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[资料共享] PCB设计功能化促进SMD新技术的发展

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    [LV.4]偶尔看看III

    发表于 2018-1-12 16:05:22 |显示全部楼层
      随着电子行业的发展,电子产品得到了极其广泛的应用。电子产品功能多样化,室外应用环境也趋于复杂化,涌现出功能各异的电子产品。PCB设计朝着功能化发展,PCB作为电子元器件安装和互连使用的印制电路板必须适应当前表面安装技术(SMT)的迅速发展,现已普遍地把贴装表面安装元器件(SMD)的印制板称作表面安装印制板(SMB),它包括了较简单的单面板、较为复杂的双面印制板,也包括难度高、更为复杂的多层板。那么我们来看看为了顺应电子行业的快速发展,生产SMD中新技术有哪些发展动态。


      1、高精度照相底片制作技术
      光绘机向高精度和高速度方向发展,采用激光绘图系统代替普通光绘机,以色列Orbotech 公司的光绘系统是其代表,过去需十多小时绘成的照相底片,现只要十分钟左右即可完成,而且精度提高,可达 O.O03mm,该系统由 CAM 工作站,激光绘图仪和若干配套设备(如:自动上片机,自动下片机,自动显影机等)组成,并配备功能强大的软件,由于此设备价格昂贵且专业化程度高,因此已出现了激光光绘专业化公司。
      2、小孔、微孔的钻孔技术
      由于 SMB 上的金属化孔只作互连用,因此要求孔径越小越好,钻小孔和微孔需要小直径高韧性硬质合金钻头;高转速(12-16万转/分,最高已有35万转/分)、高稳定性、高精度的计算机数控钻床;能够减少钻头漂移和钻孔发热量的专用盖板、垫板材料及啄钻技术 (由于板厚,一个孔需分2-3次才钻透,要求有高的重复精度)或采用激光钻孔技术钻出微孔,为了提高效率,国外已有自动上下料的数控钻床。
      3 、微小孔的深孔镀技术
      一般将板厚/孔径比大于5:1的称为深孔,(实际上已高达10:1、20:1),要使整个孔径内得到镀层均匀的金属化孔是很困难的,因为孔直径小,孔深,镀液在孔内不易流动交换,易在孔壁产生气泡, 因此, 微小孔的深孔镀技术除采用高分散能力的镀液外, 还要在电镀设备上实现孔内镀液畅通交换,这可采用强烈机械搅拌、振动、超声搅动和水平喷镀等技术,另外还要注意孔壁镀前处理,设法提高孔壁的湿润性。
      解决微小孔深孔镀的另一方法是采用化学镀加成技术, 使孔壁镀层不受电力线不均匀的影响,得到孔壁均匀的化学镀层,还有采用直接电镀技术、黑孔技术等等。直接电镀有碳膜法, 钯膜法和高分子导电膜法三大类。 碳膜法占主导地位。 直接电镀技术不仅减少污染,而且降低生产成本,简化工艺,提高层间互连质量和可靠性。 1994年全世界已有250条直接电镀生产线,今后还将快速增长。
      黑孔化工艺是采用含碳微粒的黑孔化溶液取代化学镀铜工艺,碳粒子直径在10——20μm左右,溶液含碳量约1.35-1.43%,此溶液不含络合剂、不用甲醛,简化了工艺步骤,减少了污染,是具有发展前途的工艺,黑孔工艺过程如下:清洁(60-65℃) --> 水洗 --> 微蚀--> 水洗 --> 浸入黑孔化溶液中 --> 烘干(100-150,20分) --> 微蚀去膜(30℃,30+/5秒) --> 水洗 --> 电镀铜。
      4 、细导线图形外观自动光学检查(AOI)技术
      当导线细至 O.1-0.15mm 时, 已无法用目视检查导线上的缺口、 断路、 针孔、 侧蚀等缺
      陷,必须采用自动光学检测设备,特别对多层板内层细线条,采用 AOI 后可有效地提高成
      品率,防止成品报废,因此虽然设备很贵(30万美元以上),但对于多层板生产还是合算的。
      AOI 现已成为精细导线多层板生产中必备设备。
      5、裸板通断测试技术
      SMB 给裸板测试技术带来了两个新问题:
      1 测试点不再是金属化孔而是焊盘,要求采用适于表面安装测试用的插针。
