基于印制板蚀刻工艺的高密度电路板设计与制造

基于印制板蚀刻工艺的高密度电路板设计与制造

于梅苟辉李冬 王晨

中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所  陕西西安  710068

摘要：本文首先介绍了高密度电路板设计的基本要求和约束条件，包括器件布局、线路布线、阻抗匹配和电源地线设计等方面。然后，详细讨论了高密度电路板制造中常用的材料选择和印制板蚀刻工艺的步骤和流程，包括图形绘制、曝光、蚀刻和清洗等。同时，探讨了工艺参数对电路板质量的影响以及质量控制方法和标准。最后，通过实验设计，验证了以上内容的可行性和有效性，以期为电子产品的小型化和轻量化提供技术支持，推动电子产品的发展和应用。

关键词：印制板蚀刻工艺；高密度电路板设计；制造

前言

在现代电子技术的快速发展和应用中，高密度电路板（High Density Interconnect，HDI）作为一种重要的电子元器件，被广泛应用于通信、计算机、消费电子等领域。HDI电路板具有线路密度高、尺寸小、重量轻、信号传输速度快等优点，能够满足现代电子设备对于小型化、轻量化和高性能的需求。然而，随着电子设备的不断发展，对于电路板的设计和制造提出了更高的要求。传统的电路板制造工艺已经无法满足高密度电路板的需求，因此，印制板蚀刻工艺作为一种新兴的制造技术，逐渐受到了广泛关注。印制板蚀刻工艺是一种通过化学蚀刻的方式，将电路图案直接刻蚀在导电层上的制造技术。相比传统的电路板制造工艺，印制板蚀刻工艺具有制造成本低、生产效率高、线路精度高等优点。同时，印制板蚀刻工艺还可以实现多层电路板的制造，进一步提高了电路板的线路密度和性能[1]。基于此，本文旨在研究基于印制板蚀刻工艺的高密度电路板设计与制造方法，并探讨其在电子设备中的应用。通过对印制板蚀刻工艺的深入研究和实验验证，可以为高密度电路板的设计和制造提供一种新的解决方案。

一、高密度电路板设计

1.1设计要求

高密度电路板设计的基本要求和约束条件包括以下几个方面：（1）线宽和线间距：高密度电路板设计需要考虑线宽和线间距的要求，以确保电路板上的导线能够正常传输信号。通常情况下，线宽和线间距越小，电路板的密度就越高，但也会增加制造的难度和成本。（2）阻抗控制：高密度电路板设计需要考虑信号的阻抗控制，以确保信号的传输质量。不同的信号需要不同的阻抗值，因此在设计过程中需要合理选择线宽和线间距，以满足阻抗控制的要求。（3）信号完整性：高密度电路板设计需要考虑信号的完整性，以避免信号的衰减、串扰等问题。在设计过程中，需要合理布局信号线，减少信号的传输路径长度，降低信号的损耗和干扰。（4）电源和地线：高密度电路板设计需要合理布局电源和地线，以确保电路板上的各个元件能够正常供电和接地。电源和地线的布局需要考虑电流的分布和回流路径，以避免电压降低和干扰问题。（5）热管理：高密度电路板设计需要考虑热管理，以确保电路板上的元件能够正常工作并避免过热。在设计过程中，需要合理布局散热器、散热孔等热管理元件，以提高散热效果。（6）封装和布局：高密度电路板设计需要选择合适的封装和布局方式，以确保电路板上的元件能够正常安装和连接。封装和布局的选择需要考虑元件的尺寸、引脚数量等因素，以满足高密度电路板设计的要求。（7）制造工艺：高密度电路板设计需要考虑制造工艺的要求，以确保设计的可制造性。在设计过程中，需要合理选择材料、工艺和设备，以满足高密度电路板的制造要求[2]。

1.2器件布局

高密度电路板设计中的器件布局是非常重要的，它直接影响到电路性能和可靠性。以下是一些关于器件布局的原则和方法，包括最小化信号传输路径和最大化功率分布：（1）最小化信号传输路径：尽量缩短信号传输路径，减少信号传输的延迟和损耗；将相关的器件和信号线放置在靠近一起的位置，以减少信号传输路径的长度；使用差分信号传输来减少对地干扰和串扰。（2）最大化功率分布：将功率较大的器件和信号线放置在散热效果较好的位置，以便更好地散热；避免功率线和信号线交叉，以减少功率线对信号线的干扰；使用地平面和电源平面来提供良好的功率分布和地引线。（3）其他原则和方法：避免器件之间的相互干扰，尽量保持器件之间的距离；根据信号的频率和特性，将高频器件和信号线放置在较短的路径上，以减少信号损耗和干扰；使用层间连接和盲埋孔等技术，以提高布线的密度和可靠性；考虑到电磁兼容性（EMC）和信号完整性，合理布局地引线和信号引线。

