PCB技术相关知识 一、FR4基板材料 二、PCB制程.

Presentation on theme: "PCB技术相关知识 一、FR4基板材料 二、PCB制程."— Presentation transcript:

1 PCB技术相关知识 一、FR4基板材料 二、PCB制程

2 一、FR4基板材料 1、 FR4材料一般分为几个等级？ 一般可以分5个等级 ：
〈1〉.FR-4 A1级覆铜板 此级主要应用于军工、通讯、电脑、数字电路、工业仪器仪表、汽车电路等电子产品。该系列产品之质量完全达到世界一流水平，性能最佳的产品。 〈2〉.FR-4 A2级覆铜板 此级主要用于普通电脑、仪器仪表、高级家电产品及一般的电子产品。此系列覆铜板应用广泛，各项性能指标都能满足一般工业用电子产品的需要。有很好的价格性能比。能使客户有效地提高价格竞争力。 〈3〉.FR-4 A3 级覆铜板 此级覆铜板是某些公司专门为家电行业、电脑周边产品及普通电子产品（如玩具，计算器，游戏机等）开发生产的FR－4产品。其特点在于性能满足要求的前提下，价格极具竞争优势。 〈4〉.FR-4 AB 级覆铜板 此级别板材属某些公司独有的低档产品。但各项性能指标仍可满足普通的家电、电脑及一般的电子产品的需要，其价格最具竞争性，性能价格比也相当出色。 〈 5〉.FR-4 B级覆铜板 此等级的板材属某些公司的次级品板材，质量稳定性较差，不适用于面积较大的线路板产品，一般适用尺寸100mmX200mm的产品。它的价格最为低廉，但客户应注意选择使用。

3 ２、基材常用材质及其差异，ＰＣＢ厂家一般选用哪种？
基材常用材质一般为：环氧玻璃纤维布基板。 3、  PCB要符合ROSH要求，材料上要做哪些变化，为什么？ 组成产品的材料所含的环境管理物质在一定范围内，减少危害物质对人类造成伤害。 4、  符合ROSH要求PCB的TG参数至少多少？非ROSH的PCB呢？ 与TG没有必然的关系，只是与树脂的成分有关，决定了符合ROSH还是非ROSH制程。 5、PCB上常用的基板（core）有含铜和不含铜两类，二者有何区别？ 基板（core）含铜指基板（core）厚度包括铜的厚度，基板（core）不含铜指基板 （core）厚度不包括铜的厚度

4 6、R4 PCB上常用的基板和PP有哪些？有什么性能特点，如厚度，介电常数？ 常用的主要是环氧树脂及玻璃纤维布，PP及所对应性能指标有：
#106 #1080 #2116 #1500 #7628 厚度（MM） 0.038 0.051 0.102 0.150 0.173 重量（G/M2） 24.7 48.5 109 164 203 密度（根/英寸） 56*56 60*47 60*58 49*42 44*32 使用纱 D900-1/0 D450-1/0 E225-1/0 E113-1/0 G75-1/0 玻璃纤维布号 项目 一般的FR4材料的PCB板中内层信号的传输速度为180ps/inch(1inch=1000mil=2.54cm)。表层一般要视情况而定，一般介于140与170之间，环氧树脂－玻璃（FR4）介电常数 。相对空气的介电常数是 。这个介电常数是会随温度变化的，在0-70度的温度范围内，其最大变化范围可以达到20%。介电常数的变化会导致线路延时10%的变化，温度越高，延时越大。介电常数还会随信号频率变化，频率越高介电常数越小。100M以下可以用4.5计算板间电容以及延时。介电常数（Dk, ε，Er）决定了电信号在该介质中传播的速度。介电常数越低，信号传送速度越快。我们作个形象的比喻，就好想你在海滩上跑步，水深淹没了你的脚踝，水的粘度就是介电常数，水越粘，代表介电常数越高，你跑的也越慢

