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電子元器件領(lǐng)域的“航母”——印刷電路板變遷
時(shí)間:2019-05-21

印制電路板,是電子元器件電氣連接的提供者。它的發(fā)展已有100多年的歷史了;它的設計主要是版圖設計;采用電路板的主要優(yōu)點(diǎn)是大大減少布線(xiàn)和裝配的差錯,提高了自動(dòng)化水平和生產(chǎn)勞動(dòng)率。

 

印刷電路板作為重要的電子部件,是電子元器件的支撐體。由于其在電子元器件領(lǐng)域的重要作用,因此被許多人成為“電子航母”。

 

現在,通信產(chǎn)品、計算機和其他幾乎全部的電子產(chǎn)品,都使用了印刷電路。印刷電路技術(shù)的發(fā)展和完善,為改變世界面貌的發(fā)明——集成電路的問(wèn)世,創(chuàng )造了條件。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,印刷電路板被廣泛應用于軍工、通訊、醫療、電力、汽車(chē)、工業(yè)控制、智能手機、可穿戴等高新技術(shù)領(lǐng)域。

 

印刷電路的發(fā)明

 

印刷電路的發(fā)明人是奧地利的保·艾斯勒。艾斯勒是一名電氣工程師,學(xué)習過(guò)印刷技術(shù)。他在制造電路板時(shí),仿照印刷業(yè)中的制版方法先畫(huà)出電子線(xiàn)路圖,再把線(xiàn)路圖蝕刻在一層銅箔的絕緣板上,不需要的銅箔部分被蝕刻掉,只留下導通的線(xiàn)路,這樣,電子元件就通過(guò)銅箔形成的電路連接起來(lái)。1936年,艾斯勒用這種方法成功地裝配了一臺收音機。

艾斯勒的發(fā)明受到美國軍方的重視,于是印刷電路首先被使用在近發(fā)引信上。近發(fā)引信是第二次世界大戰期間美國物理學(xué)家范艾倫發(fā)明的一種無(wú)線(xiàn)電引信,它安裝在高射炮彈上,使用時(shí)發(fā)射無(wú)線(xiàn)電波,只要目標進(jìn)入殺傷范圍之內,反射的無(wú)線(xiàn)電波就能使炮彈引爆。這種引信要求把許多電子元件緊湊地安裝在體積很小的設備里,所以采用了印刷電路。盟軍使用的裝有近發(fā)引信的高射炮彈,給德國飛機以毀滅性的打擊,印刷電路從此為世人所知。

 

印刷電路的意義

 

印刷電路的好處是用不著(zhù)在電路板上一次一次地進(jìn)行焊接,免去了大量復雜的手工接線(xiàn)操作,而且能達到高精度,使電路板的生產(chǎn)效率、穩定性和利潤空間大大提高。印刷業(yè)可以將大的圖片縮小制版,印刷電路同樣也可以把電子線(xiàn)路圖縮小制版,從而為集成電路的產(chǎn)生準備了條件。今天,所有的計算機以及所有的電子產(chǎn)品,都使用了印刷電路。

 

印刷電路是把導體圖形用印制手段蝕刻或感光在一塊絕緣基板上,是使電子元件互相連接的一種電子電路。它已經(jīng)可以使用自動(dòng)繪圖儀迅速地把導體圖形直接描繪在玻璃版上制版,然后印刷出來(lái)。印刷電路使電子設備的批量生產(chǎn)變得簡(jiǎn)單易行,使電子設備性能一致,質(zhì)量穩定,結構緊湊。如果沒(méi)有印刷電路工藝,50年代以來(lái)的電子設備就不可能取得這樣大的進(jìn)展。

 

線(xiàn)路板從發(fā)明至今,其歷史60余年。歷史表明:沒(méi)有線(xiàn)路板,沒(méi)有電子線(xiàn)路,飛行、交通、原子能、計算機、宇航、通信、家電……這一切都無(wú)法實(shí)現。

 

