印制电路原理和工艺.docx
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印制电路原理和工艺
印制电路原理和工艺
实验指导书
编写：
王守绪何为张敏
审查：
唐先忠、胡文成
电子科技大学微电子与固体电子学院
2010年1月（修订）
目录
印制电路基本知识即实验技术简介············································2
实验一：
减层法单面板印制电路板制造工艺研究································13
实验二：
高频电路的双面印制电路板的设计研究································23
实验三：
4层印制电路板制作工艺研究········································27
实验四：
镍金合金电镀最佳配方和工艺条件的优化······························33
实验五：
挠性PI基材上镂空板用开窗口工艺研究·······························44
实验六：
次亚磷酸钠化学镀铜工艺研究·········································47
实验七：
PCB布线贴图的设计与制作···········································50
实验八：
PCB照相底版的设计与制作···········································54
实验九：
硝酸蚀刻液开发及机理研究············································57
实验十：
综合设计实验························································62
印制电路基本知识及实验技术简介
印制电路板是信息产业的基础，从计算机、电视机到电子玩具等，几乎所有的电子电器产品中都有电路板存在。
中国电子电路产业和中国电子信息产业一样，在近年来一直保持着高速增长。
这一增长趋势还将持续到2010年或更长一段时间。
尤其是近年来我国消费类电子和汽车电子的飞速发展更是为电子电路业提供了广阔空间。
现在我国内地有印制板生产企业1000家左右，2006年已经成为PCB第一大生产国.2009年的产值为180亿美元，出口金额76.5亿美元，几年来PCB业逆差均保持在12.5亿美元左右。
从中国印制电路产量来看，2005年中国PCB产量突破1.1亿平方米，其中多层板占了将近一半，2006年产量为12964万平方米。
与10年前相比，2009年我国印制电路板产量增长了近十倍，出口量增长了3500多倍。
随着世界各国在中国投资的IT产业、电子整机制造的迅猛发展，世界各国PCB企业也相继在中国进行大规模的投资，世界知名PCB生产企业，绝大部分在中国已经建立了生产基地并在积极扩张。
可以预计在近几年中，中国仍然是世界PCB生产企业投资与转移的重要目的地。
中国印制电路行业协会（CPCA）秘书长王龙基告诉《中国电子报》记者，被誉为电子电路行业的“奥林匹克”的“世界电子电路大会”从2008年开始就在上海举行，前十届电子电路大会都是在日本、美国等世界PCB产业发达国家举办，从第11届大会移师中国，充分表明了我国高速发展的PCB产业的吸引力。
1.印制板的定义、特点和分类
1.1印制板的定义
在绝缘基材上，按预定设计有选择性地加工孔和布置金属的导电图形，用于元器件之间的连接，但不包括印刷元件，称作印制线路（PrintedWingBoard，简称PWB）；将装载有元器件的印制线路板称作印制电路板（PrintedCircuitBoard,，简称PCB）。
