高精密PCB加工

PCB线路板铜箔的基本知识
一、铜箔简介


　　Copper foil（铜箔）：一种阴质性电解材料，沉淀于线路板基底层上的一层薄的、连续的金属箔，它作为PCB的导电体。它容易粘合于绝缘层，接受印刷保护层，腐蚀后形成电路图样。Copper mirror test（铜镜测试）：一种助焊剂腐蚀性测试，在玻璃板上使用一种真空沉淀薄膜。



　　铜箔由铜加一定比例的其它金属打制而成，铜箔一般有90箔和88箔两种，即为含铜量为90%和88%，尺寸为16*16cm。铜箔是用途广泛的装饰材料。如：宾馆酒店、寺院佛像、金字招牌、瓷砖马赛克、工艺品等。



二、产品特性


　　铜箔具有低表面氧气特性，可以附着与各种不同基材，如金属，绝缘材料等，拥有较宽的温度使用范围。主要应用于电磁屏蔽及抗静电，将导电铜箔置于衬底面，结合金属基材，具有优良的导通性，并提供电磁屏蔽的效果。可分为：自粘铜箔、双导铜箔、单导铜箔等。



　　电子级铜箔（纯度99.7%以上，厚度5um-105um）是电子工业的基础材料之一电子信息产业快速发展，电子级铜箔的使用量越来越大，产品广泛应用于工业用计算器、通讯设备、QA设备、锂离子蓄电池，民用电视机、录像机、CD播放机、复印机、电话、冷暖空调、汽车用电子部件、游戏机等。国内外市场对电子级铜箔，尤其是电子级铜箔的需求日益增加。有关机构预测，到2015年，中国电子级铜箔国内需求量将达到30万吨，中国将成为世界印刷线路板和铜箔基地的大制造地，电子级铜箔尤其是箔市场看好。



三、铜箔的供应状况


　　工业用铜箔可常见分为压延铜箔（RA铜箔）与点解铜箔（ED铜箔）两大类，其中压延铜箔具有较好的延展性等特性，是早期软板制程所用的铜箔，而电解铜箔则是具有制造成本较压延铜箔低的优势。由于压延铜箔是软板的重要原物料，所以压延铜箔的特性改良和价格变化对软板产业有一定的影响。



　　由于压延铜箔的生产厂商较少，且技术上也掌握在部份厂商手中，因此客户对价格和供应量的掌握度较低，故在不影响产品表现的前提下，用电解铜箔替代压延铜箔是可行的解决方式。但若未来数年因为铜箔本身结构的物理特性将影响蚀刻的因素，在细线化或薄型化的产品中，另外高频产品因电讯考量，压延铜箔的重要性将再次提升。



　　生产压延铜箔有两大障碍，资源的障碍和技术的障碍。资源的障碍指的是生产压延铜箔需有铜原料支持，占有资源十分重要。另一方面，技术上的障碍使更多新加入者却步，除了压延技术外，表面处理或是氧化处理上的技术亦是。性大厂多半拥有许多技术专利和关键技术Know How，加大进入障碍。若新加入者采后处理生产，又受到大厂的成本拑制，不易成功加入市场，故的压延铜箔仍属于强占性的市场。



四、铜箔的发展情况


　　铜箔英文为electrodepositedcopperfoil，是覆铜板（CCL）及印制线路板（PCB）制造的重要的材料。在当今电子信息产业高速发展中，电解铜箔被称为：电子产品信号与电力传输、沟通的“神经网络”。2002年起，中国印制线路板的生产值已经越入世界第3位，作为PCB的基板材料——覆铜板也成为世界上第3大生产国。由此也使中国的电解铜箔产业在近几年有了突飞猛进的发展。为了了解、认识世界及中国电解铜箔业发展的过去、现在，及展望未来，据中国环氧树脂行业协会特对它的发展作回顾。



