第二讲 电子学基本知识

第二讲电子学基本知识第1页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

2重申课件：网络教学平台（）院系设置近代物理系 近代信息处理

课程文档考试方式无期末考试随堂测试（35％）当堂或前次讲课内容缺课超过三次无此成绩（四次及以上）交一篇6000字以上的论文（65％）打印件，交至近代物理系信箱电子件，发至liushb@或上传严禁与《物理电子学导论》等论文雷同注意纸件、电子件缺一不可其他第2页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

3一些电子学基本知识EDA软件PCB基本概念和制板过程及需要电子器件封装一些简单而重要的高速布线规则第3页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

4电路板剖面第4页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

5PCB的基本结构第5页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

6PCB的基本结构——6层板Layer1(Outer)Layer6(Outer)Layer2(Inner)Layer3(Inner)Layer4(Inner)Layer5(Inner)FOILFOILPRE-PREGPRE-PREGPRE-PREGINNERLAYERINNERLAYERCopper Laminate第6页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

7PCB的基本结构——介质也常称“板材”形式基材（或称芯板）多种半固化片种类有机材质FR-4（环氧树脂，Glass-Epoxy）F4（聚四氟乙烯，Glass-Teflon）E级玻璃纤维其它，如聚酰亚胺（Glass-Polyimide）等无机材质铝、Copper-invar（钢）-copper、ceramic（陶瓷）第7页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

8芯板由介电层（树脂、玻璃纤维）及高纯度的导体（铜箔）所构成的复合材料树脂：酚醛树脂、环氧树脂、聚酰亚胺、聚四氟乙烯等热固性树脂玻璃纤维：玻璃纤维在基板中的功用是作为补强材料基板的补强材料尚有其他种，如纸质基板的纸材、Kelvar纤维，以及石英纤维等铜箔：电解铜箔、压延铜箔等第8页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

9半固化片压缩后厚度基本一定的介质材料，多种不同半固化片和芯板以及铜箔厚度组合构成PCB厚度1080：0.076mm（3mils）2116：0.105mm（4mils）7628：0.18mm（7mils）一般至少两层半固化片在一起厂商的芯板厚度也有几种可选第9页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

10缺省的层厚定义表中层间厚度指的是介质厚度，不包括铜箔厚度其中2-3、4-5、6-7、8-9、10-11间用的是芯板，其它层间用的是半固化片第10页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

11FR-4PCB中用途最广的底材液态时成为清漆或凡立水（Varnish），称为A-stage玻璃布在浸胶半干成胶片后再经高温软化液化而呈现粘着性而用于双面基板制作或多层板之压合用，称B-stageprepreg经压合而硬化而无法恢复子最终状态称为C-stage介电常数Er=4.5±0.3包括：普通板料：成本底，工艺成熟，推荐使用；UV板料：有UV-BLOCKING阻挡紫外光功能，性能优于普通板料，价格相同，推荐使用；高性能板料：有UV-BLOCKING功能，用于超高精度多层板，成本高。第11页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

12F4价格昂贵介电常数通常小于FR-4，越高的价格越贵高频性能好，常用于射频电路材质偏软，多层板成品率低普通电路不推荐使用第12页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

13聚酰亚胺介电常数4.5受温度变化的影响较小硬度高，难于加工脆，容易损坏第13页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

14玻璃纤维玻璃本身是一种混合物，它是一些无机物经高温熔融而成，再经抽丝冷却而成一种非结晶结构的坚硬物体可分四种商品等级：A级——高碱性C级——抗化性E级——电子用途S级——高强度电路板中用的是E级玻璃，主要是其介电性质优于其他三种第14页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

15玻璃纤维材料的特点高强度：与其它纺织用纤维比较，玻璃具有极高强度，在某些应用上，其强度/重量比甚至超过铁丝抗热抗火：玻璃纤维为无机物，不会燃烧抗化性：可耐大部分的化学品，也不畏霉菌、细菌的渗入及昆虫攻击防潮：玻璃不吸水，即使在很潮湿的环境，依然保持其机械强度热性质：低线型膨胀系数和高的热导系数，在高温环境下有极佳的表现电特性：不导电，是很好的绝缘物质选择E级玻璃具有非常优秀的抗水性，因此在非常潮湿、恶劣的环境下，仍然保持非常好的电特性及物理特性（如尺寸稳定度）第15页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

