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理論基礎(chǔ)之PCB和FPC

2021-03-02 18:10:34
理論基礎(chǔ)之PCB和FPC
PCB,PrintedCircuitBoard。如其字面意思,一塊板子,上面有電路,印刷上去的。就是印刷電路板。也叫硬板。
FPC,F(xiàn)lexiblePrintedCircuit。如字面所述,這是一個(gè)電路,也是印刷上去的,并且是柔性的。就是柔性電路板。也叫軟板。一般是黃色的。
還有一種電路板,一部分是硬的,一部分是軟的,一般叫做軟硬結(jié)合板,或者剛撓板。(剛性和撓性)
PCB的生產(chǎn)流程
多層PCB的構(gòu)造,主要是玻璃纖維的板材和銅的線路疊在一起構(gòu)成的。問了以下問題,就可以對(duì)PCB板有更深入的理解了:
PCB線路
如何做線路?
最初的一塊PCB基板,是一張薄玻璃纖維板,兩面覆蓋有銅箔,完整的一片銅箔。線路就是在銅箔上刻出來的。類似于洗照片,Gerber里有每一層的圖像,把圖像做成底片(菲林),用光投射到基板上,基板就會(huì)把菲林上的圖案顯示出來。實(shí)際工作是通過化學(xué)蝕刻來把不需要的區(qū)域的銅腐蝕掉的,剩余的就是線路。兩面都一樣。對(duì)于兩層板,只需要把基材的線路做出來就好了。
注:這里說玻璃纖維板是有助于理解,實(shí)際里面還有其他的樹脂材料,常用的型號(hào)是FR-4。
如何做多層?
拿一塊實(shí)心的塑料,想在里面嵌入一些金屬,怎么辦?不做任何破壞,不可能在內(nèi)部裝入金屬的。但是咱們可以用兩塊塑料,把一片金屬夾起來,金屬就到實(shí)心塑料里面去了。這就就是多層電路板的內(nèi)層線路的來歷:一層一層的疊起來。
先做好兩層板的線路,然后在基板的上下兩面,再各壓合一層單面銅箔的基板,就有了4層。表面線路的做法,跟基板的線路做法如出一轍。如果要做6層,那就再壓合兩層基板。再多就再壓合。
通常中間的基板會(huì)厚一些,兩側(cè)的基板要薄很多。大部分電路板不會(huì)做到每一層的厚度是均勻的。
如何做過孔?
基板的兩邊,是沒有連接起來的。為了把兩邊的線路連起來,就需要鉆個(gè)孔。不過只有孔,孔里面是空氣,還是導(dǎo)不了電。此時(shí)就需要在孔里面電鍍。鍍上一層銅,兩面的線路通過孔里面的銅,就可以連接起來了。
原理很簡單,實(shí)際工藝很復(fù)雜,需要遮蓋住線路,還需要在孔內(nèi)做表面處理才能鍍上銅。
孔是怎么鉆的?
還記得我們會(huì)在Gerber里輸出鉆孔圖么?鉆孔圖標(biāo)注了每一個(gè)孔的相對(duì)坐標(biāo),輸入到機(jī)床里,機(jī)械手帶著細(xì)細(xì)的鉆頭,在電路板上把孔逐個(gè)鉆出來。這種就是機(jī)械孔。常用的機(jī)械孔最小直徑在0.2mm,還有0.25和0.3mm的。大家想想,0.2mm直徑的鉆頭,只比頭發(fā)絲粗一點(diǎn),很容易彎曲或斷裂。這也就是為什么0.15mm的機(jī)械孔幾乎沒有工廠愿意做,0.2的孔的電路板,也會(huì)比0.2孔5的要更貴一些。這種穿過整個(gè)電路板的孔,叫做“通孔”。打通了的孔。如果通孔兩邊沒有被油漆覆蓋,肉眼就可以看到中間是空的。如果焊接,還會(huì)發(fā)現(xiàn)有焊錫漏到對(duì)面去了。
對(duì)于HDI板(HighDensityInterconnector,高密度互聯(lián))板來講,還有一種特殊的孔,激光孔。通過激光燒蝕電路板,燒開一個(gè)孔。激光不會(huì)斷,光束可以做的很細(xì)。在電路板上通常使用0.1mm直徑的激光孔。激光是通過高溫來燒蝕材料的,基材的主要成分是玻璃纖維和樹脂,熔點(diǎn)不高,因此用激光可以很容易燒穿。但激光遇到銅箔,就沒燒不穿了。因此激光孔只有一邊是通的,另一邊會(huì)被銅箔封死,不能被看穿。因此叫做盲孔(Blindhole)
對(duì)于內(nèi)層線路,可以先打孔再壓合外層線路,這時(shí)候原本的通孔,就被埋在板子里了,因此叫做埋孔(buriedhole)。本質(zhì)上就是個(gè)通孔。
能不能只鉆一半,留一半?
