印制电路板常见结构

印制电路板常见结构以及PCB抄板PCB设计基础知识
印制电路板（PCB）的常见结构可以分为单层板（single Layer PCB）、双层板（Double Layer PCB）和多层板（Multi Layer PCB）三种。

一、单层板single Layer PCB
单层板（single Layer PCB）是只有一个面敷铜，另一面没有敷铜的电路板。

元器件一般情况是放置在没有敷铜的一面，敷铜的一面用于布线和元件焊接，如图所示。

二、双层板Double Layer PCB
双层板（Double Layer PCB）是一种双面敷铜的电路板，两个敷铜层通常被称为顶层（Top Layer）和底层（Bottom Layer），两个敷铜面都可以布线，顶层一般为放置元件面，底层一般为元件焊接面，如图所示。

三、多层板Multi Layer PCB
多层板（Multi Layer PCB）就是包括多个工作层面的电路板，除了有顶层（Top Layer）和底层（Bottom Layer）之外还有中间层，顶层和底层与双层面板一样，中间层可以是导线层、信号层、电源层或接地层，层与层之间是相互绝缘的，层与层之间的连接往往是通过孔来实现的。

以四层板为例，如图2 3 4 所示。

这个四层板除了具有顶层和底层之外，内部还具有一个地层和一个图2 3 4 四层板结构
尽管Protel DXP支持72层板的设计，但在实际的应用中，一般六层板已经能够满足电路设计的要求，不必将电路板设计成更多层结构。

Prepreg&core
Prepreg：半固化片，又称预浸材料，是用树脂浸渍并固化到中间程度(B 阶)的薄片材料。

半固化片可用作多层印制板的内层导电图形的黏结材料和层间绝缘。

在层压时，半固化片的环氧树脂融化、流动、凝固，将各层电路毅合在一起，并形成可靠的绝缘层。

core:芯板，芯板是一种硬质的、有特定厚度的、两面包铜的板材，是构成印制板的基础材料。

通常我们所说的多层板是由芯板和半固化片互相层叠压合而成的。

而半固化片构成所谓的浸润层，起到粘合芯板的作用，虽然也有一定的初始厚度，但是在压制过程中其厚度会发生一些变化。

通常多层板最外面的两个介质层都是浸润层，在这两层的外面使用单独的铜箔层作为外层铜箔。

外层铜箔和内层铜箔的原始厚度规格，一般有0.5OZ、1OZ、2OZ(1OZ约为35um或1.4mil)三种，但经过一系列表面处理后，外层铜箔的最终厚度一般会增加将近1 OZ左右。

内层铜箔即为芯板两面的包铜，其最终厚度与原始厚度相差很小，但由于蚀刻的原因，一般会减少几个um。

多层板的最外层是阻焊层，就是我们常说的“绿油”，当然它也可以是黄色或者其它颜色。

阻焊层的厚度一般不太容易准确确定，在表面无铜箔的区域比有铜箔的区域要稍厚一些，但因为缺少了铜箔的厚度，所以铜箔还是显得更突出，当我们用手指触摸印制板表面时就能感觉到。

当制作某一特定厚度的印制板时，一方面要求合理地选择各种材料的参数，另一方面，半固化片最终成型厚度也会比初始厚度小一些。

下面是一个典型的6层板叠层结构（iMX255coreboard）：
PCB的参数：
不同的印制板厂，PCB的参数会有细微的差异，需要与电路板厂的工程师沟通，得到该厂的一些参数数据，主要是介电常数和阻焊层厚度两个参数各个板厂会有差别。

表层铜箔：
可以使用的表层铜箔材料厚度有三种：12um、18um和35um。

加工完成后的最终厚度大约是44um、50um和67um，大致相当于铜厚1 OZ、1.5 OZ、2 OZ。

注意：在用阻抗计算软件进行阻抗控制时，外层的铜厚没有0.5 OZ的值。

芯板：我们常用的板材是S1141A，标准的FR-4，两面包铜，可选用的规格可与厂家联系确定。

半固化片：
规格（原始厚度）有7628（0.185mm/7.4mil），2116（0.105mm/4.2mil），1080（0.075mm/3mil），3313（0.095mm/4mil ），实际压制完成后的厚度通常会比原始值小10-15um左右（即0.5-1mil），因此叠层设计的最小介质层厚不得小于3mil。