　　从电解铜箔业的生产部局及市场发展变化的角度来看，可以将它的发展历程划分为3大发展时期：美国创建初的世界铜箔企业及电解铜箔业起步的时期；日本铜箔企业全面垄断世界市场的时期；世界多极化争夺市场的时期。

浅析pcb线路板的热可靠性问题
一般情况下，pcb线路板板上的铜箔分布是非常复杂的，难以准确建模。因此，建模时需要简化布线的形状，尽量做出与实际线路板接近的ANSYS模型线路板板上的电子元件也可以应用简化建模来模拟，如MOS管、集成电路块等。


热分析

贴片加工中热分析可协助设计人员确定pcb线路板上部件的电气性能，帮助设计人员确定元件或线路板是否会因为高温而烧坏。简单的热分析只是计算线路板的平均温度，复杂的则要对含多个线路板的电子设备建立瞬态模型。热分析的准确程度终取决于线路板设计人员所提供的元件功耗的准确性。



在许多应用中重量和物理尺寸非常重要，如果元件的实际功耗很小，可能会导致设计的安全系数过高，从而使线路板的设计采用与实际不符或过于保守的元件功耗值作为根据进行热分析。与之相反(同时也更为严重)的是热安全系数设计过低，也即元件实际运行时的温度比分析人员预测的要高，此类问题一般要通过加装散热装置或风扇对线路板进行冷却来解决。这些外接附件增加了成本，而且延长了**时间，在设计中加入风扇还会给可靠性带来不稳定因素，因此线路板板主要采用主动式而不是被动式冷却方式(如自然对流、传导及辐射散热)。



线路板简化建模

建模前分析线路板中主要的发热器件有哪些，如MOS管和集成电路块等，这些元件在工作时将大部分损耗功率转化为热量。因此，建模时主要需要考虑这些器件。



此外，还要考虑线路板基板上，作为导线涂敷的铜箔。它们在设计中不但起到导电的作用，还起到传导热量的作用，其热导率和传热面积都比较大线路板板是电子电路不可缺少的组成部分，它的结构由环氧树脂基板和作为导线涂敷的铜箔组成。环氧树脂基板的厚度为4mm，铜箔的厚度为0.1mm。铜的导热率为400W/(m℃)，而环氧树脂的导热率仅为0.276W/(m℃)。尽管所加的铜箔很薄很细，却对热量有强烈的引导作用，因而在建模中是不能忽略的。

FPC柔性线路板常见的一些工艺知识

1、FPC是柔性的线路板可以折叠弯曲，一般用做翻盖手机的上下部分连接、电池的保护电路等。

为了FPC的平整度生产厂家出货之般会对FPC进行压平处理，并且由于FPC是柔性的所以很难采用抽真空包装。所以在传递和使用过程种注意FPC的平整度尽量不要折弯。

2、FPC一般为1～2层，多层的FPC比较少见。FPC的基材和Cover Layer一般采用聚酰亚胺，基材和铜箔之间压和成一体。有些FPC的厚度以铜箔的厚度标识如1.5OZ，2.0OZ。

与PCB不同的是Cover Layer在铜箔上的开口一般小于铜箔面积而PCB上Solder Mask面积一般大于铜箔的面积。需要注意的一点就是FPC基材和铜箔之间靠树脂粘和，有些情况下树脂会溢出造成焊盘污染导致漏焊。

3、FPC的废边（Waste Area,没有电路的边缘部分）部分一般采用2种工艺。一种叫Solid Copper，既采用整体的铜箔覆盖。

另一种叫Cross Hatching。Solder Copper工艺的FPC柔性相对较小，如果不折弯比较平整但是折弯后不容易恢复。Cross Hatching工艺的FPC与其相反。

4、FPC在整个SMT过程种均需要使用支撑，通常所选用的支撑未耐热防静电的合成材料制成，也有公司使用薄铝板进行支撑。常用的定位的方式为采用高温胶带将FPC粘在支撑板上。