道理是容易理解的。芯片,IC,集成電路是電子信息工業(yè)的糧食,半導體技術(shù)體現了一個(gè)國家的工業(yè)現代化水平,引導電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。而半導體(集成電路、 IC)的電氣互連和裝配必須靠線(xiàn)路板。

 

 

印刷電路板的種類(lèi)

按照線(xiàn)路板層數可分單面板、雙面板、四層板、六層板以及其他多層線(xiàn)路板。

 

  • 單面板

 

在最基本的PCB上,零件集中在其中一面,導線(xiàn)則集中在另一面上。因為導線(xiàn)只出現在其中一面,所以這種PCB叫作單面板(Single-sided)。因為單面板在設計線(xiàn)路上有許多嚴格的限制(因為只有一面,布線(xiàn)間不能交叉而必須繞獨自的路徑),所以只有早期的電路才使用這類(lèi)的板子。

 

  • 雙面板

 

這種電路板的兩面都有布線(xiàn),不過(guò)要用上兩面的導線(xiàn),必須要在兩面間有適當的電路連接才行。這種電路間的“橋梁”叫做導孔(via)。導孔是在PCB上,充滿(mǎn)或涂上金屬的小洞,它可以與兩面的導線(xiàn)相連接。因為雙面板的面積比單面板大了一倍,雙面板解決了單面板中因為布線(xiàn)交錯的難點(diǎn)(可以通過(guò)導孔通到另一面),它更適合用在比單面板更復雜的電路上。

 

  • 多層板

 

為了增加可以布線(xiàn)的面積,多層板用上了更多單或雙面的布線(xiàn)板。用一塊雙面作內層、二塊單面作外層或二塊雙面作內層、二塊單面作外層的印刷線(xiàn)路板,通過(guò)定位系統及絕緣粘結材料交替在一起且導電圖形按設計要求進(jìn)行互連的印刷線(xiàn)路板就成為四層、六層印刷電路板了,也稱(chēng)為多層印刷線(xiàn)路板。板子的層數并不代表有幾層獨立的布線(xiàn)層,在特殊情況下會(huì )加入空層來(lái)控制板厚,通常層數都是偶數,并且包含最外側的兩層。大部分的主機板都是4到8層的結構,不過(guò)技術(shù)上理論可以做到近100層的PCB板。大型的超級計算機大多使用相當多層的主機板,不過(guò)因為這類(lèi)計算機已經(jīng)可以用許多普通計算機的集群代替,超多層板已經(jīng)漸漸不被使用了。因為PCB中的各層都緊密的結合,一般不太容易看出實(shí)際數目,不過(guò)如果仔細觀(guān)察主機板,還是可以看出來(lái)。

 

多層板所用的元件多為貼片式元件,其特點(diǎn)是:

 

1、與集成電路配合使用,可使整機小型化,減少整機重量;

2、提高了布線(xiàn)密度,縮小了元器件的間距,縮短了信號的傳輸路徑;

3、減少了元器件焊接點(diǎn),降低了故障率,

4、增設了屏蔽層,電路的信號失真減少;

5、引入了接地散熱層,可減少局部過(guò)熱現象,提高整機工作的可靠性

 

印刷電路板的制作工藝過(guò)程

 

印刷電路板的制作非常復雜, 這里以四層印制板為例感受PCB是如何制造出來(lái)的。

層壓

這里需要一個(gè)新的原料叫做半固化片,是芯板與芯板(PCB層數>4),以及芯板與外層銅箔之間的粘合劑,同時(shí)也起到絕緣的作用。 

 

下層的銅箔和兩層半固化片已經(jīng)提前通過(guò)對位孔和下層的鐵板固定好位置,然后將制作好的芯板也放入對位孔中,最后依次將兩層半固化片、一層銅箔和一層承壓的鋁板覆蓋到芯板上。

將被鐵板夾住的PCB板子們放置到支架上,然后送入真空熱壓機中進(jìn)行層壓。真空熱壓機里的高溫可以融化半固化片里的環(huán)氧樹(shù)脂,在壓力下將芯板們和銅箔們固定在一起。