在欧美国家通常把印制线路板统称为PCB。
按照我国国家标准GB2036-94（印制电路术语）的解释：
印制电路或印制线路成品板统称为印制板，它包括刚性、挠性和刚挠性结合的单面、双面和多层印制板等。
1.2印制板的特点
它是电子设备的一种极其重要的基础组装部件。
印制电路板是由绝缘基材、金属导线和连接不同导线、焊接元器件的“焊盘”组成。
它的主要作用是支撑电子元件和实现电子元器件之间的信号连通。
具有以下的特点：
（1）提供集成电路等各种电子元器件固定、组装和机械支撑的载体。
（2）实现集成电路等各种电子元器件之间的电器连接或电绝缘，提供所要求的电器特性，如特性阻抗等。
（3）为自动锡焊提供阻焊图形，为元器件安装（包括插装和表面贴装）、检查、维修提供识别字符和图形。
（4）很大地缩小了互连导线的体积和重量。
（5）可以采用标准化设计。
（6）有利于机械化、自动化生产。
1.3印制线路的分类
印制线路的分类没有一个统一的标准，按照不同标准印制线路分成不同的类别。
按基材材料不同分为纸基印制板、玻璃布基印制板、合成纤维印制板等。
按用途的不同分为民用印制板、工业用印制板和军用印制板。
按照印制电路板的层数可分为单面板，双面板，多层板等。
按特殊性可分为高Tg印制板、CTI印制板、阻抗特殊性印制板、高频微波印制板、HDI印制板、埋盲孔印制板、无卤印制板和集成元件印制板（埋入元件印制板）。
按印制电路板所使用的绝缘基材强度可分为：
刚性印制电路板、挠性印制电路板和刚挠结合印制电路板。
刚性印制板有酚醛纸质层压板、环氧纸质层压板、聚酯玻璃毡层压板、环氧玻璃布层压板。
挠性印制板又称软性印制电路板即FPC，软性电路板是以聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成的一种具有高可靠性和较高曲绕性的印制电路板。
这种电路板散热性好，即可弯曲、折叠、卷挠，又可在三维空间随意移动和伸缩。
可利用FPC缩小体积，实现轻量化、小型化、薄型化，从而实现元件装置和导线连接一体化。
FPC广泛应用于电子计算机、通信、航天及家电等行业。
2.印制电路板的应用领域
印制电路板备大规模应用与电子产品之中是20世纪四十年代，印制电路板在电子设备中具有如下功能：
提供集成电路等各种电子元器件固定、装配的机械支撑，实现集成电路等各种电子元器件之间的布线和电气连接或电绝缘，提供所要求的电气特性；为自动焊接提供阻焊图形，为元件插装、检查、维修提供识别字符和图形；电子设备采用印制板后，由于同类印制板的一致性，避免了人工接线的差错，并可实现电子元器件自动插装或贴装、自动焊锡、自动检测，保证了电子产品的质量，提高了劳动生产率、降低了成本，并便于维修。
经过半个多世纪的发展，印制电路板已经从原来的单面板发展到今天的双面板、多层板和特种板多种类项。
始于20世纪70年代刚挠结合印制板更是成为当今印制电路技术发展的一个重要发展方向。
刚挠结合印制板是一种特殊的互联技术，最大的优点是省去电线电缆的连接安装，减少或不用接插件与端点焊接，缩小空间与重量，减少或避免电气干扰而提高电性能，完全满足了电子设备（产品）向着轻、薄短、小且多功能化方向发展的需要。
刚挠结合电路板作为一种具有薄、轻、可挠曲等特点的可满足三维组装需求的互连技术，在电子及通讯行业得到日趋广泛的应用和重视。
随着电子技术的发展，其应用会越来越广。
印制电路板应用领域主要如下：
计算机：
主板、网卡、游戏卡、磁盘驱动器、传输线带、打印机等计算机辅助设备等；
通讯：
多功能电话、手机、可视电话、传真机等；
汽车：
控制仪表板、排气罩控制器、防护板电路、断路开关系统等；
消费类电子产品：
照相机、摄像机、录像机、VCD、DVD、微型录音机、拾音器、计算器、健身监视器等；
