PCBA基礎知識詳細解析

2020-11-30 雲漢芯城ICkey

PCBA是英文Printed Circuit Board +Assembly 的簡稱,也就是說PCB空板經過SMT上件,或經過DIP插件的整個製程,簡稱PCBA .這是國內常用的一種寫法,而在歐美的標準寫法是PCB'A,加了「'」,這被稱之為官方習慣用語。

電路板

印刷電路板,又稱印製電路板,印刷線路板,常使用英文縮寫PCB(Printed circuit board),是重要的電子部件,是電子元件的支撐體,是電子元器件線路連接的提供者。由於它是採用電子印刷技術製作的,故被稱為「印刷」電路板。在印製電路板出現之前,電子元件之間的互連都是依靠電線直接連接而組成完整的線路。現在,電路面包板只是作為有效的實驗工具而存在,而印刷電路板在電子工業中已經成了佔據了絕對統治的地位。20世紀初,人們為了簡化電子機器的製作,減少電子零件間的配線,降低製作成本等優點,於是開始鑽研以印刷的方式取代配線的方法。三十年間,不斷有工程師提出在絕緣的基板上加以金屬導體作配線。而最成功的是1925年,美國的Charles Ducas 在絕緣的基板上印刷出線路圖案,再以電鍍的方式,成功建立導體作配線。

直至1936年,奧地利人保羅·愛斯勒(Paul Eisler)在英國發表了箔膜技術,他在一個收音機裝置內採用了印刷電路板;而在日本,宮本喜之助以噴附配線法「メタリコン法吹著配線方法(特許119384號)」成功申請專利。[2]而兩者中Paul Eisler 的方法與現今的印刷電路板最為相似,這類做法稱為減去法,是把不需要的金屬除去;而Charles Ducas、宮本喜之助的做法是只加上所需的配線,稱為加成法。雖然如此,但因為當時的電子零件發熱量大,兩者的基板也難以配合使用[1],以致未有正式的實用作,不過也使印刷電路技術更進一步。

基材

基材普遍是以基板的絕緣部分作分類,常見的原料為電木板、玻璃纖維板,以及各式的塑膠板。而PCB的製造商普遍會以一種以玻璃纖維、不織物料、以及樹脂組成的絕緣部分,再以環氧樹脂和銅箔壓製成「黏合片」(prepreg)使用。

而常見的基材及主要成份有:

FR-1 ──酚醛棉紙,這基材通稱電木板(比FR-2較高經濟性)

FR-2 ──酚醛棉紙,

FR-3 ──棉紙(Cotton paper)、環氧樹脂

FR-4 ──玻璃布(Woven glass)、環氧樹脂

FR-5 ──玻璃布、環氧樹脂

FR-6 ──毛面玻璃、聚酯

G-10 ──玻璃布、環氧樹脂

CEM-1 ──棉紙、環氧樹脂(阻燃)

CEM-2 ──棉紙、環氧樹脂(非阻燃)

CEM-3 ──玻璃布、環氧樹脂

CEM-4 ──玻璃布、環氧樹脂

CEM-5 ──玻璃布、多元酯

AIN ──氮化鋁

SIC ──碳化矽

金屬塗層

金屬塗層除了是基板上的配線外,也就是基板線路跟電子元件焊接的地方。此外,不同的金屬也有不同的價錢,不同的會直接影響生產的成本;不同的金屬也有不同的可焊性、接觸性,也有不同的電阻阻值,也會直接影響元件的效能。

常用的金屬塗層有:

厚度通常在5至15μm[4]

鉛錫合金(或錫銅合金)

即焊料,厚度通常在5至25μm,錫含量約在63%[4]

一般只會鍍在接口[4]

一般只會鍍在接口,或以整體也是銀的合金

線路設計

印製電路板的設計是以電子電路圖為藍本,實現電路使用者所需要的功能。印刷電路板的設計主要指版圖設計,需要內部電子元件、金屬連線、通孔和外部連接的布局、電磁保護、熱耗散、串音等各種因素。優秀的線路設計可以節約生產成本,達到良好的電路性能和散熱性能。簡單的版圖設計可以用手工實現,但複雜的線路設計一般也需要藉助計算機輔助設計(CAD)實現,而著名的設計軟體有Protel、OrCAD、PowerPCB、FreePCB等。