層壓完成后,卸掉壓制PCB的上層鐵板。然后將承壓的鋁板拿走,鋁板還起到了隔離不同PCB以及保證PCB外層銅箔光滑的責任。這時(shí)拿出來(lái)的PCB的兩面都會(huì )被一層光滑的銅箔所覆蓋。

鉆孔

要將PCB里4層毫不接觸的銅箔連接在一起,首先要鉆出上下貫通的穿孔來(lái)打通PCB,然后把孔壁金屬化來(lái)導電。

用X射線(xiàn)鉆孔機機器對內層的芯板進(jìn)行定位,機器會(huì )自動(dòng)找到并且定位芯板上的孔位,然后給PCB打上定位孔,確保接下來(lái)鉆孔時(shí)是從孔位的正中央穿過(guò)。

將一層鋁板放在打孔機機床上,然后將PCB放在上面。為了提高效率,根據PCB的層數會(huì )將1~3個(gè)相同的PCB板疊在一起進(jìn)行穿孔。最后在最上面的PCB上蓋上一層鋁板,上下兩層的鋁板是為了當鉆頭鉆進(jìn)和鉆出的時(shí)候,不會(huì )撕裂PCB上的銅箔。

在之前的層壓工序中,融化的環(huán)氧樹(shù)脂被擠壓到了PCB外面,所以需要進(jìn)行切除??磕c姶哺鶕CB正確的XY坐標對其外圍進(jìn)行切割。

孔壁的銅化學(xué)沉淀

由于幾乎所有PCB設計都是用穿孔來(lái)進(jìn)行連接的不同層的線(xiàn)路,一個(gè)好的連接需要25微米的銅膜在孔壁上。這種厚度的銅膜需要通過(guò)電鍍來(lái)實(shí)現,但是孔壁是由不導電的環(huán)氧樹(shù)脂和玻璃纖維板組成。

所以第一步就是先在孔壁上堆積一層導電物質(zhì),通過(guò)化學(xué)沉積的方式在整個(gè)PCB表面,也包括孔壁上形成1微米的銅膜。整個(gè)過(guò)程比如化學(xué)處理和清洗等都是由機器控制的。

固定PCB

清洗PCB

運送PCB

外層PCB布局轉移

接下來(lái)會(huì )將外層的PCB布局轉移到銅箔上,過(guò)程和之前的內層芯板PCB布局轉移原理差不多,都是利用影印的膠片和感光膜將PCB布局轉移到銅箔上,唯一的不同是將會(huì )采用正片做板。

內層PCB布局轉移采用的是減成法,采用的是負片做板。PCB上被固化感光膜覆蓋的為線(xiàn)路,清洗掉沒(méi)固化的感光膜,露出的銅箔被蝕刻后,PCB布局線(xiàn)路被固化的感光膜保護而留下。

外層PCB布局轉移采用的是正常法,采用正片做板。PCB上被固化的感光膜覆蓋的為非線(xiàn)路區。清洗掉沒(méi)固化的感光膜后進(jìn)行電鍍。有膜處無(wú)法電鍍,而沒(méi)有膜處,先鍍上銅后鍍上錫。退膜后進(jìn)行堿性蝕刻,最后再退錫。線(xiàn)路圖形因為被錫的保護而留在板上。

將PCB用夾子夾住,將銅電鍍上去。之前提到,為了保證孔位有足夠好的導電性,孔壁上電鍍的銅膜必須要有25微米的厚度,所以整套系統將會(huì )由電腦自動(dòng)控制,保證其精確性。

外層PCB蝕刻

接下來(lái)由一條完整的自動(dòng)化流水線(xiàn)完成蝕刻的工序。首先將PCB板上被固化的感光膜清洗掉。然后用強堿清洗掉被其覆蓋的不需要的銅箔。再用退錫液將PCB布局銅箔上的錫鍍層退除。清洗干凈后4層PCB布局就完成了。

 

 

