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PCB线路板高频板与高速板的区别,你知道吗?
PCB线路板是电子产品中不可或缺的重要组成部分,而在不同应用场景中所使用的PCB线路板也具备不同的特点和优点。其中,高频板和高速板是两种特殊的PCB线路板,它们相比于普通的PCB线路板具有特的应用场景和优势。
一、高频板与高速板的定义及特点
高频板
高频板在电子产品中应用广泛,如无线电通信、雷达、卫星通信等领域。一般认为,在工作频率超过500MHz的场合下,就需要使用高频板。
特点在于其在高频工作环境下具备的传输性能。同时,高频板的板厚较薄,线宽、线距也比普通的PCB线路板更为精细。另外,高频板的介电常数特别小,因此可以减少信号损失,提高信号传输速率和接收灵敏度。高频板材一般使用RO4350B、RO4003C、F4B等材料。
高速板
高速板主要应用于计算机主板、工控机、测控仪器等领域。相较于高频板,高速板所涉及的调制解调频率较低,但速率较高,一般是Gbps级别
高速板的特点在于其线路的等长性能更好,在传输高速数字信号时具有更好的信号完整性和抗干扰能力。另外,高速板的板厚一般较厚,可以有效抑制EMI(电磁干扰)。高速板材常使用FR4、PI等材料。
二、高频板与高速板的区别
虽然高频板与高速板都是用于传输信号的PCB线路板,但二者在实际应用中有以下几个方面的区别。
1. 频率范围不同
高频板是在频率超过500MHz的频段使用的,而高速板主要是传输数码信号时使用的,在调制解调频率为几十MHz到GHz级别之间。
2. 线宽、板厚不同
因为高频板需要采用微细线路,因此其线宽、线距比高速板更细,板厚也相对较薄。而高速板的线路等长性较好,因此线宽、线距可以适当加大一些,板厚也可以稍微加厚一些。
3. 材料不同
高频板常使用的材料相较于高速板的介电常数要小一些,以减少信号传输时损失。而高速板常使用的材料通常较一般PCB线路板要好一些,如FR4高TG材料。
三、高频板与高速板的应用场景
1. 高频板的应用场景
在无线电通信、雷达、卫星通信等领域,高频板应用广泛。由于采用了微细线路,可以减少信号损失、提高传输速率和接收灵敏度,因此可在高频的环境下信号的传输和接收的准确性。
2. 高速板的应用场景
在计算机主板、工控机、测控仪器等领域,高速板应用较多。由于其线路的等长性较好,可以在传输高速数字信号时具有更好的信号完整性和抗干扰能力。
高频板和高速板虽然都是用于传输信号的PCB线路板,但它们具备不同的特点和应用场景。在实际选材和应用中,需要结合具体的需求和场景,选择合适的PCB线路板类型,才能确保产品的性能稳定和信号传输的准确性。
PCB线路板过孔对信号传输的影响作用
过孔(via)是多层PCB的重要组成部分之一,钻孔的费用通常占PCB制板费用的30%到40%。简单的说来,PCB上的每一个孔都可以称之为过孔。
一、过孔的寄生电容
过孔本身存在着对地的寄生电容,如果已知过孔在铺地层上的隔离孔直径为D2,过孔焊盘的直径为D1,PCB板的厚度为T,板基材介电常数为ε,则过孔的寄生电容大小近似于:C=1.41εTD1/(D2-D1)过孔的寄生电容会给电路造成的主要影响是延长了信号的上升时间,降低了电路的速度。举例来说,对于一块厚度为50Mil的PCB板,如果使用内径为10Mil,焊盘直径为20Mil的过孔,焊盘与地铺铜区的距离为32Mil,则我们可以通过上面的公式近似算出过孔的寄生电容大致是:C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.032-0.020)=0.517pF,这部分电容引起的上升时间变化量为:T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.517x(55/2)=31.28ps 。从这些数值可以看出,尽管单个过孔的寄生电容引起的上升延变缓的效用不是很明显,但是如果走线中多次使用过孔进行层间的切换,设计者还是要慎重考虑的。
