理論基礎(chǔ)之PCB和FPC

理論基礎(chǔ)之PCB和FPC
PCB，PrintedCircuitBoard。如其字面意思，一塊板子，上面有電路，印刷上去的。就是印刷電路板。也叫硬板。
FPC，F(xiàn)lexiblePrintedCircuit。如字面所述，這是一個電路，也是印刷上去的，并且是柔性的。就是柔性電路板。也叫軟板。一般是黃色的。
還有一種電路板，一部分是硬的，一部分是軟的，一般叫做軟硬結(jié)合板，或者剛撓板。（剛性和撓性）
PCB的生產(chǎn)流程
多層PCB的構(gòu)造，主要是玻璃纖維的板材和銅的線路疊在一起構(gòu)成的。問了以下問題，就可以對PCB板有更深入的理解了：
PCB線路
如何做線路？
最初的一塊PCB基板，是一張薄玻璃纖維板，兩面覆蓋有銅箔，完整的一片銅箔。線路就是在銅箔上刻出來的。類似于洗照片，Gerber里有每一層的圖像，把圖像做成底片（菲林），用光投射到基板上，基板就會把菲林上的圖案顯示出來。實際工作是通過化學蝕刻來把不需要的區(qū)域的銅腐蝕掉的，剩余的就是線路。兩面都一樣。對于兩層板，只需要把基材的線路做出來就好了。
注：這里說玻璃纖維板是有助于理解，實際里面還有其他的樹脂材料，常用的型號是FR-4。
如何做多層？
拿一塊實心的塑料，想在里面嵌入一些金屬，怎么辦？不做任何破壞，不可能在內(nèi)部裝入金屬的。但是咱們可以用兩塊塑料，把一片金屬夾起來，金屬就到實心塑料里面去了。這就就是多層電路板的內(nèi)層線路的來歷：一層一層的疊起來。
先做好兩層板的線路，然后在基板的上下兩面，再各壓合一層單面銅箔的基板，就有了4層。表面線路的做法，跟基板的線路做法如出一轍。如果要做6層，那就再壓合兩層基板。再多就再壓合。
通常中間的基板會厚一些，兩側(cè)的基板要薄很多。大部分電路板不會做到每一層的厚度是均勻的。
如何做過孔？
基板的兩邊，是沒有連接起來的。為了把兩邊的線路連起來，就需要鉆個孔。不過只有孔，孔里面是空氣，還是導不了電。此時就需要在孔里面電鍍。鍍上一層銅，兩面的線路通過孔里面的銅，就可以連接起來了。
原理很簡單，實際工藝很復雜，需要遮蓋住線路，還需要在孔內(nèi)做表面處理才能鍍上銅。
孔是怎么鉆的？
還記得我們會在Gerber里輸出鉆孔圖么？鉆孔圖標注了每一個孔的相對坐標，輸入到機床里，機械手帶著細細的鉆頭，在電路板上把孔逐個鉆出來。這種就是機械孔。常用的機械孔最小直徑在0.2mm，還有0.25和0.3mm的。大家想想，0.2mm直徑的鉆頭，只比頭發(fā)絲粗一點，很容易彎曲或斷裂。這也就是為什么0.15mm的機械孔幾乎沒有工廠愿意做，0.2的孔的電路板，也會比0.2孔5的要更貴一些。這種穿過整個電路板的孔，叫做“通孔”。打通了的孔。如果通孔兩邊沒有被油漆覆蓋，肉眼就可以看到中間是空的。如果焊接，還會發(fā)現(xiàn)有焊錫漏到對面去了。
對于HDI板（HighDensityInterconnector，高密度互聯(lián)）板來講，還有一種特殊的孔，激光孔。通過激光燒蝕電路板，燒開一個孔。激光不會斷，光束可以做的很細。在電路板上通常使用0.1mm直徑的激光孔。激光是通過高溫來燒蝕材料的，基材的主要成分是玻璃纖維和樹脂，熔點不高，因此用激光可以很容易燒穿。但激光遇到銅箔，就沒燒不穿了。因此激光孔只有一邊是通的，另一邊會被銅箔封死，不能被看穿。因此叫做盲孔（Blindhole）