工业控制：
激光测控仪、传感器、加热线圈、复印机、电子衡器等；
仪器仪表：
核磁分析仪、X光射线装置、红外线分析仪等；
医疗机械：
理疗仪、心脏起搏器、内窥镜、超声波探测仪等；
航空航天：
人造卫星、雷达系统、陀螺仪、无线电通讯、黑匣子、导弹等；
3印制电路板的制造工艺
3.1印制电路设计
印制电路板设计的基本步骤:
第一步利用原理图设计工具绘制原理图，并且生成对应的网络表。
当然，有些特殊情况下，如电路板比较简单，已经有了网络表等情况下也可以不进行原理图的设计，直接进入PCB设计系统，在PCB设计系统中，可以直接取用零件封装，人工生成网络表。
手工更改网络表将一些元件的固定用脚等原理图上没有的焊盘定义到与它相通的网络上，没任何物理连接的可定义到地或保护地等。
将一些原理图和PCB封装库中引脚名称不一致的器件引脚名称改成和PCB封装库中的一致，特别是二、三极管等。
第二步画出自己定义的非标准器件的封装库。
建议将自己所画的器件都放入一个自己建立的PCB库专用设计文件。
第三步设置PCB设计环境和绘制印刷电路的板框含中间镂空等。
（1）进入PCB系统后的第一步就是设置PCB设计环境，包括设置格点大小和类型，光标类型，板层参数，布线参数等等。
大多数参数都可以用系统默认值，而且这些参数经过设置之后，符合个人的习惯，以后无须再去修改。
（2）规划电路版，主要是确定电路版的边框，包括电路版的尺寸大小等等。
在需要放置固定孔的地方放上适当大小的焊盘。
对于3mm的螺丝可用6.5~8mm的外径和3.2~3.5mm内径的焊盘对于标准板可从其它板或PCBizard中调入。
注意：
在绘制电路版地边框前，一定要将当前层设置成KeepOut层，即禁止布线层。
第四步打开所有要用到的PCB库文件后，调入网络表文件和修改零件封装。
这一步是非常重要的一个环节，网络表是PCB自动布线的灵魂，也是原理图设计与印象电路版设计的接口，只有将网络表装入后，才能进行电路版的布线。
在原理图设计的过程中，ERC检查不会涉及到零件的封装问题。
因此，原理图设计时，零件的封装可能被遗忘，在引进网络表时可以根据设计情况来修改或补充零件的封装。
当然，可以直接在PCB内人工生成网络表，并且指定零件封装。
第五步布置零件封装的位置，也称零件布局。
Protel99可以进行自动布局，也可以进行手动布局。
如果进行自动布局，运行"Tools"下面的"AutoPlace"，用这个命令，你需要有足够的耐心。
布线的关键是布局，多数设计者采用手动布局的形式。
用鼠标选中一个元件，按住鼠标左键不放，拖住这个元件到达目的地，放开左键，将该元件固定。
Protel99在布局方面新增加了一些技巧。
新的交互式布局选项包含自动选择和自动对齐。
使用自动选择方式可以很快地收集相似封装的元件，然后旋转、展开和整理成组，就可以移动到板上所需位置上了。
当简易的布局完成后，使用自动对齐方式整齐地展开或缩紧一组封装相似的元件。
提示：
在自动选择时，使用Shift+X或Y和Ctrl+X或Y可展开和缩紧选定组件的X、Y方向。
注意：
零件布局，应当从机械结构散热、电磁干扰、将来布线的方便性等方面综合考虑。
先布置与机械尺寸有关的器件，并锁定这些器件，然后是大的占位置的器件和电路的核心元件，再是外围的小元件。
第六步根据情况再作适当调整然后将全部器件锁定。
假如板上空间允许则可在板上放上一些类似于实验板的布线区。
对于大板子，应在中间多加固定螺丝孔。
板上有重的器件或较大的接插件等受力器件边上也应加固定螺丝孔，有需要的话可在适当位置放上一些测试用焊盘，最好在原理图中就加上。
将过小的焊盘过孔改大，将所有固定螺丝孔焊盘的网络定义到地或保护地等。
放好后用VIEW3D功能察看一下实际效果，存盘。
印制电路板布线规则