16PCB的基本结构——导体使用材料铜：绝大多数PCB的导线和平面层锡：曾经被用做导线和平面层，但已淘汰，但目前的焊盘都主要喷锡金：高品质PCB采用，主要不是因导电性能好（银最好），而是其耐氧化性。另外焊盘也有采用镀金。厚度：用单位面积上容纳铜的重量表示1ounce:1.4mil（内层常用）0.5ounce:0.7milHounce:1.8mil（表层，用0.5ounce，镀层后实际值）第16页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

17PCB的制板过程SectionthroughPCBViaholeSMDPadTracksundersoldermask第17页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

18PCB的制板过程光致抗蚀剂：用光化学方法获得的，能抵抗住某种蚀刻液或电镀溶液浸蚀的感光材料正性光致抗蚀剂：光照射部分分解(或软化)，曝光显影之后，能把生产用照相底版上透明的部分从板面上除去负性光致抗蚀剂：光照射部分聚合(或交联)，曝光显影之后，能把生产用照相底版上透明的部分保留在板面上第18页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

19导线层图像的形成手工贴图→蚀刻绘图仪打印→照相→暗室处理→贴膜、曝光……→蚀刻……抽真空使照相底版与干膜贴紧→向量光绘机精密曝光……→蚀刻……图像直接喷涂（热腊或特殊油墨）在预涂了感光抗蚀材料的覆铜箔板上→曝光→蚀刻……第19页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

20图像转移贴膜：

先从干膜上剥下聚乙烯保护膜，然后在加热加压的条件下将干膜抗蚀剂粘贴在覆铜箔板上。曝光：

即在紫外光照射下，光引发剂吸收了光能分解成游离基，游离基再引发光聚合单体进行聚合交联反应，反应后形成不溶于稀碱溶液的体型大分子结构。显影：

显影机理是感光膜中未曝光部分的活性基团与稀碱溶液反应生成可溶性物质而溶解下来，显影时活性基团羧基——CooH与无水碳酸钠溶液中的Na+作用，生成亲水性集团——CooNa。从而把未曝光的部分溶解下来，而曝光部分的干膜不被溶胀。第20页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

21图像转移前Layer2(Inner)Layer3(Inner)CoreLaminate(Dielectric)CopperUVsensitivefilm第21页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

22图象转移结果Layer2(Inner)Layer3(Inner)CoreUVsensitivefilmislaminatedovertopandbottomsurfacesoftheCoreAreasoftheCorewherenocopperisrequiredareleftexposed第22页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

23蚀刻氯化铜蚀刻液酸性氯化铜蚀刻液：适用于生产多层板的内层和印刷——蚀刻板（CuCl2-NaCl-HCl）Cu＋CuCl2→Cu2Cl2

形成的Cu2Cl2是不易溶于水的，在有过量Cl-存在下，能形成可溶性的络离子，其反应如下：络合反应：Cu2Cl2＋4Cl-→2[CuCl3]2-碱性氯化铜蚀刻液：适用于图形电镀金属抗蚀层（CuCl2-NH4Cl-NH3H20）三氯化铁蚀刻液及其它蚀刻液：正被淘汰2FeCl3+Cu→2FeCl2+CuCl2第23页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

24蚀刻结果CoreCopperRemovedLayer2(Inner)Layer3(Inner)第24页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

25去膜使用3～5％的氢氧化钠溶液，温度50～60℃方式：可槽式浸泡，也可机器喷淋槽式浸泡是板子上架后浸泡到去膜溶液中，数分钟后膜变软脱落，取出后立即用水冲洗，膜就可以去干净，铜表面也不会被氧化第25页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

26去膜结果CoreLayer2(Inner)Layer3(Inner)DIY参考：/diy/2004/0211/84461.shtml第26页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

