剂适合于镀焊料(锡-铅)保护层的单面、双面及多层印制外层电路的制作工艺。

(5)金属化孔

金属化孔工艺为下一步的电镀加厚铜层打下基础,实现良好的电气互连,金属化孔不好就会造成孔内无铜或是有很薄的铜层,一经通断试验就造成开路。

金属化孔是连接多层或双面板两面导电图形的可靠方法,是印制电路板制造技术中最为重要的工序之一。双面印制电路板两面的导线或焊盘要连通时,必须通过金属化孔实现。它关系到多层板内在质量的好坏,其主要工作是在多层板上钻出所需的孔、把孔内的钻污去除、在孔壁上沉积上一层导电金属铜,使原来非金属的孔壁金属化,也称沉铜。在双面和多层PCB中,这是一道必不可少的工序。

金属化孔的质量对双面PCB是至关重要的,金属化孔要求金属层均匀,完整,与铜箔连接可靠,电性能和机械性能符合标准。在表面安装高密度板中这种金属化孔采用盲孔方法(即沉铜充满整个孔)以减小过孔所占面积,提高密度。

目前的金属化孔主要有三类:埋孔、盲孔和过孔,埋孔是无法从基板外部看到,孔存在于基板内层,为先钻并镀覆孔后,再压合加工完成。盲孔是可以从基板的一个外表面看到,是先压合再钻孔的没有贯穿基材的孔。过孔是可以从基板的两个表面都能看到,是先压合再钻孔的贯穿基材的孔。如图12所示。

image.png图12 多层挠性线路中的过孔、埋孔和盲孔

所谓沉铜就是化学镀铜。它是一种自催化氧化还原反应,在化学镀铜过程中Cu2+得到电子还原为金属铜,还原剂放出电子,本身被氧化。其反应实质和电解过程是相同的,只是得失电子的过程是在短路状态下进行的,在外部看不到电流的流通。因此化学镀是一种非常节能高效的电解过程,它没有外接电源,电解时没有电阻压降损耗。化学镀铜时可以一次浸入到化学镀铜液中进行镀铜,而用电镀法是无法做到的。化学镀铜可以在任何非导电的基体上进行沉积,利用这一特点在印制板制造中得到了广泛的应用。应用最多的是进行孔金属化。

金属化孔的工艺流程如下:

钻孔板→去毛刺→去钻污→清洁调整处理→水洗→粗化→水洗→预浸→活化处理→水洗→加速处理→水洗→化学镀铜→二级逆流漂洗→水洗→浸酸→电镀铜加厚→水洗→干燥。

由于化学镀铜溶液中的甲醛对生态环境有危害,并且有致癌的潜在危险,同时化学镀铜溶液中的络合剂(如EDTA等)不易进行生物降解,废水处理困难。因而直接电镀技术近年来得到了迅速的发展和应用。

(6)金属涂覆

金属涂覆就是采用化学镀和电镀的方法,在PCB的铜箔上进行表面涂覆,以提高印制电路的可焊性、导电性、耐磨性、装饰性及延长PCB的使用寿命,提高电气可靠性。涂覆工艺主要应用在表面贴装双面、多层印制电路板上。常用的涂覆层材料有金、银、铜和铅锡合金等。

1)镀铜 

镀铜是PCB制造的基础技术之一,镀铜分为全板电镀(化学镀铜后加厚铜)和图形电镀,其中全板镀铜是紧跟在化学镀铜之后进行,而图形电镀是在图相转移之后进行的。

①全板电镀方法可用于制造宽度和间距要求不太严格的印制电路板。全板电镀的工艺流程如下:

化学镀铜→活化→电镀铜→防氧化处理→水冲洗→干燥→刷板→印制负相抗蚀图象→修版→电镀抗蚀金属→水冲洗→去除抗蚀剂→水冲→蚀刻。

②图形电镀是对导电图像进行选择性的电镀。一般有两种情况:一种方法是先用化学镀提供0.5~1.0μm的导电铜层,然后全板电镀铜,使其镀层厚度达到5μm左右。

图形电镀铜是在图像转移后进行的,一般是作为铅锡或锡镀层的底层,也可作为低应力镍层的底层。在自动线生产中,图形电镀铜与电镀锡铅合金(或锡)连在一条生产线上。其工艺过程如下:

图像转移后印制板→修板/或不修→清洁处理→喷淋/水洗→粗化处理→喷淋/水洗→活化→图形电镀铜→喷淋/水洗→活化→电镀锡铅合金 

                             └→镀低应力镍→镀金

2)镀镍/金

为了提高耐磨性(插拔时),减低接触电阻,防止氧化(铜)和提高连接可靠性。通常在PCB插头(俗称“金手指”) 和某些特殊部位镀耐磨的Au-Co或Au-Ni。插头电镀镍与金一般由自动生产线来完成。其工艺流程如下:

上板→清洗→微蚀→刷洗→活化→漂洗→电镀→低应力镍→漂洗→活化→漂洗→电镀金→金回收(用)→漂洗→烘干→下板。

还可以用浸镀和化学镀的方法进行镀镍和金。

3)电镀锡/铅合金

电镀锡/铅合金大多是在与电镀铜组成的自动生产线上来进行的。锡/铅合金层除了作耐碱抗蚀剂外,还用作可焊层(经热油热熔或红外热熔后)。由于经过热油和红外热熔的Sn/Pb合金层厚度较厚,易形成龟背现象,因而不适用于表面安装技术,目前电镀锡/铅合金层主要是用来作耐碱抗蚀剂。

