印刷电路板 （PCB） 通过将组件与精心设计的铜路径互连来实现现代技术。从计算器等基本小工具到先进的航空航天系统，它们使现代技术成为可能。
CC10.处理 PCB 的安全指南
什么是印刷电路板 （PCB）？
印刷电路板 （PCB） 是现代电子产品的支撑。它们由玻璃纤维、环氧树脂或层压板制成，具有连接电阻器、晶体管和 IC 等组件的铜路径。“印刷”一词来自成像过程，其中 Gerber 设计文件定义铜图案。从简单的手表和计算器到航空航天和电信系统，PCB 为各个行业的技术提供了支持。
不同类型的PCB
印刷电路板 （PCB） 有多种类型，每种类型都旨在满足特定的结构和性能需求。
• 单面 PCB 仅在电路板的一侧使用铜迹线。它们简单、成本低，非常适合计算器和小型电源等基本电子产品，在这些电子产品中，电路密度不会受到威胁。
• 双面PCB的两面都有铜层，顶部和底部走线之间有过孔。这种结构允许更复杂的布线和更高的元件密度，使其在放大器、控制器和各种工业设备中很常见。
• 多层 PCB 由层压在一起的多个铜层和介电层组成。它们支持高电路密度、更好的信号完整性和紧凑的设计，使其可用于服务器、5G 通信设备和医疗系统等高级应用。
• 刚性 PCB 建立在坚固的 FR-4 基板上，可抵抗弯曲和振动。它们的耐用性使其成为笔记本电脑、汽车和家用电器的标准配置。
• 柔性 （Flex） PCB 由聚酰亚胺或 PEEK 材料制成，允许它们弯曲或折叠。它们轻巧紧凑的特性使其成为空间有限的可穿戴设备、数码相机和医疗植入物的理想选择。
• 刚柔结合 PCB 将刚性和柔性部分组合在一块板中。这种混合方法节省了空间，减少了连接器，提高了可靠性，使其在航空航天系统、国防设备和小型消费电子产品中具有价值。
PCB的基本层
印刷电路板 （PCB） 由几个关键层组成，每个关键层都有特定的功能，以确保耐用性、性能和可用性。
• 基板 – 这是 PCB 的基材，通常由 FR-4 玻璃纤维或聚酰亚胺制成。它提供机械强度和稳定性，作为支撑所有其他层的基础。
• 铜层 – 该层放置在基板顶部，形成在组件之间传输电信号和电流的导电通路。根据电路板类型，可能有一个或多个铜层。
• 阻焊层 – 在铜迹线上涂有保护涂层，阻焊层可防止氧化，降低短路风险，并确保焊料仅在组装过程中流向需要的地方。
• 丝印 – 包含打印标记（例如元件标签、极性指示器和部件号）的最顶层。它通过提供清晰的视觉指导来帮助组装、故障排除和维护。
PCB设计工作流程说明
PCB（印刷电路板）设计过程从概念开发和框图创建开始，工程师定义电路的整体功能并概述不同部件将如何相互作用。此阶段有助于在开始任何详细工作之前可视化系统架构并规划设计。
接下来是原理图设计，其中涉及绘制组件之间的电气连接。定义了每个组件的符号及其与其他元件的关系，形成了一个完整的电子电路图，作为PCB的蓝图。
原理图准备就绪后，封装创建和元件放置阶段开始。在此步骤中，每个电子部件都分配了一个物理封装，代表其实际尺寸和引脚布局。设计人员将这些组件放置在PCB布局上，以优化空间、电气性能和可制造性。
然后，该过程转向叠层设计，工程师定义 PCB 的层数、材料类型和厚度。此步骤对于管理信号完整性、阻抗控制和电磁兼容性至关重要，尤其是在高速或多层设计中。
接下来，执行 DRC（设计规则检查）和 DFM/DFA（制造设计/装配设计）分析。DRC 确保 PCB 布局遵循电气和机械设计规则，而 DFM 和 DFA 分析则检查设计是否可以有效地生产和组装，而不会出现错误或制造问题。
验证设计后，接下来是生产文件生成步骤。在这里，设计人员创建标准制造文件，例如 Gerber 或 IPC-2581 格式，并生成 BOM（物料清单），其中列出了生产所需的每个组件。
