第8章 PCB的特点与基板材料 印制电路是一种附着于绝缘基材表面，用于连接电子元器件的导电图形，印制电路的成品板称为印制电路板，即PCB（Printed Circuit Board）。 早期通孔元器件组装的电子产品所用的PCB又称为插装印制板或单面板。它是将铜箔粘压在绝缘基板上，按预定设计，用印制、蚀刻、钻孔等手段制造出导体图形和元器件安装孔，构成电气互连。PCB对电路的电性能、热性能、机械强度和可靠性都起着重要作用。

Presentation on theme: "第8章 PCB的特点与基板材料 印制电路是一种附着于绝缘基材表面，用于连接电子元器件的导电图形，印制电路的成品板称为印制电路板，即PCB（Printed Circuit Board）。 早期通孔元器件组装的电子产品所用的PCB又称为插装印制板或单面板。它是将铜箔粘压在绝缘基板上，按预定设计，用印制、蚀刻、钻孔等手段制造出导体图形和元器件安装孔，构成电气互连。PCB对电路的电性能、热性能、机械强度和可靠性都起着重要作用。"— Presentation transcript:

1 第8章 PCB的特点与基板材料 印制电路是一种附着于绝缘基材表面，用于连接电子元器件的导电图形，印制电路的成品板称为印制电路板，即PCB（Printed Circuit Board）。 早期通孔元器件组装的电子产品所用的PCB又称为插装印制板或单面板。它是将铜箔粘压在绝缘基板上，按预定设计，用印制、蚀刻、钻孔等手段制造出导体图形和元器件安装孔，构成电气互连。PCB对电路的电性能、热性能、机械强度和可靠性都起着重要作用。 目前，绝大多数电子产品都是在PCB的双面插、贴装元器件。 由于SMT用的PCB与THT用的PCB在设计、材料等方面都有很多差异，为了区别，通常将专用于SMT的PCB专称为SMB。

2 表1-1 PCB在电子设备中的主要功能 序号 主 要 功 能 1 提供各种分立电子元器件及集成电路等固定、装配的机械支撑 2 实现集成电路与各种分立电子元器件之间的布线和电气连接或电绝缘 3 提供电子产品电路所要求的电气特性，如特性阻抗等 4 为电子产品大规模生产过程中自动焊接提供阻焊图形，为元件插（贴）装、检查、维修提供识别字符和图形

3 8.1.1 PCB的分类 1. 刚性印制板 刚性印制板具有一定的机械强度，用它装成的部件具有一定的抗弯能力，在使用时处于平展状态。一般电子设备中使用的都是刚性印制板。 2. 挠性印制板 挠性印制板是以软层状塑料或其他软质绝缘材料为基材而制成。它所制成的部件可以弯曲和伸缩，在使用时可根据安装要求将其弯曲。 3. 单面板(单面PCB)     单面板(单面PCB)—绝缘基板上仅一面具有导电图形的印制电路板称为单面PCB。它通常采用层压纸板和玻璃布板加工制成。单面板的导电图形比较简单，大多采用丝网漏印法制成。     双面板（双面PCB） 绝缘基板的两面都有导电图形的印制电路板称为双面PCB。它通常采用环氧纸板和玻璃布板加工制成。由于两面都有导电图形，所以一般采用金属化孔使两面的导电图形连接起来。

4   多层板（多层PCB） 多层PCB—有三层或三层以上导电图形的印制电路板。多层板内层导电图形与绝缘粘结片叠合压制而成，外层为敷箔板，经压制成为一个整体。为了将夹在绝缘基板中间的印制导线引出，多层板上安装元件的孔必需经金属化孔处理，使之与夹在绝缘基板中的印制导线连接。    1）与集成电路配合使用，可使整机小型化，减少整机重量。     2）提高了布线密度，缩小了元器件的间距，缩短了信号的传输路径。     3）减少了元器件焊接点，降低了故障率。     4）由于增设了屏蔽层，电路的信号失真减少。 5）引入了接地散热层，可减少局部过热现象，提高整机工作的可靠性。 多层PCB适用于广泛的高新技术产业，如电信、计算机、工业控制、数码产品、科教仪器、医疗器械、汽车、航空航天防御等。