布线规则设置是印刷电路版设计的关键之一，需要丰富的实践经验。
线规则是设置布线的各个规范（使用层面、各组线宽、过孔间距、布线的拓扑结构等部分规则，可通过Design-Rules的Menu处从其它板导出后，再导入这块板）这个步骤不必每次都要设置，按个人的习惯，设定一次就可以。
选Design-Rules一般需要重新设置以下几点:
（1）安全间距（Routing标签的ClearanceConstraint）。
它规定了板上不同网络的走线焊盘过孔等之间必须保持的距离。
一般板子可设为0.254mm，较空的板子可设为0.3mm，较密的贴片板子可设为0.2-0.22mm，极少数印制板加工厂家的生产能力在0.1-0.15mm，假如能征得他们同意你就能设成此值。
0.1mm以下是绝对禁止的。
（2）走线层面和方向（Routing标签的RoutingLayers）。
此处可设置使用的走线层和每层的主要走线方向。
请注意贴片的单面板只用顶层，直插型的单面板只用底层，但是多层板的电源层不是在这里设置的（可以在Design-LayerStackManager中，点顶层或底层后，用AddPlane添加，用鼠标左键双击后设置，点中本层后用Delete删除），机械层也不是在这里设置的（可以在Design-MechanicalLayer中选择所要用到的机械层，并选择是否可视和是否同时在单层显示模式下显示）。
（3）过孔形状（Routing标签的RoutingViaStyle）。
它规定了手工和自动布线时自动产生的过孔的内、外径，均分为最小、最大和首选值，其中首选值是最重要的。
（4）走线线宽（Routing标签的WidthConstraint）。
它规定了手工和自动布线时走线的宽度。
整个板范围的首选项一般取0.2-0.6mm，另添加一些网络或网络组（NetClass）的线宽设置，如地线、+5伏电源线、交流电源输入线、功率输出线和电源组等。
网络组可以事先在Design-NetlistManager中定义好，地线一般可选1mm宽度，各种电源线一般可选0.5-1mm宽度，印制板上线宽和电流的关系大约是每毫米线宽允许通过1安培的电流，具体可参看有关资料。
当线径首选值太大使得SMD焊盘在自动布线无法走通时，它会在进入到SMD焊盘处自动缩小成最小宽度和焊盘的宽度之间的一段走线，其中Board为对整个板的线宽约束，它的优先级最低，即布线时首先满足网络和网络组等的线宽约束条件。
（5）敷铜连接形状的设置（Manufacturing标签的PolygonConnectStyle）。
建议用ReliefConnect方式导线宽度ConductorWidth取0.3-0.5mm4根导线45或90度。
其余各项一般可用它原先的缺省值，而布线的拓扑结构、电源层的间距和连接形状匹配的网络长度等项可根据需要设置。
选Tools-Preferences，其中Options栏的InteractiveRouting处选PushObstacle（遇到不同网络的走线时推挤其它的走线，IgnoreObstacle为穿过，AvoidObstacle为拦断）模式并选中AutomaticallyRemove（自动删除多余的走线）。
Defaults栏的Track和Via等也可改一下，一般不必去动它们。
在不希望有走线的区域内放置FILL填充层，如散热器和卧放的两脚晶振下方所在布线层，要上锡的在Top或BottomSolder相应处放FILL。
4.2印制电路板制造工艺过程
经过多年的发展，印制电路板的制造工艺已经成熟。
单面板的印制图形比较简单，一般采用丝网漏印的方法转移图形，然后蚀刻出印制板，也有采用光化学法生产的；双面PCB是两面都有导电图形的印制板。
显然，双面板的面积比单面板大了一倍，适合用于比单面板更复杂的电路。
双面印制板通常采用环氧玻璃布覆铜箔板制造。
