PCB高频板的定义:
高频板是指电磁频率较高的特种线路板,用于高频率(频率大于300MHZ或者波长小于1米)与微波(频率大于3GHZ或者波长小于0.1米)领域的PCB,是在微波基材覆铜板上利用普通刚性线路板制造方法的部分工序或者采用特殊处理方法而生产的电路板。一般来说,高频板可定义为频率在1GHz以上线路板。
随着科学技术的快速发展,越来越多的设备设计是在微波频段(>1GHZ)甚至与毫米波领域(77GHZ)以上的应用(例如现在很火的车载77GHz毫米波天线),这也意味着频率越来越高,对线路板的基材的要求也越来越高。比如说基板材料需要具有优良的电性能,良好的化学稳定性,随电源信号频率的增加在基材上的损失要求非常小,所以高频板材的重要性就凸现出来了。
FPC挠性印制电路板加工工艺知识
一、FPC挠性印制电路板概述
印制电路板是电子行业的基础产品,广泛应用于通讯设备、计算机、汽车电子和工业装备及各种家用电器等电子产品,其主要功能是支撑电路元件和互连电路元件。FPC挠性印制电路板是印制电路板中一个大类,如图1、图2。根据FPC挠性印制电路板的结构,按导体层数可分为单面板、双面板、多层板。
1、FPC柔性电路板的挠曲性和可靠性
目前FPC柔性电路板有:单面、双面、多层柔性板和刚柔性板四种。
①单面柔性板是成本较低,当对电性能要求不高的印制板。在单面布线时,应当选用单面柔性板。其具有一层化学蚀刻出的导电图形,在柔性绝缘基材面上的导电图形层为压延铜箔。绝缘基材可以是聚酰亚胺,聚对苯二甲酸乙二醇酯,芳酰胺纤维酯和聚氯乙烯。
②双面柔性板是在绝缘基膜的两面各有一层蚀刻制成的导电图形。金属化孔将绝缘材料两面的图形连接形成导电通路,以满足挠曲性的设计和使用功能。而覆盖膜可以保护单、双面导线并指示元件安放的位置。
③多层柔性板是将3层或更多层的单面或双面FPC柔性电路板层压在一起,通过钻孑L、电镀形成金属化孔,在不同层间形成导电通路。这样,不需采用复杂的焊接工艺。多层电路在更高可靠性,更好的热传导性和更方便的装配性能方面具有巨大的功能差异。在设计布局时,应当考虑到装配尺寸、层数与挠性的相互影响。
④传统的刚柔性板是由刚性和柔性基板有选择地层压在一起组成的。结构紧密,以金属化孑L形成导电连接。如果一个印制板正、反面都有元件,刚柔性板是一种很好的选择。但如果所有的元件都在一面的话,选用双面柔性板,并在其背面层压上一层FR4增强材料,会更经济。
⑤混合结构的FPC柔性电路板是一种多层板,导电层由不同金属构成。一个8层板使用FR-4作为内层的介质,使用聚酰亚胺作为外层的介质,从主板的三个不同方向伸出引线,每根引线由不同的金属制成。康铜合金、铜和金分别作独立的引线。这种混合结构大多用在电信号转换与热量转换的关系及电性能比较苛刻的低温情况下,是惟一可行的解决方法。
可通过内连设计的方便程度和总成本进行评价,以达到较佳的性能价格比。
2、FPC柔性电路板的经济性
如果电路设计相对简单,总体积不大,而且空间适宜,传统的内连方式大多要便宜很多。如果线路复杂,处理许多信号或者有特殊的电学或力学性能要求,FPC柔性电路板是一种较好的设计选择。当应用的尺寸和性能**出刚性电路的能力时,柔性组装方式是较经济的。在一张薄膜上可制成内带5mil通孔的12mil焊盘及3mil线条和间距的FPC柔性电路板。因此,在薄膜上直接贴装芯片更为可靠。因为不含可能是离子钻污源的阻燃剂。这些薄膜可能具有防护性,并在较高的温度下固化,得到较高的玻璃化温度。柔性材料比起刚性材料节省成本的原因是免除了接插件。
高成本的原材料是FPC柔性电路板价格居高的主要原因。原材料的价格差别较大,成本较低的聚酯FPC柔性电路板所用原材料的成本是刚性电路所用原材料的1.5倍;高性能的聚酰亚胺FPC柔性电路板则高达4倍或更高。同时,材料的挠性使其在制造过程中不易进行自动化加工处理,从而导致产量下降;在最后的装配过程中易出现缺陷,这些缺陷包括剥下挠性附件、线条断裂。当设计不适合应用时,这类情况更容易发生。在弯曲或成型引起的高应力下,常常需选择增强材料或加固材料。尽管其原料成本高,制造麻烦,但是可折叠、可弯曲以及多层拼板功能,会使整体组件尺寸减小,所用材料随之减少,使总的组装成本降低。
