表面组装技术第三讲

表面组装技术SurfaceMountTechnology覃春林博士哈尔滨工业大学(威海)材料学院电子封装技术专业Presentby:SCHOOLOFMATERIALSSCIENCEANDENGIBEERING第三章印刷电路板1.印刷电路板制造概论2.印刷电路板的特点与材料3.印刷电路板的设计4.印刷电路板的制造电路板制造概论视频电路板制造概论•PCB是英文(PrintedCircuitBoard)印制线路板的简称，通常把在绝缘材上，按预定设计，制成印制线路，印制元件或两者组合而成的导电图形称为印制电路，而在绝缘基材上提供元器件之间电气连接的导电图形，称为印制线路，这样就把印制电路或印制线路的成品板称为印制线路板，亦称为印制板或印制电路板。•PCB几乎我们能见到的电子设备都离不开它，小到电子手表、计算器、通用电脑，大到计算机、通迅、电子设备、军用武器系统，只要有集成电路等电子无器件，它们之间电气互连都要用到PCB。它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，如特性阻抗等，同时为自动锡焊提供阻焊图形，为元器件插装、检查、维修提供识别字符和图形。电路板制造概论印刷电路板的历史：PCB制造技术发展的50年历程可划分为6个时期①PCB诞生期1936年制造方法-加成法绝缘板表面添加导电性材料形成导体图形,称为”加成法工艺”使用这类生产专利的印制板曾在1936年底时应用于无线电接收机中。②PCB试产期1950年制造方法-减成法制造方法是使用覆铜箔纸基酚醛树脂层压板PP基材，用化学药品溶解除去不需要的铜箔，留下的铜箔成为电路，称为减成法工艺。在一些标牌制造工厂内用此工艺试做PCB，以手工操作为主，腐蚀液是三氯化铁，溅上衣服就会变黄当时应用PCB的代表性产品是索尼制造的手提式晶体管收音机，应和PP基材的单面PCB。电路板制造概论印刷电路板的历史：③PCB实用期1960年新材料-GE基材登场PCB应用覆铜箔玻璃布环氧树脂层压板(GE基材),由于PWB的国产GE基板在初期有加热翘曲变形,铜箔剥离等问题材料制造商逐渐改进而提高。1965年起日本有好几家材料制造商开始批量生产（GE基板），工业用电子设备用GE基板，民用电子设备用PP基板。④PCB跌进期1970年新安装方式登场这个时期的PCB,从4层向6、8、10、20、40、50层，更多层发展，同时实行高密度化、细线、小孔、薄板化、线路宽度与间距从0.5mm向0.35、0.2、0.1mm发展，PWB单位面积上布线密度大幅提高。PWB上元件安装方式开始了革命性变化，原来的插入式安装技术，THT改变为表面安装技术。电路板制造概论印刷电路板的历史：⑤MLB跃进期1980年超高密度安装的设备登场在1982年-1991年的10年间，日本PCB产值约增长3倍,1982年产值3615亿日元,1991年10940亿日元,1980年后PCB高密度化明显提高,有生产62层玻璃陶瓷基PCB,PCB高密度化推动移动电话和计算机开发竞争。⑥迈向21世纪1990年1991年后日本泡沫经济破灭，电子设备和PCB受影响下降,到1994年后才开始恢复,1998年起积层法PCB进入实用期，产量急速增加，IC元件封装形式进入面阵列端接型的BGA和CSP，走向小型化、超高密度化安装。电路板制造概论印刷电路板的发展：•高密度化•高功能化•轻薄短小•细线化•高传输速率电路板制造概论以pcb组装技术的应用和发展角度来看,可分三个阶段：1.通孔插装技术(tht)阶段pcbI.金属化孔的作用：(1).电气互连---信号传输(2).支撑元器件---引脚尺寸限制通孔尺寸的缩小a.引脚的刚性b.自动化插装的要求电路板制造概论II.提高密度的途径(1)减小器件孔的尺寸，但受到元件引脚的刚性及插装精度的限制，孔径≥0.8mm(2)缩小线宽/间距：0.3mm—0.2mm—0.15mm—0.1mm(3)增加层数：单面—双面—4层—6层—8层—10层—12层—64层电路板制造概论2.