最后，该过程以 PCB 制造和组装结束。PCB 根据设计规范制造，安装组件，并测试组装的电路板以确保功能正常。
PCB制造中使用的材料
PCB制造中根据性能、成本和应用要求选择不同的材料。
• FR-4 – 使用最广泛的基材，由环氧树脂增强的玻璃纤维制成。它具有良好的机械强度、电绝缘性和经济性，使其适用于大多数消费电子产品和通用设备。
• 聚酰亚胺 – 一种柔韧且耐热的材料，可在热应力下保持稳定性。其耐用性和弯曲能力使其成为需要在恶劣条件下可靠性的航空航天、汽车和柔性 PCB 应用的理想选择。
• 铜箔 – 作为导电层应用，铜箔厚度范围为每平方英尺 1/2 盎司至 4 盎司。较厚的铜支持更高的电流负载，使其可用于电力电子、电机驱动器和具有大电流需求的电路。
• Rogers / 高频层压板 – 具有低介电常数 （Dk） 和低耗散因数 （Df） 的专用层压板。这些材料可确保高频下的信号完整性和稳定性，使其可用于射频设计、5G 通信系统和雷达应用。
PCB制造工艺
第 1 步 - CAD 布局设计
该过程首先使用 CAD/EDA 软件准备 PCB 布局。这定义了电路板的堆叠、走线布线、过孔放置和元件封装。输出文件（Gerber、钻孔文件、BOM）作为生产蓝图。
第 2 步 - 胶片印刷（成像）
每个PCB层都转换为高分辨率光掩模。这些薄膜代表铜图案、阻焊层和丝印层，指导蚀刻和印刷等后续步骤。
第 3 步 - 铜蚀刻
覆铜层压板涂有光刻胶，并通过光掩模暴露在紫外线下。显影后，未受保护的铜被化学蚀刻掉，使所需的电路走线完好无损。
第 4 步 - 图层对齐和层压
对于多层板，单个蚀刻芯与预浸料片（树脂浸渍玻璃纤维）堆叠在一起。层压机中的热量和压力将各层粘合成坚固的结构。光学目标和 X 射线配准系统确保准确的层对准。
第 5 步 - 精密钻孔
高速 CNC 或激光钻头为通孔、通孔部件和机械特征创建孔。公差以微米为单位，以确保可靠的连接。
第 6 步 - 过孔镀铜
钻孔经过化学清洗并电镀铜。这在过孔内形成导电桶壁，在 PCB 层之间建立电气连接。
第 7 步 - 阻焊层应用
在电路板上涂有液体光成像 （LPI） 阻焊层。紫外线照射和显影仅打开焊盘区域，而其余区域则被覆盖以绝缘迹线并防止焊料桥接。
第 8 步 - 丝网印刷
使用环氧树脂油墨或数字印刷将位号、极性标记、徽标和组装标签印刷到电路板表面，以帮助组装和检查。
第 9 步 - 表面光洁度应用
为了保护裸露的铜焊盘并提高可焊性，应用了表面处理。常见选项包括：
• HASL（热风焊料整平）——锡/铅或无铅焊料涂层
• ENIG（化学镀镍浸金）——适用于细间距部件的平坦、可靠的表面处理
• OSP（有机可焊性防腐剂）——环保、经济高效的选择
第 10 步 - 电气测试（电子测试）
自动飞针或钉床测试仪检查开路、短路和正确的网络连接，确保电气性能与设计相匹配。
第 11 步 - 最终检验和质量控制
自动光学检测 （AOI）、X 射线成像和手动检查可确认焊盘对齐、孔质量、阻焊层完整性和尺寸精度。只有通过严格的 IPC 标准的板材才能获准发货。
多层 PCB 制造和 HDI 注意事项
制造多层 PCB 比单层或双层板更复杂，因为需要精确的对准和先进的互连方法。
• 盲孔和埋孔 – 这些孔连接选定的层，而无需穿过整个电路板。它们释放了表面空间并提高了布线密度，这有助于紧凑、高功能的设计。
• HDI（高密度互连）——HDI 技术使用微孔、更细的走线宽度和更薄的电介质来实现非常高的互连密度。这使得它适用于智能手机、平板电脑、可穿戴设备和 5G 系统，在这些系统中，小型化和高速信号传输是必须的。
• X 射线钻孔引导 – 为确保通孔钻孔过程中的准确性，X 射线配准系统以极高的精度对齐内层。此步骤可防止配准错误，提高可靠性，并支持先进多层设计所需的严格公差。