5 二、PCB制程 1、PCB工艺流程分为哪些？以多层板为例较详细介绍,PCB必须做哪些要测试？PCB加工难点有哪些？两层PCB与四层PCB生产有何不同？ （1）多层板制程工艺流程：开料→内层干膜→压板→钻孔→沉铜→外层干膜→图形电镀（全板镀金）→蚀刻→阻焊→字符→表面处理（喷锡、沉金、金手指）→外型加工→电测→FQC（OSP、沉银、沉锡）→FQA→包装→成品仓 各流程的作用： 开料：根据客户的拼版及结合我司的生产设备及工艺能力把大料裁剪成适合生产的小料。   内层干膜：铜板表面经过清洁及粗化处理后，涂上感光油墨，经过菲林对位暴光，再经显影后露出图形，经蚀刻，形成线路，最后去除线路感光油，形成我们需要的线路。 压板：压板的工艺原理是利用半固化片从B-stage向C-stage的转换过程,将各线路层粘结成一体 钻孔：用于元件安装及层间经孔金属化后层间的导通。

6 沉铜：使孔壁上之非导体部份之树脂及玻纤束进行金属化( metalization ), 以进行后来之电镀铜制程,完成足够导电及焊接之金属孔壁。
外层干膜：经钻孔及通孔电镀后, 内外层已连通, 本制程制作外层线路, 以达电性的完整. 图形电镀/蚀刻：线路上镀上加厚铜，并加铅锡保护，然后蚀刻呈现出线路来. 全板镀金：跟图形电镀一样，只是在线路加镀镍金层，蚀刻后呈现出线路，但同时又是最终的表面处理工艺。 阻焊:a、留出板上待焊的通孔及其pad，将所有线路及铜面都覆盖住，防止波焊时造成的短路，并节省焊锡之用量。 b、防止湿气及各种电解质的侵害使线路氧化而危害电气性质，并防止外来的机械伤害，以维持板面良好的绝缘。 c、由于板子越来越薄，线宽距越来越细，故导体间的绝缘问题日形突显，也增加防焊漆绝缘性质的重要性。

7 字 符： 在板面上印刷出标识字符，便于元件的安装及维修。
表面处理： 保护铜面便于焊接，同时保证表观满足要求。 外型加工：为了满足客户所要求的线路板规格尺寸，通过各种设备和MI指示（客户要求）对整PNL线路板进行加工成形 电 测：测试指通断测试，有飞针型，泛用型，专用型三种。

8 （2） PCB 测试：可焊性测试 、可靠性测试、 镀层结合力测试、孔壁粗糙度、阻焊结合力、开短路测试、孔铜及表面处理镀层厚度测量。
两层PCB与四层PCB生产有何不同：主要区别是四层增加内层及压合工艺。

9 2、电沉积锡铅（热熔）、  G  金手指镀金、N  金手指镀镍、NB  铜锡扩散阻挡镍、 IG  浸金等，这些又是什么工艺？
电沉积锡铅一般为通过将液体加热到锡铅合金熔点以上，使锡铅合金镀层熔融的方 法，常用的有甘油、聚甘油，聚乙醇等，其余为表面处理工艺。

10 3、表面工艺：金板、锡板、OSP、无铅锡、沉银。这些工艺有什么不一样？有什么优点和缺点，分别适合那些场合？
（1） 都为表面处理工艺，金板分为：电镍金，沉镍金; A：电镀镍金是PCB表面处理工艺的鼻祖，自从PCB出现它就出现，以后慢慢演化为其他 方式。它是在PCB表面导体先镀上一层镍后再镀上一层金，镀镍主要是防止金和铜间的 扩散，现在的电镀镍金有两类：镀软金（纯金，金表面看起来不亮）和镀硬金（表面平 滑和硬，耐磨，含有钴等其他元素，金表面看起来较光亮）。软金主要用于芯片封装时 打金线；硬金主要用在非焊接处的电性互连,金厚一般在1-2微英寸，镍厚100微英寸以 上,原理如下:（转下页）

11 镀镍机理： 阴极： Ni2+ +2e → Ni  j。Ni2 + /Ni= -.25V 2H + +2e → H j。 H + /H2=0.0 V 阳极: Ni e → Ni2+ 4OH-- 4e → 2H2O+O j。 O2/OH-=0.40V 因为要阳极面积足够大,使阳极溶解过程正常 进行,析氧作用就很难进行,当阳极钝化时,才会有O2生成进一步与Ni反应: 2Ni+3[O] Ni2O3 此时 电流会下降,需尽快调整镀液。 镀金机理： 阳极： 4OH-- 4e → O2+2H2O Au(CN) 2- + e → Au+2CN- 阴极: 2H+ + 2e → H2

