PCB电路板制作和PCBA加工技术发展了近100年,从最初的薄膜技术到现在的高级自动化线路印刷和贴装工艺,无不见证着无数行业前辈所付出的努力和技术跃迁,半导体行业的微型化趋势也促使PCB行业技术飞速向前。当下,生产超过20层的PCB和贴装01005封装元件变得司空见惯。我们的工程师团队耗费巨大精力,本着为行业入门和高阶应用者服务的目的,着手编辑整理此工程技术学习园地,真正实现“一个站点通关行业”。
PCB(英文名Printed Circuit Board,印刷电路板)是根据电子产品的电路设计,通过一种类似于线路印刷的技术制作出来的基板,用来承载诸如集成电路(IC)、电阻、电容、LED等元件,由此组合生成一块含有元器件的板子(业内简称PCBA,即PCB+Assembly),也就是产品的电子硬件。一般情况下,设计者还要编写软件程序,并将其烧录至核心IC中,从而“硬件+软件”来组合实现电子电路的设计原理和输入/输出控制,类似于我们现在的电脑主机+Windows系统实现各种复杂的输入输出操作。PCBA中的Assembly包含了诸如SMT贴片加工、DIP插件加工、PCBA测试(ICT/FCT测试)等系列制程。
回顾20世纪早期PCB印刷电路板发展的历史:第一批印刷电路板专利“印刷电线”是在20世纪初发布的,但业界公认的PCB印刷电路板是在第二次世界大战后首次投入使用的。1925年,美国的查尔斯·杜卡斯(Charles Ducas)提交了一项专利申请,提出了一种用导电油墨通过模板印刷,直接在绝缘表面上形成电通路的方法。奥地利科学家保罗·艾斯勒博士于1943年发明了第一块可操作的印刷线路板。
20世纪20年代
最早的印刷电路板(PCB)是由电木、人造板、分层纸板甚至薄木板等材料制成的。在材料上钻孔,然后将扁平的黄铜“电线”铆接或栓接在板上。与部件的连接通常是通过将黄铜痕迹的末端压在空心铆钉上实现的,而部件的引线则简单地压入铆钉的开口端。偶尔用小螺母和螺栓代替铆钉。这种形式的电路板用于早期的管式收音机和留声机产品之中。
20世纪50~60年代
使用不同类型的树脂和材料混合制成的层板被引进,但多氯联苯仍然是单面的。电路板和元件在不同边。与笨重的布线和电缆相比,PCB的优势使其成为新产品进入市场的首选。但对印刷线路板发展的最大影响来自负责研制新型武器和通信设备的政府机构,他们在一些应用中使用了线端组件,元件的引线通过孔放置后,用焊接在引线上的小镍板固定在板上。
20世纪60年代后期
印刷电路板的生产过程发生巨大演变,最终开发出了将铜镀到钻孔壁上的工艺。这使得电路板两边的电路可以电气连接。铜已经取代黄铜成为首选的金属,因为它能够承载电流,而且成本相对较低,且易于制造。1956年,美国专利局发布了一项“组装电路过程”的专利,由以美国陆军为代表的一小批科学家申请。该专利工艺涉及使用一种基材(如三聚氰胺),将铜箔层压,并刻画线路图,然后进行照相,仿照胶印机印版。将印在铜箔板的耐酸墨水一面蚀刻,以除去暴露在外的铜,留下“印刷线”。然后,使用模具在图形中冲孔,以匹配元件导线或端子的位置。将引线穿过层压材料中的非电镀孔,然后将卡片浸入或漂浮在熔融焊料槽上。焊料会覆盖焊道,并将元件的引线连接到焊道上。这就是当下PCB印刷线路板的工艺雏形。
20世纪80年代至今
PCB印刷电路板工艺飞速发展,从早期的单层板向多层板演变,从6mil线宽线距向3mil买进。逐渐能够制作出极高精度和高频要求的线路板,比如HDI、盲埋孔等工艺。而且整个印刷电路板行业的发展也高度自动化,各种精密曝光机、蚀刻、电镀设备的引入,使得PCB可以更加小型化、微型化,从而满足当下电子产品的时代要求。