FPC柔性电路板产业正处于规模小但迅猛发展之中。聚合物厚膜法是一种高效、低成本的生产工艺。该工艺在廉价的柔性基材上,选择性地网印导电聚合物油墨。其代表性的柔性基材为PET。聚合物厚膜法导体包括丝印金属填料或碳粉填料。聚合物厚膜法本身很清洁,使用无铅的SMT胶黏剂,不必蚀刻。因其使用加成工艺且基材成本低,聚合物厚膜法电路是铜聚酰亚胺薄膜电路价格的1/10;是刚性电路板价格的1/2~1/3。聚合物厚膜法尤其适用于设备的控制面板。在移动电话和其他的便携产品上,聚合物厚膜法适合将印制电路主板上的元件、开关和照明器件转变成聚合物厚膜法电路。既节省成本,又减少能源消耗。
一般说来,FPC柔性电路板的确比刚性电路的花费大,成本较高。柔性板在制造时,许多情况下不得不面对这样一个事实,许多的参数**出了公差范围。制造FPC柔性电路板的难处就在于材料的挠性,下面看下工艺。
线路板PCB加工特殊制程
1、Additive Process 加成法
指非导体的基板表面,在另加阻剂的协助下,以化学铜层进行局部导体线路的直接生长制程(详见电路板信息杂志* 47 期 P.62)。电路板所用的加成法又可分为全加成、半加成及部份加成等不同方式。
2、Backpanels,Backplanes 支撑板
是 一种厚度较厚(如 0.093",0.125")的电路板,专门用以插接联络其它的板子。其做法是先插入多脚连接器(Connector)在紧迫的通孔中,但并不焊锡,而在 连接器穿过板子的各导针上,再以绕线方式逐一接线。连接器上又可另行插入一般的电路板。由于这种特殊的板子,其通孔不能焊锡,而是让孔壁与导针直接卡紧使 用,故其品质及孔径要求都特别严格,其订单量又不是很多,一般电路板厂都不愿也不易接这种订单,在美国几乎成了一种高品级的专门行业。
3、Build Up Process 增层法制程
这 是一种全新领域的薄形多层板做法,较早启蒙是源自 IBM 的SLC 制程,系于其日本的 Yasu 工厂 1989 年开始试产的,该法是以传统双面板为基础,自两外板面先全面涂布液态感光前质如Probmer 52,经半硬化与感光解像后,做出与下一底层相通的浅形"感光导孔"(Photo-Via) ,再进行化学铜与电镀铜的全面增加导体层,又经线路成像与蚀刻后,可得到新式导线及与底层互连的埋孔或盲孔。如此反复加层将可得到所需层数的多层板。此法 不但可免除成本昂贵的机械钻孔费用,而且其孔径更可缩小至10mil以下。过去5~6年间,各类打破传统改采逐次增层的多层板技术,在美日欧业者不断推动 之下,使得此等 Build Up Process 声名大噪,已有产品上市者亦达十余种之多。除上述"感光成孔"外;尚有去除孔位铜皮后,针对**板材的碱性化学品咬孔、雷射烧孔 ( Laser Ablation ) 、以及电浆蚀孔 ( Plasma Etching )等不同"成孔"途径。而且也可另采半硬化树脂涂布的新式"背胶铜箔" (Resin Coated Copper Foil ) ,利用逐次压合方式 ( Sequential Lamination ) 做成更细更密又小又薄的多层板。日后多样化的个人电子产品,将成为这种真正轻薄短小多层板的天下。
4、Cermet 陶金
将陶瓷粉末与金属粉末混合,再加入黏接剂做为种涂料,可在电路板面(或内层上)以厚膜或薄膜的印刷方式,做为"电阻器"的布着安置,以代替组装时的外加电阻器。
5、Co-Firing 共烧
是瓷质混成电路板(Hybrid)的一个制程,将小型板面上已印刷各式贵金属厚膜糊(Thick Film Paste)的线路,置于高温中烧制。使厚膜糊中的各种**载体被烧掉,而留下贵金属导体的线路,以做为互连的导线。
6、Crossover越交,搭交
板面纵横两条导线之立体交叉,交点落差之间填充有绝缘介质者称之。一般单面板绿漆表面另加碳膜跳线,或增层法之上下面布线均属此等"越交"。
7、Discreate Wiring Board散线电路板,复线板
即Multi-Wiring Board的另一说法,是以圆形的漆包线在板面贴附并加通孔而成。此种复线板在高频传输线方面的性能,比一般PCB经蚀刻而成的扁方形线路更好。
8、DYCOstrate电浆蚀孔增层法
