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PCBA电路板的发展
作者:  admin     发布日期:2017-10-22

        PCBA是英文Printed Circuit Board +Assembly 的简称,也就是说PCB空板经过SMT上件,再经过DIP插件的整个制程,简称PCBA .这是国内常用的一种写法,而在欧美的标准写法是PCB'A,是加了斜点的。这被称之为官方习惯用语,我们同国外客户沟通或是推广的时候,他们时常会问PCBA是什么意思。

       电路板

       印刷电路板,又称印制电路板,印刷线路板,常使用英文缩写PCB(Printed circuit board),是重要的电子部件,是电子元件的支撑体,是电子元器件线路连接的提供者。由于它是采用电子印刷技术制作的,故被称为“印刷”电路板。

在印制电路板出现之前,电子元件之间的互连都是依靠电线直接连接而组成完整的线路。现在,电路面包板只是作为有效的实验工具而存在,而印刷电路板在电子工业中已经成了占据了绝对统治的地位。20世纪初,人们为了简化电子机器的制作,减少电子零件间的配线,降低制作成本等优点,于是开始钻研以印刷的方式取代配线的方法。三十年间,不断有工程师提出在绝缘的基板上加以金属导体作配线。而最成功的是1925年,美国的Charles Ducas 在绝缘的基板上印刷出线路图案,再以电镀的方式,成功建立导体作配线。

直至1936年,奥地利人保罗·爱斯勒(Paul Eisler)在英国发表了箔膜技术,他在一个收音机装置内采用了印刷电路板;而在日本,宫本喜之助以喷附配线法“メタリコン法吹着配线方法(特许119384号)”成功申请专利。而两者中Paul Eisler 的方法与现今的印刷电路板最为相似,这类做法称为减去法,是把不需要的金属除去;而Charles Ducas、宫本喜之助的做法是只加上所需的配线,称为加成法。虽然如此,但因为当时的电子零件发热量大,两者的基板也难以配合使用,以致未有正式的实用作,不过也使印刷电路技术更进一步。
 

发展史

1941年,美国在滑石上漆上铜膏作配线,以制作近接信管。

1943年,美国人将该技术大量使用于军用收音机内。

1947年,环氧树脂开始用作制造基板。同时NBS开始研究以印刷电路技术形成线圈、电容器、电阻器等制造技术。

1948年,美国正式认可这个发明用于商业用途。

自20世纪50年代起,发热量较低的晶体管大量取代了真空管的地位,印刷电路版技术才开始被广泛采用。而当时以蚀刻箔膜技术为主流。

1950年,日本使用玻璃基板上以银漆作配线;和以酚醛树脂制的纸质酚醛基板(CCL)上以铜箔作配线。

1951年,聚酰亚胺的出现,使树脂的耐热性再进一步,也制造了聚酰亚胺基板。

1953年,Motorola开发出电镀贯穿孔法的双面板。这方法也应用到后期的多层电路板上。

印刷电路板广泛被使用10年后的60年代,其技术也日益成熟。而自从Motorola的双面板面世,多层印刷电路板开始出现,使配线与基板面积之比更为提高。

1960年,V. Dahlgreen以印有电路的金属箔膜贴在热可塑性的塑胶中,造出软性印刷电路板。

1961年,美国的Hazeltine Corporation参考了电镀贯穿孔法,制作出多层板。

1967年,发表了增层法之一的“Plated-up technology”。

1969年,FD-R以聚酰亚胺制造了软性印刷电路板。

1979年,Pactel发表了增层法之一的“Pactel法”。

1984年,NTT开发了薄膜回路的“Copper Polyimide法”。

1988年,西门子公司开发了Microwiring Substrate的增层印刷电路板。

1990年,IBM开发了“表面增层线路”(Surface Laminar Circuit,SLC)的增层印刷电路板。

1995年,松下电器开发了ALIVH的增层印刷电路板。

1996年,东芝开发了B2it的增层印刷电路板。
 

实用化

就在众多的增层印刷电路板方案被提出的1990年代末期,增层印刷电路板也正式大量地被实用化,直至现在。为大型、高密度的印刷电路板装配(PCBA, printed circuit board assembly)发展一个稳健的测试策略是重要的,以保证与设计的符合与功能。除了这些复杂装配的建立与测试之外,单单投入在电子零件中的金钱可能是很高的 - 当一个单元到最后测试时可能达到25,000美元。由于这样的高成本,查找与修理装配的问题现在比其过去甚至是更为重要的步骤。今天更复杂的装配大约18平方英寸,18层;在顶面和底面有2900多个元件;含有6000个电路节点;有超过20000个焊接点需要测试。