基本製作

簡介

根據不同的技術可分為消除和增加兩大類過程。

減去法

減去法(Subtractive),是利用化學品或機械將空白的電路板(即鋪有完整一塊的金屬箔的電路板)上不需要的地方除去,餘下的地方便是所需要的電路。

絲網印刷:把預先設計好的電路圖製成絲網遮罩,絲網上不需要的電路部分會被蠟或者不透水的物料覆蓋,然後把絲網遮罩放到空白線路板上面,再在絲網上油上不會被腐蝕的保護劑,把線路板放到腐蝕液中,沒有被保護劑遮住的部份便會被蝕走,最後把保護劑清理。

感光板:把預先設計好的電路圖制在透光的膠片遮罩上(最簡單的做法就是用印表機印出來的投影片),同理應把需要的部份印成不透明的顏色,再在空白線路板上塗上感光顏料,將預備好的膠片遮罩放在電路板上照射強光數分鐘,除去遮罩後用顯影劑把電路板上的圖案顯示出來,最後如同用絲網印刷的方法一樣把電路腐蝕。

刻印:利用銑床或雷射鵰刻機直接把空白線路上不需要的部份除去。

加成法

加成法(Additive),現在普遍是在一塊預先鍍上薄銅的基板上,覆蓋光阻劑(D/F),經紫外光曝光再顯影,把需要的地方露出,然後利用電鍍把線路板上正式線路銅厚增厚到所需要的規格,再鍍上一層抗蝕刻阻劑-金屬薄錫,最後除去光阻劑(這製程稱為去膜),再把光阻劑下的銅箔層蝕刻掉。

積層法

[1] 積層法是製作多層印刷電路板的方法之一。是在製作內層後才包上外層,再把外層以減去法或加成法所處理。不斷重複積層法的動作,可以得到再多層的多層印刷電路板則為順序積層法。

內層製作

積層編成(即黏合不同的層數的動作)

積層完成(減去法的外層含金屬箔膜;加成法)

鑽孔

減去法

Panel電鍍法

全塊PCB電鍍

在表面要保留的地方加上阻絕層(resist,防以被蝕刻)

蝕刻

去除阻絕層

Pattern電鍍法

在表面不要保留的地方加上阻絕層

電鍍所需表面至一定厚度

去除阻絕層

蝕刻至不需要的金屬箔膜消失

加成法

令表面粗糙化

完全加成法(full-additive)

在不要導體的地方加上阻絕層

以無電解銅組成線路

部分加成法(semi-additive)

以無電解銅覆蓋整塊PCB

在不要導體的地方加上阻絕層

電解鍍銅

去除阻絕層

蝕刻至原在阻絕層下無電解銅消失

增層法

增層法是製作多層印刷電路板的方法之一,顧名思義是把印刷電路板一層一層的加上。每加上一層就處理至所需的形狀。

生產方式

簡介

SMT和DIP都是在PCB板上集成零件的方式,其主要區別是SMT不需要在PCB上鑽孔,在DIP需要將零件的PIN腳插入已經鑽好的孔中。

SMT(Surface Mounted Technology)

表面貼裝技術,主要利用貼裝機是將一些微小型的零件貼裝到PCB板上,其生產流程為:PCB板定位、印刷錫膏、貼裝機貼裝、過回焊爐和製成檢驗。隨著科技的發展,SMT也可以進行一些大尺寸零件的貼裝,例如主機板上可貼裝一些較大尺寸的機構零件。

SMT集成時對定位及零件的尺寸很敏感,此外錫膏的質量及印刷質量也起到關鍵作用。

DIP

DIP即「插件」,也就是在PCB版上插入零件,由於零件尺寸較大而且不適用於貼裝或者生產商生產工藝不能使用SMT技術時採用插件的形式集成零件。目前行業內有人工插件和機器人插件兩種實現方式,其主要生產流程為:貼背膠(防止錫鍍到不應有的地方)、插件、檢驗、過波峰焊、刷版(去除在過爐過程中留下的汙漬)和製成檢驗。