二、过孔的寄生电感
同样,过孔存在寄生电容的同时也存在着寄生电感,在高速数字电路的设计中,过孔的寄生电感带来的危害往往大于寄生电容的影响。它的寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献,减弱整个电源系统的滤波效用。我们可以用下面的公式来简单地计算一个过孔近似的寄生电感:L=5.08h[ln(4h/d)+1]其中L指过孔的电感,h是过孔的长度,d是中心钻孔的直径。从式中可以看出,过孔的直径对电感的影响较小,而对电感影响大的是过孔的长度。仍然采用上面的例子,可以计算出过孔的电感为:L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH。如果信号的上升时间是1ns,那么其等效阻抗大小为:XL=πL/T10-90=3.19Ω。这样的阻抗在有高频电流的通过已经不能够被忽略,特别要注意,旁路电容在连接电源层和地层的时候需要通过两个过孔,这样过孔的寄生电感就会成倍增加。
联兴华电子深圳pcb线路板厂家,公司成立于2005年,是一家以生产批量。样板及快板PCB为主的企业,提供单面pcb线路板、双面pcb线路板、pcb多层线路板、PCB线路板制作生产,PCB线路板产品等快速打样、深圳电路板制作17年行业经验。
三、高速PCB中的过孔设计
通过上面对过孔寄生特性的分析,我们可以看到,在高速PCB设计中,看似简单的过孔往往也会给电路的设计带来很大的负面效应。为了减小过孔的寄生效应带来的不利影响,在设计中可以尽量做到:
1、从成本和信号质量两方面考虑,选择合理尺寸的过孔。比如对6-10层的内存模块PCB设计来说,选用10/20Mil(钻孔/焊盘)的过孔较好,对于一些高密度的小尺寸的板子,也可以尝试使用8/18Mil的过孔。目前技术条件下,很难使用更小尺寸的过孔了。对于电源或地线的过孔则可以考虑使用较大尺寸,以减小阻抗。
2.上面讨论的两个公式可以得出,使用较薄的PCB板有利于减小过孔的两种寄生参数。
3、电源和地的管脚要就近打过孔,过孔和管脚之间的引线越短越好,因为它们会导致电感的增加。同时电源和地的引线要尽可能粗,以减少阻抗。
4、PCB板上的信号走线尽量不换层,也就是说尽量不要使用不必要的过孔。
5、在信号换层的过孔附近放置一些接地的过孔,以便为信号提供近的回路。甚至可以在PCB板上大量放置一些多余的接地过孔。当然,在设计时还需要灵活多变。前面讨论的过孔模型是每层均有焊盘的情况,也有的时候,我们可以将某些层的焊盘减小甚至去掉。特别是在过孔密度非常大的情况下,可能会导致在铺铜层形成一个隔断回路的断槽,解决这样的问题除了移动过孔的位置,我们还可以考虑将过孔在该铺铜层的焊盘尺寸减小。
PCB线路板调试技术之六类模块
在PCB抄板及设计工作中,我们常常要对电路板进行调试与测试,六类模块电路板的调试就是其中一种,为了能让大家更好的理解六类模块电路板的调试技术,我先给大家简单的介绍一下六类模块。六类模块的核心部件是线路板,其设计结构、制作工艺基本上就决定了产品的性能指标,六类模块执行的标准是 EIA/TIA 568B.2-1,当中为重要的参数是插入损耗、回波损耗、近端串扰等。
插入损耗 (Insert Loss):由于传输通道阻抗的存在,它会随着信号频率的增加而使信号的高频分量衰减加大,衰减不仅与信号频率有关,也与传输距离有关,随着长度的增加,信号衰减也会随着增加。回波损耗(Return Loss):由于产品中阻抗发生变化,就会产生局部震荡,致使信号反射,被反射到发送端的一部分能量会形成噪音,导致信号失真,降低传输性能。如全双工的千兆网,会将反射信号误认为是收到的信号而引起有用信号的波动,造成混乱,反射的能量越少,就意味着通道采用线路的阻抗一致性越好,传输信号越完整,在通道上的噪音就越小。回波损耗RL的计算公式:回波损耗=发射信号÷反射信号。