12 B：化学镀镍/浸金是在铜面上包裹一层厚厚的、电性良好的镍金合金，这可以长期 保护PCB；另外它也具有其它表面处理工艺所不具备的对环境的忍耐性。镀镍的原因是由 于金和铜间会相互扩散，而镍层能够阻止金和铜间的扩散；如果没有镍层，金将会在数 小时内扩散到铜中去，金厚一般在2-3微英寸，镍厚100微英寸以上反应机理如下： 催化→ 化学镀镍 → 浸金 ①催化(活化) 作用：为化学镍提供催化晶体 反应式：Pd2++Cu → Pd+Cu2+

13 ②化学镍 作用：在钯的催化作用下，Ni2+在NaH2PO2的还原条件下沉积在裸铜表面。当镍沉积覆盖钯催化晶体时，自催化反应将继续进行，直至达到所需之镍层厚度。 化学反应： Ni2+ +2H2PO2- +2H2O → Ni +2HPO32-+4H++H2 副 反 应： 4H2PO2- → 2HPO32-+2P+2H2O+H2 反应机理：H2PO2- +H2O → HPO32-+H++2H Ni2++2H → Ni+2H+ H2PO2-+H → OH-+P+H2O H2PO2- + H2O → HPO32-+H++H2 ③浸金 作用：是指在活性镍表面通过化学置换反应沉积薄金。 化学反应：2Au++Ni → 2Au+Ni2+

14 （2）锡板：分为有铅（热风整平）、浸锡、无铅。
A：热风整平：是在PCB表面涂覆熔融锡铅焊料并用加热压缩空气整（吹）平 的工艺，使其形成一层既抗铜氧化，又可提供良好的可焊性的涂覆层。热风整平 时焊料和铜在结合处形成铜锡金属间化合物，PCB进行热风整平时要浸在熔融的 焊料中；风刀在焊料凝固之前吹平液态的焊料；风刀能够将铜面上焊料的弯月状 最小化和阻止焊料桥接，镀层厚度为40微英寸以上，其优点如下：（转下页）

15 a.热风整平后，焊料涂层的组成始终保持不变，这样焊料涂层一致性好，可焊性优良。而电镀所得铅一锡合金涂层，则随着镀液中组分的变化，组成(铅锡比例)发生变化。
b.无论是红外线热熔工艺还是热油热熔工艺都不能百分之百保护导线的侧边缘。热风整平的焊料涂层能完全覆盖导线侧边缘，避免印制板上的腐蚀断线，延长了印制板的贮存和使用时间，提高了整机电子产品的可靠性。热风整平现在广泛地应用于SMT工艺。 c.通过调整风刀角度，印制板上升速度等工艺参数，能够控制涂层厚度获得所需要的焊料涂层厚度，比热熔方便、灵活。 d.用图形电镀蚀刻生产的印制板，进行波峰焊接时，由于导线上有铅锡合金，容易发生桥接。同理，铅锡合金的流动使阻焊膜起皱和起翘。而用热风整平工艺生产出来的印制板，导线无焊料，即消灭了焊料桥接、阻碍膜起皱和脱落等现象。

16 B、热风整平的缺点： a.铜对焊料槽的污染。在热风整平时，印制板要浸入焊料槽数秒钟，造成铜的溶解。当铜的浓度达到0．29％以上，焊料的流动性变差，涂覆的焊料层呈半润湿状态，印制板的可焊性下降。 解决办法如下。根据铜在铅一锡合金中溶解度，每天先让焊料槽升温至280～290℃，充分熔化合金，碳化松香，用不锈钢网去除碳碎片。再将焊料槽温度降至191℃左右，让绝大多数铜形成铜一锡合金，用不锈钢去除沉降到槽底和悬浮于焊料表面的合金渣，最后补充焊料升温至230～250℃。若生产量小，可每周、每月、每季、每半年或每年作一次处理。 b.焊料涂层中，铅是重金属元素，对人体有害，污染环境。现在已生产出一些无铅的焊料出售，替代铅一锡合金，用于生产。 c.生产成本高。一台进口的较好的热风整平机，售价约三十多万美元，因而其生产成本高于热熔工艺。 d.热风整平的热冲击大，容易使印制板板材变形、起翘。热应力大。