5 8.1.2 PCB的特点 1）可高密度化。印制板的高密度能够随着集成电路集成度提高和安装技术进步而发展。
2）高可靠性。可保证长期可靠地工作。 3）可设计性。对PCB的各种性能（电气、物理、化学、机械等）的要求，可以通过设计标准化、规范化等来实现，时间短、效率高。 4）可生产性。可进行标准化、规模（量）化、自动化等生产。 5）可测试性。建立了比较完整的测试方法、测试标准、各种测试设备与仪器等来检测并鉴定PCB产品的合格性和使用寿命。 6）可组装性。PCB产品便于各种元器件进行标准化组装，进行自动化、规模化的批量生产。 7）可维护性。由于PCB产品和各种元件组装的部件是以标准化设计与规模化生产的，因而，这些部件也是标准化的。所以，一旦系统发生故障，可以快速、方便、灵活地进行更换，迅速恢服系统工作。

6 2.表面组装PCB（SMB）的特点 由于一些高集成度的SMD具有面积大、引脚数量多、引脚间距密，PCB布线密集的特点；因此，对于SMB来说，无论是基材的选用，还是图形的设计及制造，都提出了比通孔插装（THT）所用PCB更高的要求。 首先，对用于制造SMB的基板来说，其性能要求比插装PCB基板性能要求高得多；其次，SMB的设计、制造工艺也要复杂得多，许多高新技术是制造插装PCB根本不用的技术，如多层板、金属化孔、盲孔和埋孔等技术，但在SMT制造中却几乎全部使用，故世界上又将SMB制造能力作为PCB制造水平的标志。

7 1） 密度更高。由于有些SMD器件引脚数高达100～500条之多，引脚中心距已由1. 27mm过渡到0. 5mm，甚至0
1） 密度更高。由于有些SMD器件引脚数高达100～500条之多，引脚中心距已由1.27mm过渡到0.5mm，甚至0.3mm，因此SMB要求细线、窄间距，线宽从0.2～0.3mm缩小到0.15mm、0.1mm甚至0.05mm，2.54mm网格之间过双线已发展到过3根导线，最新技术已达到过6根导线。 2） 孔径更小。单面PCB中的过孔主要用来插装元器件，而在SMB中大多数金属化孔不再用来插装元器件，而是用来实现层与层导线之间的互连，小孔径为SMB提供更多的空间。目前SMB上的孔径为Φ0.46～Φ0.3mm，并向Φ0.2～Φ0.1mm方向发展，与此同时，出现了盲孔和埋孔技术为特征的内层中继孔。

8 3）热膨胀系数(CTE)低。由于SMD器件引脚多且短，器件本体与PCB之间的CTE不一致，由于热应力而造成器件损坏的事情经常会发生。因此要求SMD基材的CTE应尽可能低，以适应与器件的匹配性；如今，CSP、FC等芯片级的器件已用来直接贴装在SMB上，这就对SMB的CTE提出了更高的要求。 4）耐高温性能好。SMT焊接过程中，经常需要双面贴装元器件，因此要求SMB能耐两次回流焊温度，并要求SMB变形小、不起泡；二次回流前后焊盘仍有优良的可焊性，SMB表面仍有较高的光洁度。 5）平整度更高。SMB要求很高的平整度，以便SMD引脚与SMB焊盘密切配合，SMB焊盘表面涂覆层不再使用传统PCB制造时的Sn／Pb合金热风整平工艺，而是采用镀金工艺或者预热助焊剂涂覆工艺。

9 8.2 基板材料 用于PCB的基材品种大体上分为两大类，即有机类基板材料和无机类基板材料。 无机类基板主要是陶瓷板和瓷釉包覆钢基板。
8.2 基板材料 用于PCB的基材品种大体上分为两大类，即有机类基板材料和无机类基板材料。 无机类基板主要是陶瓷板和瓷釉包覆钢基板。 有机类基板材料是指用增强材料如玻璃纤维布(纤维纸、玻璃毡等)，浸以树脂黏合剂，通过烘干成坯料，然后覆上铜箔，经高温高压而制成。这类基板，称为覆铜箔层压板(CCL)，俗称覆铜板，是制造PCB的主要材料。