在设计中,阻抗的全线路一致性以及与100欧姆阻抗的六类线缆配合是解决回波损耗参数失效的有效手段。例如PCB线路的层间距离不均匀、传输线路铜导体截面变化、模块内的导体与六类线缆导体不匹配等,都会引起回波损耗参数变化。近端串扰(NEXT): NEXT是指在一对传输线路中,一对线对另一对线的信号耦合,即为当一条线对发送信号时,在另一条相邻的线对收到的信号。这种串扰信号主要是由于临近绕对通过电容或电感耦合过来的,通过补偿的办法,抵消、减弱其干扰信号,使其不能产生驻波是解决该参数失效的主要办法。
在模块试制阶段,用理论做指导,以计算机辅助设计为依据,就能很快的达到预期效果。在国内进行的六类模块PCB设计中,主要以线路对角补偿理论做依据,进行大量的试制工作,同样也可达到预期效果。模块与插头引起的信号外漏现象会发生相互间的信号干涉,为防止信号干涉现象,在平衡链路中导体进行扭绕,达到平衡传输的目的,扭绕结构会造成信号间的相位变化,也会增大线路上的信号衰减,这个结构称之为非屏蔽结构(UTP)。4对平衡双绞线中,每对线的绞距不同,线缆尾端使用模块化的连接件,形成连接件和接插件之间的相连,相互连接区内形成导体之间进行的平衡结构,即为六类系统的链路。在链路内产生了在平衡线路中所发生的信号干扰现象,即为串扰,解决串扰问题是进行高速通信用连接件制造的核心技术。
在接触端子之间产生接触损失会导致衰减、反射损失等现象,这种损失在高速信号传输时,会产生障碍和故障,解决这类问题是进行高速通信用连接件制造的核心技术。在模块与插头的连接线路中,插头内的每对连接端子是平衡线路,平衡线路中导体会产生信号外漏及阻抗损耗,阻碍通信的大因素就是信号外漏。可通过研究E场和H场解决此类问题或从研究反向衰减的方法中寻找解决方案,这是高速通信用连接件制造的核心技术。E场和H场平衡线路上所发生的信号干扰,即电磁场干扰,可通过E场和H场的分布进行描述。
电子通信线路测试的主要参数是扫频下进行的相关测量,在这个频率信号上附加语音或数据包进行传输,传输速度越高频率越快。用信号外漏的解决方法来解释产生问题的插座信号外漏现象,基本的方法是根据电感和电容所发生的信号外漏仿真图,在信号集中区域收集信号并进行返送。在设计中,耦合电容的设计是关键参数,与耦合线路的长度、线间距离、宽度、补偿线路布置等有关。考虑到六类系统采用4对线同时传输信号,必然会对其产生综合远端串绕,可通过分析,进行计算机仿真,设计出补偿线路。国内同行一般进行的六类模块试制过程主要是在确定主干回路后,在设计出补偿回路,进行大量的方案设计和样品制作,在补偿线路、PCB层间结构基本确定后,后续工作主要是通过工艺改进,从而提。
PCB线路板沉金与镀金工艺的区别
在PCB生产中,沉金和镀金都是表面处理的一种,那么, PCB线路板沉金工艺与镀金工艺都有哪些优劣性呢?
镀金,一般指的是“电镀金”、“电镀镍金”、“电解金”等,有软金和硬金的区分(一般硬金是用于金手指的),原理是将镍和金(俗称金盐)溶化于化学药水中,将线路板浸在电镀缸内并接通电流而在电路板的铜箔面上生成镍金镀层,电镍金因镀层硬度高,耐磨损,不易氧化的优点在电子产品中得到广泛的应用。
沉金是通过化学氧化还原反应的方法生成一层镀层,一般厚度较厚,是化学镍金金层沉积方法的一种,可以达到较厚的金层。
沉金与镀金的区别:
1、沉金与镀金所形成的晶体结构不一样,沉金对于金的厚度比镀金要厚很多,沉金会呈金黄色,较镀金来说更黄(这是区分镀金和沉金的方法之一)。
2、沉金比镀金更容易焊接,不会造成焊接不良。
3、沉金板的焊盘上只有镍金,信号的趋肤效应是在铜层上传输,不会对信号产生影响。
4、沉金比镀金的晶体结构更致密,不易产生氧化。
5、镀金容易使金线短路。而沉金板的焊盘上只有镍金,因此不会产生金线短路。
6、沉金板的焊盘上只有镍金,因此导线电阻和铜层的结合更加牢固。
7、沉金板的平整性与使用寿命较镀金板要好。
以上便是 PCB线路板沉金工艺与镀金工艺的区别。
什么是HDI线路板
一.什么是HDI板?
