PCB 是什麼?了解印刷電路板的種類與製程

作者:Hightech   |   2018 / 12 / 14

文章來源:知識力   |   圖片來源:股感知識庫


印刷電路板(PCB:Printed Circuit Board)

所有的電子產品都必須使用「印刷電路板(PCB:Printed Circuit Board)」來固定積體電路(IC)與其他電子元件(例如:電阻、電容、電感),並且將所有功能不同的積體電路及電子元件以一條條細細的銅導線連接起來,以提供穩定的工作環境,讓電子訊號可以在不同的電子元件之間流通。

圖一、印刷電路板(PCB)外觀

印刷電路板的種類

➤單面板(Single sided board):以單片的塑膠板為底板,積體電路(IC)與其他電子元件集中在其中一面,銅導線則集中在另外一面,如<圖二(a)>所示。單面板所能製作的銅導線數目較少,只有早期的電路板才會使用。

➤雙面板(Double sided board):以單片的塑膠板為底板,將銅導線製作在底板的正反兩個表面,並且鑽出「穿孔(Via)」讓銅導線由正面穿越塑膠板到達背面,使正反兩個表面的銅導線互相連接,如<圖二(b)>所示,使用在比較複雜的電路上。

➤多層板(Multi layer board):在多片雙面板的正反兩個表面製作所需的線路,並且分別在兩片雙面板之間夾一層絕緣層(塑膠材質)後黏合,形成數層銅導線的構造,如<圖二(c)>所示。多層板所能製作的銅導線數目最多,使用在比較複雜的電路上,目前電腦所使用的主機板由於元件太多,大多使用八層板,一般小型的電子產品,例如:手機、平板電腦等由於要求體積小,至少也要八層板以上,電子元件愈多,產品尺寸愈小,通常就需要更多層的電路板。

圖二、印刷電路板的種類

「穿孔(Via)」一般應用在雙面板上會鑽孔穿越塑膠板,但是在多層板中,如果只想連結某些內部線路,不一定要穿透整個塑膠板,因此可以使用「埋孔(Buried via hole)」或「盲孔(Blind via hole)」,只穿透其中幾層塑膠板就可以了。

印刷電路板的材料

➤硬式電路板(RPCB:Rigid PCB):一般使用玻璃環氧樹脂(Glass epoxy)製作,是一種硬的塑膠板,再將銅導線製作在電路板上,如<圖三(a)>所示,硬式電路板最大的特色是「不可活動」,因為它是硬的,所以製作完成以後就只能固定在機殼內,是目前所有電子產品都必須使用的電路板。

➤軟式電路板(FPCB:Flexible PCB):一般使用聚對苯二甲酸乙二酯(PET)或聚亞醯胺(Polyimide)製作,再將銅導線製作在電路板上,如<圖三(b)>所示,軟式電路板最大的特色是「可以活動」,因為它是軟的,其實PET就是製作寶特瓶所使用的材料,有點硬中帶軟,所以製作完成以後可以撓成各種形狀,如果兩塊硬式電路板之間要連接起來,但是又要可以來回伸縮活動就必須使用軟式電路板,目前廣泛應用在消費性電子產品,例如:筆記型電腦的液晶螢幕、摺疊式手機、數位相機、光碟機、硬碟儲存設備等。

圖三、印刷電路板的材料

印刷電路板的製作流程

印刷電路板的製作流程包括:單面板製作、鑽孔與電鍍、多層印刷電路板黏合、保護與表面處理、線路測試等,詳細說明如下:

➤單面板製作:將設計好的線路製作成底片,再將底片上的線路轉印在一層薄薄的銅箔上,並且把不需要的銅箔以化學藥品溶解掉,得到我們所需要的線路,這個過程有點類似晶圓廠中將光罩上的圖形轉移到矽晶圓上一樣,如果製作的是雙面板,那麼塑膠板兩面都會鋪上銅箔,如果製作的是多層板,則必須將許多雙面板黏合在一起。