同一个浸润层最多可以使用3个半固化片，而且3个半固化片的厚度不能都相同，最少可以只用一个半固化片，但有的厂家要求必须至少使用两个。

如果半固化片的厚度不够，可以把芯板两面的铜箔蚀刻掉，再在两面用半固化片粘连，这样可以实现较厚的浸润层。

半固化片的介电常数与厚度有关，下表为不同型号的半固化片厚度和介电常数参数：
型号厚度介电常数
1080 2.8mil 4.3
3313 3.8mil 4.3
2116 4.5mil 4.5
7628 6.8mil 4.7
板材的介电常数与其所用的树脂材料有关，FR4板材其介电常数为4.2—4.7,并且随着频率的增加会减小。

阻焊层：
铜箔上面的阻焊层厚度C2≈8-10um，表面无铜箔区域的阻焊层厚度C1根据表面铜厚的不同而不同，当表面铜厚为45um时C1≈13-15um，当表面铜厚为70um时C1≈17-18um，在用SI9000进行计算时，阻焊层的厚度取0.5OZ即可。

导线横截面：
由于铜箔腐蚀的关系，导线的横截面不是一个矩形，实际上是一个梯形。

以TOP 层为例，当铜箔厚度为1OZ时，梯形的上底边比下底边短1MIL。

比如线宽5MIL，那么其上底边约4MIL，下底边5MIL。

上下底边的差异和铜厚有关，下表是不同情况下梯形上下底的关系。

线宽铜厚（OZ）上线宽（mil）下线宽（mil）
内层0.5W-0.5W
内层1W-1W
内层2W-1.5W-1
外层0.5W-1W
外层1W-0.8W-0.5
外层2W-1.5W-1
说明：上表中的W表示设计的理想线宽。

通常阻抗计算采用的模型为：
上面两个模型为基本的微带线模型和带状线模型。

在微带线模型中，还有如下几种：
无涂覆层的模型一般不采用。

上图右边的模型中的介电常数Er1和Er2根据采用的半固化片的具体型号确定，主要型号已经在上面列出。

具体的参数需要向板厂咨询。

下面解释板厂给我们的叠层图的含义：
我们的板是六层板，从上图可以看出有两个表层铜箔，两个芯板，因此有六个铜箔层，中间的波浪线表示半固化片，含义和型号也在上面的介绍中解释清楚了。

如果要进一步了解阻抗控制和SI9000的用法，请参考本人的另一篇日志：/blog/?p=1206，PCB的阻抗控制与前端仿真（SI9000的应用）。

单面板的流程:
单面PCB是只有一面有导电图形的印制板。

一般采用酚醛纸基覆铜箔板制作，也常采用环氧纸基或环氧玻璃布覆铜板。

单面PCB主要用于民用电子产品，如：收音机、电视机、电子仪器仪表等。

单面板的印制图形比较简单，一般采用丝网漏印的方法转移图形，然后蚀刻出印制板，也有采用光化学法生产的，其生产工艺流程如图所示。

双面板的生产流程:
双面PCB是两面都有导电图形的印制板。

显然，双面板的面积比单面板大了一倍，适合用于比单面板更复杂的电路。

双面印制板通常采用环氧玻璃布覆铜箔板制造。

它主要用于性能要求较高的通信电子
设备、高级仪器仪表以及电子计算机等。

双面板的生产工艺一般分为工艺导线法、堵孔法、掩蔽法和图形电镀一蚀刻法等几种，图形电镀一蚀刻法生产双面PcB的工艺流程如图所示。

再有一个就是多层板的,无论是四层八层,还是更多的层数年,都是如下所列的资
料相似:
多层板生产流程:
多层PCB是有三层或三层以上导电图形和绝缘材料层压合成的印制板。