HDI板(High Density Interconnector),即高密度互连板,是使用微盲埋孔技术的一种线路分布密度比较高的电路板。HDI板有内层线路和外层线路,再利用钻孔、孔内金属化等工艺,使各层线路内部实现连结。
二.HDI板与普通pcb的区别
HDI板一般采用积层法制造,积层的次数越多,板件的技术档次越高。普通的HDI板基本上是1次积层,高阶HDI采用2次或以上的积层技术,同时采用叠孔、电镀填孔、激光直接打孔等PCB技术。当PCB的密度增加超过八层板后,以HDI来制造,其成本将较传统复杂的压合制程来得低。
HDI板的电性能和讯号正确性比传统PCB更高。此外,HDI板对于射频干扰、电磁波干扰、静电释放、热传导等具有更佳的改善。高密度集成(HDI)技术可以使终端产品设计更加小型化,同时满足电子性能和效率的更高标准。
HDI板使用盲孔电镀 再进行二次压合,分一阶、二阶、三阶、四阶、五阶等。一阶的比较简单,流程和工艺都好控制。二阶的主要问题,一是对位问题,二是打孔和镀铜问题。二阶的设计有多种,一种是各阶错开位置,需要连接次邻层时通过导线在中间层连通,做法相当于2个一阶HDI。第二种是,两个一阶的孔重叠,通过叠加方式实现二阶,加工也类似两个一阶,但有很多工艺要点要特别控制,也就是上面所提的。第三种是直接从外层打孔至第3层(或N-2层),工艺与前面有很多不同,打孔的难度也更大。对于三阶的以二阶类推即是。
在PCB打样中,HDI造价较高,故一般的PCB打样厂家都不愿意做。捷多邦可以做别人不愿意做的HDI盲埋PCB板。现阶段,捷多邦采用的HDI技术已突破高层数为20层;盲孔阶数1~4阶;小孔径0.076mm,工艺为激光钻孔.
三.HDI板的优势
这种PCB在突显优势的基础上发展迅速:
1.HDI技术有助于降低PCB成本;
2.HDI技术增加了线密度;
3.HDI技术有利于使用的包装;
4.HDI技术具有更好的电气性能和信号有效性;
5.HDI技术具有更好的可靠性;
6.HDI技术在散热方面更好;
7.HDI技术能够改善RFI(射频干扰)/EMI(电磁干扰)/ESD(静电放电);
8.HDI技术提高了设计效率;
四.HDI板的材料
对HDI PCB材料提出了一些新的要求,包括更好的尺寸稳定性,抗静电移动性和非胶粘剂。HDI PCB的典型材料是RCC(树脂涂层铜)。RCC有三种类型,即聚酰亚胺金属化薄膜,纯聚酰亚胺薄膜,流延聚酰亚胺薄膜。
RCC的优点包括:厚度小,重量轻,柔韧性和易燃性,兼容性特性阻抗和的尺寸稳定性。在HDI多层PCB的过程中,取代传统的粘接片和铜箔作为绝缘介质和导电层的作用,可以通过传统的抑制技术用芯片抑制RCC。然后使用非机械钻孔方法如激光,以便形成微通孔互连。
RCC推动PCB产品从SMT(表面贴装技术)到CSP的发生和发展(芯片级封装),从机械钻孔到激光钻孔,促进PCB微通孔的发展和进步,所有这些都成为RCC的HDI PCB材料。
在实际的PCB中在制造过程中,对于RCC的选择,通常有FR-4标准Tg 140C,FR-4高Tg 170C和FR-4和Rogers组合层压,现在大多使用。随着HDI技术的发展,HDI PCB材料满足更多要求,因此HDI PCB材料的主要趋势应该是:
1.使用无粘合剂的柔性材料的开发和应用;
2.介电层厚度小,偏差小;
3 .LPIC的发展;
4.介电常数越来越小;
5.介电损耗越来越小;
6.焊接稳定性高;
7.严格兼容CTE(热膨胀系数);
五.HDI板制造的应用技术
HDI PCB制造的难点在于微观通过制造,通过金属化和细线。
1.微通孔制造
微通孔制造一直是HDI PCB制造的核心问题。主要有两种钻井方法:
a.对于普通的通孔钻孔,机械钻孔始终是其率和低成本的佳选择。随着机械加工能力的发展,其在微通孔中的应用也在不断发展。
b.有两种类型的激光钻孔:光热消融和光化学消融。前者是指在高能量吸收激光之后加热操作材料以使其熔化并且通过形成的通孔蒸发掉的过程。后者指的是紫外区高能光子和激光长度超过400nm的结果。