 

范围

在朗讯加速的制造工厂(N. Andover, MA),制造和测试艺术级的PCBA和完整的传送系统。超过5000节点数的装配对我们是一个关注,因为它们已经接近我们现有的在线测试(ICT, in circuit test)设备的资源极限(图一)。我们现在制造大约800种不同的PCBA或“节点”。在这800种节点中,大约20种在5000~6000个节点范围。可是,这个数迅速增长。

新项目

新的开发项目要求更加复杂、更大的PCBA和更紧密的包装。这些要求挑战我们建造和测试这些单元的能力。更进一步,具有更小元件和更高节点数的更大电路板可能将会继续。例如,现在正在画电路板图的一个设计,有大约116000个节点、超过5100个元件和超过37800个要求测试或确认的焊接点。这个单元还有BGA在顶面与底面,BGA是紧接着的。使用传统的针床测试这个尺寸和复杂性的板,ICT一种方法是不可能的。

在制造工艺,特别是在测试中,不断增加的PCBA复杂性和密度不是一个新的问题。意识到的增加ICT测试夹具内的测试针数量不是要走的方向,我们开始观察可代替的电路确认方法。看到每百万探针不接触的数量,我们发现在5000个节点时,许多发现的错误(少于31)可能是由于探针接触问题而不是实际制造的缺陷(表一)。因此,我们着手将测试针的数量减少,而不是上升。尽管如此,我们制造工艺的品质还是评估到整个PCBA。我们决定使用传统的ICT与X射线分层法相结合是一个可行的解决方案。

 

基材

基材普遍是以基板的绝缘部分作分类,常见的原料为电木板、玻璃纤维板,以及各式的塑胶板。而PCB的制造商普遍会以一种以玻璃纤维、不织物料、以及树脂组成的绝缘部分,再以环氧树脂和铜箔压制成“黏合片”(prepreg)使用。

而常见的基材及主要成份有:

FR-1 ──酚醛棉纸,这基材通称电木板(比FR-2较高经济性)

FR-2 ──酚醛棉纸,

FR-3 ──棉纸(Cotton paper)、环氧树脂

FR-4 ──玻璃布(Woven glass)、环氧树脂

FR-5 ──玻璃布、环氧树脂

FR-6 ──毛面玻璃、聚酯

G-10 ──玻璃布、环氧树脂

CEM-1 ──棉纸、环氧树脂(阻燃)

CEM-2 ──棉纸、环氧树脂(非阻燃)

CEM-3 ──玻璃布、环氧树脂

CEM-4 ──玻璃布、环氧树脂

CEM-5 ──玻璃布、多元酯

AIN ──氮化铝

SIC ──碳化硅

 

金属涂层

金属涂层除了是基板上的配线外,也就是基板线路跟电子元件焊接的地方。此外,不同的金属也有不同的价钱,不同的会直接影响生产的成本;不同的金属也有不同的可焊性、接触性,也有不同的电阻阻值,也会直接影响元件的效能。

常用的金属涂层有:

厚度通常在5至15μm

铅锡合金(或锡铜合金)

即焊料,厚度通常在5至25μm,锡含量约在63%

一般只会镀在接口

一般只会镀在接口,或以整体也是银的合金

 

线路设计

印制电路板的设计是以电子电路图为蓝本,实现电路使用者所需要的功能。印刷电路板的设计主要指版图设计,需要内部电子元件、金属连线、通孔和外部连接的布局、电磁保护、热耗散、串音等各种因素。优秀的线路设计可以节约生产成本,达到良好的电路性能和散热性能。简单的版图设计可以用手工实现,但复杂的线路设计一般也需要借助计算机辅助设计(CAD)实现,而著名的设计软件有Protel、OrCAD、PowerPCB、FreePCB等。

 

基本制作

简介

根据不同的技术可分为消除和增加两大类过程。

减去法

减去法(Subtractive),是利用化学品或机械将空白的电路板(即铺有完整一块的金属箔的电路板)上不需要的地方除去,余下的地方便是所需要的电路。

丝网印刷:把预先设计好的电路图制成丝网遮罩,丝网上不需要的电路部分会被蜡或者不透水的物料覆盖,然后把丝网遮罩放到空白线路板上面,再在丝网上油上不会被腐蚀的保护剂,把线路板放到腐蚀液中,没有被保护剂遮住的部份便会被蚀走,最后把保护剂清理。