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陜ICP備18014570號-1
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電子元器件領(lǐng)域的“航母”——印刷電路板變遷

時(shí)間:2019-05-21

印制電路板,是電子元器件電氣連接的提供者。它的發(fā)展已有100多年的歷史了;它的設計主要是版圖設計;采用電路板的主要優(yōu)點(diǎn)是大大減少布線(xiàn)和裝配的差錯,提高了自動(dòng)化水平和生產(chǎn)勞動(dòng)率。

 

印刷電路板作為重要的電子部件,是電子元器件的支撐體。由于其在電子元器件領(lǐng)域的重要作用,因此被許多人成為“電子航母”。

 

現在,通信產(chǎn)品、計算機和其他幾乎全部的電子產(chǎn)品,都使用了印刷電路。印刷電路技術(shù)的發(fā)展和完善,為改變世界面貌的發(fā)明——集成電路的問(wèn)世,創(chuàng )造了條件。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,印刷電路板被廣泛應用于軍工、通訊、醫療、電力、汽車(chē)、工業(yè)控制、智能手機、可穿戴等高新技術(shù)領(lǐng)域。

 

印刷電路的發(fā)明

 

印刷電路的發(fā)明人是奧地利的保·艾斯勒。艾斯勒是一名電氣工程師,學(xué)習過(guò)印刷技術(shù)。他在制造電路板時(shí),仿照印刷業(yè)中的制版方法先畫(huà)出電子線(xiàn)路圖,再把線(xiàn)路圖蝕刻在一層銅箔的絕緣板上,不需要的銅箔部分被蝕刻掉,只留下導通的線(xiàn)路,這樣,電子元件就通過(guò)銅箔形成的電路連接起來(lái)。1936年,艾斯勒用這種方法成功地裝配了一臺收音機。

艾斯勒的發(fā)明受到美國軍方的重視,于是印刷電路首先被使用在近發(fā)引信上。近發(fā)引信是第二次世界大戰期間美國物理學(xué)家范艾倫發(fā)明的一種無(wú)線(xiàn)電引信,它安裝在高射炮彈上,使用時(shí)發(fā)射無(wú)線(xiàn)電波,只要目標進(jìn)入殺傷范圍之內,反射的無(wú)線(xiàn)電波就能使炮彈引爆。這種引信要求把許多電子元件緊湊地安裝在體積很小的設備里,所以采用了印刷電路。盟軍使用的裝有近發(fā)引信的高射炮彈,給德國飛機以毀滅性的打擊,印刷電路從此為世人所知。

 

印刷電路的意義

 

印刷電路的好處是用不著(zhù)在電路板上一次一次地進(jìn)行焊接,免去了大量復雜的手工接線(xiàn)操作,而且能達到高精度,使電路板的生產(chǎn)效率、穩定性和利潤空間大大提高。印刷業(yè)可以將大的圖片縮小制版,印刷電路同樣也可以把電子線(xiàn)路圖縮小制版,從而為集成電路的產(chǎn)生準備了條件。今天,所有的計算機以及所有的電子產(chǎn)品,都使用了印刷電路。

 

印刷電路是把導體圖形用印制手段蝕刻或感光在一塊絕緣基板上,是使電子元件互相連接的一種電子電路。它已經(jīng)可以使用自動(dòng)繪圖儀迅速地把導體圖形直接描繪在玻璃版上制版,然后印刷出來(lái)。印刷電路使電子設備的批量生產(chǎn)變得簡(jiǎn)單易行,使電子設備性能一致,質(zhì)量穩定,結構緊湊。如果沒(méi)有印刷電路工藝,50年代以來(lái)的電子設備就不可能取得這樣大的進(jìn)展。

 

線(xiàn)路板從發(fā)明至今,其歷史60余年。歷史表明:沒(méi)有線(xiàn)路板,沒(méi)有電子線(xiàn)路,飛行、交通、原子能、計算機、宇航、通信、家電……這一切都無(wú)法實(shí)現。

 

