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PCB生产过程和技术

1 PCB分类、特点和地位（用途）
1.1 PCB分类
可按PCB用途、基材类型、结构等三种来分类，通常采取PCB结构来分类。
1.1.1 刚性PCB
⑴单面PCB。
⑵双面PCB。
⑶多层PCB。
① 常规多层PCB。
② 埋/盲孔多层PCB。
③ 积层（HDI/BUM）PCB。
A 有“芯板”积层PCB。
B 无“芯板”积层PCB。
1.1.2 挠性PCB
伴随挠性PCB（FPC）应用领域快速扩大，挠性印制板已最快速度发展着。
⑴单面FPC。
⑵双FPC。
⑶多层FPC。
1.1.3 刚-挠性PCB
这是指由刚性部分和挠性部分共同组成PCB。刚性部分关键用于焊接或组装元器件，而挠性部分关键起着刚性部分之间连接、信号传输和可挠曲性机械安装作用。
⑴刚性部分关键为刚性多层板结构，但中间夹入挠性部分，经过层压、钻孔和孔化和电镀等形成刚性部分和挠性部分之间连接。
⑵挠性部分由挠性板组成。为了保持可挠曲性机械安装，挠性部分大多为单、双面挠性板或多组单、双面挠性板等组成。
1.1.4 特种PCB
这是指高频微波PCB、金属基（芯）PCB和一些特殊PCB而言。
⑴高频微波PCB。
这是指应用于高频（频率大于300MHZ或波长小于1米）和微波（频率大于3G或波长小于0.1米）领域PCB。其关键要求以下。
① 低介电常数εr基材。
A 聚四氟已烯（PTFE）又称Teflon,其εr=2.1，形成CCLεr为2.6左右。
B “空气珠”或“微泡”结构CCL材料，其εr为1.15∽1.35之间（Arlon企业）。
② 低介质损耗角正切tanδ。PTFE基材tanδ为0.002，仅为FR-41/10。
⑵金属基（芯）PCB。在组装有大功率组件PCB内埋入金属板，以提升导热或散热为关键目标（还有改善CTE和尺寸稳定性等）PCB。所采取金属材料有：薄Al板；薄Fe板；薄Cu板；殷钢；钨钼合金。还有非金属炭素板等。
⑶其它特殊PCB。如厚铜箔PCB、复合材料PCB和特大尺寸（面积或厚度等）PCB。
① 厚铜箔PCB。这是指镀通孔和导线铜厚度35∽200µm之间PCB。关键应用于大电流经过场所，如电源用PCB等。
② 复合材料PCB。这是指不一样材料压合在一起PCB，如把PTFE材料和FR-4材料压合在一起PCB。既处理了高频信号传输问题，又处理了使用时刚性和尺寸稳定性问题。
③ 特大尺寸PCB。这是指厚度很厚、面积很大PCB，如600X800X5∽800X1800X12（mm）背板或底板（又称母板）。
1.1.5 集成元件PCB。
这是指把无源元件（电阻、电容和电感等）、有源元件（多种集成电路等）分别或复合埋入到PCB内部产品。因为现在技术水平和发展过程原因，现在关键是埋入无源元件PCB为主，其工艺也比较成熟。
⑴埋入无源元件PCB。
① 为何要埋入无源元件到PCB内部去呢？
A 无源元件数量和有源元件数量比率越来越大。由（6∽15）：1上升到（15∽33）：1，如手机无源元件数量已超出500只，而台式电脑主板（飞跃Ⅱ）无源元件数量已达只以上。这种增加趋势还在继续。
B 促进PCB高密度化发展。如能埋入50%数量无源元件，则可使PCB板面缩小25%以上。
C 提升PCB组装可靠性。降低了大量焊接。埋入无源元件受到“保护”，避免大气中湿气、有害气体、尘粒等侵蚀，性能稳定。
D 提升了PCB组装件电气性能。消除了无源元件焊接所形成大量回路，及其引发寄生效应。降低无源元件功效失效率，提升无源元件功效稳定性。
② 埋入电阻PCB。把电阻以平面形式埋入到PCB内部方法，以CCL电阻、网印油墨电阻、喷墨打印和烧结等工艺来形成。
③ 埋入电容PCB。把电容以平面形式埋入到PCB内部方法，一样以CCL电容、网印油墨电容、喷墨打印和烧结等工艺来形成。
④ 埋入电感PCB。把电感以平面形式埋入到PCB内部方法。因为数量极少，加上电感较大，埋入效果不理想。
⑤ 复合埋入无源元件PCB。即同时埋入电阻和电容等PCB。
1.1 PCB特点
过去、现在和未来，PCB之所以能越来越得到广泛地应用，这是因为它有好多独特优点，概括以下。
⑴可高密度化。100多年来，PCB高密度化是伴随集成电路集成度提升和安装技术进步而发展着。
⑵可靠性。经过一系列标准和要求检验、测试和老化试验等可确保PCB产品长久（使用期，通常为20年）而可靠地工作着。
⑶可设计性。对PCB产品多种性能（电气、物理、化学、机械等）要求，能够经过设计标准化、规范化等来实现PCB设计，时间短、效率高。
⑷可生产性。可采取现代化生产管理，可进行标准化、规模（量产）化、自动化生产，确保产品质量一致性。
⑸可测试性。建立了比较完整测试方法、测试标准、多种测试设备和仪器等来检验，并判定PCB产品合格性和使用寿命。
⑹可组装性PCB产品既便于多种元件进行标准化组装，又能够进行自动化、规模化组装生产。同时，PCB和多种元件组装部件还能够组装形成更大部件、系统，直至整机产品。
⑺可维护性。因为PCB产品和多种元件组装形成部件是以标准化设计和规模化生产，所以，这些部件也是标准化。所以，一旦系统或整机发生故障，能够快速、方便、灵活地进行更换，快速恢复工作。
当然，还能够举例说得更多些。如系统小型化、轻量化，消息传输高速化等。
1.3 PCB地位
在全部电子工业领域中全部离不开PCB产品，PCB产品已成为三大电子元件一。
其应用领域有五大方面。
⑴家用电子产品方面。如电视机、洗衣机、VCD等。
①基板材料。关键采取纸基酚醛树脂单面板，少许采取纸基或玻纤布基环氧树脂单、双面板。
②关键特点：利润低；靠量产。
⑵便携式电子产品方面。如手机（移动电话）、摄象机、录象机等。
① 基板材料：刚性材料FR-4、CEM-3；挠性材料PI、PE等。
② 关键特点：高密度化（HDI）；量产化。
⑶高性能电子产品方面。如电脑、游戏机等
① 基板材料：FR-4（或高TgFR-4）、CEM-3等。
② 关键特点：高密度化（HDI）；量产化。
⑷超高性能电子产品方面。如超级（巨型）计算机、大型工作站等。
① 基板材料：BT树脂基材；PI树脂基材。
② 关键特点：高密度化高层化；技术和工艺难度大，量少，昂贵（附加值高）。
⑸汽车领域电子产品方面。
① 基板材料：刚性材料FR-4、CEM-3，挠性材料PI、PE等。
② 关键特点：安全、可靠。