10 CCL的品种很多，一般按板的增强材料不同，可划分为：纸基、玻璃纤维布基、复合基（CEM系列）、积层多层板基和特殊材料基(陶瓷、金属芯基等)五大类。
若按板所采用的树脂胶黏剂不同进行分类，常见的纸基CCL有：酚醛树脂（XPC、XXXPC、FR一1、FR一2等）、环氧树脂（FE一3）、聚酯树脂等各种类型。常见的玻璃纤维布基CCL有环氧树脂（FR一4、FR一5），它是目前最广泛使用的玻璃纤维布基类型。另外还有其他特殊性树脂（以玻璃纤维布、聚基酰胺纤维、无纺布等为增加材料）：双马来酰亚胺改性三嗪树脂（BT）、聚酰亚胺树脂（PI）、二亚苯基醚树脂（PPO）、马来酸酐亚胺——苯乙烯树脂（MS）、聚氰酸酯树脂、聚烯烃树脂等。 从CCL的性能分类，又分为一般性能CCL、低介电常数CCL、高耐热性的CCL（一般板的在150℃以上）、低热膨胀系数的CCL（一般用于封装基板上）等类型。 若按基材的刚柔来分，又可分为刚性CCL和挠性CCL。

11 8.3.1玻璃化转变温度(Tg) 除了陶瓷基板外，几乎所有的层压板都含有聚合物。聚合物是由有机材料合成而来的，它的特点是在一定温度条件下，基材形态会发生变化，在这个温度之下基材是硬而脆的，即类似玻璃的形态，通常被称为玻璃态；若在这个温度之上，材料会变软，呈橡胶样形态，又称之为橡胶态或皮革态，此时它的机械强度明显变低，因此把这种决定材料性能的临界温度称为玻璃化转变温度(简称Tg)。它是选择基板的—个关键参数，这是因为在SMT焊接过程中，焊接温度通常在220℃左右，远远高于PCB基板的Tg，故PCB受高温后会出现明显的热变形，而片式元器件却是直接焊在PCB表面的，当焊接温度降低后，焊点通常在180℃就首先冷却凝固，而此时PCB温度仍高于Tg，PCB仍处于热变形状态，过一段时间后才能完全冷却，此时PCB必然会产生很大的热应力，该应力作用在已焊接完成的元器件引脚上，严重时会使元件损坏，如图1-4所示。

12 Tg高的PCB具有下列优点：钻孔加工过程中，有利于钻制微小孔，低Tg的板材钻孔时会因高速钻孔产生大量的热能，而引起板材中树脂软化以致加工困难。Tg高的PCB在较高温度环境中仍具有相对较小的CTE，与片式元器件的CTE相接近，故能保证产品可靠地工作。特别是随着FQFP、BGA、CSP等多引脚器件的问世，对PCB要求越来越高。元器件经高温焊接后，PCB的热变形会对元器件产生较高的热应力，因此，在选择电子产品的PCB基材时应适当选择Tg较高的基材。

13 图8-4 PCB热应力使元件损坏

14 8.3.2热膨胀系数(CTF) 任何材料受热后都会膨胀，热膨胀系数(CTE) 是指每单位温度变化所引发的材料尺寸的线性变化量。
高分子材料的CTE通常高于无机材料，当膨胀应力超过材料承受限度时，会对材料产生损坏。对于多层结构的PCB来说，其X、Y方向（即长、宽方向）的CTE与Z方向（厚度）的CTE存在差异性。因此当多层板受热时，Z方向中的金属化孔就会因膨胀应力的差异而受到损坏，严重时会造成金属化孔发生断裂。因为多层板是由几片单层“半固化树脂片”热压制成的，半固化树脂片则是由玻璃纤维布浸渍环氧树脂后，加热烘烤使环氧玻璃纤维布处于半固化状态，然后将半固化片逐层叠加起来，如需要做内层电路，还应按要求放置内电路铜箔，最后将叠加好的几层半固化片热压成型，冷却后再在需要的位置上钻孔并进行电镀处理，最后生成电镀通孔，称为金属化孔。金属化孔制成后，也就实现了PCB层与层之间的互连。