應用

電腦及相關產品、通訊類產品和消費電子等 3C 類產品是 PCB 主要的應用領域。根據美國消費性電子協會 (CEA) 發表的數據顯示,2011 年全球消費電子產品銷售額將達到 9,640 億美元,同比增長 10%。 2011 年的數據相當接近 1 兆美元。 CEA 表示,最大需求來自於智慧型手機與筆記本電腦,另外銷售十分顯著的產品還包括數位相機、液晶電視等產品。

智慧型手機

據 Markets and Markets 發布的最新市場研究報告顯示,全球手機市場規模將在2015 年增至 3,414 億美元,其中智慧型手機銷售收入將達到 2,589 億美元,佔整個手機市場總收入的 76%;而蘋果將以 26% 的市場份額引領全球手機市場。

iPhone 4 PCB 採用 Any Layer HDI 板,任意層高密度連接板。iPhone 4 為了在極小 PCB 的面積內,正反兩面裝入所有的晶片,採用 Any Layer HDI 板可以避開機戒鑽孔所造成的空間浪費,以及做到任一層可以導通的目的。

觸控面板

隨著 iPhone、iPad 風靡全球,捧紅多點觸控應用,預測觸控風潮將成為軟板下一波成長驅動引擎。DisplaySearch 預計 2016 年平板電腦所需觸控螢幕出貨量將高達 2.6 億片,比 2011 年上升 333%。

電腦

Gartner 分析師指出,筆記本電腦在過去五年裡是個人電腦市場的增長引擎,平均年增幅接近 40%。基於筆記本電腦需求減弱的預期,Gartner 預測,2011 年全球個人電腦出貨量將達到 3.878 億臺,2012 年將為 4.406 億臺,比 2011 年增長 13.6%。CEA 表示,2011 年,包括平板電腦在內的可移動電腦的銷售額將達到 2,200 億美元,桌上型電腦的銷售額將達到 960 億美元,使個人電腦的總銷售額達到 3,160 億美元。

iPad 2 於 2011 年 3 月 3 日正式發布,在 PCB 製程環節將採用 4 階 Any Layer HDI。蘋果 iPhone 4 和 iPad 2 採用的 Any Layer HDI 將引發行業熱潮,預計未來 Any Layer HDI 將在越來越多的高端手機、平板電腦中得到應用。

電子書

根據 DIGITIMES Research 預測,全球電子書出貨量有望在 2013 年達到 2,800 萬臺,2008 年至 2013 年複合年增長率將為 386%。分析指出,到 2013 年,全球電子書市場規模將達到 30 億美元。電子書用 PCB 板設計趨勢:一是要求層數增多;二是要求採用盲埋孔工藝;三是要求採用適合高頻信號的 PCB 基材。

數位相機

iSuppli 公司稱,隨著市場趨於飽和,2014 年數位相機產量將開始停滯不前。預計 2014 年出貨量將下降 0.6% 至 1.354 億臺,低端數位相機將遇到來自可拍照手機的強烈競爭。但該產業中的某些領域仍可實現增長,如混合型高清 (HD) 相機、未來的 3D 相機和數字單反 (DSLR) 這種比較高檔的相機。數位相機的其它增長領域包括集成 GPS 和 Wi-Fi 等功能,提高其吸引力和日常使用潛力。促使軟板市場進一步提升,實際上任何輕薄短小的電子產品對軟板的需求都很旺盛。

液晶電視

市場研究公司 DisplaySearch 預計,2011 年全球液晶電視出貨量將達到 2.15 億臺,同比增長 13%。2011 年,由於製造商逐步更換液晶電視的背光源,LED 背光模塊將逐漸成為主流,給 LED 散熱基板帶來的技術趨勢:一高散熱性,精密尺寸的散熱基板;二嚴苛的線路對位精確度,優質的金屬線路附著性;三使用黃光微影製作薄膜陶瓷散熱基板,以提高 LED 高功率。

LED 照明

DIGITIMES Research 分析師指出應白熾燈於 2012 年禁產禁售的規範,2011 年 LED 燈泡出貨量將顯著成長,產值預估將高達約 80 億美元,再加上北美、日本、韓國等國家對於 LED 照明等綠色產品實施補貼政策,及賣場、商店及工場等有較高意願置換成為 LED 照明等因素驅動下,以產值而言全球 LED 照明市場滲透率有很大機會突破 10%。於 2011 年起飛的 LED 照明,必將帶動對鋁基板的大量需求。

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