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印刷电路板(PCB)基础

2022-04-21 08:45:03
电路设计的过程可以从开发一个小玩具到开发一个大型空间站。其他应用还可能包括娱乐、国防、通信、医疗、汽车、自动化等,涉及逻辑、记忆、控制和决策。设计者必须简单地识别输入和所需的输出。
解决各种问题和需求需要明确电路设计的基本要求。设计一个复杂的电路从投资过程开始,识别产品开发的挑战和设计生命周期,并考虑投资回报。
设计一个复杂的电路是挑战的一个方面,而将电路设计转化为 PCB 设计则是另一个方面。这种设计必须很好地转化为物理形式,以便所需的电路形成。一个完美的 PCB 设计总是制造过程中成功的关键,而一个设计不当的 PCB 导致时间和精力的浪费,返工和产品失败。更糟糕的是,它可能Z终毫无用处,而且其结果与现实世界的场景并不相关。
因此,一个 PCB 设计师除了要具备成百上千的元件和符合物理和电气要求的痕迹的定位知识之外,还必须具备制造过程的良好知识。
PCB 设计师在设计 PCB 时,必须遵循面向组装的设计(DFA)相关标准。这些标准是指该产品的成本和效率,并提供的风险,清晰度和简化。对于获得 DFA 的总体情况来说,甚至汇编器能力也很重要。



基板材料 fr4通常用于创建正常和复杂的 PCB 设计,而聚酰胺材料用于高速射频能力设计。在决定基板材料的选择时,设计师必须对 PCB 组件能够承受的环境条件有深刻的理解。
复杂的 PCB 设计可能有一些特殊的装配要求,如机械部件组装,压配件,粘合剂,线束,外壳组件,线束和测试点。因此,设计师必须考虑所有这些因素,以便能够相应地组织元件的放置细节。
复杂的 PCB 设计需要一些额外的复杂工艺,包括插入焊盘(Via-in-Pad)、引线焊接、波峰焊接、板载 IC 编程、敷形涂料、表面处理等。这些要求不适用于一般的 PCB 设计。



所有 PCB 设计过程的设计概念都是相同的,但对于高速射频能力而言,它们有所不同,因为这些设计必须考虑电阻、电感和电容,以及影响信号增加次数和阻抗从而限制上限频率的迹线和介质。
同样,波峰焊接工艺的 PCB 设计规则在元器件方向和焊盘形状的设计上也有所不同。获得正确的垫形状是主要关注细间距表面贴装零件,而阴影是主要关注的零件定位。
产生双面印刷电路板的原因是因为复杂元件如 BGA,CSP,QFP,DFN POP 在顶部的放置不会直接接触到波。如果不可避免,那么包裹应该相对于波的传播方向旋转45度。
关于多氯联苯设计性能和可及性的标准和规范包括 IPC-2221、 ipc-6011和 IPC-6012。许多 PCB 设计软件应用程序(PCB 布局 SW)可以作为基于 windows 的软件包,如 CAD SOFT、 Eagle PCB、 Novarm 的 DipTrace 等。
引言
虽然”印制电路板”是Z常用的术语,但也可称为”印制电路板”或”印制电路卡”。第一个 PCB 设计专利开发于1903年。直到1946年,单面和双面板作为非镀通孔板继续应用。此外,在1947年,开发了双面通孔板,并从1960年起开发了多层工艺。
在印刷电路板出现之前,电路是通过点对点布线的艰苦过程来构建的。这导致了频繁的故障,在线路接头和短路时,线绝缘开始老化和裂纹。



一个显著的进步是金属丝缠绕的发展,一个小规格的金属丝缠绕在每个连接点上,创造一个气密连接,这是非常耐用和容易变化的。这项技术是唯一的选择之前,印刷电路板出生。



印刷电路板
它是电子、电气和机械部件的物理支撑和布线的基座。部件的机械支撑由板基提供,板基通过导电痕迹和焊盘电气连接。这种电路板由带有铜轨的基板组成,这些铜轨就像连接元件的导线一样。这些组件是焊接到 PCB 上,以便他们是强烈的举行。电路板上的绝缘层和铜层含有供电和接地的信号痕迹。



传统上,元件安装在Z上层的孔中,这样就可以穿过所有的层。这些后来被称为通孔组件。随着近乎普遍采用表面贴装元件,一般可以发现组件安装在两个印刷电路板的顶部和底部层。
多氯联苯分类
印刷电路板可按制造工序及基板材料分类,例如:
  • 基于层即与层的数量相关