是 位于瑞士苏黎士的一家Dyconex公司所开发的Build up Process。系将板面各孔位处的铜箔**蚀除,再置于密闭真空环境中,并充入CF4、N2、O2,使在高电压下进行电离形成活性较高的电浆 (Plasma),用以蚀穿孔位之基材,而出现微小导孔 (10mil以下) 的**方法,其商业制程称为DYCOstrate。
9、Electro-Deposited Photoresist电着光阻,电泳光阻
是一种新式的"感光阻剂"施工法,原用于外形复杂金属物品 的"电着漆"方面,较近才引进到"光阻"的应用上。系采电镀方式将感旋光性带电树脂带电胶体粒子,均匀的镀在电路板铜面上,当成抗蚀刻的阻剂。目前已在内 层板直接蚀铜制程中开始量产使用。此种ED光阻按操作方法不同,可分别放置在阳极或阴极的施工法,称为"阳极式电着光阻"及"阴极式电着光阻"。又可按其 感光原理不同而有"感光聚合"(负性工作Negative Working )及"感光分解"(正性工作Positive Working)等两型。目前负型工作的ED光阻已经商业化,但只能当做平面性阻剂,通孔中因感光因难故尚无法用于外层板的影像转移。至于能够用做外层板 光阻剂的"正型ED"(因属感光分解之皮膜,故孔壁上虽感光不足但并无影响),目前日本业者仍正在加紧努力,希望能够展开商业化量产用途,使细线路的制作 比较容易达成。此词亦称为"电泳光阻"(Electrothoretic Photoresist)。
10、Flush Conductor 嵌入式线路,贴平式导体
是 一外表全面平坦,而将所有导体线路都压入板材之中的特殊电路板。其单面板的做法是在半硬化(Semi Cured)的基材板上,先以影像转移法把板面部份铜箔蚀去而得到线路。再以高温高压方式将板面线路压入半硬化的板材之中,同时可完成板材树脂的硬化作 业,成为线路缩入表面内而呈全部平坦的电路板。通常这种板子已缩入的线路表面上,还需要再微蚀掉一层薄铜层,以便另镀0.3mil的镍层,及20微吋的铑 层,或10微吋的金层,使在执行滑动接触时,其接触电阻得以更低,也更容易滑动。但此法郄不宜做PTH,以防压入时将通孔挤破,且这种板子要达到表面完全 平滑并不容易,也不能在高温中使用,以防树脂膨胀后再将线路**出表面来。此种技术又称为Etch and Push法,其完工的板子称为Flush-Bonded Board,可用于RotarySwitch及Wiping Contacts等特殊用途。
11、Frit玻璃熔料
在厚膜糊 (Poly Thick Film, PTF)印膏中,除贵金属化学品外,尚需加入玻璃粉类,以便在高温焚熔中发挥凝聚与附着效果,使空白陶瓷基板上的印膏,能形成牢固的贵金属电路系统。
12、Fully-Additive Process 全加成法
是在完全绝缘的板材面上,以无电沉积金属法(绝大多数是化学铜),生长出选择性电路的做法,称之为"全加成法"。另有一种不太正确的说法是"Fully Electroless"法。
13、Hybrid Integrated Circuit 混成电路
是 一种在小型瓷质薄基板上,以印刷方式施加贵金属导电油墨之线路,再经高温将油墨中的**物烧走,而在板面留下导体线路,并可进行表面黏装零件的焊接。是一 种介乎印刷电路板与半导体集成电路器之间,属于厚膜技术的电路载体。早期曾用于军事或高频用途,近年来由于价格甚贵且**,且不易自动化生产,再加上 电路板的日趋小型化精密化之下,已使得此种 Hybrid 的成长大大不如早年。
14、Interposer互连导电物
指绝缘物体所承载之任何两层导体间,其待导通处经加填某些导电类填充物而得以导通者,均称为Interposer。如多层板之裸孔中,若填充银膏或铜膏等代替正统铜孔壁者,或垂直单向导电胶层等物料,均属此类Interposer。
15、Laser Direct Imaging,LDI 雷射直接成像
是 将已压附干膜的板子,不再用底片曝光以进行影像转移,而代以计算机指挥激光束,直接在干膜上进行快速扫瞄式的感光成像。由于所发出的是单束能量集中的平行 光,故可使显像后的干膜侧壁更为垂直。但因此法只能对每片板子单独作业,故量产速度远不如使用底片及传统曝光来的快。LDI 每小时只能生产 30 片中型面积的板子,因而只能在雏型打样或高单价的板类中偶有出现。由于先天性的成本高居不下,故很难在业界中推广。