感光板:把预先设计好的电路图制在透光的胶片遮罩上(最简单的做法就是用打印机印出来的投影片),同理应把需要的部份印成不透明的颜色,再在空白线路板上涂上感光颜料,将预备好的胶片遮罩放在电路板上照射强光数分钟,除去遮罩后用显影剂把电路板上的图案显示出来,最后如同用丝网印刷的方法一样把电路腐蚀。

刻印:利用铣床或雷射雕刻机直接把空白线路上不需要的部份除去。

 

加成法

加成法(Additive),现在普遍是在一块预先镀上薄铜的基板上,覆盖光阻剂(D/F),经紫外光曝光再显影,把需要的地方露出,然后利用电镀把线路板上正式线路铜厚增厚到所需要的规格,再镀上一层抗蚀刻阻剂-金属薄锡,最后除去光阻剂(这制程称为去膜),再把光阻剂下的铜箔层蚀刻掉。

积层法

积层法是制作多层印刷电路板的方法之一。是在制作内层后才包上外层,再把外层以减去法或加成法所处理。不断重复积层法的动作,可以得到再多层的多层印刷电路板则为顺序积层法。

内层制作

积层编成(即黏合不同的层数的动作)

积层完成(减去法的外层含金属箔膜;加成法)

钻孔

减去法

Panel电镀法

全块PCB电镀

在表面要保留的地方加上阻绝层(resist,防以被蚀刻)

蚀刻

去除阻绝层

Pattern电镀法

在表面不要保留的地方加上阻绝层

电镀所需表面至一定厚度

去除阻绝层

蚀刻至不需要的金属箔膜消失

加成法

令表面粗糙化

完全加成法(full-additive)

在不要导体的地方加上阻绝层

以无电解铜组成线路

部分加成法(semi-additive)

以无电解铜覆盖整块PCB

在不要导体的地方加上阻绝层

电解镀铜

去除阻绝层

蚀刻至原在阻绝层下无电解铜消失

增层法

增层法是制作多层印刷电路板的方法之一,顾名思义是把印刷电路板一层一层的加上。每加上一层就处理至所需的形状。

 

ALIVH

 

ALIVH(Any Layer Interstitial Via Hole,Any Layer IVA)是日本松下电器开发的增层技术。这是使用芳香族聚酰胺(Aramid)纤维布料为基材。

把纤维布料浸在环氧树脂成为“黏合片”(prepreg)

雷射钻孔

钻孔中填满导电膏

在外层黏上铜箔

铜箔上以蚀刻的方法制作线路图案

把完成第二步骤的半成品黏上在铜箔上

积层编成

再不停重覆第五至七的步骤,直至完成

 

B2it

B2it(Buried Bump Interconnection Technology)是东芝开发的增层技术。

先制作一块双面板或多层板

在铜箔上印刷圆锥银膏

放黏合片在银膏上,并使银膏贯穿黏合片

把上一步的黏合片黏在第一步的板上

以蚀刻的方法把黏合片的铜箔制成线路图案

再不停重覆第二至四的步骤,直至完成
 

生产方式

简介

SMT和DIP都是在PCB板上集成零件的方式,其主要区别是SMT不需要在PCB上钻孔,在DIP需要将零件的PIN脚插入已经钻好的孔中。

SMT(Surface Mounted Technology)

表面贴装技术,主要利用贴装机是将一些微小型的零件贴装到PCB板上,其生产流程为:PCB板定位、印刷锡膏、贴装机贴装、过回焊炉和制成检验。随着科技的发展,SMT也可以进行一些大尺寸零件的贴装,例如主机板上可贴装一些较大尺寸的机构零件。

SMT集成时对定位及零件的尺寸很敏感,此外锡膏的质量及印刷质量也起到关键作用。

 

DIP

DIP即“插件”,也就是在PCB版上插入零件,由于零件尺寸较大而且不适用于贴装或者生产商生产工艺不能使用SMT技术时采用插件的形式集成零件。目前行业内有人工插件和机器人插件两种实现方式,其主要生产流程为:贴背胶(防止锡镀到不应有的地方)、插件、检验、过波峰焊、刷版(去除在过炉过程中留下的污渍)和制成检验。