例如,電路板只把1-2層鉆開,保留3-4層。很抱歉,加工難度太大了,深度做不了這么精確。因此電路板上的開口,只要是機(jī)械開孔的,一定要打穿,不能限定深度。如果非要做,也有一些特殊工藝,例如提前把基材鉆孔,這樣的工藝不常見,所以價(jià)格也很高。
線路畫多寬?
PCB板上的線路,單位是mil。Mil=千分之一英寸。0.0254毫米。通俗來記憶,就是4mil=0.1mm。
國內(nèi)目前主流的線寬和線距的尺寸,一般是4mil。算是0.1mm。如果寬度太窄了,就不好加工了。前面講到,導(dǎo)線是在通過照片在銅箔上蝕刻出來的,線太窄了容易腐蝕斷掉,線距太窄了容易腐蝕不完導(dǎo)致短路。目前主流多層HDI板上,線寬線距可以做到局部2.5mil,整體3mil。線細(xì)了,不良率就會(huì)比較高,單價(jià)也會(huì)比較貴。
既然線太細(xì)了價(jià)格會(huì)上升,咱們統(tǒng)一都把線做粗一些行不行?也不行,如果線路太粗了,PCB畫圖的難度就會(huì)加大。并且線路粗細(xì)和信號(hào)類型是有很大的關(guān)系的,必須要根據(jù)電路上傳遞的信號(hào)的種類和參數(shù)來合理的選擇線寬線距,也需要PCB繪圖人員,對(duì)原理設(shè)計(jì)很熟悉。例如:電源線要根據(jù)通過的最大電流來設(shè)計(jì)寬度,通常按照40mil通過1A電流來計(jì)算。普通信號(hào)線走4mil足夠了。射頻線需要做阻抗匹配,線寬要根據(jù)板材和層數(shù)來計(jì)算。畫原理圖的時(shí)候,線路名稱也要標(biāo)識(shí)清楚,能夠讓PCB繪圖人員輕松無誤的從名字上看出來這條線路的功能,然后采取合適的走線方式。
過孔能不能隨便打?
能,但也不能。
先說“能”。就像樓梯一樣,一樓到二樓,二樓到三樓,三樓到四樓,都可以有樓梯。那么我們能不能直接搭個(gè)梯子,從一樓一下子到三樓,或者從一樓直接上到四樓呢?理論上是可以的,這種叫做任意層互聯(lián)板??梢詮娜我鈱舆B接到其他任一層。拿8層任意互聯(lián)舉例,可以從1直接一穿到底連到8,也可以從1連接到2至7層,也可以從2連接到3至8層,或者從4連接到5至8層。想怎么畫就怎么畫,線路想怎么穿就怎么穿,幾乎不存在線路連不出來的情況。想著就開心,對(duì)吧?但是這種電路板只有一個(gè)缺點(diǎn):貴。貴到爆。比通常的電路板貴一個(gè)數(shù)量級(jí)!消費(fèi)電子領(lǐng)域,也就只有iPhone這樣的不缺錢的機(jī)型舍得這么干了。其他機(jī)型,不管是華為手機(jī)還是oppovivo,全部都沒有這么量產(chǎn)的機(jī)型。
因?yàn)橘F,所以“不能”。智能硬件和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域用的電路板,一般都不會(huì)浪費(fèi)。在性能滿足的情況下,盡量用簡單的工藝來實(shí)現(xiàn),能夠有效的降低成本。
成本最低的,是通孔板,壓合好了,鉆一次孔,鍍一次銅,就完成了,工序少很多,省時(shí)間省成本。
再來講講一階二階的概念。
如這張圖,是最傳統(tǒng)的二階非疊孔的疊層結(jié)構(gòu)。通孔和埋孔是機(jī)械孔,盲孔是激光孔??雌饋硎怯?個(gè)臺(tái)階的,因此叫二階。也可以理解為,有幾層激光孔,就是幾階板。疊孔,顧名思義,是把孔重疊到一起。通常打孔都是錯(cuò)開,即不把一個(gè)孔打在另外一個(gè)孔上面,也稱“錯(cuò)孔”。但激光孔可以疊在一起,構(gòu)成疊孔。激光孔和機(jī)械孔不能疊到一起去。錯(cuò)孔在設(shè)計(jì)PCB的時(shí)候表現(xiàn)為1-2、2-3兩種激光孔。疊孔表現(xiàn)為1-3層的激光孔。