道理是容易理解的。芯片,IC,集成電路是電子信息工業(yè)的糧食,半導體技術(shù)體現了一個(gè)國家的工業(yè)現代化水平,引導電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。而半導體(集成電路、 IC)的電氣互連和裝配必須靠線(xiàn)路板。

 

 

印刷電路板的種類(lèi)

按照線(xiàn)路板層數可分單面板、雙面板、四層板、六層板以及其他多層線(xiàn)路板。

 

  • 單面板

 

在最基本的PCB上,零件集中在其中一面,導線(xiàn)則集中在另一面上。因為導線(xiàn)只出現在其中一面,所以這種PCB叫作單面板(Single-sided)。因為單面板在設計線(xiàn)路上有許多嚴格的限制(因為只有一面,布線(xiàn)間不能交叉而必須繞獨自的路徑),所以只有早期的電路才使用這類(lèi)的板子。

 

  • 雙面板

 

這種電路板的兩面都有布線(xiàn),不過(guò)要用上兩面的導線(xiàn),必須要在兩面間有適當的電路連接才行。這種電路間的“橋梁”叫做導孔(via)。導孔是在PCB上,充滿(mǎn)或涂上金屬的小洞,它可以與兩面的導線(xiàn)相連接。因為雙面板的面積比單面板大了一倍,雙面板解決了單面板中因為布線(xiàn)交錯的難點(diǎn)(可以通過(guò)導孔通到另一面),它更適合用在比單面板更復雜的電路上。

 

  • 多層板

 

為了增加可以布線(xiàn)的面積,多層板用上了更多單或雙面的布線(xiàn)板。用一塊雙面作內層、二塊單面作外層或二塊雙面作內層、二塊單面作外層的印刷線(xiàn)路板,通過(guò)定位系統及絕緣粘結材料交替在一起且導電圖形按設計要求進(jìn)行互連的印刷線(xiàn)路板就成為四層、六層印刷電路板了,也稱(chēng)為多層印刷線(xiàn)路板。板子的層數并不代表有幾層獨立的布線(xiàn)層,在特殊情況下會(huì )加入空層來(lái)控制板厚,通常層數都是偶數,并且包含最外側的兩層。大部分的主機板都是4到8層的結構,不過(guò)技術(shù)上理論可以做到近100層的PCB板。大型的超級計算機大多使用相當多層的主機板,不過(guò)因為這類(lèi)計算機已經(jīng)可以用許多普通計算機的集群代替,超多層板已經(jīng)漸漸不被使用了。因為PCB中的各層都緊密的結合,一般不太容易看出實(shí)際數目,不過(guò)如果仔細觀(guān)察主機板,還是可以看出來(lái)。

 

多層板所用的元件多為貼片式元件,其特點(diǎn)是:

 

1、與集成電路配合使用,可使整機小型化,減少整機重量;

2、提高了布線(xiàn)密度,縮小了元器件的間距,縮短了信號的傳輸路徑;

3、減少了元器件焊接點(diǎn),降低了故障率,

4、增設了屏蔽層,電路的信號失真減少;

5、引入了接地散熱層,可減少局部過(guò)熱現象,提高整機工作的可靠性

 

印刷電路板的制作工藝過(guò)程

 

印刷電路板的制作非常復雜, 這里以四層印制板為例感受PCB是如何制造出來(lái)的。

層壓

這里需要一個(gè)新的原料叫做半固化片,是芯板與芯板(PCB層數>4),以及芯板與外層銅箔之間的粘合劑,同時(shí)也起到絕緣的作用。 

 

下層的銅箔和兩層半固化片已經(jīng)提前通過(guò)對位孔和下層的鐵板固定好位置,然后將制作好的芯板也放入對位孔中,最后依次將兩層半固化片、一層銅箔和一層承壓的鋁板覆蓋到芯板上。

將被鐵板夾住的PCB板子們放置到支架上,然后送入真空熱壓機中進(jìn)行層壓。真空熱壓機里的高溫可以融化半固化片里的環(huán)氧樹(shù)脂,在壓力下將芯板們和銅箔們固定在一起。