表面安装技术（smt）阶段pcbI.导通孔的作用：仅起到电气互连的作用，孔径可以尽可能的小，堵上孔也可以。II.提高密度的主要途径①.过孔尺寸急剧减小：0.8mm—0.5mm—0.4mm—0.3mm—0.25mm②.过孔的结构发生本质变化：a.埋盲孔结构优点：提高布线密度1/3以上、减小pcb尺寸或减少层数、提高可靠性、改善了特性阻抗，减小了串扰、噪声或失真（因线短，孔小）b.盘内孔（holeinpad）消除了中继孔及连线电路板制造概论③薄型化：双面板：1.6mm—1.0mm—0.8mm—0.5mm④pcb平整度：a.概念：pcb板基板翘曲度和pcb板面上连接盘表面的共面性。b.pcb翘曲度是由于热、机械引起残留应力的综合结果c.连接盘的表面涂层：hasl、化学镀ni/au、电镀ni/au…电路板制造概论3.芯片级封装(csp)阶段pcbcsp以开始进入急剧的变革于发展其之中,推动pcb技术不断向前发展,pcb工业将走向激光时代和纳米时代。电路板制造概论封装载板的应用ABGA基板BCSPChipScalePackage基板C增层式电路板BuildupProcess高密度互连板HighDensityInterconnect)D覆晶基板FlipChipSubstrate电路板制造概论印刷电路板的发展：低损失材料(LowLossMaterial)主要应用于高频数字移动通讯、高频数字信息处理器、卫星信号传输设备特性•高Tg•低介电常数•低介质损失角正切电路板制造概论dielectricconstantdissipationfactor电路板制造概论印刷电路板的发展：HDI-高密度内部互连板•所得孔径在0.15mm(6mil)以下,大部分为盲孔,孔环(AnnularRingorPadorLand)之环径在0.25mm(10mil)以下者，特称为Microvia微导孔或微孔。•PCB具有微孔,接点（Connection)密度在130点/寸2以上,布线密度,其线宽/间距为3mil/3mil或更细更窄,称为HDI类PCB电路板制造概论HDI电路板制造概论HDI微盲孔增层板之用途大致分为:•行动电话手机以及笔记型电脑等•高阶电脑与纲路通讯以及周边之大型高层板(14层以上之HighLayerCount)类•精密封装载板类(Packagingsubstrate)涵盖打线(WineBoard)及倒装键合(FlipChip)之各种极精密载板，又称为Interposer或ModuleBoard电路板制造概论印刷电路板的发展:埋电阻-EmbededResistors:在多层板的内层,大多在第二层和第n-1处印制一层电阻材料或在有电阻层的覆铜板,如在介质材料敷上一层电阻材料-如镍磷,再敷上一层铜箔,组成上用图像转移法分别蚀刻导电图形和电阻图形,然后生产出带电阻的多层板.电路板制造概论特性:•节省板面面积而转用于布置密线与布局主动元件或高功率元件,可使整体系统之功能再加强。•大量减少板面SMT焊点数目,增加全机之可靠度,节省成本•消除焊点与其引线引脚所构成的回路(Loop),将可避免讯号通过时所造成的不良寄生效应(ParasiticEffects),如寄生电容或寄生电感等。•对高脚数(HighPinCount)的封裝载板(Substrate),尤其是高速强能FC-PGA式的CPU與ASIC或大型高多层板类(HighLayerCount)者。