  • 制造基材的种类,即有机或无机的

  • 物理结构或设计,即刚性、柔性或半刚性

  • 基于应用的导体图案设计



无机碱、离散布线、添加剂、多线和线包等属性随着技术的全面进步而被完全淘汰。
在进入 PCB 分类的细节之前,让我们先理解 PCB 术语。
多氯联苯的结构和术语
将应用设计转化为印刷电路板是一个复杂的工艺过程。在设计 PCB 的同时保持通孔、垫板和防护垫、接地和痕迹的标准是另一个复杂的工艺过程。印刷电路板的结构应该符合设计师的建议,如印刷电路板的尺寸,可能的轨道宽度,轨道之间间隙等。



任何制造作业订单应提供关于垫板尺寸要求、通过要求、填充要求和原始尺寸的指导方针,以便这些技术规格得到考虑。例如,如果需要一个150密耳的轨道,一个100密耳的轨道和一个55密耳的轨道可以并排放置,并有5密耳的重叠,以获得一个150密耳的轨道。
它们之间的痕迹和间距
痕迹是一条铜线,在 PCB 上的两个或多个点之间进行电气连接。微量携带电流。在 PCB 上放置痕迹的过程可以在基板表面进行电镀或蚀刻以创建所需的图案。蚀刻的方法在电子工业中Z为常见。
PCB 上铜的厚度以盎司(盎司)/平方英尺为单位。一般来说,1盎司和1盎司铜是Z常用的。较厚的铜多达6盎司是用于高电流和可靠性设计。
印刷电路板(PCB)版图中的痕迹宽度、痕迹厚度、痕迹间距、信号痕迹布局、功率和地面痕迹以及布线等的设计都是基于设计计算和设计规则标准。那么,为什么会有这样的计算呢?
轨迹宽度设计是基于单独的载流能力和温度电阻。对电流的阻力产生热量,热量被痕迹消散,这取决于表面积、气流和焊料掩膜厚度。较宽的痕迹产生的热量较少,容易散失。
道之间的间距,换句话说,电气间隙是非常重要的。建议尽可能多地留出空间。轨迹间距和上迹宽的大小取决于流经轨迹的电流和轨迹的温升。
IPC 根据环境条件(不包括电压)有一套关于间隙和间距的标准。通常情况下,信号跟踪保持宽度,而功率跟踪和地面跟踪宽度较大,它们的间距可以在40μm-60μm 之间。边缘间距部分对去胶工艺非常重要(建议间距为125密耳)。
防护垫
焊盘是小面积的铜片,用于连接零件的插脚。反垫意味着预先确定的形状是从铜去除。
一般来说,在通孔周围使用反焊盘将其与不需要连接的电源平面隔离开来。
接地
需要焊盘来焊接印刷电路板顶层或底层的元件,该印刷电路板被称为接地。
垫的大小、形状和尺寸取决于:
1. 正在使用的组件包的类型。
2. 用于装配纸板的制造工艺。
根据工控机标准和设计规则,定义了 SMT 衬垫-导线长径比、 THT 孔-导线长径比、 THT 环形圈、封装尺寸和节距。有时候制造商会定义他们的选择。例如,BGA 焊盘的大小取决于表面光洁度。对于 HASL 表面光洁度,BGA 衬垫尺寸为12密耳(1密耳 = 0.001英寸)直径,对于其他表面光洁度,10密耳直径将保持不变。
通孔
通孔是连接 PCB 不同层的金属片。它通过板上的孔将板的一边连接到另一边。PTH (电镀通孔) ,微通孔和通孔在垫都属于通孔类别。



通孔通过 PTH 在各层之间传递信号或功率。通过的大小取决于跟踪宽度。有一些微通孔用于层之间称为埋藏通孔,和外层和内层之间称为盲通孔,这是用于当高密度内部连接要求。
单面多氯联苯
单面印刷电路板只含有一层导电材料,Z适合低密度设计。部件布置在一侧,电路布置在另一侧。在电路设计方面,电路板是有限制的,因为导电只发生在一边,不允许交叉(导电)。每一行都必须有自己的路径。
单面印制电路板是印制电路技术Z基本的起点和出发点。它确实是一项发明的起点,因为它在工业上对低成本、大批量生产简单电路起着重要作用。



单层多氯联苯具有相对广泛的应用领域,从电源供应,继电器,传感器和 LED 的计算器,打印机,咖啡机和电子玩具。然而,单面印刷电路板也有一些性能限制。
双面多氯联苯
它是Z常见和广泛使用的板类。双层多氯联苯有两个导电层和痕迹,是放置在一个基板两侧,因此是组成部分。由于组件的复杂性和密度的增加,许多 PCB 需要使用两面。