4)化学镀锡

为达到良好的焊接性能,适应环保的需要,消除锡铅合金中铅的含量,通常单独使用化学镀锡的工艺。

锡具有良好的导电性和钎焊性。在铜基体上化学浸锡,就是使表面铜层与锡液中锡离子发生置换反应。当锡层形成后,反应立即停止。

(7)涂助焊剂与阻焊剂

PCB经过图形转移、蚀刻、去膜和表面金属涂覆后,在装配元器件之前,应根据不同需要进行助焊或阻焊处理。涂助焊剂可提高可焊性;而在高密度铅锡合金板上,为使板面得到保护,确保焊接的准确性,可在板面上加阻焊剂,使焊盘裸露,其他部位均在阻焊层下。

助焊剂在焊接过程中,能与基金属表面及焊料表面的各种化合物发生化学反应,生成可溶(熔)性的化合物。在这一过程中,助焊剂起到了净化基金属与焊料表面并防止空气再次对金属表面氧化的作用。

阻焊是指将焊盘和焊接部分以外的其余部分(包括图形导线和基片)全部都涂一层阻焊保护印料。这层保护印料在装配好的印制电路板进行“波峰焊’’时,可防止导线间发生“桥连”现象,能有效地提高焊接质量,降低废品率。同时又可节省焊料,减轻印制电路板的重量,降低成本。阻焊印料是永久性的涂料,焊接后不需去除,对印制电路起到永久性的保护作用。

阻焊涂料按固化条件分热固化型和光固化型两种,色泽为深绿或浅绿色。PCB上还有表示各元器件的位置、名称等的文字及符号,一般是采用丝网漏印的方法印上去的,常见的为白色。

(8)热熔铅锡

印制电路板电镀锡铅后,镀层和铜箔结合并不牢固,电路图形外面的Sn-Pb合金镀层为薄片状和颗粒状,为多孔状结构,外观呈暗灰色。它在加工过程及以后的焊接工艺中,易氧化变色,而影响其可焊性。为此,它必须进行热处理。把它加热到Sn-Pb合金镀层的熔点以上,使这一镀层的合金再熔化,促进熔融状态的合金与基体金属合金化,同时使镀层变为致密、光亮、无针孔的结构。这一过程通常称为“热熔”。

印制电路板热熔的方法有红外热熔、热油热熔、蒸汽冷凝热熔、热空气热熔四种。目前生产上广泛采用的是红外热熔和热油热熔。通过红外线或甘油浴使铅锡合金在190℃~220℃温度下熔化,充分润湿铜箔而形成牢固结合层后再冷却。

(9)热风整平

热风整平技术近年来发展很快,它实际上是将浸焊和热风整平二者结合起来了,热风整平时,先把清洁好的印制电路板浸上助焊剂,随后浸在熔融的焊料里浸涂焊料,然后使印制电路板从两个风刀之间通过,用风刀的热压缩空气使锡铅合金熔化,并把印制电路板上的多余焊料吹掉。同时排除金属化孔里的多余焊料,使印制导线表面上没有焊料堆积,也不堵孔,从而得到一个光亮、平整、均匀的的焊料涂覆层。

(10)清洗

印制电路板在制造及装焊过程中,由于各种污染因素的存在,导致印制导线和元器件引线的腐蚀、造成短路等现象,严重影响印制电路的可靠性。因此,必须对各种印制电路及印制电路组件(PCA)进行严格的清洗,以除掉助焊剂残渣、防氧化油、焊料污染物和其他各种污染物,特别是助焊剂残渣等。一般来说,印制电路板清洗后其清洁程度应满足MIL-P-28809标准。

常用的洗涤剂是氟碳清洗剂,主要工艺方法是:气洗-喷洗-气洗-干燥。

由于氟碳溶剂对臭氧层的危害,目前各国正考虑用新材料和新技术来替代氟碳溶剂的清洗。同时免清洗技术也逐步推广开来。实现免清洗工艺可采用两种方法:一种是采用低固态焊剂,另一种是在惰性气体中焊接。

3.印制电路板质量检测

在完成机械加工后,应对印制电路板进行质量检验。检验的主要项目包括:目视检验、连通性试验、绝缘电阻的检测、可焊性检测等。

(1)目视检验

目视检验是指用肉眼检验所能见到的一些情况。通常目检能发现一些包括导线是否完整、焊盘的大小是否合适、焊孔是否在焊盘中间等明显的表面缺陷。

(2)连通性试验

对多层电路板要进行连通性试验,以查明印制电路图形是否是连通的。这种试验可借助于万用表来进行。

(3)绝缘电阻的检测

测量印制电路板绝缘部件对外加直流电压所呈现出的电阻即为绝缘电阻。

在印制板电路中,此试验既可以在同一层上的各条导线之间来进行,也可以在两个不同层之间来进行。

(4)可焊性检测

可焊性检测是用来测量元器件连接到印制板上时,焊锡对印制图形的附作能力。一般用附作、半附作、不附作来表示其可焊性。



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