2 PCB 生产工艺和技术
2.1 PCB原材料
⑴薄铜箔材料。
① FPC用铜箔材料。采取高延展性铜箔，如冷轧铜箔等，其厚度为35µm（1 OZ）、18µm（1/2 OZ）、12µm（3/8 OZ）、9µm（1/4 0Z）、……等。
② 刚性PCB用铜箔材料。采取电镀高延展性铜箔，其厚度为35µm、18µm、12µm、9µm……等。
⑵半固化片（粘结片）材料。通常是由玻纤布或纸和树脂来组成。
① 常规半固化片。它是由常规玻纤布和树脂形成半固化片。
② 扁平或特种半固化片。它是由扁平玻纤布（玻纤和树脂均匀分布）和树脂形成，关键用于钻微、激光蚀孔，精细导线制作等。
⑶刚性覆铜板（CCL）材料。它是由铜箔和半固化片于高温高压下而形成，能够形成不一样类型和不一样厚度系列产品供用户选择。
① FR-4材料。这是由玻纤布（可用不一样类型和活动厚度）和环氧树脂形成CCL材料，是现在PCB工业应用最广泛材料。
② CEM-3材料。芯料为玻纤纸半固化片、面料为玻纤布半固化片，然后在和铜箔形成材料。它有利于机械冲切加工，价格也廉价些，但一些性能（如弯曲强度）比FR-4稍差。
③ RCC（涂树脂铜箔）材料。在处理过铜箔表面上涂覆一定厚度树脂形成（半固化状态）材料。应用于HDI/BUM板激光形成微孔方面。
④ 其它方面材料。如CEM-1材料（芯料为纤维纸，面料为玻纤布），FR-1和FR-2（纸基酚醛树脂）材料，FR-3（纸基环氧树脂）材料，还有BT，PI，PTFE等等形成CCL材料。
⑤ 特种基板材料。如金属基覆铜箔材料，陶瓷基覆铜板材料等。
⑷挠性覆铜板材料。挠性CCL最大特点是介质层中没有增强材料，可成卷订货。关键有PI和PE两种类型CCL。其中PI结构有两种。
① 三层法。即由铜箔、粘结剂和PI（或PE）膜形成挠性CCL。其优点是价格廉价。缺点是因为粘结剂层存在使结协力低，同时因为粘结剂往往 是非阻燃性而形成不阻燃挠性CCL。
② 两层法。即由铜箔和PI膜形成挠性CCL。
2.2 PCB工艺步骤和技术
印制电路板工艺步骤和技术可分为单面、双面和多层印制板。现以双面板和最复杂多层板为例。
⑴常规双面板工艺步骤和技术。