它实际上是使用数片双面板，并在每层板间放进一层绝缘层后粘牢(压合)而成。

它的层数通常都是偶数，并且包含最外侧的两层。

从技术的角度来说可以做到近100层的PCB板，但目前计算机的主机板都是4～8层的结构。

多层印制板～般采用环氧玻璃布覆铜箔层压板。

为了提高金属化孔的可靠性，应尽量选用耐高温的、基板尺寸稳定性好的、特别是厚度方向热膨胀系数较小的，且与铜镀层热膨胀系数基本匹配的新型材料。

制作多层印制板，先用铜箔蚀刻法做出内层导线图形，然后根据设计要求，把几张内层导线图形重叠，放在专用的多层压机内，经过热压、粘合工序，就制成了具有内层导电图形的覆铜箔的层压板，以后加工工序与双面孔金属化印制板的制造工序基本相同，其工艺流程如图所示。

双面锡板/沉金板制作流程:
开料------钻孔-----沉铜----线路---图电----蚀刻-----阻焊---字符----喷锡(或者是沉金)-锣边—v割(有些板不需要)-----飞测----真空包装
双面镀金板制作流程:
开料------钻孔-----沉铜----线路----图电---镀金----蚀刻----阻焊----字符-----锣边---v 割---飞测---真空包装
多层锡板/沉金板制作流程:
开料------内层-----层压----钻孔---沉铜----线路---图电----蚀刻-----阻焊---字符----
喷锡(或者是沉金)-锣边—v割(有些板不需要)-----飞测----真空包装
多层板镀金板制作流程:
开料------内层-----层压----钻孔---沉铜----线路---图电----镀金----蚀刻----阻焊----字符-----锣边---v割---飞测---真空包装
1.1 PCB扮演的角色
PCB的功能为提供完成第一层级构装的组件与其它必须的电子电路零件接合
的基地，以组成一个具特定功能的模块或成品。

所以PCB在整个电子产品中，扮演了整合连结总其成所有功能的角色，也因此时常电子产品功能故障时，最先被质疑往往就是PCB。

图1.1是电子构装层级区分示意。

1.2 PCB的演变
1.早于1903年Mr. Albert Hanson首创利用"线路"(Circuit)观念应用于电话交换机系统。

它是用金属箔予以切割成线路导体，将之黏着于石蜡纸上，上面同样贴上一层石蜡纸，成了现今PCB的机构雏型。

见图1.2
2. 至1936年，Dr Paul Eisner真正发明了PCB的制作技术，也发表多项专利。

而今日之print-etch(photoimage transfer)的技术，就是沿袭其发明而来的。

1.3 PCB种类及制法
在材料、层次、制程上的多样化以适合不同的电子产品及其特殊需求。

以下就归纳一些通用的区别办法，来简单介绍PCB的分类以及它的制造方法。

1.3.1 PCB种类
A. 以材质分
a. 有机材质
酚醛树脂、玻璃纤维/环氧树脂、Polyimide、BT/Epoxy等皆属之。

b. 无机材质
铝、Copper-invar-copper、ceramic等皆属之。

主要取其散热功能
B. 以成品软硬区分
a. 硬板Rigid PCB
b.软板Flexible PCB 见图1.3
c.软硬板Rigid-Flex PCB 见图1.4
C. 以结构分
D. 依用途分：通信/耗用性电子/军用/计算机/半导体/电测板…,见图1.8 BGA.
另有一种射出成型的立体PCB，因使用少，不在此介绍。

1.3.2制造方法介绍
A. 减除法，其流程见图1.9
B. 加成法，又可分半加成与全加成法，见图1.10 1.11
C. 尚有其它因应IC封装的变革延伸而出的一些先进制程，本光盘仅提及但不详加介绍，因有许多尚属机密也不易取得，或者成熟度尚不够。