它主要用于性能要求较高的通信电子设备、高级仪器仪表以及电子计算机等。
单面印制板的工艺流程：
下料→丝网漏印→腐蚀→去除印料→孔加工→印标记→涂助焊剂→成品。
双面板的生产工艺一般分为工艺导线法、堵孔法、掩蔽法和图形电镀—蚀刻法等几种。
多层PCB是有三层或三层以上导电图形和绝缘材料层压合成的印制板。
它实际上是使用数片双面板，并在每层板间放进一层绝缘层后粘牢（压合）而成。
它的层数通常都是偶数，并且包含最外侧的两层。
从技术的角度来说可以做到近100层的PCB板，但目前计算机的主机板都是4～8层的结构。
多层印制板～般采用环氧玻璃布覆铜箔层压板。
为了提高金属化孔的可靠性，应尽量选用耐高温的、基板尺寸稳定性好的、特别是厚度方向热膨胀系数较小的，且与铜镀层热膨胀系数基本匹配的新型材料。
制作多层印制板，先用铜箔蚀刻法做出内层导线图形，然后根据设计要求，把几张内层导线图形重叠，放在专用的多层压机内，经过热压、粘合工序，就制成了具有内层导电图形的覆铜箔的层压板，以后加工工序与双面孔金属化印制板的制造工序基本相同。
多层印制板的工艺流程：
内层材料处理→定位孔加工→表面清洁处理→制内层走线及图形→腐蚀→层压前处理→外内层材料层压→孔加工→孔金属化→指外层图形→镀耐腐蚀可焊金属→去除感→光胶腐蚀→插头镀金→外形加工→热熔→涂助焊剂→成品。
钻孔是印制板加工过程中一个重要的加工工序。
由于挠性印制板的材料呈柔软易变形的特性所以在钻孔加工时同硬板有所不同。
其工艺流程如下所示：
叠板：
既是将要钻孔的覆铜基板材料或保护膜材料按一压板和垫板的选择的层数叠放在一起并在底部和顶部覆上垫板和压板用单面胶带紧紧地粘合在一起。
钻孔质量的优劣，除与钻头质量和钻孔参数有关系外，与压板和垫板的选用也密不可分。
在材料的切割过程要做到切割尺寸的规整，对使用压延铜箔基材时要注意铜箔的压延方向与设计时的要求一致。
高密度互连印刷线路板技术图示如下：
5.印制电路技术的发展趋势
PCB行业是集电子、机械、计算机、光学、材料、化工等多学科的一个行业。
PCB技术是跟着IC技术发展的，在电子互连技术里占有重要位置，因此，PCB技术和制造业的发展将对一个国家的电子工业产生很大的推动作用。
印制板从单层发展到双面板、多层板和挠性板，并不断地向高精度、高密度和高可靠性方向发展。
不断缩小体积、减少成本、提高性能，使得印制板在未来电子产品的发展过程中，仍然保持强大的生命力。
未来印制板生产制造技术发展趋势是在性能上向高密度、高精度、细孔径、细导线、小间距、高可靠、多层化、高速传输、轻量、薄型方向发展的趋势是不可阻挡的。
2003年以来世界电子电路行业技术迅速发展，集中表现在无源（即埋入式或嵌入式）元件PCB、喷墨PCB工艺、光技术PCB、纳米材料在PCB板上的应用等方面。
王龙基向记者表示，纵观目前国际电子电路的发展现状和趋势，关于中国电子电路——印制电路板的产业技术及政策的为重心应当放在IC封装CSP、光电板（Opticbackpanel）、刚挠结合板、高多层板、3G板等高附加值的产品上。
中国印制电路行业协会顾问林金堵认为，在技术方面，印制电路板向高密度化和高性能化方向发展。
高密度化可以从孔、线、层、面等四方面概括。
目前世界上可做到最小孔径50μm，甚至更小。
线宽线距基本发展到50μm甚至30μm。
层可以做得很薄，最薄可以做到30μm左右，甚至更低。
表面涂布镀锡、镀银、OSP甚至发展到镀镍/镀钯/镀金等万能型表面涂布。
这些印制板主要代表是HDI/BUM板、IC基板、集成元件印制板、刚挠性印制板、光路印制板。
特别是光路印制板，因为我们现在印制板的信号传输或处理都是用“电”来处理，因为“电”的信号已经基本上快接近极限了，“电”最大的缺点就是电磁干扰，必然要用光来代替“电”进行信号传输和处理。