① 开料---钻孔---孔化和全板电镀---图形转移（成膜、曝光、显影）---蚀刻和退膜---阻焊膜和字符---HAL或OSP等---外形加工---检验---成品
② 开料---钻孔---孔化---图形转移---电镀---退膜和蚀刻---退抗蚀膜（Sn,或Sn/pb）---镀插头---阻焊膜和字符---HAL或OSP等---外形加工---检验---成品
⑵常规多层板工艺步骤和技术。

开料---内层制作---氧化处理---层压---钻孔---孔化电镀（可分全板和图形电镀）---外层制作---表面涂覆---外形加工---检验---成品
（注1）：内层制作是指开料后在制板---图形转移（成膜、曝光、显影）---蚀刻和退膜---检验等过程。
（注2）：外层制作是指经孔化电镀在制板---图形转移（成膜、曝光、显影）---蚀刻和退膜等过程。
（注3）：表面涂（镀）覆是指外层制作后---阻焊膜和字符---涂（镀）层（如HAL、OSP、化学Ni/Au、化学Ag、化学Sn等等）。

⑶埋/盲孔多层板工艺步骤和技术。
通常采取次序层压方法。即：

开料---形成芯板（相当于常规双面板或多层板）---层压---以下步骤同常规多层板。
（注1）：形成芯板是指按常规方法造成双面板或多层板后，按结构要求组成埋/盲孔多层板。假如芯板孔厚径比大时，则应进行堵孔处理，才能确保其可靠性。

⑷积层多层板工艺步骤和技术。

芯板制作---层压RCC---激光钻孔---孔化电镀---图形转移---蚀刻和退膜---层压RCC---反复进行形成a+n+b结构集成印制板（HDI/BUM板）。
（注1）：此处芯板是指多种多样板，如常规双面、多层板，埋/盲孔多层板等等。但这些芯板必需经过堵孔和表面磨平处理，才能进行积层制作。
（注2）：积层（HDI/BUM）多层板结构可用下式表示。
a+n+b
a— 为一边积层层数，n—为芯板，b—为另一边积层层数。