對于內(nèi)層線路，可以先打孔再壓合外層線路，這時候原本的通孔，就被埋在板子里了，因此叫做埋孔（buriedhole）。本質(zhì)上就是個通孔。
能不能只鉆一半，留一半？
例如，電路板只把1-2層鉆開，保留3-4層。很抱歉，加工難度太大了，深度做不了這么精確。因此電路板上的開口，只要是機械開孔的，一定要打穿，不能限定深度。如果非要做，也有一些特殊工藝，例如提前把基材鉆孔，這樣的工藝不常見，所以價格也很高。
線路畫多寬？
PCB板上的線路，單位是mil。Mil=千分之一英寸。0.0254毫米。通俗來記憶，就是4mil=0.1mm。
國內(nèi)目前主流的線寬和線距的尺寸，一般是4mil。算是0.1mm。如果寬度太窄了，就不好加工了。前面講到，導線是在通過照片在銅箔上蝕刻出來的，線太窄了容易腐蝕斷掉，線距太窄了容易腐蝕不完導致短路。目前主流多層HDI板上，線寬線距可以做到局部2.5mil，整體3mil。線細了，不良率就會比較高，單價也會比較貴。
既然線太細了價格會上升，咱們統(tǒng)一都把線做粗一些行不行？也不行，如果線路太粗了，PCB畫圖的難度就會加大。并且線路粗細和信號類型是有很大的關(guān)系的，必須要根據(jù)電路上傳遞的信號的種類和參數(shù)來合理的選擇線寬線距，也需要PCB繪圖人員，對原理設(shè)計很熟悉。例如：電源線要根據(jù)通過的最大電流來設(shè)計寬度，通常按照40mil通過1A電流來計算。普通信號線走4mil足夠了。射頻線需要做阻抗匹配，線寬要根據(jù)板材和層數(shù)來計算。畫原理圖的時候，線路名稱也要標識清楚，能夠讓PCB繪圖人員輕松無誤的從名字上看出來這條線路的功能，然后采取合適的走線方式。
過孔能不能隨便打？
能，但也不能。
先說“能”。就像樓梯一樣，一樓到二樓，二樓到三樓，三樓到四樓，都可以有樓梯。那么我們能不能直接搭個梯子，從一樓一下子到三樓，或者從一樓直接上到四樓呢？理論上是可以的，這種叫做任意層互聯(lián)板?？梢詮娜我鈱舆B接到其他任一層。拿8層任意互聯(lián)舉例，可以從1直接一穿到底連到8，也可以從1連接到2至7層，也可以從2連接到3至8層，或者從4連接到5至8層。想怎么畫就怎么畫，線路想怎么穿就怎么穿，幾乎不存在線路連不出來的情況。想著就開心，對吧？但是這種電路板只有一個缺點：貴。貴到爆。比通常的電路板貴一個數(shù)量級！消費電子領(lǐng)域，也就只有iPhone這樣的不缺錢的機型舍得這么干了。其他機型，不管是華為手機還是oppovivo，全部都沒有這么量產(chǎn)的機型。
因為貴，所以“不能”。智能硬件和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域用的電路板，一般都不會浪費。在性能滿足的情況下，盡量用簡單的工藝來實現(xiàn)，能夠有效的降低成本。
成本最低的，是通孔板，壓合好了，鉆一次孔，鍍一次銅，就完成了，工序少很多，省時間省成本。
再來講講一階二階的概念。