      2 由于裸板测试网络从2.54mm 缩小到1.27、0.635mm,使针床上测试针过于密集,不少插针处于斜向状态,裸板测试愈来愈困难,设备愈来愈复杂,价格愈来愈昂贵 (30万美元以上),有美国 TRACE 公司9090系列、Probot 公司的 Six-D 系列以及 MANIA 公司、 Tibor Darvas 公司、 Circuit Line 等公司的产品, 近年来, 英国 BSL 公司和美国 Probot公司推出了不用针床的移动探针测试方法和设备(约20万美元),有立式和平放式两种。
      6、真空层压技术
      为了彻底解决多层板压制工艺中产生气泡的问题, 提高层间粘合力, 采用真空层压技术是必然趋势,除了真空层压机之外,也可采用较为简单的真空框架实现真空层压。
      7、高精度、高密度、细线条成像技术
      为了制造高精度、 高密度细线条, 首先要解决光致抗蚀剂问题, 最近有如下四个方面的进展
      (1)干膜向薄型,无 Mylar 覆盖膜,高速感光和专用途方向发展。
      (2)使用液态光致抗蚀抗电镀印料(也称湿膜)
      (3)电沉积(ED)抗蚀剂和生产线
      采用电沉积抗蚀剂是目前制作细导线的先进 PCB 工艺,一般工艺过程是:表面准备(除
      去表面油污,杂质) --> ED 电沉积,10-20μm 厚 -->水洗(除去不必要的 ED)干燥 -->涂覆保护层(PVAl-3μm)厚 -->干燥 -->冷却 -->感光成像。
      (4)激光直接成像技术
      激光扫描直接成像不需照相底片, 直接扫描在专门的激光感光干膜上成像, 由于它不需底片,从而避免了底片的缺陷产生的影响及修版,并可直接连接 CAD/CAM,缩短了生产周期,提高了定位精度,适用于小批量多品种生产。
      以上几种方法比较如下:一般干膜可做出0.1mm 的细导线;湿膜为0.075mm;特殊干膜(特薄型和无覆盖层型)为0.05mm;ED 抗蚀剂和激光直接成像为0.05mm。
      为制造高精度的细导线图形, 除了要提高光致抗蚀剂性能外, 还必须注意覆铜板表面处理工艺, 由于尼龙磨料刷辊对铜箔表面有较深的划痕, 影响细导线成像, 易形成断线或缺口,因此发展了浮石粉擦板机和化学清洗设备以代替尼龙磨料刷辊型刷板机, 高精度、 细导线成像时还要注意曝光工艺,选择合适的曝光机,采用平行光源设备进行曝光可提高精度。
      8、SMB 表面处理技术
      如上所述,SMB 上的连接盘表面处理采用热熔的锡铅合金电镀层或垂直式热风整平焊料涂覆层均使连接盘表面呈弧形和厚薄不均, 使贴装 sMD 定位不准, 为此对双面和多层 SMB要采用水平式热风整平技术或化学镀等其它镀(涂)覆层, 使连接盘表面平整。 在裸铜上涂复新型水溶性耐热预焊剂也可替代热风整平工艺,平整度符合 SMB 要求,并具有防氧化和长期存放后有优良的可焊性。
      9、液态感光阻焊膜自动生产技术
      由于 SMB 上连接盘和导线尺寸变小,采用网印技术难于做成高精度的阻焊图形,因此发展了幕帘式涂覆液体感光阻焊膜和感光阻焊油墨, 两者在涂覆、 干燥后均采用照相底片曝光、显影制得阻焊图形,阻焊图形精度高,能满足 SMB 需要而被广泛采用,国外已开发了幕帘式涂覆生产线、7kW 大功率真空曝光机、高喷压显影机等新设备。我国有几家印制板厂已引进了美国 Ciba-Geigy 公司或 Svecia 公司或 Coates 公司的先进的帘涂阻焊生产线。 此外还有采用静电喷涂感光阻焊膜。
      10、新型覆铜箔基板材料
      SMB 对 PCB 基材提出了更高的要求,要求高的尺寸稳定性、低的膨胀系数,高的耐热性、 低的介电常数和低损耗; 超多层板为控制厚度和特性阻抗要求使用≤O.1mm 的薄铜箔板材和薄预浸材料;为适应制造细导线,减少侧蚀,要求使用5μm,10μm 的超薄铜箔,国外已开发了聚酰亚胺、BT 树脂和石英纤维、芳纶纤维等增强的新型覆铜箔基材,以满足 SMB的需要。
      11、计算机集成制造管理系统硬件和软件