PCB组装工艺概述
制造 PCB 后，组件将通过明确定义的组装工艺安装到其上。
• 表面贴装技术 （SMT） – 组件直接放置在电路板表面的焊膏涂层焊盘上。这种方法支持高元件密度，是现代紧凑型电子产品的标准。
• 通孔组装 – 将元件引线插入钻孔并焊接，提供牢固的机械结合。它通常用于需要高耐用性的连接器、电源元件和电路板。
• 回流焊 – 放置 SMT 元件后，电路板通过回流炉，受控加热熔化焊膏，形成可靠的接头。该工艺用于自动化、大批量生产。
• 波峰焊 – 带有通孔组件的电路板经过熔融焊料波，熔融焊料同时粘合多个接头。它对于混合技术板的大规模生产是有效的。
处理 PCB 的安全指南
需要正确处理 PCB 以保护电路板和使用它们的人员。
• ESD 保护 – 静电很容易损坏敏感组件。使用腕带、防静电垫和适当的储物袋，以防止在搬运和组装过程中产生静电放电。
• 高压预防措施——电力系统中的 PCB 可能会在电容器中存储危险能量。始终安全地对电容器进行放电，使用绝缘工具，并在适用时遵循上锁/挂牌程序。
• 个人防护装备 （PPE） – 戴上手套、护目镜和口罩，以防止焊料烟雾、玻璃纤维灰尘和化学残留物。这降低了焊接和电路板准备过程中的暴露风险。
• 防潮——PCB 会吸收水分，这可能会导致焊接过程中出现分层等缺陷。将电路板存放在真空密封包装或干燥柜中，以保持可靠性。
• 热安全 – 电路板和焊点在回流焊或手动焊接后保持高温。处理新焊接的组件时，留出足够的冷却时间并戴上耐热手套。
PCB在各行业的应用
PCB 几乎是所有现代技术的核心，其应用跨越多个行业。
• 消费电子产品 – PCB 存在于智能手机、电视、笔记本电脑和游戏机中，可为日常设备实现紧凑的设计、高性能和可靠的连接。
• 汽车 – 现代车辆依赖 PCB 来提供发动机控制单元、电动汽车电池管理系统、信息娱乐系统以及支持安全和自动化的先进传感器。
• 医疗 – 高可靠性 PCB 为起搏器、患者可穿戴设备、MRI 机器和诊断设备等设备提供动力，在这些设备中，精度和安全性至关重要。
• 工业 – PCB 用于机器人、工厂自动化、电机驱动器和功率逆变器，可在苛刻的环境中提供耐用性和效率。
• 航空航天与国防 – 专用 PCB 集成到航空电子设备、雷达系统、卫星和国防电子设备中，这些设备需要在极端条件下坚固、小型化和可靠性。
• 电信 – PCB 驱动 5G 基站、数据服务器和网络硬件等基础设施，支持高速通信和全球连接
结论
PCB 不仅仅是电路载体;它们是电子创新的基础。通过探索它们的结构、生产方法和行业应用，我们可以更清楚地了解技术的发展。随着光学板、环保基板和人工智能驱动设计等新兴趋势的出现，PCB 技术的未来有望提高效率、小型化和可持续性。
常见问题 [FAQ]
PCB 通常可以使用多长时间？
大多数 PCB 的使用寿命为 10-20 年，具体取决于设计质量、材料和环境条件。在工业或航空航天用途中，带有保护涂层和热管理的高端电路板通常会超过这个范围。
PCB故障最常导致的是什么？
常见原因包括过热、吸湿、静电放电 （ESD）、焊点不良和痕迹损坏。预防性设计和保护涂层可显着降低这些风险。
PCB 可以回收或重复使用吗？
是的。PCB 可以回收以回收铜、金和其他金属。环保回收工艺正在兴起，但由于组件磨损和技术不断发展，重复使用整个 PCB 的情况很少见。
使用前如何测试 PCB？
PCB 通过连续性检查、绝缘电阻测试和自动光学检测 （AOI） 进行测试。飞针或钉床测试仪在组装前验证连接正确并检测短路。
哪些行业需要高可靠性PCB？
航空航天、国防、汽车和医疗领域需要高可靠性的 PCB。这些电路板的设计具有更严格的公差、坚固的材料并严格遵守 IPC 标准，以确保在危险环境中的性能。