有三种类型的激光系统应用于柔性和刚性板,即准分子激光,紫外激光钻孔,CO 2 激光。激光技术不仅适用于钻孔,也适用于切割和成型。甚至一些制造商也通过激光制造HDI。虽然激光钻孔设备成本高,但它们具有更高的精度,稳定的工艺和成熟的技术。激光技术的优势使其成为盲/埋通孔制造中常用的方法。如今,在HDI微通孔中,99%是通过激光钻孔获得的。
2.通过金属化
通孔金属化的大困难是电镀难以达到均匀。对于微通孔的深孔电镀技术,除了使用具有高分散能力的电镀液外,还应及时升级电镀装置上的镀液,这可以通过强力机械搅拌或振动,超声波搅拌,水平喷涂。此外,在电镀前增加通孔壁的湿度。
除了工艺的改进外,HDI的通孔金属化方法也看到了主要技术的改进:化学镀添加剂技术,直接电镀技术等。
3.细线
细线的实现包括传统的图像传输和激光直接成像。传统的图像转移与普通化学蚀刻形成线条的过程相同。
对于激光直接成像,不需要摄影胶片,而图像是通过激光直接在光敏膜上形成的。紫外波灯用于操作,使液体防腐解决方案能够满足高分辨率和简单操作的要求。不需要摄影胶片,以避免因薄膜缺陷造成的不良影响,可以直接连接CAD/CAM,缩短制造周期,使其适用于和多种生产。
六.结尾
硬件工程师刚接触多层PCB的时候,很容易看晕。动辄十层八层的,线路像蜘蛛网一样。
今天画了几张多层PCB电路板内部结构图,用立体图形展示各种叠层结构的PCB图内部架构。
图片高密度互联板的核心在过孔
多层PCB的线路加工,和单层双层没什么区别,大的不同在过孔的工艺上。
线路都是蚀刻出来的,过孔都是钻孔再镀铜出来的,这些做硬件开发的大家都懂,就不赘述了。
多层电路板,通常有通孔板、一阶板、二阶板、二阶叠孔板这几种。更高阶的如三阶板、任意层互联板平时用的非常少,价格贼贵,先不多讨论。
一般情况下,8位单片机产品用2层通孔板;32位单片机级别的智能硬件,使用4层-6层通孔板;Linux和Android级别的智能硬件,使用6层通孔至8一阶HDI板;智能手机这样的紧凑产品,一般用8层一阶到10层2阶电路板。
图片
8层2阶叠孔,高通骁龙624
只有一种过孔,从层打到后一层。不管是外部的线路还是内部的线路,孔都是打穿的,叫做通孔板。
图片
通孔板和层数没关系,平时大家用的2层的都是通孔板,而很多交换机和电路板,做20层,还是通孔的。
用钻头把电路板钻穿,然后在孔里镀铜,形成通路。
这里要注意,通孔内径通常有0.2mm、0.25mm和0.3mm,但一般0.2mm的要比0.3mm的贵不少。因为钻头太细容易断,钻得也慢一些。多耗费的时间和钻头的费用,就体现在电路板价格上升上了。
高密度板的激光孔
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这张图是6层1阶HDI板的叠层结构图,表面两层都是激光孔,0.1mm内径。内层是机械孔,相当于一个4层通孔板,外面再覆盖2层。
激光只能打穿玻璃纤维的板材,不能打穿金属的铜。所以外表面打孔不会影响到内部的其他线路。
激光打了孔之后,再去镀铜,就形成了激光过孔。
2阶HDI板 两层激光孔
图片
这张图是一个6层2阶错孔HDI板。平时大家用6层2阶的少,大多是8层2阶起。这里更多层数,跟6层是一样的道理。
所谓2阶,就是有2层激光孔。
所谓错孔,就是两层激光孔是错开的。
为什么要错开呢?因为镀铜镀不满,孔里面是空的,所以不能直接在上面再打孔,要错开一定的距离,再打上一层的空。
6层二阶=4层1阶外面再加2层。
8层二阶=6层1阶外面再加2层。
叠孔板 工艺复杂价格更高
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错孔板的两层激光孔重叠在一起。线路会更紧凑。
需要把内层激光孔电镀填平,然后再做外层激光孔。价格比错孔更贵一些。
超贵的任意层互联板 多层激光叠孔
就是每一层都是激光孔,每一层都可以连接在一起。想怎么走线就怎么走线,想怎么打孔就怎么打孔。
PCB多层板表面处理方式分类:
1.热风整平涂布在PCB表面的熔融锡铅焊料和加热压缩空气流平(吹气平整)过程。使其形成抗铜氧化涂层,可提供良好的可焊性。热风焊料和铜在结合处形成铜 - 锡金属化合物,其厚度约为1~2mil;