如這張圖，是最傳統(tǒng)的二階非疊孔的疊層結(jié)構(gòu)。通孔和埋孔是機械孔，盲孔是激光孔?？雌饋硎怯?個臺階的，因此叫二階。也可以理解為，有幾層激光孔，就是幾階板。疊孔，顧名思義，是把孔重疊到一起。通常打孔都是錯開，即不把一個孔打在另外一個孔上面，也稱“錯孔”。但激光孔可以疊在一起，構(gòu)成疊孔。激光孔和機械孔不能疊到一起去。錯孔在設(shè)計PCB的時候表現(xiàn)為1-2、2-3兩種激光孔。疊孔表現(xiàn)為1-3層的激光孔。
前面講了激光孔的原理，激光能量有限，只能打穿比較薄的板材，并且需要打到銅箔才能夠停止。因為機械孔中間是空心的，如果在機械孔上面打激光孔，激光就會穿過去。之所以兩個激光孔能夠疊起來，并不是說激光孔內(nèi)部不是空心的，而是通過“電鍍填平”工藝，把內(nèi)側(cè)激光孔內(nèi)部用銅堵起來，然后表面磨平，對于外側(cè)激光孔來講，內(nèi)側(cè)的激光孔看起來只是一塊銅箔，并不是一個孔。那么為什么內(nèi)層孔不能電鍍填平呢？內(nèi)層機械孔內(nèi)徑太粗了，鍍銅鍍不了這么厚，填不滿。
原本只打一次通孔的電路板，做成一階板就需要多一次打孔和電鍍的工序，做成二階板需要再加多一次打孔和電鍍，如果做疊孔還需要增加一道電鍍填平工藝，工序越多成本越高，加工復雜度越高，良品率越低。
鍍金層
PCB上的線路，都是用銅箔做的，純銅的抗氧化性能并不強，直接暴露在空氣中很快就氧化了。因此電路板外露的焊盤，都需要做處理，既能夠防止銅質(zhì)焊盤氧化，又能夠提升可焊性。
平時看到的電路板上的焊盤顏色有三種，金色、銀色、橙紅色三種。分別是沉金、噴錫、OSP。沉金，是用化學方法在焊盤表面沉積一層鎳金。噴錫，是在焊盤表面噴上一層錫，OSP是一種無機物薄膜。三種方法都用來提升可焊接性?？垢g性沉金最佳，噴錫次之，OSP最差。
在尺寸較大的低成本電路板上，用噴錫工藝的比較多。
小尺寸精密電路板上，如手機、智能硬件等，還是以沉金為主。
OSP可以理解為一種覆蓋在銅上的保護膜，讓內(nèi)層銅沒那么容易被氧化，在焊接的時候能夠自動熔化并起到助焊劑的作用。因不含有黃金，因此OSP的價格比沉金要略低一些。通常電路板上，需要長期暴露在外部的焊盤，例如接地焊盤，需要用沉金來處理，需要焊接的焊盤，就可以用OSP來處理。
因為電路板的鍍層并不是絕對防氧化的，所以電路板是有保質(zhì)期的，如果暴露在空氣中存放，沉金板半年左右，OSP板不超過一個月。如果抽真空密封，沉金板1年，OSP幾個月還是可以用的。超期的主板，貼片的時候就有可能因為焊盤氧化造成直通率下降很多。
價格趨勢
工程師往往對產(chǎn)品價格不敏感，這個思維是不對的。硬件工程師必須要時刻有“省錢”的意識，保證性能和周期的情況下，能省則省。例如一個產(chǎn)品節(jié)約1塊錢，賣100萬臺出去，就可以節(jié)省100萬。
PCB的價格=板材+很多張菲林+很多道工藝+人工成本+報廢板。板材和人工成本相差不多，價格差異主要體現(xiàn)在工藝和報廢率上。工藝復報廢率高，成本自然就貴了。
層數(shù)越多，價格越貴。每增加2層，價格會上升30%左右。
階數(shù)越多，價格越貴。每增加1階，價格會上升30%左右。
采用了特殊工藝，價格也會上升。疊孔、0.2直徑的機械孔、小于3mil的線寬和線距，每一項都會造成10-20%的價格上升。