1.3线路布线

线路布线是高密度电路板设计中的关键环节，其策略和技巧如下：（1）信号完整性考虑：在线路布线时，应考虑信号的完整性，即信号在传输过程中不受干扰和失真。可以通过合理选择线宽、线距和层间距离等参数，以减小信号传输的延迟和损耗。（2）电磁兼容性考虑：在线路布线时，应考虑电磁兼容性，即电路板在工作时不会产生或受到电磁干扰。可以通过合理布局和布线，减小电路板上的电磁辐射和敏感器件的电磁感应。

1.4

阻抗匹配

阻抗匹配的原理是通过调整传输线的几何参数来使其特性阻抗与信号源或负载的阻抗相匹配。（一）微带线的设计：微带线是一种常用的传输线结构，它由导体层、介质层和接地层组成。在微带线的设计中，主要考虑的参数包括导线宽度、介质层厚度和介电常数等。为了实现阻抗匹配，可以根据所需的特性阻抗和介质层的介电常数，使用微带线宽度计算公式来确定导线的宽度。常用的微带线宽度计算公式包括：

窄带近似公式：W = 8H * (Z0 + 1.9)/(Z0 + 1.1)

宽带近似公式：W = 8H * (Z0 + 1.9)/(Z0 + 1.1 + 2.2 * (W/H)^0.5)

其中，W为微带线的宽度，H为介质层的厚度，Z0为所需的特性阻抗。在微带线的设计中，还需要考虑到微带线的损耗和耦合等问题。为了减小损耗，可以选择低损耗的介质材料，并适当增加导线的宽度。为了减小耦合，可以增加微带线之间的间距或使用屏蔽层等方法。

（二）差分线的设计：差分线是一种常用的传输线结构，它由两条平行的导线组成，用于传输差分信号。在差分线的设计中，主要考虑的参数包括导线间距、导线宽度和介质层厚度等。为了实现阻抗匹配，可以根据所需的特性阻抗和介质层的介电常数，使用差分线宽度计算公式来确定导线的宽度。常用的差分线宽度计算公式包括：

窄带近似公式：W = 2H * (Z0 + 1.9)/(Z0 + 1.1)

宽带近似公式：W = 2H * (Z0 + 1.9)/(Z0 + 1.1 + 2.2 * (W/H)^0.5)

其中，W为差分线的宽度，H为介质层的厚度，Z0为所需的特性阻抗。在差分线的设计中，还需要考虑到差分线的平衡性和耦合等问题。为了保持差分线的平衡性，需要保持导线间距的一致性，并采取合适的布局和接地方式。为了减小耦合，可以增加差分线之间的间距或使用屏蔽层等方法[3]。

1.5电源和地线设计

电源和地线设计是高密度电路板设计中的关键环节，其原则和技巧如下：（1）降低噪声：在电源和地线设计时，应采取措施降低噪声的干扰。可以通过合理布局和布线，减小电源和地线的电阻和电感，以降低噪声的传输和干扰。（2）提高信号完整性：在电源和地线设计时，应采取措施提高信号的完整性。可以通过合理布局和布线，减小电源和地线的电阻和电感，以提高信号的传输和完整性。

二、高密度电路板制造

2.1 材料选择

高密度电路板制造中常用的材料包括基板材料和导电层材料。（1）基板材料：（1）玻璃纤维增强环氧树脂（FR-4）：FR-4是最常用的基板材料，具有良好的绝缘性能、机械强度和耐热性，适用于大多数应用场景。（2）聚酰亚胺（PI）：PI具有优异的高温性能、化学稳定性和机械强度，适用于高温环境下的应用。（3）聚四氟乙烯（PTFE）：PTFE具有优异的耐高温性能和化学稳定性，适用于高频和高速应用。（3）陶瓷：陶瓷基板具有优异的高频性能和耐高温性能，适用于射频和微波应用。（二）导电层材料：（1）铜：铜是最常用的导电层材料，具有良好的导电性能和焊接性能。（2）银：银具有更高的导电性能，适用于高频和高速应用，但成本较高。（3）金：金具有最佳的导电性能和焊接性能，适用于高端应用，但成本最高。在实际制造过程中，根据电路板的具体要求和应用场景，可以选择不同的基板材料和导电层材料进行组合，以满足不同的性能需求[4]。