27ImpedanceConsiderationsLayerstackupLayer1(Outer)Layer6(Outer)Layer2(Inner)Layer3(Inner)Layer4(Inner)Layer5(Inner)FOILFOILPRE-PREGPRE-PREGPRE-PREGINNERLAYERINNERLAYERLayer1(Outer)Layer6(Outer)Layer2(Inner)Layer3(Inner)Layer4(Inner)Layer5(Inner)FOILFOILPRE-PREGPRE-PREGPRE-PREGINNERLAYERINNERLAYERDuringtheBondingprocess,presstemperatureandpressurehaveagreatinfluenceonsubstrateheights,whichgreatlyaffectsimpedance.ItisimportanttousetheFinishedPost-ProcessedheightwhencalculatingImpedance叠板和层压过程第27页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

28ImpedanceConsiderationsLayer1(Outer)Layer6(Outer)Layer2(Inner)Layer3(Inner)Layer4(Inner)Layer5(Inner)FOILFOILPRE-PREGPRE-PREGPRE-PREGINNERLAYERINNERLAYERLayer1(Outer)Layer6(Outer)Layer2(Inner)Layer3(Inner)Layer4(Inner)Layer5(Inner)FOILFOILPRE-PREGPRE-PREGPRE-PREGINNERLAYERINNERLAYERDuringtheBondingprocess,presstemperatureandpressurehaveagreatinfluenceonsubstrateheights,whichgreatlyaffectsimpedance.ItisimportanttousetheFinishedPost-ProcessedheightwhencalculatingImpedanceLayerstackup叠板和层压过程第28页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

29ImpedanceConsiderationsLayer1(Outer)Layer6(Outer)Layer2(Inner)Layer3(Inner)Layer4(Inner)Layer5(Inner)FOILFOILPRE-PREGPRE-PREGPRE-PREGINNERLAYERINNERLAYERLayer1(Outer)Layer6(Outer)Layer2(Inner)Layer3(Inner)Layer4(Inner)Layer5(Inner)FOILFOILPRE-PREGPRE-PREGPRE-PREGINNERLAYERINNERLAYERDuringtheBondingprocess,presstemperatureandpressurehaveagreatinfluenceonsubstrateheights,whichgreatlyaffectsimpedance.ItisimportanttousetheFinishedPost-ProcessedheightwhencalculatingImpedanceLayerstackup叠板和层压过程第29页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

30ImpedanceConsiderationsLayer1(Outer)Layer6(Outer)Layer2(Inner)Layer3(Inner)Layer4(Inner)Layer5(Inner)FOILFOILPRE-PREGPRE-PREGPRE-PREGINNERLAYERINNERLAYERLayer1(Outer)Layer6(Outer)Layer2(Inner)Layer3(Inner)Layer4(Inner)Layer5(Inner)FOILFOILPRE-PREGPRE-PREGPRE-PREGINNERLAYERINNERLAYERDuringtheBondingprocess,presstemperatureandpressurehaveagreatinfluenceonsubstrateheights,whichgreatlyaffectsimpedance.ItisimportanttousetheFinishedPost-ProcessedheightwhencalculatingImpedanceLayerstackup叠板和层压过程第30页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

31ImpedanceConsiderationsLayer1(Outer)Layer6(Outer)Layer2(Inner)Layer3(Inner)Layer4(Inner)Layer5(Inner)FOILFOILPRE-PREGPRE-PREGPRE-PREGINNERLAYERINNERLAYERLayer1(Outer)Layer6(Outer)Layer2(Inner)Layer3(Inner)Layer4(Inner)Layer5(Inner)FOILFOILPRE-PREGPRE-PREGPRE-PREGINNERLAYERINNERLAYERDuringtheBondingprocess,presstemperatureandpressurehaveagreatinfluenceonsubstrateheights,whichgreatlyaffectsimpedance.ItisimportanttousetheFinishedPost-ProcessedheightwhencalculatingImpedanceLayerstackup叠板和层压过程第31页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

32ImpedanceConsiderationsLayer1(Outer)Layer6(Outer)Layer2(Inner)Layer3(Inner)Layer4(Inner)Layer5(Inner)FOILFOILPRE-PREGPRE-PREGPRE-PREGINNERLAYERINNERLAYERLayer1(Outer)Layer6(Outer)Layer2(Inner)Layer3(Inner)Layer4(Inner)Layer5(Inner)FOILFOILPRE-PREGPRE-PREGPRE-PREGINNERLAYERINNERLAYERDuringtheBondingprocess,presstemperatureandpressurehaveagreatinfluenceonsubstrateheights,whichgreatlyaffectsimpedance.ItisimportanttousetheFinishedPost-ProcessedheightwhencalculatingImpedanceLayerstackup叠板和层压过程第32页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