不过需要注意的是胶带的位置尽量在FPC的四个角和比较长的边中间位置，这可以防止FPC翘起。还有胶带厚度会对锡膏印刷产生一定的影响，所以胶带的位置不要贴在元件密集的位置边缘及有细管脚的元件周围，更注意不要贴在焊盘上。

5、因为FPC的平整度和PCB相比比较差并且还存在支撑、胶带等多种因素的影响所以FPC在印刷的过程种很难和网板完全贴，这就会造成锡膏量的控制上存在问题。

对网板开口有两点建议：一是网板对于密管脚的IC元件尽量的将网孔变窄拉长并且网板尽可能的薄，实践证明颠倒梯形的网孔对印刷比较有利。另一条是对于跨度比较大的片式元件或连接件尽量加大网孔避免因为FPC不平造成漏焊。

6、因为FPC需要支撑所以在回流焊接时回流炉的Profile设定一定要考虑支撑板对热量的吸收，一般燠热区建议回流炉下面的温度设定比上面高一部分以支撑板的温度和FPC相近避免冷焊，再有就是出口的冷却风要强支撑板温度降到安全温度，还可以在路子出口增加冷却风扇。

7、为了方便分割，FPC与边缘之间一般沿轮廓预先切开，未切开的部分一般保留一层基材（Micro Joint)并需要在上面打邮票孔，邮票孔不但可以方便分割还可以防止在分割点处产生大的毛刺。

连接部分还能FPC在SMT的过程种不翘起,所以Micro Joint因该在FPC内每个切口处保留。FPC的切割可以选择手工分割或使用类似于冲床的模具分割。

柔性电路板FPC表面电镀知识

1.柔性电路板FPC电镀

（1）FPC电镀的前处理柔性印制板FPC经过涂覆盖层工艺后露出的铜导体表面可能会有胶黏剂或油墨污染，也还会有因高温工艺产生的氧化、变色，要想获得附着力良好的紧密镀层把导体表面的污染和氧化层去除，使导体表面清洁。

但这些污染有的和铜导体结合十分牢固，用弱的清洗剂并不能完全去除，因此大多往往采用有一定强度的碱性研磨剂和抛刷并用进行处理，覆盖层胶黏剂大多都是环氧树脂类而耐碱性能差，这样就会导致粘接强度下降，虽然不会明显可见，但在FPC电镀工序，镀液就有可能会从覆盖层的边缘渗入，严重时会使覆盖层剥离。在终焊接时出现焊锡钻人到覆盖层下面的现象。可以说前处理清洗工艺将对柔性印制板F{C的基本特性产生重大影响，对处理条件给予充分重视。



（2）FPC电镀的厚度电镀时，电镀金属的沉积速度与电场强度有直接关系，电场强度又随线路图形的形状、电极的位置关系而变化，一般导线的线宽越细，端子部位的端子越尖，与电极的距离越近电场强度就越大，该部位的镀层就越厚。在与柔性印制板有关的用途中，在同一线路内许多导线宽度差别的情况存在这就更容易产生镀层厚度不均匀，为了预防这种情况的发生，可以在线路周围附设分流阴极图形，吸收分布在电镀图形上不均匀的电流，大限度地所有部位上的镀层厚薄均匀。



因此在电极的结构上下功夫。在这里提出一个折中方案，对于镀层厚度均匀性要求高的部位标准严格，对于其他部位的标准相对放松，例如熔融焊接的镀铅锡，金属线搭（焊）接的镀金层等的标准要高，而对于一般防腐之用的镀铅锡，其镀层厚度要求相对放松。



（3）FPC电镀的污迹、污垢刚刚电镀好的镀层状态，特别是外观并没有什么问题，但不久之后有的表面出现污迹、污垢、变色等现象，特别是出厂检验时并未发现有什么异样，但待用户进行接收检查时，发现有外观问题。这是由于漂流不充分，镀层表面上有残留的镀液，经过一段时间慢慢地进行化学反应而引起的。特别是柔性印制板，由于柔软而不十分平整，其凹处易有各种溶液“积存？，而后会在该部位发生反应而变色，为了防止这种情况的发生不仅要进行充分漂流，而且还要进行充分干燥处理。可以通过高温的热老化试验确认是否漂流充分。