产业现状

简介

由于印制电路板的制作处于电子设备制造的后半程,因此被称为电子工业的下游产业。几乎所有的电子设备都需要印制电路板的支持,因此印制电路板是全球电子元件产品中市场份额占有率最高的产品。目前日本、中国、台湾地区、西欧和美国为主要的印制电路板制造基地。

受益于终端新产品与新市场的轮番支持,全球 PCB 市场成功实现复苏及增长。香港线路板协会 (HKPCA) 数据统计,2011 年全球 PCB 市场将平稳发展,预计将增长 6-9%,中国则有望增长 9-12%。 台湾工研院 (IEK) 分析报告预测,2011 年全球 PCB 产值将增长 10.36%,规模达 416.15 亿美元。

根据 Prismark 公司的分析数据与兴业证券研发中心发布的报告表明,PCB 应用结构和产品结构的变化反映了行业未来的发展趋势。近年来伴随着单/双面板、多层板产值的下降,HDI 板、封装载板、软板产值的增加,表明应用于电脑主板、通信背板、汽车板等领域的增长比较缓慢,而应用于高端手机、笔记本电脑等“轻薄短小”电子产品的 HDI 板、封装板和软板还将保持快速增长。

 

北美

美国印刷电路板协会 (IPC) 公布,2011 年 2 月北美总体印刷电路板制造商接单出货比 (book-to-bill ratio) 为 0.95,意味着当月每出货 100 美元的产品,仅会接获价值 95 美元的新订单。B/B 值连续第 5 个月低于 1,北美地区行业景气度未有实质性回升。
 

日本

· 日本地震短期影响部分 PCB 原材料供给,中长期有利于产能向台湾和大陆转移

· 高端 PCB 厂商加速在大陆扩产,技术、产能和订单向大陆转移是大势所趋

· 台湾中时电子报报道,日本供应链断裂,中国、韩国 PCB 板厂将成大赢家

 

台湾

· 台湾工研院 (IEK) 分析师指出,受益于全球总体经济复苏以及新兴国家消费支撑,2011 年台湾 PCB 产业预计增长 29%

向中国转移

中投顾问分析报告指出,中国印刷电路板业在内销增长和全球产能持续转移的形势下,将步入高速成长期。到 2014 年,中国印刷电路板的产业规模占全球的比重将提高到 41.92%。

应用简介

电脑及相关产品、通讯类产品和消费电子等 3C 类产品是 PCB 主要的应用领域。根据美国消费性电子协会 (CEA) 发表的数据显示,2011 年全球消费电子产品销售额将达到 9,640 亿美元,同比增长 10%。 2011 年的数据相当接近 1 兆美元。 CEA 表示,最大需求来自于智能手机与笔记本电脑,另外销售十分显著的产品还包括数码相机、液晶电视等产品。

智能手机

据 Markets and Markets 发布的最新市场研究报告显示,全球手机市场规模将在2015 年增至 3,414 亿美元,其中智能手机销售收入将达到 2,589 亿美元,占整个手机市场总收入的 76%;而苹果将以 26% 的市场份额引领全球手机市场。

iPhone 4 PCB 采用 Any Layer HDI 板,任意层高密度连接板。iPhone 4 为了在极小 PCB 的面积内,正反两面装入所有的晶片,采用 Any Layer HDI 板可以避开机戒钻孔所造成的空间浪费,以及做到任一层可以导通的目的。

触控面板

随着 iPhone、iPad 风靡全球,捧红多点触控应用,预测触控风潮将成为软板下一波成长驱动引擎。DisplaySearch 预计 2016 年平板电脑所需触摸屏出货量将高达 2.6 亿片,比 2011 年上升 333%。

电脑

Gartner 分析师指出,笔记本电脑在过去五年里是个人电脑市场的增长引擎,平均年增幅接近 40%。基于笔记本电脑需求减弱的预期,Gartner 预测,2011 年全球个人电脑出货量将达到 3.878 亿台,2012 年将为 4.406 亿台,比 2011 年增长 13.6%。CEA 表示,2011 年,包括平板电脑在内的可移动电脑的销售额将达到 2,200 亿美元,台式电脑的销售额将达到 960 亿美元,使个人电脑的总销售额达到 3,160 亿美元。

iPad 2 于 2011 年 3 月 3 日正式发布,在 PCB 制程环节将采用 4 阶 Any Layer HDI。苹果 iPhone 4 和 iPad 2 采用的 Any Layer HDI 将引发行业热潮,预计未来 Any Layer HDI 将在越来越多的高端手机、平板电脑中得到应用。