印制板里既有光路层传输信号，又有电路层传输信号，这两种组合起来就叫光电印制板或光电基板、光电印制电路板。
HDI高密度互连PCB技术会带动IC、LSI技术的发展。
因此PCB技术的发展应得到更多的关注和相关行业及相应政策的支持，包括进口设备、进口关键材料、技术引进、海关税收以及资金来源的支持。
针对广泛看好的IC封装基板，我国存在的问题在于：
一是IC核心技术专利都在国外厂商手里，原来就没有进入到这一产业链环节中去；二是由于技术水平不过关，因而在这方面还尚待突破。
而对于HDI板的加工制造，如何从材料、加工工艺和新技术研发学习入手掌握HDI线路板的技术，是国内PCB业面临的一个新的挑战。
环保成为不变的主题。
印制电路板由玻璃纤维、强化树脂和多种金属化合物混合制成，废旧电路板如果得不到妥善处置，会对环境和人类健康产生严重的污染和危害，但同时，废旧电路板也具有相当高的经济价值。
据资料介绍，线路板中的金属品位相当于普通矿物中金属品位的几十倍，金属的含量高达10%～60%，含量最多的是铜，此外还有金、银、镍、锡、铅等金属，其中还不乏稀有金属，而自然界中富矿金属含量也不过3%～5%。
有资料显示，1吨电脑部件平均要用去0.9公斤黄金、270公斤塑料、128.7公斤铜、1公斤铁、58.5公斤铅、39.6公斤锡、36公斤镍、19.8公斤锑，还有钯、铂等贵重金属等。
由此可见，废旧电路板同时还是一座有待开发的“金矿”。
如何有效地进行废弃电路板的资源化回收处理，已经成为当前关系到我国经济、社会和环境可持续发展及我国再生资源回收利用的一个新课题，引起了我国政府的高度重视。
“印刷线路板回收利用与无害化处理技术”已被列入国家发改委组织实施的资源综合利用国家重大产业技术开发专项。
6.覆铜箔基本知识介绍
6.1.覆铜箔的分类
按板材的刚柔程度分为刚性覆铜箔板和挠性覆铜箔板两大类。
按增强材料不同，分为：
纸基、玻璃布基、复合基（CEM系列等）和特殊材料基（陶瓷、金属基等）四大类。
按板所采用的树脂粘合剂，分为：
纸基板，如酚醛树脂XPC、XXXPC、FR-1、FR-2等板、环氧树脂FR-3板、聚脂树脂等类型等；玻璃布基板，如环氧树脂（FR-4、FR-5板）、聚酰亚胺树脂PI、聚四氟乙烯树脂（PTFE）类型、双马酰亚胺改性三嗪树脂（BT）、聚苯醚树脂（PPO）、聚二苯醚树脂（PPE）、马来酸酐亚胺一苯乙烯树脂肪（MS）、聚氰酸酯树脂、聚烯烃树脂等类型。
按覆铜箔板的阻燃性能分类，可分为阻燃型（UL94-VO、V1级）非阻燃型（UL94-HB级）两类板。
按基板的厚度及覆铜板厚度可分为：
H/0,1/0,2/0等单面板材；H/H,1/1,2/2等双面板材；
挠性印制电路板（FPC）用基板材料主要是由挠性绝缘基膜与金属箔组成。
普遍使用的FPC基板材料采用胶粘剂将绝缘基膜与金属箔粘合而成,典型的这种挠性基板材料就是挠性覆铜板（FCCL），它又称为软性覆铜板。
传统的FCCL产品是由铜箔（多采用压延铜箔）、薄膜（多采用聚酰亚胺薄膜）、胶粘剂三个不同材料、不同功能层所复合而成的，因此又称它为“三层型挠性覆铜板”。
近几年，又一种产品结构的FCCL在应用方面得到很快的发展，这就是二层型挠性覆铜板。
它的构成中没有胶粘剂组成成分，是区别于三层型挠性覆铜板的一个重要方面，因此它也被称为无胶粘剂型挠性覆铜板。
近年来FCCL作为制造FPC的重要基材，其市场得到迅速地扩大。
FPC作为一种特殊的电子互连的基础材料，具有薄、轻、结构灵活的鲜明特点。
除可静态弯曲外，还可作动态的弯曲、卷曲和折叠等。
电子信息产品的薄、轻、短、小的需求潮流，推动FPC迅速从军品转向到民用
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