前面講了激光孔的原理,激光能量有限,只能打穿比較薄的板材,并且需要打到銅箔才能夠停止。因?yàn)闄C(jī)械孔中間是空心的,如果在機(jī)械孔上面打激光孔,激光就會(huì)穿過去。之所以兩個(gè)激光孔能夠疊起來,并不是說激光孔內(nèi)部不是空心的,而是通過“電鍍填平”工藝,把內(nèi)側(cè)激光孔內(nèi)部用銅堵起來,然后表面磨平,對(duì)于外側(cè)激光孔來講,內(nèi)側(cè)的激光孔看起來只是一塊銅箔,并不是一個(gè)孔。那么為什么內(nèi)層孔不能電鍍填平呢?內(nèi)層機(jī)械孔內(nèi)徑太粗了,鍍銅鍍不了這么厚,填不滿。
原本只打一次通孔的電路板,做成一階板就需要多一次打孔和電鍍的工序,做成二階板需要再加多一次打孔和電鍍,如果做疊孔還需要增加一道電鍍填平工藝,工序越多成本越高,加工復(fù)雜度越高,良品率越低。
鍍金層
PCB上的線路,都是用銅箔做的,純銅的抗氧化性能并不強(qiáng),直接暴露在空氣中很快就氧化了。因此電路板外露的焊盤,都需要做處理,既能夠防止銅質(zhì)焊盤氧化,又能夠提升可焊性。
平時(shí)看到的電路板上的焊盤顏色有三種,金色、銀色、橙紅色三種。分別是沉金、噴錫、OSP。沉金,是用化學(xué)方法在焊盤表面沉積一層鎳金。噴錫,是在焊盤表面噴上一層錫,OSP是一種無機(jī)物薄膜。三種方法都用來提升可焊接性??垢g性沉金最佳,噴錫次之,OSP最差。
在尺寸較大的低成本電路板上,用噴錫工藝的比較多。
小尺寸精密電路板上,如手機(jī)、智能硬件等,還是以沉金為主。
OSP可以理解為一種覆蓋在銅上的保護(hù)膜,讓內(nèi)層銅沒那么容易被氧化,在焊接的時(shí)候能夠自動(dòng)熔化并起到助焊劑的作用。因不含有黃金,因此OSP的價(jià)格比沉金要略低一些。通常電路板上,需要長期暴露在外部的焊盤,例如接地焊盤,需要用沉金來處理,需要焊接的焊盤,就可以用OSP來處理。
因?yàn)殡娐钒宓腻儗硬⒉皇墙^對(duì)防氧化的,所以電路板是有保質(zhì)期的,如果暴露在空氣中存放,沉金板半年左右,OSP板不超過一個(gè)月。如果抽真空密封,沉金板1年,OSP幾個(gè)月還是可以用的。超期的主板,貼片的時(shí)候就有可能因?yàn)楹副P氧化造成直通率下降很多。
價(jià)格趨勢
工程師往往對(duì)產(chǎn)品價(jià)格不敏感,這個(gè)思維是不對(duì)的。硬件工程師必須要時(shí)刻有“省錢”的意識(shí),保證性能和周期的情況下,能省則省。例如一個(gè)產(chǎn)品節(jié)約1塊錢,賣100萬臺(tái)出去,就可以節(jié)省100萬。
PCB的價(jià)格=板材+很多張菲林+很多道工藝+人工成本+報(bào)廢板。板材和人工成本相差不多,價(jià)格差異主要體現(xiàn)在工藝和報(bào)廢率上。工藝復(fù)報(bào)廢率高,成本自然就貴了。
層數(shù)越多,價(jià)格越貴。每增加2層,價(jià)格會(huì)上升30%左右。
階數(shù)越多,價(jià)格越貴。每增加1階,價(jià)格會(huì)上升30%左右。
采用了特殊工藝,價(jià)格也會(huì)上升。疊孔、0.2直徑的機(jī)械孔、小于3mil的線寬和線距,每一項(xiàng)都會(huì)造成10-20%的價(jià)格上升。
這個(gè)價(jià)格上升,是按照各項(xiàng)相乘來計(jì)算的,不是按照各項(xiàng)相加來計(jì)算的,可以理解為,每增加一項(xiàng)復(fù)雜工藝,板廠良率就要下降一些,加十道工序,總的良率是十次良率的乘積。所以才會(huì)出現(xiàn)任一層互聯(lián)電路板貴到離譜的情況。
為什么很少有電路板廠在一線城市?