本光盘以传统负片多层板的制程为主轴，深入浅出的介绍各个制程，再辅以先进技术的观念来探讨未来的PCB走势。

2.3.1客户必须提供的数据：
电子厂或装配工厂，委托PCB SHOP生产空板（Bare Board）时，必须提供下列数据以供制作。

见表料号数据表-供制前设计使用.
上表数据是必备项目，有时客户会提供一片样品, 一份零件图，一份保证书（保证制程中使用之原物料、耗料等不含某些有毒物质）等。

这些额外数据，厂商须自行判断其重要性，以免误了商机。

2.3.2 .资料审查
面对这么多的数据，制前设计工程师接下来所要进行的工作程序与重点，如下所述。

A. 审查客户的产品规格，是否厂内制程能力可及，审查项目见承接料号制程能力检查表.
B.原物料需求（BOM-Bill of Material）
根据上述资料审查分析后，由BOM的展开，来决定原物料的厂牌、种类及规格。

主要的原物料包括了：基板（Laminate）、胶片（Prepreg）、铜箔（Copper foil）、防焊油墨（Solder Mask）、文字油墨（Legend）等。

另外客户对于Finish的规定,将影响流程的选择,当然会有不同的物料需求与规格，例如：软、硬金、喷钖、OSP等。

表归纳客户规范中，可能影响原物料选择的因素。

C. 上述乃属新数据的审查, 审查完毕进行样品的制作.若是旧数据,则须Check
有无户ECO (Engineering Change Order) ,然后再进行审查.
D.排版
排版的尺寸选择将影响该料号的获利率。

因为基板是主要原料成本（排版最佳化，可减少板材浪费）；而适当排版可提高生产力并降低不良率。

有些工厂认为固定某些工作尺寸可以符合最大生产力，但原物料成本增加很多.下列是一些考虑的方向：
一般制作成本，直、间接原物料约占总成本30~60%，包含了基板、胶片、铜箔、防焊、干膜、钻头、重金属（铜、钖、铅），化学耗品等。

而这些原物料的耗用，直接和排版尺寸恰当与否有关系。

大部份电子厂做线路Layout时，会做连片设
计，以使装配时能有最高的生产力。

因此，PCB工厂之制前设计人员，应和客户密切沟通，以使连片Layout的尺寸能在排版成工作PANEL时可有最佳的利用率。

要计算最恰当的排版，须考虑以下几个因素。

a.基材裁切最少刀数与最大使用率（裁切方式与磨边处理须考虑进去）。

b.铜箔、胶片与干膜的使用尺寸与工作PANEL的尺寸须搭配良好，以免浪费。

c.连片时，piece间最小尺寸，以及板边留做工具或对位系统的最小尺寸。

d.各制程可能的最大尺寸限制或有效工作区尺寸.
e.不同产品结构有不同制作流程，及不同的排版限制，例如，金手指板，其排版间距须较大且有方向的考虑，其测试治具或测试次序规定也不一样。

较大工作尺寸，可以符合较大生产力，但原物料成本增加很多,而且设备制程能力亦需提升，如何取得一个平衡点，设计的准则与工程师的经验是相当重要的。

2.3.3 着手设计
所有数据检核齐全后，开始分工设计：
A. 流程的决定(Flow Chart) 由数据审查的分析确认后，设计工程师就要决定最适切的流程步骤。

传统多层板的制作流程可分作两个部分:内层制作和外层制作.以下图标几种代表性流程供参考.见图2.3 与图2.4
B. CAD/CAM作业
a. 将Gerber Data 输入所使用的CAM系统，此时须将apertures和shapes定义好。

目前，己有很多PCB CAM系统可接受IPC-350的格式。

部份CAM系统可产生外型NC Routing 档，不过一般PCB Layout设计软件并不会产生此文件。

有部份专业软件或独立或配合NC Router,可设定参数直接输出程序.
Shapes 种类有圆、正方、长方,亦有较复杂形状，如内层之thermal pad等。

着手设计时，Aperture code和shapes的关连要先定义清楚，否则无法进行后面一系列的设计。

b. 设计时的Check list
依据check list审查后，当可知道该制作料号可能的良率以及成本的预估。

c. Working Panel排版注意事项：
－PCB Layout工程师在设计时，为协助提醒或注意某些事项，会做一些辅助的记号做参考，所以必须在进入排版前，将之去除。