16、Laser Maching 雷射加工法
电 子工业中有许多精密的加工,例如切割、钻孔、焊接、熔接等,亦可用雷射光的能量去进行,谓之雷射加工法。所谓 LASER 是指"Light Amplification Stimulated Emission of Radiation"的缩写,大陆业界译为"激光"为其意译,似较音译更为切题。Laser 是在 1959 年由美国物理学家 T.H.Maiman,利用单束光射到红宝石上而产生雷射光,多年来的研究已创造一种全新的加工方式。除了在电子工业外,尚可用于医疗及军事等方面。
17、Micro Wire Board微封线 (封包线)板
贴附在板面上的圆截面漆包线(胶封线),经制做PTH完成层间互连 的特殊电路板,业界俗称为 Multiwire Board"复线板",当布线密度甚大(160~250in/in2) ,而线径甚小(25mil以下)者,又称为微封线路板。
18、Moulded Circuit模造立体电路板
利用立体模具,以射出成型法(Injection Moulding)或转型法,完成立体电路板之制程,称为 Moulded circuit或 Moulded Interconnection Circuit。左图即为两次射出所完成MIC的示意图。
19、Multiwiring Board(or Discrete Wiring Board)复线板
是 指用较细的漆包线,直接在无铜箔的板面上进行立体交叉布线,再经涂胶固定及钻孔与镀孔后,所得到的多层互连电路板,称之为"复线板"。此系美商PCK 公司所开发,目前日商日立公司仍在生产。此种MWB可节省设计的时间,适用于复杂线路的少量机种 (电路板信息杂志* 60 期有专文介绍)。
20、Noble Metal Paste 贵金属印膏
是厚膜电路印刷用的导电印膏。当其以网版法印在瓷质的基板上,再以高温将其中**载体烧走,即出现固着的贵金属线路。此种印膏所加入的导电金属粉粒必须要为贵金属才行,以避免在高温中形成氧化物。商品中所使用者有金、铂、铑、钯或其它等贵金属。
21、Pads Only Board唯垫板
早 期通孔插装时代,某些高可靠度多层板为保证焊锡性与线路安全起见,特只将通孔与焊环留在板外,而将互连的线路藏入下一内层上。此种多出两层的板类将不印防 焊绿漆,在外观上特别讲究,品检较为严格。目前由于布线密度增大,许多便携式电子产品 (如大哥大手机),其电路板面只留下SMT焊垫或少许线路,而将互连的众多密线埋入内层,其层间也改采高难度的盲孔或"盖盲孔"(Pads On Hole),做为互连以减少全通孔对接地与电压大铜面的破坏,此种SMT密装板也属唯垫板类。
22、Polymer Thick Film (PTF) 厚膜糊
指陶瓷基材厚膜电路板,所用以制造线路的贵金属印膏,或形成印刷式电阻膜之印膏而言,其制程有网版印刷及后续高温焚化。将**载体烧走后,即出现牢固附着的线路系统,此种板类通称为混合电路板(Hybrid Circuits)。
23、Semi-Additive Process半加成制程
是 指在绝缘的底材面上,以化学铜方式将所需的线路先直接生长出来,然后再改用电镀铜方式继续加厚,称为"半加成"的制程。若全部线路厚度都采用化学铜法时, 则称为"全加成"制程。注意上述之定义是出自 1992.7. 发行之较新规范 IPC-T-50E,与原有的 IPC-T-50D(1988.11)在文字上已有所不同。早期之"D版"与业界一般说法,都是指在非导体的裸基材上,或在已有薄铜箔(Thin foil如 1/4 oz或 1/8 oz者)的基板上。先备妥负阻剂之影像转移,再以化学铜或电镀铜法将所需之线路予以加厚。新的50E并未提到薄铜皮的字眼,两说法之间的差距颇大,读者在 观念上似乎也应跟着时代进步才是。阻燃特性:VO板
绝缘层厚度:常规板
层数:多面
基材:铜
绝缘材料:**树脂
绝缘树脂:环氧树脂(EP)
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