17 C、浸锡工艺可以形成平坦的铜锡金属间化合物，这个特性使得浸锡具有和 热风整平一样的好的可焊性而没有热风整平令人头痛的平坦性问题；浸锡也没 有化学镀镍/浸金金属间的扩散问题——铜锡金属间化合物能够稳固的结合在一 起镀层厚度一般在 UM，化学沉锡机理是通过改变铜离子的化学电位使镀 液中的亚锡离子发生学置换反应,.被还原的锡金属沉积在基板铜的表面上形成 锡镀层,且其浸锡镀层上吸附的金属络合物对锡络合物对锡离子还原为金属锡起 催化作用,以使锡离子继续还原成锡,确保化学沉锡镀层之厚度。 D、有铅焊料一般为锡铅合金，无铅制程主要为银、镍、锡组成焊料，与有 铅主要是焊料组分温度及助焊剂方面区别，工艺流程基本一样，表观没有有铅 光亮, 镀层厚度在40微英寸以上。

18 (3)、OSP：有机涂覆工艺可以用在低技术含量的PCB，也可以用在高技术含量的PCB上，如单面电视机用PCB、高密度芯片封装用板。对于BGA方面，有机涂覆应用也较多。PCB如果没有表面连接功能性要求或者储存期的限定，有机涂覆将是最理想的表面处理工艺，其膜厚控制在 um，OSP有三大类的材料：松香类（Rosin），活性树脂类（Active Resin）和唑类（Azole）。目前使用最广的是唑类OSP。唑类OSP已经经过了约5代的改善，这五代分别名为BTA，IA，BIA，SBA和最新的APA。 成膜前的水洗最好采有DI水，以防成膜液遭到污染。成膜后的水洗也最好采有DI水，且PH值应控制在 之间，以防膜层遭到污染及破坏。OSP工艺的关键是控制好防氧化膜的厚度。膜太薄，耐热冲击能力差，一般控制膜厚在 um之间比较合适。 OSP工艺的缺点：。OSP工艺的不足之处是所形成的保护膜极薄，易于划伤（或擦伤），必须精心操作和运放。同时，经过多次高温焊接过程的OSP膜（指未焊接的连接盘上OSP膜）会发生变色或裂缝，影响可焊性和可靠性。锡膏印刷工艺要掌握得好，因为印刷不良的板不能使用IPA等进行清洗，会损害OSP层。透明和非金属的OSP层厚度也不容易测量，透明性对涂层的覆盖面程度也不容易看出，以供应商这些方面的质量稳定性较难评估；OSP技术在焊盘的Cu和焊料的Sn之间没有其它材料的IMC隔离，在无铅技术中，含Sn量高的焊点中的SnCu增长很快，影响焊点的可靠性。

19 （4）沉银：比化学镀镍/浸金便宜，如果PCB有连接功能性要求和需要降低成 本，浸银是一个好的选择；加上浸银良好的平坦度和接触性，那就更应该选 择浸银工艺。在通信产品、汽车、电脑外设方面浸银应用的很多，在高速信 号设计方面浸银也有所应用。由于浸银具有其它表面处理所无法匹敌的良好 电性能，它也可用在高频信号中。EMS推荐使用浸银工艺是因为它易于组装和 具有较好的可检查性，其厚度一般为 um,化学沉银是一个置换反应， 机理为： Ag+ + CU → Ag + CU2+ 银的标准电位为0.8V，铜的标准电位 为0.34V，所以银离子可以自发沉积在铜面上，但要得到好的镀层，需要其他 的添加剂。