⑸集成元件多层板工艺步骤和技术。

开料---内层制作---平面元件制作---以下步骤同多层板制作。
（注1）：平面元件以CCL或网印形式材料而采取。
2.3 PCB检验和测试
PCB检验和测试是指PCB生产过程中质量控制、最终产品性能和使用期（寿命）可靠性等检验和测试。
⑴PCB生产过程质量控制检验。
① 物理方面检验。
★ 目检：采取人眼或2X、10X或更高倍数工具显微镜和其它工具（如检孔镜、背光装置等）来观察表面和孔内表面质量。
★ AOI（自动光学检验）和SEM（扫描电子显微镜）等检验。
② 化学方面检验。
★ 常规化学分析。分析和控制多种溶液质量（关键是组成或成份方面）。
★ 多种化学仪器。分析和控制多种溶液（关键是杂质或污染方面）。
⑵PCB产品性能检测。
① 外观检验。经过目检（含放大倍数）来观察成品表面和尺寸质量
② 电气性能检验。经过“通”、“断”测试，绝缘（电阻和电压）等来检测成品电气性能情况。
③ 显微剖切检验。经过剖切来检验成品内部质量情况，如多层板对位、镀层厚度分布、层间连接和缺点等。
⑶PCB使用可靠性检测。热冲击试验（浮焊或焊接）、高低温循环试验、潮湿试验、高压蒸煮试验、互连应力试验等等。然后经过电气性能（如电阻改变等）、显微剖切等来检验和分析成品可靠性和使用寿命。
3 PCB技术现实状况和发展
PCB技术过去、现在和未来全部是围绕着PCB“孔”、“线”、“层”、“面”等而展开和发展着。按电子组装技术发展和进步可分为以下四个阶段。
3.1 通孔插装技术（THT）PCB概况
⑴通孔作用。
① 电气导通（连接）作用。
② 支撑元器件作用。即元器件引脚是穿过通孔而焊接起来，为了确保自动插装和焊接可靠性，所以限制了元器件引脚尺寸和通孔直径尺寸不能太小，通常停留在φ0.8mm左右。
⑵高密度化方向。
① 缩小线宽/间距（L/S）。这一阶段L/S高端产品达成0.1mm（但大多数为0.3∽0.2mm）。
② 增加层数。最多达成64层，计划为≥100层，不过孔化、尤其是电镀十分困难。
⑶表面涂（镀）覆。电镀Au或电镀Ni/Au，松香基助焊剂等。
3.2 表面安装技术（SMT）PCB概况
表面安装技术出现，给PCB工业带来了天翻地覆改变。
3.2.1 关键特点。
⑴导通孔作用。它仅起电气互连作用，这意味着：
①只要确保电气互连质量，导通孔直径可尽可能小；
②即使把导通孔堵塞起来也行。
⑵PCB成品共面性要求。这意味着：
①PCB翘曲度应尽可能小，要求由1%→0.7%或0.5%，甚至更小；
②连接盘（焊盘）共面性高。
3.2.2 高密度化方向。关键是导通孔快速缩小和结构改变。
⑴导通孔快速走向微小化，并由数控（机械）钻孔走向激光钻孔。
导通孔直径由0.8→0.5→0.3→0.2→0.15→0.10（mm）。
导通孔数控钻孔方法改善:
① 数控钻床主轴转速由6万转/分→8万转/分→10∽12万转/分→16∽18万转/分→25万转动/分等。
② 由整个主轴转动改为夹钻头系统转动，动能大大减小，显著降低震动性，提升了钻孔定位精度和质量。
③ 台面由丝杠移动改为线性马达，移动愈加快速，既降低了磨损又提升了稳定性。
④ 改变了了钻头组成和结构，减小WC颗粒直径（由2∽3µm→0.2∽0.3µm，甚至更小）。
⑵激光钻孔快速发展。
①红外激光钻孔。
②UV激光钻孔。
③混合激光钻孔。
多种钻孔方法适用范围以下：
钻孔直径 Φ0.8→ф0.5→φ0.3→ф0.2→ф0.15→φ0.10→φ0.05mm
←------数控钻孔---------------→
←---红外激光-----→
←--UV激光---→
⑶埋/盲空孔结构出现。
①埋/盲孔结构。
②不连接层之间没有导通孔，不设隔离盘，缩短导线和孔深，提升布线自由度。
③PCB提升密度最少1/3以上。
④改善电气性能。
⑷盘内孔（HIL或HIP）结构诞生。
①由“狗骨”结构改为盘内连接结构。
②达成缩短连线，提升密度，改善电气性能等。
3.2.3 板面平整度
因为元器件是贴装在PCB表面上，不仅要求整体板面有平整度，而且连接盘（焊盘）这么共面性。
⑴PCB翘曲度要求越来越小，从1.0%→0.7%→0.5%，甚至更小。
⑵连接盘要有好共面性。由HAL（或HASL）→OSP、化学镀Ni/Au、Ag、Sn等。
3.2.4 PCB表面涂（镀）覆
PCB表面涂（镀）覆是指保护性和可焊性涂（镀）覆两部分。
⑴保护性涂（镀）覆。这是指PCB非焊接部分常规性保护和字符。
① 阻焊膜（剂）涂覆。它起到“一阻三防”作用：“一阻”即阻（防）止PCB在焊接时焊料污染和桥接作用；“三防”即在PCB长久使用过程中起到防污染、防霉变和防潮湿等作用。
② 字符涂覆。它起到元器件安装位置和便于维修作用。