双面电镀通孔(PTH) PCB 是电子工业的通用工具。在镀通孔,铜连接通过连接孔的权利,以对面的董事会。这些 PTH 连接或者在 PCB 两侧形成简单的电气连接(通孔) ,或者为含铅元件提供电气连接和机械支撑。这使得双面 PTH 印制电路板的物理上更加坚固的项目,提供了更多的灵活性,设计师,低成本和减少板大小(增加电路密度)。
由于这些好处,双面印刷电路板已涵盖了广泛的应用,包括电源供应,工业控制,控制继电器,转换器,UPS 系统,LED 照明,硬盘驱动器,打印机,移动电话系统,电源监测,测试设备,放大器和交通系统。
多层多氯联苯
顾名思义,它是一块多于两层、四层、六层、八层、三十五层甚至更多层的 PCB 板。双层多氯联苯的许多共同特征是:
  • 有导电痕迹的两个以上的层,层与层之间由绝缘材料隔开。

  • 导电痕迹之间的层连接通过与层压所需的过孔。

多层电路板的优点是采用多层导电线和高密度钻孔,体积相对较小,重量相对较轻。高密度线减少了元器件的空间,这意味着更可靠。由于有更多的电路层,它是灵活的 PCB 设计/布局。
多层多氯联苯的优点是:
  • 高密度和高柔韧性


  • 减少板的尺寸和重量

能够实现多种功能,更好地处理干扰允许设计师产生非常密集和高度复杂的设计。
这些设计中的额外层经常被用作动力飞机,为电路提供电力,同时也减少了设计中发出的电磁干扰。
基于上述优点,多层印刷电路板被应用于技术要求高、精度要求高或空间要求较高的产品,如卫星、计算机、 GPS 技术、服务器、数据存储、信号传输、 x 射线设备、手持设备等。
然而,拥有这样的板的缺点是高成本和测试困难。
多氯联苯的种类
它指的是那些其基础材料是一种固体材料,不能弯曲,例如,玻璃纤维。典型的多氯联苯可以归类为刚性,因为他们占大多数。
刚性弹性印刷电路板
它指的是板材采用柔性和刚性的组合。通过消除需要连接器和电缆之间的个别刚性部分,董事会的大小和整体系统的重量可以减少。这种工艺适用于手机、军事、卫星、医疗和汽车等领域的板材设计。



柔性多氯联苯
这些电子电路是通过在柔性塑料基板上安装电子器件而形成的。这些是理想的高和灵活的应用,如汽车,光盘驱动器,打印机等。然而,对于挠性电路来说,维修是不可能的。


铝基印刷电路板

通常用于大功率应用,如大功率 LED 产品和开关电源,这些板提供Z终解决方案的热散热和高水平的机械床垫。该设计保持大功率元件在重负荷下冷却。


对 PCB 基板的基本认识
基底也称为介电材料。它是一种夹在两层 PCB 导电层之间的绝缘材料。当一个大于两层的 PCB 被建造,一个树脂浸渍布料材料,通常被称为 PrePreg 被用作基板。


玻璃增强基板被称为 FR4,它具有成本低、阻燃和防水的特点,是 PCB 制造商Z常用的基板。

对于高频电路板,即高速数字和无线电频率设计,基板主要有三种类型:
  • 氟-一种高成本的电介质基板,用于频率大于等于5千兆赫的产品。

  • 聚苯乙烯树脂

  • 改性环氧树脂-低价格,通常 fr4用于频率范围为1-10ghz 的产品。

聚酰亚胺是一种能够在高温环境中发挥作用的基材,具有很强的耐火性。这种基板是强烈推荐的航空航天应用,尽管其吸水性质是一个缺点,这是不适合这种应用。
制作电路板
一个单面板是由一个刚性层压板,组成的玻璃环氧基地材料与不同厚度的铜包一面。


双面板是由同一类型的基础材料与不同厚度的两侧包铜制成。预浸胶或预浸胶片作为“粘合剂”,把芯子粘在一起。我们可以使用许多种材料。我们使用 FR4——一种用环氧树脂预浸的机织玻璃纤维布——在业界被称为 b 级。


多层板是由相同的基础材料与铜箔在顶部和底部和一个或多个“内层”核心。“层数”对应的数量铜箔层。多层制造从选择合适厚度的内层芯或薄层材料开始。芯子的厚度可以从0.038“到0.005”不等,芯子的数量取决于板子的设计。



了解制作方法
铜膜-铜箔用于电路板通常是在片12盎司和1盎司每平方英尺的重量或0.0007和0.00134英寸名义厚度。

印刷电路板设计制造制作方法

第一步: 制作



步骤 # 2-剪切原料
工业标准0.059′厚度,两侧覆铜板,板材将被剪切以容纳多块板材。



步骤 # 3-钻孔
通过使用数控机床和硬质合金钻头,可以通过一堆面板(通常2至3高)打出各种尺寸的孔。位置是由董事会的设计师决定,以适应特定的组件。



步骤 # 4-化学镀铜
一旦涂片被清除,一层薄的铜涂层就会以化学方式沉积在面板的所有外露表面,包括孔壁。这创建了一个金属基地,为电镀铜进入孔和表面。化学镀层的厚度在45-60微米英寸之间。