33ImpedanceConsiderationsLayer1(Outer)Layer6(Outer)Layer2(Inner)Layer3(Inner)Layer4(Inner)Layer5(Inner)FOILFOILPRE-PREGPRE-PREGPRE-PREGINNERLAYERINNERLAYERLayer1(Outer)Layer6(Outer)Layer2(Inner)Layer3(Inner)Layer4(Inner)Layer5(Inner)FOILFOILPRE-PREGPRE-PREGPRE-PREGINNERLAYERINNERLAYERDuringtheBondingprocess,presstemperatureandpressurehaveagreatinfluenceonsubstrateheights,whichgreatlyaffectsimpedance.ItisimportanttousetheFinishedPost-ProcessedheightwhencalculatingImpedanceLayerstackup叠板和层压过程第33页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

34ImpedanceConsiderationsLayer1(Outer)Layer6(Outer)Layer2(Inner)Layer3(Inner)Layer4(Inner)Layer5(Inner)FOILFOILPRE-PREGPRE-PREGPRE-PREGINNERLAYERINNERLAYERLayer1(Outer)Layer6(Outer)Layer2(Inner)Layer3(Inner)Layer4(Inner)Layer5(Inner)FOILFOILPRE-PREGPRE-PREGPRE-PREGINNERLAYERINNERLAYERDuringtheBondingprocess,presstemperatureandpressurehaveagreatinfluenceonsubstrateheights,whichgreatlyaffectsimpedance.ItisimportanttousetheFinishedPost-ProcessedheightwhencalculatingImpedanceLayerstackup叠板和层压过程第34页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

35ImpedanceConsiderationsLayer1(Outer)Layer6(Outer)Layer2(Inner)Layer3(Inner)Layer4(Inner)Layer5(Inner)FOILFOILPRE-PREGPRE-PREGPRE-PREGINNERLAYERINNERLAYERLayer1(Outer)Layer6(Outer)Layer2(Inner)Layer3(Inner)Layer4(Inner)Layer5(Inner)FOILFOILPRE-PREGPRE-PREGPRE-PREGINNERLAYERINNERLAYERDuringtheBondingprocess,presstemperatureandpressurehaveagreatinfluenceonsubstrateheights,whichgreatlyaffectsimpedance.ItisimportanttousetheFinishedPost-ProcessedheightwhencalculatingImpedanceLayerstackup叠板和层压过程第35页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

36ImpedanceConsiderationsLayer1(Outer)Layer6(Outer)Layer2(Inner)Layer3(Inner)Layer4(Inner)Layer5(Inner)FOILFOILPRE-PREGPRE-PREGPRE-PREGINNERLAYERINNERLAYERLayer1(Outer)Layer6(Outer)Layer2(Inner)Layer3(Inner)Layer4(Inner)Layer5(Inner)FOILFOILPRE-PREGPRE-PREGPRE-PREGINNERLAYERINNERLAYERDuringtheBondingprocess,presstemperatureandpressurehaveagreatinfluenceonsubstrateheights,whichgreatlyaffectsimpedance.ItisimportanttousetheFinishedPost-ProcessedheightwhencalculatingImpedanceLayerstackup叠板和层压过程第36页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

37ImpedanceConsiderationsLayer1(Outer)Layer6(Outer)Layer2(Inner)Layer3(Inner)Layer4(Inner)Layer5(Inner)FOILFOILPRE-PREGPRE-PREGPRE-PREGINNERLAYERINNERLAYERLayer1(Outer)Layer6(Outer)Layer2(Inner)Layer3(Inner)Layer4(Inner)Layer5(Inner)FOILFOILPRE-PREGPRE-PREGPRE-PREGINNERLAYERINNERLAYERDuringtheBondingprocess,presstemperatureandpressurehaveagreatinfluenceonsubstrateheights,whichgreatlyaffectsimpedance.ItisimportanttousetheFinishedPost-ProcessedheightwhencalculatingImpedanceLayerstackup叠板和层压过程第37页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

