PCB,即印制電路板(Printed Circuit Board),是現(xiàn)代電子設(shè)備中不可或缺的重要部件。它是電子元器件電氣連接的提供者,是電子產(chǎn)品的大腦和心臟,被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。
什么是PCB板?
PCB板,也稱印制電路板,是一種通過將導(dǎo)電銅箔圖案化鋪設(shè)在絕緣材料(如玻璃纖維、環(huán)氧樹脂等)表面上,形成電子元器件之間的電氣連接的板子。其主要功能是通過這些銅箔線路實(shí)現(xiàn)電子元件之間的電氣連接,并支撐元器件固定在板上。
無論是簡(jiǎn)單的家用電器、復(fù)雜的智能設(shè)備,還是工業(yè)控制系統(tǒng),都離不開PCB板的支持。
PCB板的構(gòu)成與分類
一般來說,PCB板主要由以下幾個(gè)部分組成:
基材:通常由玻璃纖維或環(huán)氧樹脂制成,提供機(jī)械支撐和絕緣功能。
導(dǎo)電層:由銅箔構(gòu)成,負(fù)責(zé)傳輸電流和信號(hào)。
阻焊層:保護(hù)電路板的銅箔不被氧化,防止短路。
字符層:標(biāo)記電路板上元件的位置,便于組裝和維護(hù)。
從分類上,根據(jù)導(dǎo)電層的數(shù)量,PCB板可以分為單面板、雙面板和多層板。具體說來,單面板是最基本的PCB類型,它僅有一面是導(dǎo)電層(銅箔),另一面則是非導(dǎo)電材料。這種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,通常用于低復(fù)雜度的電路,如簡(jiǎn)單的家電或電子玩具。
雙面板則在PCB的兩面都有導(dǎo)電層,意味著電氣連接可以通過兩面實(shí)現(xiàn)。雙層板比單層板能夠?qū)崿F(xiàn)更加復(fù)雜的電路設(shè)計(jì),適合更高要求的電子產(chǎn)品,如汽車電子、消費(fèi)類電子等。
多層板則是4層及以上的PCB板,通過內(nèi)部導(dǎo)線連接,適用于高度集成的大型電路。其中,在多層板中,高多層PCB正成為外界關(guān)注的焦點(diǎn)。從人形機(jī)器人到AI大模型,高多層PCB都在背后發(fā)揮著重要作用。
目前,行業(yè)內(nèi)可生產(chǎn)高多層PCB的企業(yè)為數(shù)不多,比如深南電路、鵬鼎控股、東山精密、嘉立創(chuàng)。像嘉立創(chuàng)擁有多項(xiàng)自主研發(fā)的 PCB 制造核心技術(shù),具備生產(chǎn)高多層印制線路板產(chǎn)品的技術(shù)能力,包括超高層工藝、盤中孔工藝、阻焊開窗工藝等。公司目前生產(chǎn)的印制電路板最高層數(shù)可達(dá) 32層,最小孔徑可達(dá) 0.15mm,最小線寬線距可達(dá) 0.0762mm,并支持?jǐn)?shù)百種層壓結(jié)構(gòu)。
pcb電路設(shè)計(jì)者需要根據(jù)電路原理圖,在pcb電路設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)所需要的功能。pcb電路設(shè)計(jì)是一項(xiàng)很復(fù)雜、技術(shù)性很強(qiáng)的工作,通常pcb電路設(shè)計(jì)初級(jí)者都會(huì)遇到非常多問題,(本文列好“pcb電路設(shè)計(jì)中的常見問題”)也希望pcb電路設(shè)計(jì)者們都需要通過不斷的學(xué)習(xí)和經(jīng)驗(yàn)積累,能夠在一次次的電路設(shè)計(jì)中不斷提升,達(dá)到優(yōu)良的電路性能和散熱性能,能有效的節(jié)約生產(chǎn)成本。
在PCB板的設(shè)計(jì)和制作過程中,工程師不僅需要防止PCB板在制造加工時(shí)出現(xiàn)意外,還需要避免設(shè)計(jì)失誤的問題出現(xiàn)。本文就這些常見的PCB問題進(jìn)行匯總和分析,希望能夠?qū)Υ蠹业脑O(shè)計(jì)和制作工作帶來一定的幫助。
問題一:PCB板短路
這一問題是會(huì)直接造成PCB板無法工作的常見故障之一,而造成這種問題的原因有很多,下面我們逐一進(jìn)行分析。
造成PCB短路的最大原因,是焊墊設(shè)計(jì)不當(dāng),此時(shí)可以將圓形焊墊改為橢圓形,加大點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離,防止短路。
PCB零件方向的設(shè)計(jì)不適當(dāng),也同樣會(huì)造成板子短路,無法工作。如SOIC的腳如果與錫波平行,便容易引起短路事故,此時(shí)可以適當(dāng)修改零件方向,使其與錫波垂直。
還有一種可能性也會(huì)造成PCB的短路故障,那就是自動(dòng)插件彎腳。由于IPC規(guī)定線腳的長(zhǎng)度在2mm以下及擔(dān)心彎腳角度太大時(shí)零件會(huì)掉,故易因此而造成短路,需將焊點(diǎn)離開線路2mm以上。
除了上面提及的三種原因之外,還有一些原因也會(huì)導(dǎo)致PCB板的短路故障,例如基板孔太大、錫爐溫度太低、板面可焊性不佳、阻焊膜失效、板面污染等,都是比較常見的故障原因,工程師可以對(duì)比以上原因和發(fā)生故障的情況逐一進(jìn)行排除和檢查。