第五步-应用图像
在面板上涂上感光干膜(平版抗蚀剂)。使用光源和胶片曝光面板。在胶片中清晰的区域允许光线通过并使板材抵抗变硬,从而创建电路图案的图像。



步骤 # 6-模板
采用电化学方法在孔中和微量区域沉积铜,表面镀锡。



注意: 所有 PCB 表示板都是通过孔镀。
步骤 # 7-剥离和蚀刻
显影后的干膜抗蚀剂现在从面板上除去。镀锡层不受影响。任何孔,所覆盖的抵抗现在是开放的,将非镀。这是常见短语“剥离-蚀刻-剥离”或“表面效应”过程中的第一步。



步骤 # 8-焊锡屏蔽
应用光敏环氧基油墨,将面板完全涂覆,然后干燥(但不固化)。使用与照片形成相同的方法,通过胶片工具将面板暴露在光源下。然后展开面板,暴露工艺品所定义的铜垫和孔。通常在烤箱中烘烤可以固化防焊膜。然而,一些制造商使用红外线热源。除焊盘外,在整块电路板上涂上防焊膜。



步骤 # 9-焊料涂层: (HASL 完成)
将焊料浸入焊料槽中,将焊料涂在焊盘上。热风刀从罐体中取出时使焊料水平。



步骤 # 10-命名法
应用白色字母标记使用丝网印刷工艺。



印刷电路板工艺表面光洁度类型
表面镀层的设计是为了防止剩余裸露的铜的氧化,而焊接掩膜覆盖了电路的大部分。
有几种类型的表面处理广为人知的热空气表面平整剂(HASL) ,无电镀镍浸金(ENIG) ,浸银,有机可焊性防腐剂(OSP) ,电镀金指,ENIG + OSP,ENIPIG 等。



挠性电路的组装
磁通电路的制作有点像刚性印刷电路板与使用不同的基础材料。弯曲 PCB 组装只能发生在托盘的帮助下。对于 Flex 组装制造过程,可以选择以下选项。



聚酯软钎焊(< 150 ° c)/聚酰胺软钎焊(< 300 ° c)通常选择在组装前进行烘烤。
采用0.05 mm 铜18/18微米为基材的柔性电路结构,OSP、浸镍、浸锡和浸银是可选择的焊接光洁剂。
为了防止翘曲和支持灵活的电路,在角落使用 Kapton 胶带,压敏低接触磁带,夹子和真空板是组装过程的一般做法。
大会托盘和弯曲电路-热救济地区的基础上托盘施加三角吨在回流。此外,如果使用蒸汽相导致自由回流,应考虑弯曲下的排水孔。
对于挠性电路存储和烘焙,行业遵循 IPC 1601标准的指导方针。
电路板射频技术
射频/微波低频带使用的迅速发展迫使射频/微波器件的密度增加,以实现更小、更快和更便宜的逐步升级的频率。



射频 PCB 是射频技术的支柱,其设计十分复杂,需要综合考虑各方面的因素。它驱动着卫星通信系统、宽带接入和光数据网络。此外,越来越多的汽车、工业、军事、国土安全、科学和医疗应用正在使用射频技术来执行检测、测量和成像功能。
热管理在射频/微波电子器件的设计中起着非常重要的作用。在高频应用中,特别是在放大高频信号时,信号处理会产生大量热量。射频/微波器件的可靠性依赖于保持 PCB 的介电层的介电常数恒定。
边缘电镀
用电镀封装印刷电路板的边缘可能需要提高高频设计的电磁干扰屏蔽和改善电子系统的底盘接地



如果这个谐振腔是一个射频/微波谐振腔,其频率取决于谐振腔的大小,PCB 制造商必须严格控制谐振腔的 x、 y 和 z 尺寸。腔体设计可以应用于单个印刷电路板上不同深度的多个位置,也可以用于边缘镀层
摘要
影响精密电路性能的 PCB 效应包括泄漏电阻、痕量薄膜、通孔和接地面的红外电压降、杂散电容和介质吸收等。另外,多氯联苯有吸收大气中水分的趋势。一般来说,电路的静态或直流操作,特别是在高频率时。
另一个非常广泛的 PCB 设计领域是接地的主题。接地是所有模拟和混合信号设计的一个问题区域。PCB 设计者从不将高频、大电流电路与低频、低电流敏感电路混合使用,并确保将地面分开。即使是模拟和数字部件也是物理和电气上分开的,特别是它们的地面。
此外,优异的性能,多氯联苯必须具有热稳定性,抗氧化,酸,碱和其他化学试剂,如碱。它应该具有优良的介电性能,不溶于水,焊接能力,可靠性和减少水分侵入的风险。


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