      采用计算机联网管理 PCB 工厂的生产经营全过程,使厂长、经理能及时掌握 PCB 生产实时运行情况和及时处理出现的问题,将工厂生产经营全过程处于严格和高效的管理控制下,从而提高工作效率,缩短生产周期,提高产品质量,使 PCB 企业获得最佳经济效益,美国 CIM-NET 系统公司专门为 PCB 企业开发了先进计算机集成制造系统及其相应的应用软件系统。
      12、CAD/CAM 系统
      制造 SMB 需要有设计表面安装印制板的先进 CAD 工作站硬件和 CAD/CAM 软件、数据库软件、专家系统软件和网络系统软件。
      CAM 应包括有 PCB 设计输入,可对电路图形进行编辑、校正、修理和拼版,以磁盘为介质材料,并输出光绘、钻孔和检测(包括 AOI 和电气检测)的自动化数据。
      国外先进的 CAD 系统有:美国 Gerber 公司的 CAMPLAM 和 ECAM, Jadason 公司的PLANMASTER。以色列 Orbotech 公司的 Xpert l00工作站等。
      13、洁净技术
      由于 SMB 高密度,高精度,细线条,细间距,必然对环境条件的要求极为严格,除厂房要求恒温恒湿外, 照相间, 干膜间, 网印间, 多层板叠层间要求厂房空气洁净度达 l 万级,国外专家认为生产 O.13mm 细线 PCB,必需有一个 l 万级的洁净室,对高档次的 SMB,洁净度要求更高,要求达到 lO00级, 而且要定期检测, 对工艺用水也要求使用电阻大于1MΩ 的纯水,并有相应的测试仪器。14、环境保护技术
      当前我国 PCB 行业环境污染情况相当严重,大部分企业领导的环境保护意识薄弱。根本上解决环境污染还需开发无污染和少污染新工艺, 开发循环再生回收新工艺, 实行清洁生产,推行 ISO14000。在印制板生产全过程中,要求节约原材料和能源,取消有毒的原材料, 减少各种废弃物的排放量和毒性。 最大限度减少工业生产对环境的负面影响, 使企业最大地获得经济效益。 清洁生产是工业污染由末端治理转向生产过程控制的新的战略性转变。是实现工业可持续发展的重要手段。
      以上即是总结的生产SMD中新技术的发展动态,更多行业信息可查阅快点学院订阅号:eqpcb_cp。

      随着电子行业的发展,电子产品得到了极其广泛的应用。电子产品功能多样化,室外应用环境也趋于复杂化,涌现出功能各异的电子产品。PCB设计朝着功能化发展,PCB作为电子元器件安装和互连使用的印制电路板必须适应当前表面安装技术(SMT)的迅速发展,现已普遍地把贴装表面安装元器件(SMD)的印制板称作表面安装印制板(SMB),它包括了较简单的单面板、较为复杂的双面印制板,也包括难度高、更为复杂的多层板。那么我们来看看为了顺应电子行业的快速发展,生产SMD中新技术有哪些发展动态。



      1、高精度照相底片制作技术
      光绘机向高精度和高速度方向发展,采用激光绘图系统代替普通光绘机,以色列Orbotech 公司的光绘系统是其代表,过去需十多小时绘成的照相底片,现只要十分钟左右即可完成,而且精度提高,可达 O.O03mm,该系统由 CAM 工作站,激光绘图仪和若干配套设备(如:自动上片机,自动下片机,自动显影机等)组成,并配备功能强大的软件,由于此设备价格昂贵且专业化程度高,因此已出现了激光光绘专业化公司。
      2、小孔、微孔的钻孔技术
      由于 SMB 上的金属化孔只作互连用,因此要求孔径越小越好,钻小孔和微孔需要小直径高韧性硬质合金钻头;高转速(12-16万转/分,最高已有35万转/分)、高稳定性、高精度的计算机数控钻床;能够减少钻头漂移和钻孔发热量的专用盖板、垫板材料及啄钻技术 (由于板厚,一个孔需分2-3次才钻透,要求有高的重复精度)或采用激光钻孔技术钻出微孔,为了提高效率,国外已有自动上下料的数控钻床。
      3 、微小孔的深孔镀技术
      一般将板厚/孔径比大于5:1的称为深孔,(实际上已高达10:1、20:1),要使整个孔径内得到镀层均匀的金属化孔是很困难的,因为孔直径小,孔深,镀液在孔内不易流动交换,易在孔壁产生气泡, 因此, 微小孔的深孔镀技术除采用高分散能力的镀液外, 还要在电镀设备上实现孔内镀液畅通交换,这可采用强烈机械搅拌、振动、超声搅动和水平喷镀等技术,另外还要注意孔壁镀前处理,设法提高孔壁的湿润性。