38ImpedanceConsiderationsBonding–HeatLayer1(Outer)Layer6(Outer)Layer2(Inner)Layer3(Inner)Layer4(Inner)Layer5(Inner)FOILFOILPRE-PREGPRE-PREGPRE-PREGINNERLAYERINNERLAYERLayer1(Outer)Layer6(Outer)Layer2(Inner)Layer3(Inner)Layer4(Inner)Layer5(Inner)FOILFOILPRE-PREGPRE-PREGPRE-PREGINNERLAYERINNERLAYERDuringtheBondingprocess,presstemperatureandpressurehaveagreatinfluenceonsubstrateheights,whichgreatlyaffectsimpedance.ItisimportanttousetheFinishedPost-ProcessedheightwhencalculatingImpedance叠板和层压过程第38页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

39ImpedanceConsiderationsBonding–MultilayerPressLayer1(Outer)Layer6(Outer)Layer2(Inner)Layer3(Inner)Layer4(Inner)Layer5(Inner)FOILFOILPRE-PREGPRE-PREGPRE-PREGINNERLAYERINNERLAYERDuringtheBondingprocess,presstemperatureandpressurehaveagreatinfluenceonsubstrateheights,whichgreatlyaffectsimpedance.ItisimportanttousetheFinishedPost-ProcessedheightwhencalculatingImpedance叠板和层压过程第39页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

40ImpedanceConsiderationsBonding–MultilayerPressLayer6(Outer)Layer2(Inner)Layer3(Inner)Layer4(Inner)Layer5(Inner)DuringtheBondingprocess,presstemperatureandpressurehaveagreatinfluenceonsubstrateheights,whichgreatlyaffectsimpedance.ItisimportanttousetheFinishedPost-ProcessedheightwhencalculatingImpedance叠板和层压过程第40页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

41DrillingofBondedPanelLayer1Layer6Layer2Layer3Layer4Layer5Copper LaminateDrilledHoleImpedanceConsiderationsDrillingitselfdoesnoteffectimpedance通孔的形成第41页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

42ElectrolessCopperProcessAdditionofCoppertoallExposedSurfacesLayer1Layer6Layer2Layer3Layer4Layer5CopperDrilledHoleElectrolesscoppereffectscopperthicknessonouterlayers(T)SometimesothersolutionsareusedcontainingcarbonetcImpedanceConsiderations通孔的形成第42页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

43Layer1Layer6Layer2Layer3Layer4Layer5LaminatingandImagingofExternalLayersUVsensitivefilmislaminatedovertopandbottomsurfacesofPCBItisthenexposedanddeveloped,leavinganexposedimageofthePCBpatternCopperDoesnoteffectimpedanceImpedanceConsiderations通孔的形成第43页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

44Layer1Layer6Layer2Layer3Layer4Layer5Electro-platingProcess1AdditionalCoppertoallExposedSurfacesLaminatedFilmPlateAdditionalCopperElectro-platingincreasesthecopperthicknessonouterlayers(T)Thiswillalwaysbevariationsintheamountofcopperadded.ThisfinishedcopperthicknessshouldbeusedinstructurecalculationsImpedanceConsiderations通孔的形成第44页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

45Layer1Layer6Layer2Layer3Layer4Layer5Electro-platingProcess2AddTinoverExposedCopperAreasLaminatedFilmAdditionalCopperTinPlatingImpedanceConsiderationsDoesnoteffectimpedance通孔的形成第45页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

46Layer1Layer6Layer2Layer3Layer4Layer5Electro-platingProcess3RemoveLaminatedFilmLaminatedFilmRemovedTinPlatingImpedanceConsiderationsDoesnoteffectimpedance通孔的形成第46页，课件共57页，创作于2023年2月2011-02-23中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

47EtchProcess-RemoveExposedCopperCopperRemovedTinPlatingTheetchprocessproducesan‘etchback’orundercutofthetracks.ThiscanbespecifiedbytheW/W1parametersThismeansthattrackswillendupapproximately 0,025mm(0.001”)thinnerthantheoriginaldesign.ImpedanceConsiderationsLaye