2.有机抗氧化(OSP)通过化学方法在清洁的裸铜表面上生长一层有机涂层。这种PCB多层板薄膜具有抗氧化,耐热冲击,防潮,以保护铜表面在正常环境下不再生锈(氧化或硫化等);同时,在随后的焊接温度下,焊接用焊剂很容易快速去除;
3.镍金化学在铜表面,涂有厚实,良好的镍金合金电性能,可以保护PCB多层板。很长一段时间不像OSP,它只用作防锈层,它可以用于长期使用PCB并获得良好的电能。此外,它还具有其他表面处理工艺所不具备的环境耐受性;
4.化学镀银沉积在OSP与化学镀镍/镀金之间,PCB多层板工艺简单快速。暴露在炎热,潮湿和污染的环境中仍然提供良好的电气性能和良好的可焊性,但失去光泽。由于银层下没有镍,沉淀的银不具有化学镀镍/浸金的所有良好的物理强度;
5.在PCB多层板表面导体上镀镍金,镀一层镍然后镀一层金,镀镍主要是为了防止金与铜之间的扩散。有两种类型的镀镍金:软金(,这意味着它看起来不亮)和硬金(光滑,坚硬,耐磨,钴和其他元素,表面看起来更亮)。软金主要用于芯片包装金线;硬金主要用于非焊接电气互连。
6.PCB混合表面处理技术选择两种或两种以上表面处理方法进行表面处理,常见的形式有:镍金防氧化,镀镍金沉淀镍金,电镀镍金热风整平,常见形式有:镍金防 - 氧化,镀镍金沉淀镍金,电镀镍金热风整平,重镍和金热风平整。尽管PCB多层板表面处理过程的变化并不显着,并且似乎有些牵强,但应该注意的是,长期缓慢的变化将导致的变化。随着对环境保护的需求不断增加,PCB的表面处理工艺必将在未来发生变化。
PCB行业全景解析
印制电路板(PrintedCircuitBoard,简称“PCB”),是承载电子元器件并连接电路的桥梁,指在通用基材上按预定设计形成点间连接及印制元件的印制板,其主要功能是使各种电子零组件形成预定电路的连接,起传输作用。
PCB作为电子产品的关键元器件几乎应用于所有的电子产品,是现代电子信息产品中不可或缺的电子元器件,被誉为“电子产品之母”。
PCB产品分类
PCB的产品种类众多,可以按照产品的导电层数、弯曲韧性、组装方式、基材、特殊功能等多种方式分类,但在实际中,往往根据PCB各细分行业的产值大小混合分类为:单面板、双面板、多层板、HDI板、封装载板、挠性板、刚挠结合板和特殊板。
PCB封装基板分类可分为:存储芯片封装基板(eMMC)、微机电系统封装基板(MEMS)、射频模块封装基板(RF)、处理器芯片封装基板及高速通信封装基板。
封装基板是Substrate(简称SUB)。基板可为芯片提供电连接、保护、支撑、散热、组装等功效,以实现多引脚化,缩小封装产品体积、改善电性能及散热性、密度或多芯片模块化的目的。
按基材柔软性划分,PCB可分为刚性印制电路板、挠性(柔性)印制电路板(FPC)和刚挠结合印制电路板。
FPC以软性铜箔基材(FCCL)为原材料制成,具有配线密度高、轻薄、可弯曲、可立体组装的优点,适用于小型化、轻量化和移动要求的电子产品。
印刷电路板主要由金属导体箔、胶粘剂和绝缘基板三种材料组合而成,不同的PCB,其绝缘基板表面的导体涂层数可能不同。
根据导电涂层数,可分为单面板、双面板、多层板。其中,多层板又可分为中低层板和高层板。常见的多层板一般为4层板或6层板,复杂的多层板可达几十层。
PCB行业产业链
中国的电子产业链日趋完善、规模大、配套能力强,而PCB产业在整个电子产业链中起到承上启下的关键作用。
PCB是每个电子产品承载的系统合集,核心的基材是覆铜板,上游原材料主要包括铜箔、玻璃纤维及合成树脂。
从成本来看,覆铜板占整个PCB制造的30%-40%左右,铜箔是制造覆铜板的主要原材料,成本占覆铜板的30%(薄板)和50%(厚板)。
下游应用比较广泛,其中通信、汽车电子和消费电子三大领域占比合计60%,5G基站的建设加速将拉动PCB产业链的快速发展。
覆铜板是核心基材图片
覆铜板(CCL)的制造过程是将增强材料浸以有机树脂,经干燥加工形成半固化片。将数张半固化片叠合在一起的坯料,一面或两面覆以铜箔,经热压而成的一种板状材料。
从成本来看,覆铜板占整个PCB制造的30%左右,覆铜板的主要原材料为玻璃纤维布、木浆纸、铜箔、环氧树脂等材料,其中铜箔作为制造覆铜板的主要原材料,占80%的物料比重包括30%(薄板)和50%(厚板)。