20 4、PCB质量和厚度会不会影响散热效果 影响散热效果主要为电路设计问题，设计决定散热问题。 5、板子变形及暴板的主要原因 （1）板子变形： A：设计问题：如单面线路，线路分布不均都会导致。 B：板子内应力过大：如烘板不够，加工过程中存储的应力（裁剪，成型） （2）暴板： A：设计孔过密，钻孔后层间松动。 B：层间微观粗糙镀不够，导致结合不够。 C：板子受制程环境及存储环境影响汲湿。 6、厚一般有哪几种规格，PCB厂家推荐是哪种，铜是什么样的铜？完成后的厚度如何计算？ 铜厚有HOZ、1OZ、2OZ、3OZ，一般产品用HOZ，像汽车板，航天，军事、通讯一般用1OZ以上铜厚，保证其可靠性，铜为电解铜，纯度达99.9%以上，完成后的厚度切片读取其厚度，基材到表铜的厚度。

21 7、孔壁铜厚对PCB可靠性的影响？如铜厚最少要有多厚，才能经受回流焊，波峰焊，使用过程中的冷热冲击？作为PCB的接受方，如何去评估一块PCB？
按IPC6010标准去评估其可靠性。 8、过孔PAD距开窗PAD的最小间距是多少比较合适？要使SMT  PAD间做出绿油桥，开窗焊盘最小间距需要多少？挡油点是指什么？ a. 过孔PAD距开窗PAD的最小间距大于等于4MIL； b.要使SMT  PAD间做出绿油桥，开窗焊盘最小间距需要7.5MIL； c.挡油点就在孔中心加一个不下油区域。 9、金手指金镍的常规厚度是多少？是否有金手指PCB板，整板PCB表面处理为化金（包括手指位），即手指位不需要另外镀金？ a. 金手指金镍的常规厚度镍2.54UM，金厚为 UM。 b.有，整板进行化镍金，假如是用在插拨较频繁的话最好再在化金基础上镀厚硬金，满足耐磨的效果。

22 10、关于防火等级标识的内容 可燃性UL94等级是应用最广泛的塑料材料可燃性能标准。它用来评价材料在被点燃后熄灭的能力。根据燃烧速度、燃烧时间、抗滴能力以及滴珠是否燃烧可有多种评判方法 塑料阻燃等级由HB，V-2，V-1向V-0逐级递增： HB：UL94标准中最底的阻燃等级。要求对于3到13 毫米厚的样品，燃烧速度小于40毫米每分钟；小于3毫米厚的样品，燃烧速度小于70毫米每分钟；或者在100毫米的标志前熄灭。 V-2：对样品进行两次10秒的燃烧测试后，火焰在60秒内熄灭。可以有燃烧物掉下。 V-1：对样品进行两次10秒的燃烧测试后，火焰在60秒内熄灭。不能有燃烧物掉下。 V-0：对样品进行两次10秒的燃烧测试后，火焰在30秒内熄灭。不能有燃烧物掉下。

23 11、关于喷锡板,开窗面会存在堵锡的现象吗？ a.      塞孔板单面开窗会堵锡 b.     非塞孔板孔径小于等于0.3MM单面开窗会赌锡 12、为什么有时候加工出来的PCB和GERBER文件对不上？ 这主要设计到制程中实际问题，一个是设备问题，一个是环境的影响，我们要使做出来的产品能满足要求，在生产过程中，要设置补偿来减小设备及环境带来的影响。

24 13、如何避免微带线和差分线特性阻抗的理论值和实测值的差异？
微带线与线宽、铜厚、介电层厚和板料的介电常数有关，线宽减小，阻抗增大；铜厚减小，阻抗也增大；介电层减小，则阻抗也减小；介电常数减少，则阻抗增大；这四个因素哪个影响阻抗大，则看他们的变化率大小。 常见微带线设计 微带线(通常在25歐姆和70歐姆之間) 线粗 阻抗要求 5mil /-10%ohms 7mil /-10%ohms 18mil /-10%ohms 差分线特性阻抗 •差动阻抗的影响因素与单线阻抗相同外，还有一个很重要的因素就是线隙的影响非常大，有时可能是最大的影响。一般来说线底宽度减小，线隙增大，所以PE设计阻抗线通常以线底为准，但线路侧蚀过大，也会有一些影响，其原理与线宽减小相同。 差分线阻抗设计 常见双线阻抗设计 线粗 线隙 阻抗要求 5mil mil /-10%ohms 4mil mil /-10%ohms