這個價格上升，是按照各項相乘來計算的，不是按照各項相加來計算的，可以理解為，每增加一項復雜工藝，板廠良率就要下降一些，加十道工序，總的良率是十次良率的乘積。所以才會出現(xiàn)任一層互聯(lián)電路板貴到離譜的情況。
為什么很少有電路板廠在一線城市？
電路板加工廠，哪怕總部或者辦事處在上海、深圳之類的一線城市，其工廠也都不在這些地方。省會城市也很少。主要在二三線城市，例如蘇州、梅州、遂寧、東莞等。
板廠主要靠機械來加工，全自動的，人力成本占比不大。之所以沒有在一線城市，并不是因為人力成本或廠房成本，主要原因在于板廠是需要靠化學腐蝕和化學電鍍等方式來生產(chǎn)，環(huán)境污染比較大。
FPC是怎么做的？
軟板和硬件把做法是一樣的，一層基板，蝕刻兩面線路。過孔也是機械鉆孔然后電鍍，外面也會覆蓋一層阻焊層。
如果要做多層FPC，就不像多層硬板一樣直接壓合了。拿一張紙，可以輕松彎折，如果拿一本書，在兩端固定的情況下，是沒有辦法彎折的。因為外側(cè)的會被拉伸，內(nèi)側(cè)的會被擠壓。所以FPC不能做的太厚，也不能像硬板一樣壓合起來。如果要做一根4層的FPC，最里面是一根2層的FPC，外面還有兩根單層FPC。在不會被彎折的兩端壓合起來，中間不壓合，是散開的。如果彎折，最里面的FPC會被彎出幾個褶皺出來。只有這樣才能保證多層FPC既能彎折又不會斷掉。
硬件FPC
柔軟的FPC上，是不能焊接元器件的，元器件都是硬的，不能跟著FPC去彎折。如果要焊接元器件，就要保證元器件區(qū)域的FPC不能被彎折，要是硬的。需要在這些區(qū)域下面加上“補強板”，補強是指補充強度的意思。用的比較多的是不銹鋼和玻璃纖維。把FPC粘在補強板上，這一塊就不會彎曲了，焊接了元器件也不會被彎掉。
已經(jīng)有了FPC了，為什么還要軟硬結(jié)合板？
的確，F(xiàn)PC上也能焊接元器件，也能夠做到一部分硬一部分軟。所以能用FPC的時候就不要用軟硬結(jié)合板，太貴了。比FPC和硬件要貴幾倍。
FPC的弊病是，不適合做太多層，也很難做HDI（盲埋孔）這樣的高密度電路。像BGA封裝的芯片，一般都需要用1階或2階的HDI板才能夠把那么密集的引腳走線畫出來。通常情況下，大家會用硬板+連接器+FPC的方式，設(shè)計HDI的硬板，把芯片放在硬板上，然后在PCB上設(shè)計連接器，再把FPC通過連接器連在PCB板上。這種其實也比軟硬結(jié)合板成本更低。
但是，連接器是要占空間的，并且不比芯片占的空間小，既占面積又占高度。于是需要用成本換空間的地方，軟硬結(jié)合板就會大顯身手。例如Airpods拆解中，可以看到整個耳機內(nèi)部是一塊形狀復雜的軟硬結(jié)合板。我們之前做過一款智能戒指，也是用的軟硬結(jié)合板。
需要注意的是，硬板部分可以做4層6層8層，軟板部分只能做2層。
軟硬結(jié)合板，既能夠使用超小型的元器件，又能夠彎折，非常適合形狀復雜或需要彎曲的超小型智能產(chǎn)品。唯一的缺點，就是貴。
軟硬結(jié)合板是怎么做的？
軟硬結(jié)合板的設(shè)計流程和PCB沒什么太大區(qū)別，生產(chǎn)的流程和PCB也沒什么多大區(qū)別。先把內(nèi)部2層FPC做好，然后再在外面做幾層硬板，最后把彎折區(qū)域外面的硬板去掉就可以了。
不過之所以軟硬結(jié)合板比硬板貴很多，主要還是因為具體工藝更復雜，報廢率很高。