各个品种的覆铜板之所以在性能上的不同,主要是表现在它所使用的纤维增强材料和树脂上的差异。生产PCB所需的主要原材料包括覆铜板、半固化片、铜箔、氰化金钾、铜球和油墨等,覆铜板是为主要的原材料。
PCB行业增长态势稳健
PCB广泛的运用途径将有力支撑未来电子纱需求。2019年全球PCB产值约为650亿美元,中国PCB市场较为稳定,2019年中国PCB市场产值近350亿美元,中国地区是全球增长快的区域,占全球产值的一半之多,未来将持续增长。
全球PCB产值地区分布,美洲、欧洲、日本PCB产值在全球的占比不断下降,亚洲其他地区(除日本)的PCB产业产值规模则迅速提高,其中中国大陆的占比提升迅速,是全球PCB产业转移的中心。
PCB市场格局
全球PCB市场较为分散,集中度不高。
2019年全球PCB市场中鹏鼎(中国)、旗胜(日本)、迅达(美国)以6%、5%、4%市占率。
主板要求在有限的空间上承载更多的元器件,进一步缩小线宽线距,普通多层板和HDI已经难以满足需求,由更小的高阶HDI并联起来分散主板功能,使结构设计更加紧凑。
PCB主要应用领域
PCB板的应用覆盖范围十分广泛,下游应用比较广泛,其中通信、汽车电子和消费电子三大领域占比合计60%,5G基站的建设加速将拉动PCB产业链的快速发展。
汽车电子
汽车用PCB要求工作温度符合-40°C~85°C,PCB一般选用FR-4(耐燃材料等级,主要为玻璃布基板),厚度在1.0~1.6mm。
根据中国产业发展研究网的数据,目前中轿车中汽车电子成本占比达到28%,混合动力车为47%,纯电动车高达65%。
消费电子
随着智能手机、平板电脑、VR/AR以及可穿戴设备等频频成为消费电子行业热点,创新型消费电子产品层出不穷,并将渗透消费者生活的方方面面。这也为消费电子PCB的发展带来了契机。
2019年手机及消费电子占PCB下游应用的比例分别为37%。移动终端的PCB需求则主要集中于HDI、挠性板和封装基板。
据Prismark统计,移动终端的PCB需求主要以HDI及挠性板为主,其中HDI板占比约为50.68%,并有26.36%的封装基板需求。
服务器
服务器平台升级将带动整个服务器行业进入上行周期,而PCB以及其关键原材料CCL作为承载服务器内各种走线的关键基材,除了服务器周期带来的量增逻辑,同时还存在服务器平台升级带来的价增逻辑。
可以说,在服务器面临升级、市场即将扩容的情况下,PCB和CCL将因为服务器升级迎来量价齐升的增长机会。
2019年全球个人电脑的PCB需求主要集中于挠性板和封装基板,合计占比达48.17%;服务/存储的PCB需求以6-16层板和封装基板为主。
PCB在服务器中的应用主要包括背板、高层数线卡、HDI卡、GF卡等,其特点主要体现在高层数、高纵横比、高密度及高传输速率。服务器市场的发展也将推动PCB市场特别是PCB市场的发展。
通信领域PCB
在通信领域,根据不同的PCB特性,可以应用于不同功能的通信设备上。对于大尺寸多层、高频材料可以应用于无线网及传输网中。相比而言,多层板、刚挠结合的PCB元件可用于数据通信网及固网宽带等环节。
根据券商的相关测算,单个5G基站对PCB的使用量约为3.21㎡,是4G基站用量的1.76倍,同时由于5G通信的频率更高,对于PCB的性能需求更大,因此5G基站用PCB的单价要4G基站用PCB,由于5G的频谱更高,带来基站的覆盖范围更小,根据测算国内5G基站将是4G基站的1.2-1.5倍,同时还要配套更多的小基站,因此5G所带来的基站总数量将要比4G多出不少。
此外,5G基站功能增多,PCB上元件的集成密度明显提升,电路板的设计难度也随之提高。高频高速材料的使用和制造难度的提升将显著提升PCB单价。
PCB发展趋势图片
PCB的高频多层化:为了扩大通讯通道,以适应数字时代对信息量与速度传播需求的提升,电子通讯设备的使用频率逐步向高频领域转移。
这就要求PCB基板材料应具有低介电常数与低介电损耗角正切值,只有这样才能获得高传播信号速度,并减少信号传播过程中的损失。除此之外,PCB工艺也随着电子信息技术的发展而向多层化、微线宽、微间距多盲孔等方向发展。