      解决微小孔深孔镀的另一方法是采用化学镀加成技术, 使孔壁镀层不受电力线不均匀的影响,得到孔壁均匀的化学镀层,还有采用直接电镀技术、黑孔技术等等。直接电镀有碳膜法, 钯膜法和高分子导电膜法三大类。 碳膜法占主导地位。 直接电镀技术不仅减少污染,而且降低生产成本,简化工艺,提高层间互连质量和可靠性。 1994年全世界已有250条直接电镀生产线,今后还将快速增长。
      黑孔化工艺是采用含碳微粒的黑孔化溶液取代化学镀铜工艺,碳粒子直径在10——20μm左右,溶液含碳量约1.35-1.43%,此溶液不含络合剂、不用甲醛,简化了工艺步骤,减少了污染,是具有发展前途的工艺,黑孔工艺过程如下:清洁(60-65℃) --> 水洗 --> 微蚀--> 水洗 --> 浸入黑孔化溶液中 --> 烘干(100-150,20分) --> 微蚀去膜(30℃,30+/5秒) --> 水洗 --> 电镀铜。
      4 、细导线图形外观自动光学检查(AOI)技术
      当导线细至 O.1-0.15mm 时, 已无法用目视检查导线上的缺口、 断路、 针孔、 侧蚀等缺
      陷,必须采用自动光学检测设备,特别对多层板内层细线条,采用 AOI 后可有效地提高成
      品率,防止成品报废,因此虽然设备很贵(30万美元以上),但对于多层板生产还是合算的。
      AOI 现已成为精细导线多层板生产中必备设备。
      5、裸板通断测试技术
      SMB 给裸板测试技术带来了两个新问题:
      1 测试点不再是金属化孔而是焊盘,要求采用适于表面安装测试用的插针。
      2 由于裸板测试网络从2.54mm 缩小到1.27、0.635mm,使针床上测试针过于密集,不少插针处于斜向状态,裸板测试愈来愈困难,设备愈来愈复杂,价格愈来愈昂贵 (30万美元以上),有美国 TRACE 公司9090系列、Probot 公司的 Six-D 系列以及 MANIA 公司、 Tibor Darvas 公司、 Circuit Line 等公司的产品, 近年来, 英国 BSL 公司和美国 Probot公司推出了不用针床的移动探针测试方法和设备(约20万美元),有立式和平放式两种。
      6、真空层压技术
      为了彻底解决多层板压制工艺中产生气泡的问题, 提高层间粘合力, 采用真空层压技术是必然趋势,除了真空层压机之外,也可采用较为简单的真空框架实现真空层压。
      7、高精度、高密度、细线条成像技术
      为了制造高精度、 高密度细线条, 首先要解决光致抗蚀剂问题, 最近有如下四个方面的进展
      (1)干膜向薄型,无 Mylar 覆盖膜,高速感光和专用途方向发展。
      (2)使用液态光致抗蚀抗电镀印料(也称湿膜)
      (3)电沉积(ED)抗蚀剂和生产线
      采用电沉积抗蚀剂是目前制作细导线的先进 PCB 工艺,一般工艺过程是:表面准备(除
      去表面油污,杂质) --> ED 电沉积,10-20μm 厚 -->水洗(除去不必要的 ED)干燥 -->涂覆保护层(PVAl-3μm)厚 -->干燥 -->冷却 -->感光成像。
      (4)激光直接成像技术
      激光扫描直接成像不需照相底片, 直接扫描在专门的激光感光干膜上成像, 由于它不需底片,从而避免了底片的缺陷产生的影响及修版,并可直接连接 CAD/CAM,缩短了生产周期,提高了定位精度,适用于小批量多品种生产。
      以上几种方法比较如下:一般干膜可做出0.1mm 的细导线;湿膜为0.075mm;特殊干膜(特薄型和无覆盖层型)为0.05mm;ED 抗蚀剂和激光直接成像为0.05mm。
      为制造高精度的细导线图形, 除了要提高光致抗蚀剂性能外, 还必须注意覆铜板表面处理工艺, 由于尼龙磨料刷辊对铜箔表面有较深的划痕, 影响细导线成像, 易形成断线或缺口,因此发展了浮石粉擦板机和化学清洗设备以代替尼龙磨料刷辊型刷板机, 高精度、 细导线成像时还要注意曝光工艺,选择合适的曝光机,采用平行光源设备进行曝光可提高精度。