15 由于基板上钻孔后的孔壁几乎就是环氧树脂，它与镀铜层的结合力不会很高。一般金属化孔的孔壁仅在25μm厚左右，且铜层致密性较低，早期多层板的结构对金属化孔留下一定的隐患，即半固化片中因受玻璃纤维布的增强作用以及名层铜布线的约束，通常CTE明显减小，以环氧半固化板为例，每层的CTE为（13～15）×10-6/℃。而多层板层与层之间主要依靠环氧树脂本身的粘结力实现粘合，因此环氧树脂在没有其他材料的增强和约束下，其CTE在受热后会明显变大，通常为（50～100）×10-6／℃。半固化片层为X—Y方向，而半固化片之间则为Z方向，因此X—Y方向与Z方向的CTE存在明显的差异性。再由于金属化孔的孔壁薄，镀铜层结构又不太致密，因此PCB受热后，Z方向的热应力就会作用在金属化孔的孔壁上，对它的脆弱部分施加应力后，会导致孔壁断裂或部分断裂。

16 图8-5 热应力对金属化孔壁的作用

17 为了克服或消除上述隐患，通常采取以下一些措施：
1）凹蚀工艺，以增强金属化孔壁与多层板的结合力； 2）适当控制多层板的层数，目前主张使用8～10层，使金属孔的径深比控制在1：3左右，这是最保险的径深比，目前最常见的径深比是1：6左右； 3）使用CTE相对小的材料或者用CTE性能相反的材料叠加使用，使PCB整体的CTE减小； 4）在PCB制造工艺上，采用盲孔和埋孔技术，以达到减小径深比的目的，这是一种最理想的办法。盲孔是指表层和内部某些分层互连，无须贯穿整个基板，减小了孔的深度；埋孔则仅是内部分层之间的互连，可使孔的深度进一步减小。尽管盲孔和埋孔在制作时难度大，但却大大提高了PCB的可靠性。 采取以上措施后，有效地防止了产品在使用过程中金属化孔断裂的现象发生。

18 图8-6 盲孔和埋孔

19 8.3.3平整度与耐热性 1.平整度 由于SMT的工艺特点，目前对PCB要求很高的平整度，以使表面贴装元器件引脚与PCB焊盘密切配合。因此，PCB焊盘表面涂覆层不仅使用Sn／Pb合金热风整平工艺，而且大量采用镀金工艺或者预热助焊剂涂覆工艺，以提高其平整度。 2. 耐热性 通常SMT工艺有时需经两次回流焊接，因而经过一次高温后，仍然要求保持板间的平整度，方能保证二次贴片的可靠性；而表面贴装元器件焊盘越来越小，焊盘的粘结强度相对较小，若PCB使用的基材耐热性高，则焊盘的抗剥强度也较高，一般要求用于SMT工艺的PCB能具有250℃／50s的耐热性。

20 8.3.4电气性能与特性阻抗 1.电器性能 由于无线通信技术向高频化方向发展，对PCB的高频特性要求更加提高，特别是移动通信系统的扩增，所用的频率也由短波带（300M～1GHz）进入微波带（1～3GHz）。频率的增高会导致基材的介电常数(ε)增大。 此外，若从信号损失角度来分析，电介质材料在交变电场的作用下会因发热而消耗能量，通常用介质损耗角正切(tgδ)表示,一般情况下tgδ与ε成正比关系。 若tgδ增大，介质吸收能量增大，信号损失大；在高频下这种关系就更加明显，它直接影响高频传输信号的效率。 总之，ε和tgδ是评估PCB基材电气性能的重要参数，当电路的工作频率大于1GHz时通常要求基材的ε＜3.5，tgδ＜0.02。此外，评估基材电气性能指标的还有抗电强度、绝缘电阻，抗电弧性能等。

21 2.特性阻抗 Z0的定义。当脉动电通过导体时，除了受到电阻外，还受到感抗(XL)和容抗(XC)的阻力，电路或元件对通过其中的交流电流所产生的阻碍作用称为阻抗，而在计算机等数字通信产品中，印制线路传输的是方波信号，通常又称为脉冲信号，属于脉动交流电性质，因此传输中遭遇的阻力称为特性阻抗，简称Z0。 早期PCB的印制线，仅起到PCB层次之间的元件和部件之间的互连功能，但随着数字电子产品的高速化，例如CPU，当前主流产品均在3.0GHz左右，而今后5年的发展规划要达到10GHz。作为电子元件支撑的PCB已不再是一个简单的电气互连装置，PCB需求方也不仅满足于印制线的导通功能，而是应作为一种传输线路，需要有理想的传输特性。