➤鑽孔與電鍍:如果要製作雙面板或多層板,則必須先製作穿孔(Via)、埋孔(Buried via hole)、盲孔(Blind via hole),一般可以使用「機械鑽孔(Mechanical drill)」以鑽頭直接鑽孔,孔洞的最小尺寸為 8mil(大約 0.2mm);也可以使用「雷射鑽孔(Laser drill)」以雷射光打穿塑膠板,孔洞的最小尺寸可達 4mil(大約 0.1mm)以下,使銅導線更細更密集,我們稱為「HDI製程(High Density Interconnection)」,讓積體電路(IC)與其他電子元件在印刷電路板上更密集,可以縮小電子產品的尺寸,完成鑽孔以後再電鍍一層金屬填入孔洞形成垂直的銅導線,因此「穿孔(Via)」又被我們稱為「鍍穿孔(PTH:Plated Through Hole)」。

➤多層印刷電路板黏合:將製作好的雙面板黏合形成多層板,黏合時必須在各層之間加入絕緣層(塑膠材質),如果有穿透好幾層的穿孔(Via),那麼每層都必須重複上述步驟處理,多層板正反兩個表面上的線路通常在多層板黏合以後才製作。

➤保護與表面處理:印刷電路板上的綠色或棕色是「防焊漆(Solder mask)」的顏色,防焊漆是絕緣的防護層,可以保護銅導線不會氧化,在防焊漆上另外會印刷一層「網版印刷面(Silk screen)」,上面會印上文字與符號標示出各個積體電路(IC)與其他電子元件的名稱與位置,網版印刷面也稱為「圖標面(Legend)」,如果這個印刷電路板有金手指,則最後再電鍍金手指的線路。

➤線路測試:用來測試印刷電路板是否有短路或斷路的情形,一般可以使用光學方式以紅外光掃描板子找出各層的缺陷,偵測出導線之間是否有不正確的空隙;也可以使用電子測試以「飛針探測儀(Flying probe)」來檢查所有銅導線的連接,確定是否有短路或斷路。

元件安裝與焊接技術

印刷電路板製作完成以後,必須將積體電路(IC)與其他電子元件連結固定在印刷電路板上,我們俗稱「打件」,目前主要有下列兩種技術:

➤插入孔洞技術(THT:Through Hole Technology):電子元件安置在電路板的正面,並且將接腳焊接在背面,通常使用「波峰焊接(Wave soldering)」的技術,先將接腳切割到靠近板子,並且稍微彎曲使元件能夠固定,接著將電路板移到助溶劑的水波上,讓底部接觸助溶劑將底部接腳上的氧化物去除,再加熱電路板後移到融化的焊料上,等焊料冷卻後就完成連結固定了。這種方式會佔用比較大的空間,而且要為每支接腳鑽一個孔洞,所以每支接腳佔掉了電路板正反兩面的空間,而且焊接點比較大,但是固定效果比較好。

➤表面黏貼技術(SMT:Surface Mounted Technology):電子元件與接腳都安置在電路板的正面,通常使用「再回流焊接(Over reflow soldering)」的技術,將含有助溶劑與焊料的錫膏先印刷在電路板上準備與電子元件接腳連結的地方,接著將電子元件放置在電路板上使接腳與電路板上的錫膏接觸,再加熱電路板使錫膏熔化與電子元件接腳黏合起來,冷卻以後電子元件接腳就會固定在電路板上。這種方式焊接的電子元件體積都比較小,而且電子元件在電路板上更密集,製作完成後的印刷電路板體積也比較小,所以目前大部分的電子產品都是使用 SMT 技術取代 THT 技術。

【請注意】上述內容經過適當簡化以適合大眾閱讀,與產業現狀可能會有差異,若您是這個領域的專家想要提供意見,請自行聯絡作者;若有產業與技術問題請參與社群討論。

知識力》授權轉載

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