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2.柔性电路板FPC化学镀



当要实施电镀的线路导体是孤立而不能作为电极时，就只能进行化学镀。一般化学镀使用的镀液都有强烈的化学作用，化学镀金工艺等就是典型的例子。化学镀金液就是pH值非常高的碱性水溶液。使用这种电镀工艺时，很容易发生镀液钻人覆盖层之下，特别是如果覆盖膜层压工序质量管理不严，粘接强度低下，更容易发生这种问题。



置换反应的化学镀由于镀液的特性，更容易发生镀液钻入覆盖层下的现象，用这种工艺电镀很难得到理想的电镀条件。



3.柔性电路板FPC热风整平



热风整平原本是为刚性印制板PCB涂覆铅锡而开发出来的技术，由于这种技术简便，也被应用于柔性印制板FPC上。热风整平是把在制板直接垂直浸入熔融的铅锡槽中，多余的焊料用热风吹去。这种条件对柔性印制板FPC来说是十分苛刻的，如果对柔性印制板FPC不采取任何措施就无法浸入焊料中，把柔性印制板FPC夹到钛钢制成的丝网中间，再浸入熔融焊料中，当然事先也要对柔性印制板FPC的表面进行清洁处理和涂布助焊剂。



由于热风整平工艺条件苛刻也容易发生焊料从覆盖层的端部钻到覆盖层之下的现象，特别是覆盖层和铜箔表面粘接强度低下时，更容易频繁发生这种现象。由于聚酰亚胺膜容易吸潮，采用热风整平工艺时，吸潮的水分会因急剧受热蒸发而引起覆盖层起泡甚至剥离，所以在进行FPC热风整平之前，进行干燥处理和防潮管理。

PCB板材的Tg值

业界长期以来，Tg值是常见的用来划分FR-4基材的等级指标，通常认为Tg值越高，材料的可靠性越高。

比如下图老wu在南亚上边截取的关于FR-4板材的说明：

Tg135℃，板材用途：主机板、消费类电子产品等

Tg180℃，板材用途：CPU主板，DDR3 内存基板，IC封装用基板等等。

基材对于印刷电路板的作用，就像印刷电路板对于电子器件的作用一样重要。按照PCB的基材按性质可分为有机基板和无机基板两个大的体系。

有机基板由酚醛树脂浸渍的多层纸层或环氧树脂、聚酰亚胺、氰酸酯、BT 树脂等浸渍的无纺布或玻璃布层组成。这些基板的用途取决于 PCB 应用所需的物理特性,如工作温度、频率或机械强度。

无机基板主要包括陶瓷和金属材料，如铝、软铁、铜。这些基板的用途通常取决于散热需要。

我们常用的刚性印制板基板属于有机基板，比如FR-4环氧玻纤布基板，是以环氧树脂作粘合剂，以电子级玻璃纤维布作增强材料的一类基板。

我们看到，FR-4以环氧树脂作为粘合剂，树脂材料有一个重要特性参数：玻璃化转变温度Tg（glass transition temperature），指的是材料从一个相对刚性或“玻璃”状态转变为易变性或软化状态的温度转变点。

玻璃态物质在玻璃态和高弹态之间相互可逆转化的温度。啥意思？就是说FR-4基板的粘合剂环氧树脂若温度低于Tg，这时材料处于刚硬的“玻璃态”。当温度Tg时，材料会呈现类似橡胶般柔软可挠的性质。对！它~变【软】了~ 图片