問題二:PCB板上出現(xiàn)暗色及粒狀的接點(diǎn)
PCB板上出現(xiàn)暗色或者是成小粒狀的接點(diǎn)問題,多半是因于焊錫被污染及溶錫中混入的氧化物過多,形成焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)太脆。須注意勿與使用含錫成份低的焊錫造成的暗色混淆。
而造成這一問題出現(xiàn)的另一個(gè)原因,是加工制造過程中所使用的焊錫本身成份產(chǎn)生變化,雜質(zhì)含量過多,需加純錫或更換焊錫。斑痕玻璃起纖維積層物理變化,如層與層之間發(fā)生分離現(xiàn)象。但這種情形并非焊點(diǎn)不良。原因是基板受熱過高,需降低預(yù)熱及焊錫溫度或增加基板行進(jìn)速度。
問題三:PCB焊點(diǎn)變成金黃色
一般情況下PCB板的焊錫呈現(xiàn)的是銀灰色,但偶爾也有金黃色的焊點(diǎn)出現(xiàn)。造成這一問題的主要原因是溫度過高,此時(shí)只需要調(diào)低錫爐溫度即可。
問題四:板子的不良也受環(huán)境的影響
由于PCB本身的構(gòu)造原因,當(dāng)處于不利環(huán)境下,很容易造成PCB板的損害。極端溫度或者溫度變化不定,濕度過大、高強(qiáng)度的振動(dòng)等其他條件都是導(dǎo)致板子性能降低甚至報(bào)廢的因素。比如說,環(huán)境溫度的變化會(huì)引起板子的形變。因此將會(huì)破壞焊點(diǎn),彎曲板子形狀,或者還將可能引起板子上的銅跡線斷路。
另一方面,空氣中的水分會(huì)導(dǎo)致金屬表面氧化,腐蝕和生銹,如暴露的在外的銅跡線,焊點(diǎn),焊盤以及元器件引線。在部件和電路板表面堆積污垢,灰塵或碎屑還會(huì)減少部件的空氣流動(dòng)和冷卻,導(dǎo)致PCB過熱和性能降級(jí)。振動(dòng),跌落,擊打或彎曲PCB會(huì)使其變形并導(dǎo)致出席那裂痕,而大電流或過電壓則會(huì)導(dǎo)致PCB板被擊穿或者導(dǎo)致元器件和通路的迅速老化。
問題五:PCB開路
當(dāng)跡線斷裂時(shí),或者焊料僅在焊盤上而不在元件引線上時(shí),會(huì)發(fā)生開路。在這種情況下,元件和PCB之間沒有粘連或連接。就像短路一樣,這些也可能發(fā)生在生產(chǎn)過程中或焊接過程中以及其他操作過程中。振動(dòng)或拉伸電路板,跌落它們或其他機(jī)械形變因素都會(huì)破壞跡線或焊點(diǎn)。同樣,化學(xué)或濕氣會(huì)導(dǎo)致焊料或金屬部件磨損,從而導(dǎo)致組件引線斷裂。
問題六:元器件的松動(dòng)或錯(cuò)位
在回流焊過程中,小部件可能浮在熔融焊料上并最終脫離目標(biāo)焊點(diǎn)。移位或傾斜的可能原因包括由于電路板支撐不足,回流爐設(shè)置,焊膏問題,人為錯(cuò)誤等引起焊接PCB板上元器件的振動(dòng)或彈跳。
問題七:焊接問題
以下是由于不良的焊接做法而引起的一些問題:
受干擾的焊點(diǎn):由于外界擾動(dòng)導(dǎo)致焊料在凝固之前移動(dòng)。這與冷焊點(diǎn)類似,但原因不同,可以通過重新加熱進(jìn)行矯正,并保證焊點(diǎn)在冷卻時(shí)而不受外界干擾。
冷焊:這種情況發(fā)生在焊料不能正確熔化時(shí),導(dǎo)致表面粗糙和連接不可靠。由于過量的焊料阻止了完全熔化,冷焊點(diǎn)也可能發(fā)生。補(bǔ)救措施是重新加熱接頭并去除多余的焊料。
焊錫橋:當(dāng)焊錫交叉并將兩條引線物理連接在一起時(shí)會(huì)發(fā)生這種情況。這些有可能形成意想不到的連接和短路,可能會(huì)導(dǎo)致組件燒毀或在電流過高時(shí)燒斷走線。
焊盤:引腳或引線潤(rùn)濕不足。太多或太少的焊料。由于過熱或粗糙焊接而被抬高的焊盤。
問題八:人為失誤
PCB制造中出現(xiàn)缺陷大部分是有人為失誤造成的,大多數(shù)情況下,錯(cuò)誤的生產(chǎn)工藝,元器件的錯(cuò)誤放置以及不專業(yè)的生產(chǎn)制造規(guī)范是導(dǎo)致多達(dá)64%可避免的產(chǎn)品缺陷出現(xiàn)。由于以下幾點(diǎn),導(dǎo)致缺陷的可能性隨著電路復(fù)雜性和生產(chǎn)工藝數(shù)量而增加的原因:密集封裝的組件;多重電路層;精細(xì)的走線;表面焊接組件;電源和接地面。
盡管每個(gè)制造者或組裝者都希望生產(chǎn)出來的PCB板子是沒有缺陷問題,但就是有那么幾種設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的過程的難題造成了PCB板問題不斷。
典型的問題和結(jié)果包括如下幾點(diǎn):焊接不良會(huì)導(dǎo)致短路,開路,冷焊點(diǎn)等情況;板層的錯(cuò)位會(huì)導(dǎo)致接觸不良和整體性能不佳;銅跡線絕緣不佳會(huì)導(dǎo)致跡線與跡線之間出現(xiàn)電弧;將銅跡線與通路之間靠的太緊,很容易出現(xiàn)短路的風(fēng)險(xiǎn);電路板的厚度不足會(huì)導(dǎo)彎曲和斷裂。