高层化PCB将显著缩小密集复杂的线路连接空间,达到集成化的效果。多层板在电子产品设计上得到普遍的认可并得到深入的技术研发。常见的多层板以四层PCB为主,现在六、八、十层板也逐渐得到普及。
PCB品质的提升推动上游CCL、FR-4基板的产业升级
随着PCB工业规模的扩大核心技术的创新,行业的竞争也不断加剧,厂家开始更为重视PCB产品的品质,因此对PCB品质的管控也愈加严格。
为了适应PCB向精细线路、高频多层方向发展,其上游的CCL材料由单一型过渡到系列化,覆铜板的新材料、新工艺、新技术的运用与研发成为必然趋势。
与此相对应,FR-4型产品的性能也逐渐提升,FR-4型覆铜板的某些性能已不能完全满足PCB的制作要求,FR-4逐步走向高耐燃性、高尺寸稳定性、低介电常数和环保性。
CB国产化进程加速
中国PCB企业依靠成本优势、产能扩张和下游本土品牌的崛起,拉动PCB国产化进程。随着行业的发展,中国PCB内资企业通过自身发展或合资建厂,逐渐积累自身资本、人才和技术资源,构建自身产业护城河,不断发展壮大。
在技术上,不断加大研发投入,积累中PCB技术;在产能上,不断投资建厂,形成规模优势;在产业链上,逐步完善上游原材料渠道和应用市场,形成完备的上下游产业链体系。
中国正式实现PCB贸易从逆差到顺差的转变,标志着中国PCB正进行结构性转变,生产技术不断发展,初步实现进口替代的目标。
影响FPC柔性电路板的价格,有哪些因素?
一、柔性电路板所用材料不同造成价格的多样性
以普通双面板为例,板料一般有PET,PI等,板厚从0.0125mm到0.10mm不等,铜厚从1/2Oz到3Oz不同,所有这些在板料一项上就造成了的价格差异;材料的品牌不同也存在着一定的价格差,因而材料的不同造成了价格的多样性。材料一般包括PI FCCl 铜箔补强材料辅材(NC垫板黑化镀铜包装材料等)等组成。
二、柔性电路板所采用生产工艺的不同造成价格的多样性
不同的生产工艺会造成不同的成本。如镀金板与喷锡板,制作外形的精度,采用丝印线路与干膜线路等都会形成不同的成本,导致价格的多样性。
三、柔性电路板本身难度不同造成的价格多样性
即使材料相同,工艺相同,但柔性电路板本身难度不同也会造成不同的成本。如两种线路板上都有1000个孔,一块板孔径都大于0.6mm与另一块板孔径均小于0.6mm就会形成不同的钻孔成本;如两种线路板其他相同,但线宽线距不同,一种均大于0.15mm,一种均小于0.15mm,也会造成不同的生产成本,因为难度大的板报废率较高,必然成本加大,进而造成价格的多样性。
四、客户要求不同也会造成价格的不同
客户要求的高低会直接影响板厂的成品率,如一种板按IPC-A-6013,class1要求有98%合格率,但按class3要求可能只有90%的合格率,因而造成板厂不同的成本,后导致产品价格的多变。
五、柔性电路板厂家不同造成的价格多样性
即使同一种产品,但因为不同厂家工艺装备、技术水平不同,也会形成不同的成本,时下很多厂家喜欢生产镀金板,因为工艺简单,成本低廉,但也有一部分厂家生产镀金板,报废即上升,造成成本提高,所以他们宁愿生产喷锡板或镀锡板,因而他们的喷锡板报价反而比镀金板低。
六、付款方式不同造成的价格差异
目前柔性电路板板厂一般都会按付款方式的不同调整柔性电路板价格,幅度为5%-10%不等,因而也造成了价格的差异性。
七、区域不同造成价格的多样性
目前国内从地理位置上来讲,从南到北,价格呈递增之势,不同区域价格有一定差异,因而区域不同也造成了价格的多样性。
八、电镀方式不同造成的价格不一样
局部电镀高全面电镀15%左右。
九、金手指部分的表面处理方式
镀金与镀锡相差5%左右
十:FPC生产过程中的不良率的高低也决定了FPC的单价
十一:代客户SMT的费用以及不良率的高低也决定了FPC的单价
通过以上论述不难看出,柔性电路板价格的多样性是有其内在的必然因素的,本人仅可提供一个大致的价格范围,以供参考,具体价格以实际价格为准。
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。