玻璃态

树脂材料处于温度Tg以下的状态为坚硬的固体即玻璃态。在外力作用下有一定的变形但变形可逆，即外力消失后，其形变也随之消失，是大多数树脂的使用状态。

高弹态

当树脂受热温度超过Tg时，无定形状态的分子链开始运动，树脂进入高弹态。处于这一状态的树脂类似橡胶状态的弹性体，但仍具有可逆的形变性质。

注意，温度超过Tg值后，材料逐渐变软，是逐渐，而且只要树脂没有发生分解，当温度冷却到Tg值以下时，它还是可以变回之前性质相同的刚性状态。

氮素，有个Td值，叫热分解温度，树脂类材料被加热至某一高温点时，树脂体系开始分解。树脂内的化学键开始断裂并伴随有挥发成分溢出，那PCB基材里的树脂就变少了。Td点指的是这个过程开始发生的温度点。Td通常定义为失去原质量5%时对应的分解温度点。但这5%对于多层PCB来说是非常高的了。

我们知道，影响PCB上传输线特性阻抗的因素有，线宽，走线与参考平面间距，板材介电常数等等。而基板材料的树脂量对介电特性有很大的影响，而且树脂挥发后对控制走线与参考平面的间距也有影响。

对于无铅焊接工艺需要考虑这个Td值，比如传统的锡铅焊接工艺温度范围为210~245℃，而无铅焊接工艺温度范围为240~270℃。

下边两个这个截图是老wu在建滔官网上下载的两份板材的参数表做的对比，左边的是FR-4常规系列板材，右边是FR-4无铅板材

常规FR4 板材 KB-6160 Tg值为135℃，5%质量损失Td值为305℃

FR4无铅板材 KB-6168LE Tg值为 185℃，5%质量损失Td值为359℃

我们看到，常规FR4板材的Td值都在300℃以上，而有铅焊接工艺温度范围在240~270℃，Td值完全满足哇，为啥还要搞个无铅版本呢？

正如老wu上边所述，5%的树脂质量挥发率对于需要控制阻抗的多层PCB来说显得太大了，对于锡铅焊接工艺来说，210~245℃的温度材料基本不会出现明显的热分解，而无铅焊接的240~270℃温度区间，对于普通Tg FR-4 基材来说，已经开始损失1.5~3%的树脂质量。虽然不到IPC标准所要求的5%，但这损失的树脂质量也不可忽视。同时，这个分解水平，还可能会影响基材长期的可靠性或导致焊接过程中出现分层或空洞的缺陷，特别是需要多次焊接的过程或存在返修加热的情况。

所以，如果采用无铅焊接工艺的话，除了考虑Tg值，还要考虑Td值。

基板材料的性能在Tg值以上和在Tg值以下时差异很大，不过，Tg值一般被描述为一个非常的温度值，比如Tg135，并不是说温度一超过135℃基板就变得软趴趴，而是当温度接近Tg值开始，材料的物料性能会开始改变，它是一个逐步变化的过程。

树脂体系的Tg值对材料的性能影响主要有两个方面：

热膨胀的影响

树脂体系固化时间

板材受热膨胀，脑补一下画面，SMT焊接时BGA焊盘的间距是不是也就跟着变化了？而且，热膨胀导致的机械应力，会对PCB上的走线和焊盘的连接造成细微的裂纹，这些裂纹可能在PCB生产完毕后的开/短路测试时不会被发现，而在SMT等二次加热后故障就显现出来了，这往往让人很懵逼，而糟糕的情况是，SMT加热时暗病都没出现，在产品出去之后，在冷热交替的使用环境中，板材的受热膨胀让这些细微的裂纹随机性的发生，造成设备故障。

基板材料热性能参数除了标准Tg、Td值，还有热膨胀系数CTE，有X/Y轴方向的CTE也有Z轴方向的CTE。

Z轴的CTE对PCB的可靠性有很重要的影响。由于镀覆孔贯穿PCB的Z轴，所以基材中的热膨胀和收缩会导致镀覆孔扭曲和塑性形变，也会使PCB表面的铜焊盘变形。

而SMT时，X/Y轴的CTE则变得非常重要。特别是采用芯片级封装（CSP）和芯片直接贴装时，CTE的重要性更为，同时，X/Y轴的CTE也会影响覆铜箔层压板或PCB的内层附着力和抗分层能力。特别是采用无铅焊接工艺的PCB来说，每一层中的X/Y轴CTE值就显得尤其重要了。