層壓完成后,卸掉壓制PCB的上層鐵板。然后將承壓的鋁板拿走,鋁板還起到了隔離不同PCB以及保證PCB外層銅箔光滑的責任。這時(shí)拿出來(lái)的PCB的兩面都會(huì )被一層光滑的銅箔所覆蓋。

鉆孔

要將PCB里4層毫不接觸的銅箔連接在一起,首先要鉆出上下貫通的穿孔來(lái)打通PCB,然后把孔壁金屬化來(lái)導電。

用X射線(xiàn)鉆孔機機器對內層的芯板進(jìn)行定位,機器會(huì )自動(dòng)找到并且定位芯板上的孔位,然后給PCB打上定位孔,確保接下來(lái)鉆孔時(shí)是從孔位的正中央穿過(guò)。

將一層鋁板放在打孔機機床上,然后將PCB放在上面。為了提高效率,根據PCB的層數會(huì )將1~3個(gè)相同的PCB板疊在一起進(jìn)行穿孔。最后在最上面的PCB上蓋上一層鋁板,上下兩層的鋁板是為了當鉆頭鉆進(jìn)和鉆出的時(shí)候,不會(huì )撕裂PCB上的銅箔。

在之前的層壓工序中,融化的環(huán)氧樹(shù)脂被擠壓到了PCB外面,所以需要進(jìn)行切除??磕c姶哺鶕CB正確的XY坐標對其外圍進(jìn)行切割。

孔壁的銅化學(xué)沉淀

由于幾乎所有PCB設計都是用穿孔來(lái)進(jìn)行連接的不同層的線(xiàn)路,一個(gè)好的連接需要25微米的銅膜在孔壁上。這種厚度的銅膜需要通過(guò)電鍍來(lái)實(shí)現,但是孔壁是由不導電的環(huán)氧樹(shù)脂和玻璃纖維板組成。

所以第一步就是先在孔壁上堆積一層導電物質(zhì),通過(guò)化學(xué)沉積的方式在整個(gè)PCB表面,也包括孔壁上形成1微米的銅膜。整個(gè)過(guò)程比如化學(xué)處理和清洗等都是由機器控制的。

固定PCB

清洗PCB

運送PCB

外層PCB布局轉移

接下來(lái)會(huì )將外層的PCB布局轉移到銅箔上,過(guò)程和之前的內層芯板PCB布局轉移原理差不多,都是利用影印的膠片和感光膜將PCB布局轉移到銅箔上,唯一的不同是將會(huì )采用正片做板。

內層PCB布局轉移采用的是減成法,采用的是負片做板。PCB上被固化感光膜覆蓋的為線(xiàn)路,清洗掉沒(méi)固化的感光膜,露出的銅箔被蝕刻后,PCB布局線(xiàn)路被固化的感光膜保護而留下。

外層PCB布局轉移采用的是正常法,采用正片做板。PCB上被固化的感光膜覆蓋的為非線(xiàn)路區。清洗掉沒(méi)固化的感光膜后進(jìn)行電鍍。有膜處無(wú)法電鍍,而沒(méi)有膜處,先鍍上銅后鍍上錫。退膜后進(jìn)行堿性蝕刻,最后再退錫。線(xiàn)路圖形因為被錫的保護而留在板上。

將PCB用夾子夾住,將銅電鍍上去。之前提到,為了保證孔位有足夠好的導電性,孔壁上電鍍的銅膜必須要有25微米的厚度,所以整套系統將會(huì )由電腦自動(dòng)控制,保證其精確性。

外層PCB蝕刻

接下來(lái)由一條完整的自動(dòng)化流水線(xiàn)完成蝕刻的工序。首先將PCB板上被固化的感光膜清洗掉。然后用強堿清洗掉被其覆蓋的不需要的銅箔。再用退錫液將PCB布局銅箔上的錫鍍層退除。清洗干凈后4層PCB布局就完成了。

 

 

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