      8、SMB 表面处理技术
      如上所述,SMB 上的连接盘表面处理采用热熔的锡铅合金电镀层或垂直式热风整平焊料涂覆层均使连接盘表面呈弧形和厚薄不均, 使贴装 sMD 定位不准, 为此对双面和多层 SMB要采用水平式热风整平技术或化学镀等其它镀(涂)覆层, 使连接盘表面平整。 在裸铜上涂复新型水溶性耐热预焊剂也可替代热风整平工艺,平整度符合 SMB 要求,并具有防氧化和长期存放后有优良的可焊性。
      9、液态感光阻焊膜自动生产技术
      由于 SMB 上连接盘和导线尺寸变小,采用网印技术难于做成高精度的阻焊图形,因此发展了幕帘式涂覆液体感光阻焊膜和感光阻焊油墨, 两者在涂覆、 干燥后均采用照相底片曝光、显影制得阻焊图形,阻焊图形精度高,能满足 SMB 需要而被广泛采用,国外已开发了幕帘式涂覆生产线、7kW 大功率真空曝光机、高喷压显影机等新设备。我国有几家印制板厂已引进了美国 Ciba-Geigy 公司或 Svecia 公司或 Coates 公司的先进的帘涂阻焊生产线。 此外还有采用静电喷涂感光阻焊膜。
      10、新型覆铜箔基板材料
      SMB 对 PCB 基材提出了更高的要求,要求高的尺寸稳定性、低的膨胀系数,高的耐热性、 低的介电常数和低损耗; 超多层板为控制厚度和特性阻抗要求使用≤O.1mm 的薄铜箔板材和薄预浸材料;为适应制造细导线,减少侧蚀,要求使用5μm,10μm 的超薄铜箔,国外已开发了聚酰亚胺、BT 树脂和石英纤维、芳纶纤维等增强的新型覆铜箔基材,以满足 SMB的需要。
      11、计算机集成制造管理系统硬件和软件
      采用计算机联网管理 PCB 工厂的生产经营全过程,使厂长、经理能及时掌握 PCB 生产实时运行情况和及时处理出现的问题,将工厂生产经营全过程处于严格和高效的管理控制下,从而提高工作效率,缩短生产周期,提高产品质量,使 PCB 企业获得最佳经济效益,美国 CIM-NET 系统公司专门为 PCB 企业开发了先进计算机集成制造系统及其相应的应用软件系统。
      12、CAD/CAM 系统
      制造 SMB 需要有设计表面安装印制板的先进 CAD 工作站硬件和 CAD/CAM 软件、数据库软件、专家系统软件和网络系统软件。
      CAM 应包括有 PCB 设计输入,可对电路图形进行编辑、校正、修理和拼版,以磁盘为介质材料,并输出光绘、钻孔和检测(包括 AOI 和电气检测)的自动化数据。
      国外先进的 CAD 系统有:美国 Gerber 公司的 CAMPLAM 和 ECAM, Jadason 公司的PLANMASTER。以色列 Orbotech 公司的 Xpert l00工作站等。
      13、洁净技术
      由于 SMB 高密度,高精度,细线条,细间距,必然对环境条件的要求极为严格,除厂房要求恒温恒湿外, 照相间, 干膜间, 网印间, 多层板叠层间要求厂房空气洁净度达 l 万级,国外专家认为生产 O.13mm 细线 PCB,必需有一个 l 万级的洁净室,对高档次的 SMB,洁净度要求更高,要求达到 lO00级, 而且要定期检测, 对工艺用水也要求使用电阻大于1MΩ 的纯水,并有相应的测试仪器。14、环境保护技术
      当前我国 PCB 行业环境污染情况相当严重,大部分企业领导的环境保护意识薄弱。根本上解决环境污染还需开发无污染和少污染新工艺, 开发循环再生回收新工艺, 实行清洁生产,推行 ISO14000。在印制板生产全过程中,要求节约原材料和能源,取消有毒的原材料, 减少各种废弃物的排放量和毒性。 最大限度减少工业生产对环境的负面影响, 使企业最大地获得经济效益。 清洁生产是工业污染由末端治理转向生产过程控制的新的战略性转变。是实现工业可持续发展的重要手段。
      以上即是总结的生产SMD中新技术的发展动态,更多行业信息可查阅快点学院订阅号:eqpcb_cp。


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