PCB的前世今生

只看该作者 · 2023-2-13 16:38

本帖最后由 blust5 于 2023-2-13 17:37 编辑

PCB是什么呢？印刷电路板，或者叫印制电路板，是将电路的路线印刷到一块板子上从而做出来的一种产品。

在PCB出现之前，电子元器件之间，直接用导线连接，元件使用量大的设备，排线常常错乱不堪，还有着很大安全隐患，容易出错。

直到1936年，一个叫保罗·爱斯勒的奥地利人，在他的收音机里，第一次创造性地使用了印刷电路板。1943年，美国人多将该技术运用于军用收音机，1948年，美国正式认可此发明可用于商业用途。自20世纪50年代中期起，印刷线路板才开始被广泛运用。印刷电路板几乎会出现在每一种电子设备当中。如果在某样设备中有电子零件，那么它们也都是镶在大小各异的PCB上。PCB的主要功能是使各种电子零组件形成预定电路的连接，起中继传输的作用，是电子产品的关键电子互连件，有“电子产品之母”之称。

PCB由三部分组成：绝缘底板、连接导线、焊盘，三位一体，将导电线路和绝缘底板合二为一承载电子器件。

它的出现摒弃了传统的复杂布线，缩减了电子器件间的连接、焊接工作量；而且缩小了整机体积，降低制作成本，提高了设备的质量和可靠性。

那么，PCB板都有哪些分类呢？
按照基板材质分类，有酚醛PCB纸基板、复合PCB基板、玻纤PCB基板、金属基板以及积层法多层板。
酚醛PCB纸基板由纸浆木浆等组成，因此有时候也成为纸板、V0板、阻燃板以及94HB等，主要材料是木浆纤维纸，经过酚醛树脂加压并合成的一种PCB。酚醛纸基板常见的有XPC、FR-1、FR-2、FE-3等，而94V0属于阻燃纸板，是防火的。

复合PCB基板以木浆纤维纸或棉浆纤维纸为增强材料，同时辅以玻璃纤维布作表层增强材料，两种材料用阻燃环氧树脂制作而成。有单面半玻纤22F、CEM-1以及双面半玻纤板CEM-3等，其中CEM-1和CEM-3这两中是目前最常见的复合基覆铜板。
玻纤PCB基板有时候也称为环氧板、玻纤板、 FR4、纤维板等，它是以环氧树脂作粘合剂，同时用玻璃纤维布作增强材料。这种电路板工作温度较高，受环境影响很小、在双面PCB经常用这种板。但是价格相对复合PCB基板价格贵，常用厚度1.6MM。这种基板适合于各种电源板、高层线路板，在计算机及外围设备、通讯设备等应用广泛。

我们最常用的基板材质就是FR-4环氧板，而铝基板（金属基板）常用来做LED灯珠的基板，以增加其散热性能。

按照层数分类，可以分为单层板、双层板和多层板。
单层板是只有一面有导线，零件集中在其中一面，导线则集中在另一面上（有贴片元件时和导线为同一面，插件器件在另一面）。因为导线只出现在其中一面，所以这种PCB叫作单面板（Single-sided）。因为单面板在设计线路上有许多严格的限制（因为只有一面，布线间不能交叉而必须绕独自的路径），所以只有早期的电路和特别简单的方案才使用这类的板子。

双面板（Double-Sided Boards）：这种电路板的两面都有布线，不过要用上两面的导线，必须要在两面间有适当的电路连接才行。这种电路间的“桥梁”叫做导孔（via）。导孔是在PCB上，充满或涂上金属的小洞，它可以与两面的导线相连接。因为双面板的面积比单面板大了一倍，双面板解决了单面板中因为布线交错的难点（可以通过孔导通到另一面），它更适合用在比单面板更复杂的电路上。

多层板（Multi-Layer Boards）：为了增加可以布线的面积，多层板用上了更多单或双面的布线板。用一块双面作内层、二块单面作外层或二块双面作内层、二块单面作外层的印刷线路板，通过定位系统及绝缘粘结材料交替在一起且导电图形按设计要求进行互连的印刷线路板就成为四层、六层印刷电路板了，也称为多层印刷线路板。
板子的层数并不代表有几层独立的布线层，在特殊情况下会加入空层来控制板厚，通常层数都是偶数，并且包含最外侧的两层。大部分的主机板都是4到8层的结构，不过技术上理论可以做到近100层的PCB板。

按照基板软硬强度分类，可以分为刚性电路板、柔性电路板和软硬结合板。
刚性电路板是有强度的，在不进行破坏性操作的情况下是不可弯曲的。刚性PCB的常见厚度有0.2mm，0.4mm，0.6mm，0.8mm，1.0mm，1.2mm，1.6mm，2.0mm等。刚性电路板的常用材料就是上面介绍的酚醛纸基板、复合基板、FR-4、铝基板等。

柔性电路板是可以弯曲的，弯曲并不会破坏电路板的功能。柔性PCB的常见厚度为0.2mm﹐要焊零件的地方会在其背后加上加厚层﹐加厚层的厚度0.2mm﹐0.4mm不等。柔性PCB的材料常见的包括﹕聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜、氟化乙丙烯薄膜。

软硬结合板，顾名思义，就是刚性和柔性电路板组合在一起的设计。通常是将板与板之间的排线连接设计为柔性板，用来连接不同模块的PCB板而不强制限定其相对位置，在装配时更加灵活。