2.2 印制板蚀刻工艺

首先，通过计算机辅助设计（CAD）软件绘制电路板的图形，包括导线、焊盘和元器件等。然后，将图形转移到光刻胶上，形成光刻胶层。接下来，将光刻胶层暴露在紫外线下，通过光刻机进行曝光。曝光过程中，光刻胶层会发生化学反应，形成图形的显影层。然后，将显影层暴露在蚀刻液中，蚀刻液会溶解掉显影层以外的金属导体，形成电路图案。最后，通过清洗工艺将蚀刻液和光刻胶残留物清除，以得到清晰的电路图案。

2.3工艺参数优化

工艺参数对电路板质量有重要影响。其中，曝光时间是影响显影层形成的关键参数，过长或过短的曝光时间都会导致显影层的质量下降。蚀刻液的浓度和温度也会影响蚀刻速度和蚀刻质量，需要根据具体情况进行优化调整。此外，还需要考虑其他工艺参数，如光刻胶的厚度、显影时间等，以确保电路板的质量和稳定性。

2.4 质量控制

常用的质量控制方法包括检测和修复技术。检测技术可以通过光学显微镜、扫描电子显微镜等设备对电路板进行检查，以确保电路图案的精确性和完整性。修复技术主要用于修复电路板上的缺陷或损坏，如焊盘修复、导线修复等。修复技术需要使用特定的工具和材料，以确保修复后的电路板能够正常工作。质量控制还需要遵循相关的标准和规范，如IPC标准，以确保电路板的质量符合行业要求。

三、实验设计

（一）实验目的：通过设计与制造高密度电路板，探究印制板蚀刻工艺对电路板制造的影响，并验证设计与制造的可行性。（二）实验步骤：（1）设计电路板布局和电路图：使用电路设计软件（如Altium

Designer）设计电路板布局和电路图，确定电路板的尺寸、层数、信号线宽度等参数。（2）选择合适的印制板材料：根据设计要求选择合适的印制板材料，如FR-4玻璃纤维板。（3）制作印制板：将设计好的电路板布局和电路图导出为Gerber文件；将Gerber文件提供给印制板厂家，进行印制板制造；制造过程中，需要注意选择合适的蚀刻工艺参数，如蚀刻液浓度、蚀刻时间等。（4）检验印制板质量：使用显微镜检查印制板表面是否有缺陷，如气泡、划痕等；使用测微仪测量印制板的厚度是否符合设计要求；使用电阻计测量印制板上的导线电阻是否符合设计要求。（5）焊接元件：根据设计要求，选择合适的元件进行焊接；使用焊接工具（如烙铁）将元件焊接到印制板上。（6）测试电路板功能：使用测试仪器（如万用表、示波器）测试电路板的功能是否正常；测试电路板的信号传输、电源供应等性能。（三）数据表格：

印制板制造与功能测试实验数据

（四）结论：印制板蚀刻工艺对电路板制造有重要影响，合适的蚀刻液浓度和蚀刻时间可以确保印制板质量，选择合适的印制板材料和制造工艺可以实现设计要求的电路板尺寸、层数和信号线宽度，实验结果表明，设计与制造的高密度电路板具有良好的质量和功能，验证了设计与制造的可行性[5]。

四、结束语

综上所述，通过本文的研究，我们成功地设计和制造了基于印制板蚀刻工艺的高密度电路板。该工艺具有高效、精确、可靠的特点，能够满足现代电子设备对电路板的高密度要求。我们通过实验验证了该工艺的可行性，并对其进行了性能评估。结果表明，该工艺制造的电路板具有良好的导电性能和稳定的工作性能。本研究为高密度电路板的设计与制造提供了一种新的解决方案，具有重要的实际应用价值。

参考文献：

[1]郑亚洲.埋嵌铜块印制电路板的设计与制造技术[J].数字化用户,2022:187-189.

[2]刘波;刘锐;李涛.基于智能制造的牙板模工艺设计[J].科技创新导报,2020:2.

[3]陈真;李小亮;周蕾.电路板设计与制造的衔接探讨[J].电子质量,2021:5.

[4]苟辉,汪忠林,李冬.印制电路板制造中磁力线热熔工艺研究[J].印制电路信息,2022:38-41.

[5]杨蓉;唐伟峰;施爱莲;周彦;谭瑶.以标准化手段提高印制电路板的设计和制造质量[J].航天标准化,2021:5.

作者简介：于梅，(1994年6月6)，女，汉，陕西省宝鸡市，硕士，航空工业计算所，从事印制板工艺研究。