電路板加工廠,哪怕總部或者辦事處在上海、深圳之類的一線城市,其工廠也都不在這些地方。省會(huì)城市也很少。主要在二三線城市,例如蘇州、梅州、遂寧、東莞等。
板廠主要靠機(jī)械來加工,全自動(dòng)的,人力成本占比不大。之所以沒有在一線城市,并不是因?yàn)槿肆Τ杀净驈S房成本,主要原因在于板廠是需要靠化學(xué)腐蝕和化學(xué)電鍍等方式來生產(chǎn),環(huán)境污染比較大。
FPC是怎么做的?
軟板和硬件把做法是一樣的,一層基板,蝕刻兩面線路。過孔也是機(jī)械鉆孔然后電鍍,外面也會(huì)覆蓋一層阻焊層。
如果要做多層FPC,就不像多層硬板一樣直接壓合了。拿一張紙,可以輕松彎折,如果拿一本書,在兩端固定的情況下,是沒有辦法彎折的。因?yàn)橥鈧?cè)的會(huì)被拉伸,內(nèi)側(cè)的會(huì)被擠壓。所以FPC不能做的太厚,也不能像硬板一樣壓合起來。如果要做一根4層的FPC,最里面是一根2層的FPC,外面還有兩根單層FPC。在不會(huì)被彎折的兩端壓合起來,中間不壓合,是散開的。如果彎折,最里面的FPC會(huì)被彎出幾個(gè)褶皺出來。只有這樣才能保證多層FPC既能彎折又不會(huì)斷掉。
硬件FPC
柔軟的FPC上,是不能焊接元器件的,元器件都是硬的,不能跟著FPC去彎折。如果要焊接元器件,就要保證元器件區(qū)域的FPC不能被彎折,要是硬的。需要在這些區(qū)域下面加上“補(bǔ)強(qiáng)板”,補(bǔ)強(qiáng)是指補(bǔ)充強(qiáng)度的意思。用的比較多的是不銹鋼和玻璃纖維。把FPC粘在補(bǔ)強(qiáng)板上,這一塊就不會(huì)彎曲了,焊接了元器件也不會(huì)被彎掉。
已經(jīng)有了FPC了,為什么還要軟硬結(jié)合板?
的確,F(xiàn)PC上也能焊接元器件,也能夠做到一部分硬一部分軟。所以能用FPC的時(shí)候就不要用軟硬結(jié)合板,太貴了。比FPC和硬件要貴幾倍。
FPC的弊病是,不適合做太多層,也很難做HDI(盲埋孔)這樣的高密度電路。像BGA封裝的芯片,一般都需要用1階或2階的HDI板才能夠把那么密集的引腳走線畫出來。通常情況下,大家會(huì)用硬板+連接器+FPC的方式,設(shè)計(jì)HDI的硬板,把芯片放在硬板上,然后在PCB上設(shè)計(jì)連接器,再把FPC通過連接器連在PCB板上。這種其實(shí)也比軟硬結(jié)合板成本更低。
但是,連接器是要占空間的,并且不比芯片占的空間小,既占面積又占高度。于是需要用成本換空間的地方,軟硬結(jié)合板就會(huì)大顯身手。例如Airpods拆解中,可以看到整個(gè)耳機(jī)內(nèi)部是一塊形狀復(fù)雜的軟硬結(jié)合板。我們之前做過一款智能戒指,也是用的軟硬結(jié)合板。
需要注意的是,硬板部分可以做4層6層8層,軟板部分只能做2層。
軟硬結(jié)合板,既能夠使用超小型的元器件,又能夠彎折,非常適合形狀復(fù)雜或需要彎曲的超小型智能產(chǎn)品。唯一的缺點(diǎn),就是貴。
軟硬結(jié)合板是怎么做的?
軟硬結(jié)合板的設(shè)計(jì)流程和PCB沒什么太大區(qū)別,生產(chǎn)的流程和PCB也沒什么多大區(qū)別。先把內(nèi)部2層FPC做好,然后再在外面做幾層硬板,最后把彎折區(qū)域外面的硬板去掉就可以了。
不過之所以軟硬結(jié)合板比硬板貴很多,主要還是因?yàn)榫唧w工藝更復(fù)雜,報(bào)廢率很高。

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