电路板制造概论埋电容-BuriedCapacitance•在某些高阶多层板中,在原有Vcc/GND內层之外,另加入介质层极薄,2-4mil,的内层板,利用其广大面积的平行金属铜板面制作成为整体性的电容器电路板制造概论特性:•解除耦合效应(Decoupling)•避免额外的电磁干扰(EMI)•当元件于讯号波动暂态(SwitchingTransient)位准时,可提供其瞬间所需的能量使达到更良好的阻抗匹配(ImpedanceMatching)•中电容值者0.01-0.1μF提供電荷能量之用途•低频大电容值者BulkCapacitance1-47μF提供稳压用途电路板制造概论陶瓷PCB环氧PCB电路板制造概论铝基板PCB电路板制造概论硬板PCB,RigidPCB软板PCB,FlexPCB电路板制造概论软硬板PCB,Flex-RigidPCB电路板制造概论单面PCB电路板制造概论双面PCB电路板制造概论多层PCB印刷电路板的特点与材料SMT印制电路板的特点•高密度•小路径•多层数•高板厚/孔径比•优良的运输特性•平整度高•尺寸稳定性好印刷电路板的特点与材料印刷电路板的特点与材料PCB的典型结构：印刷电路板的特点与材料分类材质名称代码特征刚性覆铜薄板纸基板酚醛树脂(Phenolic)覆铜箔板FR-1经济性，阻燃FR-2高电性，阻燃(冷冲)XXXPC高电性(冷冲)XPC经济性经济性(冷冲)环氧树脂(Epoxy)覆铜箔板FR-3高电性，阻燃聚酯树脂覆铜箔板PCB材料基本分类：印刷电路板的特点与材料分类材质名称代码特征刚性覆铜薄板玻璃布基板玻璃布－环氧树脂覆铜箔板FR-4耐热玻璃布-环氧树脂覆铜箔板FR-5G11玻璃布-聚酰亚胺(Polyimide)树脂覆铜箔板GPY玻璃布-聚四氟乙烯(TEFLON)树脂覆铜箔板PCB材料基本分类：印刷电路板的特点与材料分类材质名称代码特征复合材料基板环氧树脂类纸（芯）-玻璃布（面）-环氧树脂覆铜箔板CEM-1，CEM-2(CEM-1阻燃)；(CEM-2非阻燃)玻璃毡（芯）-玻璃布（面）-环氧树脂覆铜箔板CEM3阻燃印刷电路板的特点与材料分类材质名称代码特征复合材料基板聚酯树脂类玻璃毡（芯）-玻璃布（面）-聚酯树脂覆铜箔板玻璃纤维（芯）-玻璃布（面）-聚酯树脂覆铜板印刷电路板的特点与材料分类材质名称代码特殊基板金属类基板金属芯型金属芯型包覆金属型陶瓷类基板氧化铝基板氮化铝基板AIN碳化硅基板SIC低温烧制基板印刷电路板的特点与材料分类材质名称代码特殊基板耐热热塑性基板聚砜类树脂聚醚酮树脂挠性覆铜箔板聚酯树脂覆铜箔板聚酰亚胺覆铜箔板印刷电路板的特点与材料基板材料主要性能：1.耐热性Tg2.热膨胀系数CTE3.耐热性4.热导率5.介电常数印刷电路板的特点与材料为什么PCB要使用高Tg材料：PCB基板材料在高温下，产生•软化•变形•熔融•机械强度下降•电气特性急剧下降高Tg的材料与一般的材料的区别是在热态下，特别是在吸湿后受热下：•其材料的机械强度、尺寸稳定性、粘接性、吸水性、热分解性、热膨胀性等各种情况，高Tg产品明显要好于普通的PCB基板材料。印刷电路板的特点与材料高频基板材料的基本特性要求有以下几点:(1)介电常数(Dk)必须小而且很稳定，通常是越小越好信号的传送速率与材料介电常数的平方根成反比，高介电常数容易造成信号传输延迟。(2)介质损耗(Df)必须小，这主要影响到信号传送的品质，介质损耗越小使信号损耗也越小。(3)与铜箔的热膨胀系数尽量一致，因为不一致会在冷热变化中造成铜箔分离。(4)吸水性要低、吸水性高就会在受潮时影响介电常数与介质损耗。(5)其它耐热性、抗化学性、冲击强度、剥离强度等亦必须良好。印刷电路板的特点与材料物性氟系高分子陶瓷PPO环氧FR-4介电常数(Dk)3.00.04~3.380.05~4.4介质损耗(Df)10GHz0.00130.00270.02剥离强度(N/mm)1.041.052.09热传导性(W/m/0K)0.500.64--一般来说,高频可定义为频率在1GHz以上.目前较多采用的高频电路板基材是氟糸介质基板，如聚四氟乙烯(PTFE)，平时称为特氟龙，通常应用在5GHz以上。另外还有用FR-4或PPO基材，可用于1GHz-10GHz之间的产品，这三种高频基板物性比较如下印刷电路板的特点与材料物性氟系高分子陶瓷PPO环氧FR-4频率范围300MHz-40GHz800MHz-12GHz300MHz-4GHz温度范围(℃)-55～2880～