说完了PCB板，下面来说一下PCB钢网。PCB钢网是在SMT加工中用于锡膏印刷的工具，它辅助进行更精准的锡膏印刷。

我们先从设计开始时来了解PCB钢网的情况。
其实在一开始设计PCB文件时，就已经有钢网信息了。我们知道，一个PCB文件是具有不同的分层的，包括丝印层、信号层、阻焊层、机械层、禁止布线层等等。其中Top paste和Bottom paste是顶层、底层的钢网层，其内容是和贴片焊盘同样大小的，并且一般不包括插件器件的焊盘。

PCB制造厂家在拿到PCB设计文件之后，会将钢网层信息提取出来，制造出钢网，用来进行SMT加工之前的锡膏印刷。

那么钢网有哪些种类呢？
根据制造工艺可以分为：AI钢网、激光钢网、FG钢网、蚀刻钢网、阶梯钢网、电铸钢网、纳米钢网、电抛光钢网。

AI钢网有两种产品：SMT钢网、SMT胶网，两种钢网除材料不一样外其他如使用方法和功能一样，厂家可以根据自身的喜好选择AI网；此网在SMT中主要用于先AI后SMT的工艺，可以取代点胶机；由于印刷速度远快于点胶速度因此提高生产效率是很明显的；由于不用点胶机，成本方面也降低了，能为厂家腾出资金和更大的空间。
激光钢网是以机器为主，目的是将准确数量的锡膏或红胶转移到空PCB板上相应的位置。工作人员只设计开孔，导入导出文件，激光切割机照着文件雕刻出激光钢网，然后再经过抛光，使之下锡效果更好，速度快，质量也很不错。激光钢网具有精度高、加工周期短、质量一致性好、孔壁光滑、不用化学药液等优点，但是成本较高。
FG 是由Fine(精细的)和Grain(颗粒)两个英文单词组成。所以我们俗称FG. FG钢网的主要用于小开口，孔壁光滑下锡很好。这种钢网用的比较少，慢慢开始没人用了，现在都用激光钢网来替代了。
蚀刻钢网的工艺流程：gerber格式资料→菲林制作→曝光→显影→蚀刻→钢片清洗→张网在钢板上涂一层防酸胶。主要应用于集成电路、荧光显示屏、精确过滤、微电极等方面。优点是成本低，缺点有：不环保；孔壁粗糙，形状失控，焊膏透过性极差；位置精度低，开孔尺寸不准确。
阶梯钢网就是在同一个网板上做成两种或多种厚度。为了应付所有大大小小的电子零件同时出现在同一面的电路板上，而且还要得到良好的焊接品质。我们通常会需要在同一面钢网上印刷出不同的锡膏厚度，这样才能精准地控制锡量，于是就有了阶梯钢网(即STEP—UP局部加厚、STEP-DOWN 局部减薄)的应运而生。

电铸钢网的工艺流程：基板上涂感光膜→曝光→显影→电铸镍→成型→钢片清洗→张网。这种钢网的优点有：1、孔壁平滑:孔壁粗糙度:0.4um；2、开口位置精度高:±0.6um.3、镀镍表面更加光滑；3、孔壁锥度稳定在5°-6°，使锡膏更易脱膜；4、比不銹钢激光模板硬度增加30%，不易更形，使用寿命大大提高；5、模板正反面镜面抛光，锡球流动性更佳，模板印刷后免清洗；6、轻松制作PITCH≧0.30mm的超细QFP及微小间距的 SOP、BGA、CSP等；7、针对同一PCB不同电子元件锡量的要求，可在同一块模板上做出不同厚度，从而极大地提高了印刷焊接工艺。其缺点是成本比激光钢网法更高。
纳米钢网主要应用于板子结构小，焊盘密的集成电路，如：COB，绑邦定IC等。优点：针对小焊盘，间距近的，不会容易连锡；缺点：成本较高。
电抛光钢网是在激光切割后，通过电化学的方法，对钢片进行后处理，以改善开口孔壁。优点：1、孔壁光滑，对超细间距的QFP/BGA/CSP尤其适合；2、减少SMT模板的擦拭次数，大大提高工作效率。

根据印刷用途可以分为：微孔钢网、红胶钢网、锡膏钢网、双工艺双制程钢网、银浆钢网。

微孔钢网适用于电阻屏、手机保膜，手机保护套中隔离点的UV油印刷。
红胶钢网用于涂覆贴片胶。贴片胶也称为SMT接着剂、SMT红胶，它是红色的膏体中均匀地分布着硬化剂、颜料、溶剂等的粘接剂，主要用来将元器件固定在印制板上，一般用点胶或钢网印刷的方法来分配。贴上元器件后放入烘箱或再流焊机加热硬化。它与所谓的焊膏是不相同的，一经加热硬化后，再加热也不会溶化，也就是说，贴片胶的热硬化过程是不可逆的。 SMT贴片胶的使用效果会因热固化条件、被连接物、所使用的设备、操作环境的不同而有差异。使用时要根据生产工艺来选择贴片胶。下图是红胶钢网的涂覆效果。

锡膏钢网就是用来在焊盘上涂覆锡膏的，一般用于回流焊之前的工序。回流焊是什么呢？回流焊指的是加热融化预先涂在焊盘上面的锡膏（锡膏一般是由锡粉以及助焊剂混合组成的），使其重新回到流动的液体状态（这一过程就是回流），让预先放置在焊盘上面的器件与焊锡充分接触从而达到焊接的目的。由此可见，回流焊是要预先在焊盘上面涂覆焊锡，然后再进行焊接的。而在回流焊之前进行涂覆焊锡的工具就是钢网，将钢网覆盖在PCB板上，然后在钢网上面刷涂锡膏，锡膏通过钢网上的空洞涂覆到焊盘上，完成锡膏的涂覆。下图是锡膏钢网的涂覆效果。