PCB的发展历史也是见证半导体的历史。当下,5nm制程工艺即将面世,意味着我们可以将更复杂的产品浓缩到更小的PCB上。从1925年至今,PCB的发展已趋于成熟,行业制程工艺相对完善,甚至连FPC柔性线路板(Flexible Printed Circuit Board)、软硬结合板(Rigid-Flex Printed Circuit Board)的制作也日渐熟练。PCB的历史是一部技术跃迁史,见证了无数同业人的努力和付出。
PCB是印刷电路板Printed Circuit Board的简称,行业俗称“裸板”、“基板”,即表面没有任何元器件。而PCBA是PCB + Assembly的简称,是指将电子元器件(如IC、电阻、电容、电感、LED、晶振等)焊接到PCB裸板上之后形成的一块硬件功能OK的板子。有点类似于建筑行业,PCB就是地基,PCBA就是在地基上施工完毕之后的整栋大楼。下图更加直观地解释PCB与PCBA之间的形象区别。
PCB是电子产品的基础组件,对于不同用途的产品,需要选择的PCB也是不同的,通常我们会用层数,基材材质,适用范围来将PCB分类。
1、根据PCB板层数来区分一般分为:单面板,双面板和多层板。
单面板是将所有的元器件集中在PCB板其中的一面,因此叫做单面板,因为单面板的面积有限,所以电路设计会比较简单,只适用于简单功能的电子产品上。
双面板指的是PCB板两面都有元器件和电路,同样的尺寸下,会比单面板多了一倍的可设计面积,能有效的解决单面板中因为导线交错而产生的电磁干扰问题,也能减少产品体积,可以用在电路设计比较复杂的产品上。
多层板是用单面板和双面板组合而成,最常见的是使用两片双层板作为内板,然后外侧使用两片单层板,通过定位系统与绝缘粘连材料组合成四层的多层板,当然,可以根据产品的设计方案来增加层数,一般都是偶数层。多层板的设计提高了布线的面积和密度,能做更加复杂的电路设计,多层板的元器件更多的是贴片式元器件,元器件布局更加精密,所以能使产品更轻更小。
2、根据PCB基板性质区分一般可以分为:刚性电路板、柔性电路板、软硬结合板。
刚性电路板的主要材质是由FR-4、CEM-1、CEM-3、金属基覆铜板(主要是铝基,少数是铁基)这些材质制成的电路板。
FR-4是由铜箔与经浸渍阻燃性环氧树脂纤维布层压而成的玻璃纤维板,具有良好的机械加工性。
CEM-1是由上下表面是玻璃纤维,中间是浸酚醛树脂的纸质材料制成的复合基板,机械加工性和电气性能都没有FR-4强,但是价格便宜。
CEM-3是复合型的玻璃纤维板,玻璃化温度、耐浸焊性、抗剥强度、吸水率、电击穿、绝缘电阻、UL指标都达到了FR-4的水准。但是抗弯强度比FR-4低。
金属基覆铜板是由一般由金属基板、绝缘介质层和导电层(一般为铜箔)三部分经过热压复合而成,金属基覆铜板最大的特点就是优异的散热性能和尺寸的稳定性。
一般电子产品中使用的都是刚性电路板,刚性电路板具有一定的机械强度,制成的PCB具有平整性,能保持较好的整体状态。
柔性电路板多是由聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜、氟化乙丙烯薄膜这些软层状塑料制成,制成的柔性电路板可以弯曲和伸缩,方便在使用时根据安装要求进行特殊安装。
软硬结合板就是刚性电路板和柔性电路板相关工艺要求组合在一起,形成的具有FPC特性与PCB特性的线路板。可以用于一些有特殊要求的产品中。
3、根据适用范围可以将PCB分为高频和低频两种。
电子产品高频化是现在的发展趋势,PCB高频板在现在的通信行业,网络技术领域以及高速化的信息处理系统中得到了大范围的应用,因为高频板的介电常数小,所以高频板的加热效率和信号传输速度都十分的快,同时因为高频板的制作材料吸水性低,所以能适用于更加潮湿的环境。应用范围比低频板要大很多。