电子书

根据 DIGITIMES Research 预测,全球电子书出货量有望在 2013 年达到 2,800 万台,2008 年至 2013 年复合年增长率将为 386%。分析指出,到 2013 年,全球电子书市场规模将达到 30 亿美元。电子书用 PCB 板设计趋势:一是要求层数增多;二是要求采用盲埋孔工艺;三是要求采用适合高频信号的 PCB 基材。

数码相机

iSuppli 公司称,随着市场趋于饱和,2014 年数码相机产量将开始停滞不前。预计 2014 年出货量将下降 0.6% 至 1.354 亿台,低端数码相机将遇到来自可拍照手机的强烈竞争。但该产业中的某些领域仍可实现增长,如混合型高清 (HD) 相机、未来的 3D 相机和数字单反 (DSLR) 这种比较高档的相机。数码相机的其它增长领域包括集成 GPS 和 Wi-Fi 等功能,提高其吸引力和日常使用潜力。促使软板市场进一步提升,实际上任何轻薄短小的电子产品对软板的需求都很旺盛。

液晶电视

市场研究公司 DisplaySearch 预计,2011 年全球液晶电视出货量将达到 2.15 亿台,同比增长 13%。2011 年,由于制造商逐步更换液晶电视的背光源,LED 背光模块将逐渐成为主流,给 LED 散热基板带来的技术趋势:一高散热性,精密尺寸的散热基板;二严苛的线路对位精确度,优质的金属线路附着性;三使用黄光微影制作薄膜陶瓷散热基板,以提高 LED 高功率。

LED 照明

DIGITIMES Research 分析师指出应白炽灯于 2012 年禁产禁售的规范,2011 年 LED 灯泡出货量将显著成长,产值预估将高达约 80 亿美元,再加上北美、日本、韩国等国家对于 LED 照明等绿色产品实施补贴政策,及卖场、商店及工场等有较高意愿置换成为 LED 照明等因素驱动下,以产值而言全球 LED 照明市场渗透率有很大机会突破 10%。于 2011 年起飞的 LED 照明,必将带动对铝基板的大量需求。

未来趋势

五大发展趋势

· 大力发展高密度互连技术 (HDI) ─ HDI 集中体现当代 PCB 最先进技术,它给 PCB 带来精细导线化、微小孔径化。

· 具有强大生命力的组件埋嵌技术 ─ 组件埋嵌技术是 PCB 功能集成电路的巨大变革,PCB 厂商要在包括设计、设备、检测、模拟在内的系统方面加大资源投入才能保持强大生命力。

· 符合国际标准的 PCB 材料 ─ 耐热性高、高玻璃化转变温度 (Tg)、热膨胀系数小、介质常数小。

· 光电 PCB 前景广阔 ─ 它利用光路层和电路层传输信号,这种新技术关键是制造光路层 (光波导层)。是一种有机聚合物,利用平版影印、激光烧蚀、反应离子蚀刻等方法来形成。

· 更新制造工艺、引入先进生产设备。

向无卤化转移

随着全球环保意识的提高, 节能减排已成为国家和企业发展的当务之急。作为污染物高排放率的 PCB 企业,更应是节能减排工作的重要响应者和参与者。

· 在制造 PCB 预浸料胚时,发展微波技术来减少溶剂和能量的使用量

· 研发新型的树脂系统,如基于水的环氧材料,减小溶剂的危害;从植物或微生物等可再生资源中提取树脂,减少油基树脂的使用

· 寻找可替代含铅焊料的材料

· 研发新型、可重复使用的密封材料,来保证器件和封装的可回收,保证可拆卸

厂商长线须投放资源以提升

· PCB 的精密度 ─ 减小 PCB 尺寸,宽度和空间轨道

· PCB 的耐用性 ─ 符合国际水平

· PCB 的高性能 ─ 降低阻抗和改善盲埋孔技术

· 先进生产设备 ─ 进囗日本、美国、台湾和欧洲的生产设备如自动电镀线、镀金线、机械和激光打孔机,大型压板机,自动光学检测,激光绘图仪和线路测试设备等

· 人力资源素质 ─ 包括技术和管理人员

· 环保污染处理 ─ 符合保护环境和持续发展的要求 

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