下表列举数个项目，及其影响。

－排版的尺寸选择将影响该料号的获利率。

因为基板是主要原料成本（排版最佳化，可减少板材浪费）；而适当排版可提高生产力并降低不良率。

有些工厂认为固定某些工作尺寸可以符合最大生产力，但原物料成本增加很多.下列是一些考虑的方向：
一般制作成本，直、间接原物料约占总成本30~60%，包含了基板、胶片、铜箔、防焊、干膜、钻头、重金属（铜、钖、铅、金），化学耗品等。

而这些原物料的耗用，直接和排版尺寸恰当与否有关系。

大部份电子厂做线路Layout时，会做连片设计，以使装配时能有最高的生产力。

因此，PCB工厂之制前设计人员，应和客户密切沟通，以使连片Layout的尺寸能在排版成工作PANEL时可有最佳的利用率。

要计算最恰当的排版，须考虑以下几个因素。

1.基材裁切最少刀数与最大使用率（裁切方式与磨边处理须考虑进去）。

2.铜箔、胶片与干膜的使用尺寸与工作PANEL的尺寸须搭配良好，以免浪费。

3.连片时，piece间最小尺寸，以及板边留做工具或对位系统的最小尺寸。

4.各制程可能的最大尺寸限制或有效工作区尺寸.
5不同产品结构有不同制作流程，及不同的排版限制，例如，金手指板，其排版间距须较大且有方向的考虑，其测试治具或测试次序规定也不一样。

较大工作尺寸，可以符合较大生产力，但原物料成本增加很多,而且设备制程能力亦需提升，如何取得一个平衡点，设计的准则与工程师的经验是相当重要的。

－进行working Panel的排版过程中，尚须考虑下列事项，以使制程顺畅，表排版注意事项。

d. 底片与程序：
－底片Artwork 在CAM系统编辑排版完成后，配合D-Code档案，而由雷射绘图机（Laser Plotter）绘出底片。

所须绘制的底片有内外层之线路，外层之防焊，以及文字底片。

由于线路密度愈来愈高，容差要求越来越严谨，因此底片尺寸控制，是目前很多PCB厂的一大课题。

表是传统底片与玻璃底片的比较表。

玻璃底片使用比例已有提高趋势。

而底片制造商亦积极研究替代材料，以使尺寸之安定性更好。

例如干式做法的铋金属底片.
一般在保存以及使用传统底片应注意事项如下：
1.环境的温度与相对温度的控制
2.全新底片取出使用的前置适应时间
3.取用、传递以及保存方式
4.置放或操作区域的清洁度
－程序
含一,二次孔钻孔程序，以及外形Routing程序其中NC Routing程序一般须另行处理
e. DFM－Design for manufacturing .Pcb lay-out 工程师大半不太了解，PCB制作流程以及各制程需要注意的事项，所以在Lay-out线路时，仅考虑电性、逻辑、尺寸等，而甚少顾及其它。

PCB制前设计工程师因此必须从生产力，良率等考虑而修正一些线路特性，如圆形接线PAD修正成泪滴状，见图2.5,为的是制程中PAD一孔对位不准时，尚能维持最小的垫环宽度。

但是制前工程师的修正，有时却会影响客户产品的特性甚或性能，所以不得不谨慎。

PCB厂必须有一套针对厂内制程上的特性而编辑的规范除了改善产品良率以及提升生产力外，也可做为和PCB线路Lay-out人员的沟通语言，见图2.6 .
C. Tooling
指AOI与电测Netlist档..AOI由CAD reference文件产生AOI系统可接受的数据、且含容差，而电测Net list档则用来制作电测治具Fixture。