⑵可焊性涂（镀）覆。这是指保持或形成PCB连接（焊接）盘表面可焊性涂（镀）覆层。如HAL、OSP、电镀Ni/Au、化学Ni/Au、化学Ag、化学Sn等。
① 热风（焊料）整平。它是把PCB在制板浸入熔化Sn/Pb焊料中，然后拉出经热风吹去（控制厚度）多出焊料。因为可焊性好，它在PCB可焊性涂覆中曾达成90%以上。但伴随SMT技术和高密度化发展，现在已下降到50%以下，还会继续下降下去。关键原因有以下多个方面。
ⅰ Sn/Pb焊料表面张力太大，伴随焊盘直径缩小（即高密度化），涂覆焊料表面形成“龟背”状态，从而影响焊接可靠性。
ⅱ Sn/Pb焊料很薄时，如≤2µm则会形成不可焊Cu3Sn2表面层。
② 有机可焊性保护剂（OSP）。它是一个耐热有机（烷基苯并咪唑类）化合物，大约300℃才会分解，它能和连接盘新鲜铜表面络合形成厚度为0.3∽0.5µm保护层，保护了铜可焊性。因为很薄，能保持原有共面性，加上操作简便，成本低，所以得到了广泛应用，现在已达成30%左右份额。但易于划伤，生产操作应格外小心。
③ 电镀镍/金。这是在焊盘表面先镀镍后再镀金可焊性镀层。
ⅰ 镍层为阻挡（隔离）层，其厚度为3∽5µm（原为5∽7µm），阻止铜/金之间相互扩散（影响可靠性）。
ⅱ 电镀金层。其厚度应由使用条件或特征来决定。
★ 插头（金手指）镀金。因为是反复使用插拔，金层不仅要求耐磨（镀硬
金），而且要求有较大厚度（现在要求应大于0.5µm）。
★ 焊接用镀金。因为焊接是在镍表面进行，金层是为了保护新鲜镍表面（不
被氧化），所以金层在确保镍表面不氧化条件下，金层应越薄越好。这不仅可降低成本问题，更关键是确保焊点可靠性（焊点焊料中金含量≥3%时，焊点轻易脆断）问题。
★ 金属丝（WB）焊接用镀金。因为金属丝（金丝或Al丝等）是直接焊接
在金层上，所以要求有较厚金层，通常应≥0.5µm。
因为电镀镍/金电镀分散能力差，镀层厚度不均匀，成本也高，所以采
用此方法越来越少了。
④化学镀镍/金。利用氧化/还原化学方法沉积镍层厚度3∽5µm，然后再沉积金层厚度（由应用条件来决定）。因为采取化学沉积，所以镀层均匀。现在化学镀镍/金已快速替换电镀镍/金。其中化学镀镍工艺控制较难，应尤其注意。
⑤化学镀银。因为“绿色”环境保护要求，无铅焊料和焊接便摆在日程上来了，因
此，和焊料相对应化学镀银或化学镀锡等开发和使用起来了。
化学镀银是PCB连接盘上化学沉积一层厚度为0.05∽0.5µm。为了预防银层
腐蚀和银迁移，在化学镀液中加入特种添加剂，使镀层中含有1∽3%耐热有机物，可经得起数次焊接过程。
但化学镀液中Cl+离子含量应小于5ppm；避免和卤化物接触，不然会使表面发黄，影响外观和可焊性；预防和硫化物接触，不然会使表面呈黑色，一样影响外观和可焊性；成品应采取无硫纸包装。所以化学镀银PCB产品应优先和立即处理。
① 化学镀锡。因为全部焊料是以锡为主体，所以锡镀层能和任何类型焊料相兼
容，化学镀锡是PCB表面涂（镀）覆技术最有发展前途。
近几年来，因为镀锡溶液中加入新型添加剂，沉积锡层由树枝状结构变成含有
少许有机物颗粒状结构，其厚度为0.8∽1.2µm之间。因为它含有好热稳定性，即使经过数次焊接过程，也不会形成不可焊结构化合物。同时，它也不会形成锡丝和锡迁移问题。
3.3 芯片级封装PCB概况
3.3.1 芯片级封装PCB又可称封装基板。它要求全方面走向甚高高密度化程度，关键特点是逐步而快速走向HDI/BUM板和集成元件PCB。
⑴导通孔走向微孔化。导通孔直径将≤150µm，并走向ф100→ф70→ф50→ф30→ф20（µm）。全方面走向激光钻孔，并以UV激光钻孔为主导。
⑵导线走向精细化。以下表所表示。

IC线宽和PCB线宽进步和比较
年份
IC线宽（µm）
PCB线宽（µm）
比率
1970
3
300
1：100
1985
1
200∽100
1：200∽1：100

0.18
100∽30
1：560∽1：170

0.10
50∽20
1：500∽1：200

0.05
10（HDI/BUM板）
1：200

要逐步走向采取激光直接成像（LDI）技术或集成电路加工技术来制造PCB，同时提升制作房间净化度也变得十分关键。
⑶介质层厚度走向超薄化。由100→80→50→30→20→10（µm）。同时由刚性（玻纤布增强树脂材料）基材走向挠性（无增强树脂）基材。
3.4 系统封装（SIP）PCB概况
系统封装（SIP）PCB还处于明芽和试用阶段。它不仅把大量无源元件埋入PCB内部，而且也把有源元件装入到PCB内部，从而含有独立系统功效部件，所以含有密度更高、速度愈加快、功效更全（强）和可靠性更高系统装置（相关这方面较具体技术请参阅【印制电路信息】2月第3∽11页）。