那么，是不是高Tg值的基材就是好呢？在关于Tg值的许多讨论中，往往认为较高的Tg值总是对基材有利的，但情况也并非总是如此。可以确定的是，对于一种给定的树脂体系，高Tg值基材在受热时的材料高速率膨胀开始时间要相对晚一些，而整体膨胀则与材料的种类有很大关系。低Tg值的基材可能会比高Tg值的基材表现出更小的整体膨胀，这主要与树脂本身的CTE值，或者树脂配方中加入无机填料 降低了基材的CTE有关。

同时还要注意的是，有些低端的FR-4材料，标准Tg值是140℃的基材比标准Tg值是170℃的基材具有更高的热分解温度Td值。如上边老wu所述，Td对于无铅焊接来说是一个很重要的指标，一般建议选择Td数值较大的，而的FR-4往往同时具备高的Tg值和高Td值。

此外，高Tg值的基材往往比低Tg值的基材刚性更大且更脆，这往往会影响PCB制造过程的生产效率，特别是钻孔工序。

比如某创就发帖子说明，随着板子越来越密，过孔与过孔之间的间隙越来越小，对于材料要求越来越高，为此某创将提供TG=155的中TG板材为多层板收费服务！

为啥多收费？

TG=155的板材比TG=135的成本高20%左右,嗯 来料贵了

因为钻孔,中TG用新钻钻咀效果更佳（一般钻咀能磨4次），因为太硬

压合时间：普通TG=135的只需要压合110分钟，而中TG=1 55的压合150分钟

为啥要提供中或高Tg板材，板厂那边说，原因之一是因为高密的过孔，普通TG的过孔间距不能小于12MIL，而中TG不能小于 10MIL，因为板材有玻璃布，在钻孔的时候会有一些拉伤，两个过孔之间你拉一点我拉一点就形成了灯芯效应，而中TG因为硬，板材内的成份不一样，又加上用新钻咀能有效的防范灯芯效应，后续对于难度高的多层板，过孔间间隙太密，某创会强制客选择用中TG板材生产！

原因之二是基板的Tg提高了， 印制板的耐热性、耐潮湿性、耐化学性、耐稳定性等特征都会提高和改善。TG值越高，板材的耐温度性能越好，尤其在无铅喷锡制程中，高Tg应用比较多。

这是从板厂的可制造性方面考虑，而如果是PCB装配采用无铅焊接工艺的话，还需要综合考虑玻璃化转变温度Tg、分解温度Td、热膨胀系数CTE、吸水率、分层时间等等因素。

在高速PCB设计时，设计者应该从那些方面去考虑EMC、EMI的规则呢？



一般EMI/EMC设计时需要同时考虑辐射(radiated)与传导(conducted)两个方面。前者归属于频率较高的部分(>30MHz)后者则是较低频的部分(<30MHz)。所以不能只注意高频而忽略低频的部分。

一个好的EMI/EMC设计一开始布局时就要考虑到器件的位置，PCB叠层的安排，重要联机的走法，器件的选择等，如果这些没有事前有较佳的安排，事后解决则会事倍功半，增加成本。

例如时钟产生器的位置尽量不要靠近对外的连接器，高速信号尽量走内层并注意特性阻抗匹配与参考层的连续以减少反射，器件所推的信号之斜率(slewrate)尽量小以减低高频成分，选择去耦合(decoupling/bypass)电容时注意其频率响应是否符合需求以降低电源层噪声。

另外，注意高频信号电流之回流路径使其回路面积尽量小(也就是回路阻抗loopimpedance尽量小)以减少辐射。还可以用分割地层的方式以控制高频噪声的范围。

适当的选择PCB与外壳的接地点(chassisground)。