印制电路板设计与制作

印制电路板设计及制作方朝顺2013-07-13广东粤东高级技工学校GDYDGJ印制电路板简介印制板也称为印制线路板或印制电路板，通过印制板上的印制导线、焊盘及金属化过孔实现元器件引脚之间的电气连接。由于印制板上的导电图形（如元件引脚焊盘、印制连线、过孔等）以及说明性文字（如元件轮廓、序号、型号）等均通过印制方法实现，因此称为印制电路板（PrintedCircuitBoard，简称PCB）。一、什么是印制电路板在电子设备中，印制电路板通常起三个作用：⑴为电路中的各种元器件提供必要的机械支撑。⑵提供电路的电气连接。⑶用标记符号将各个元器件标注出来，便于插装、检查及调试。更为重要的是，使用印制电路板有四大优点：⑴具有重复性。⑵板的可预测性。⑶所有信号可沿导线任一点直接进行测试，不会因导线接触引起短路。⑷印制板的焊点可以在一次焊接过程中将大部分焊完。通过一定的工艺，在绝缘性能很高的基材上覆盖一层导电性能良好的铜薄膜，就构成了生产印制电路板所必需的材料——覆铜板。按电路要求，在覆铜板上刻蚀出导电图形，并钻出元件引脚安装孔、实现电气互连的过孔以及固定整个电路板所需的螺丝孔，就获得了电子产品所需的印制电路板。敷铜板的组成1.基板：高分子合成树脂和增强材料组成的绝缘层压板。它们具有一定的机械性能，如耐浸焊性、抗弯强度等。常用的有：酚醛纸层压板、环氧玻璃布层压板等。2.铜箔：必须有较高的导电率及良好的焊接性。目前，厚度主要采用的是35um。3.粘合剂：将铜箔粘合在基板上。二、印制板种类及结构印制板种类很多，根据导电层数目的不同，可以将印制板分为单面电路板（简称单面板）、双面电路板（简称双面板）和多层电路板；根据覆铜板基底材料的不同，又可将印制板分为纸质覆铜箔层压板和玻璃布覆铜箔层压板两大类。此外，采用挠性塑料作基底的印制板称为挠性印制板，常用做印制电缆。在多层板中，可充分利用电路板的多层结构解决电磁干扰问题，提高了电路系统的可靠性；由于可布线层数多，走线方便，布通率高，连线短，印制板面积也较小（印制导线占用面积小），目前计算机设备，如主机板、内存条、显示卡等均采用4或6层印制电路板。表面看到的细小线路材料是铜箔，铜箔覆盖在整个板子上的，在制造过程中部份被蚀刻处理掉，留下来的部份就变成网状的细小线路了。这些线路被称作导线或称布线，并用来提供PCB上零件的电路连接。通常PCB上有绿色或是棕色的阻焊层，它是绝缘的防护层，可以保护铜线，也可以防止零件被焊到不正确的地方。在阻焊层上还会印刷上一层丝网印刷面，在这上面会印上文字与符号（大多是白色的），以标示出各零件在板子上的位置。PCB在制成最终产品时，其上会安装集成电路等各种各样的电子零件。借着导线连通，可以形成电子讯号连结及应有机能。印制电路板的制作印制电路板制作生产工艺流程制造印制电路板最简单的一种方法是印制—蚀刻法，或称为铜箔腐蚀法，即用防护性抗蚀材料在敷铜箔层压板上形成正性的图形，那些没有被抗蚀材料防护起来的不需要的铜箔随后经化学蚀刻而被去掉，蚀刻后将抗蚀层除去就留下由铜箔构成的所需的图形。印制电路的形成⑴减成法(普通采用)：蚀刻法雕刻法⑵加成法印制电路板手工制作过程1.打印PCB图到转印纸上2.敷铜板下料并进行前期处理3.转印4.腐蚀5.钻孔6.表面涂防护层印制电路板的设计一、PCB设计的流程印制板设计，是根据设计人员的意图，将电路原理图转换成印制板图、选择材料和确定加工技术要求的过程。它包括选择板材、确定整机结构；考虑电气、机械、元器件的安装方式、位置和尺寸；决定印制导线的宽度、间距和焊盘的直径、孔径；设计印制插头或连接器的结构；准备印制板生产所必须的全部资料和数据。参照国标GB4588《印制板技术条件》、GB4677～GB4825《印制板测试方法》、GB5489《印制板制图》等国家标准。印制板不仅应该保证元器件之间准确无误的连接，工作中无自身干扰，还要尽量做到元器件布局合理、装焊可靠、维修方便、整齐美观。1、设计准备进入印制板设计阶段时我们认为整机结构、电路原理、主要元器件、印制电路板外形、印制板对外连接等内容已基本确定。准备阶段要重点了解以下要求及参数：⑴电路原理。了解电路工作原理和组成，各功能电路的相互关系及信号流向等内容，对电路工作时可能发热、可能产生干扰等情况心中有数。⑵印刷板工作环境（是否密封，工作环境温度变化，是否有腐蚀性气体等）及工作机制（连续工作还是断续工作）。⑶主要电路参数（最高工作电压、最大电流及工作频率等）。⑷主要元器件和部件的型号、外形尺寸、封装、必要时取得样品或产品样本。2、外形结构草图（对外连接图和尺寸图）对外连接草图是根据整机结构和分板要求确定的。一般包括电源线、地线、板外元器件的引线，板与板之间连接线等，绘制草图时应大致确定其位置和排列顺序。印制板外形尺寸受各种因素制约，一般在设计时已大致确定，从经济性和工艺性出发，优先考虑矩形。印制板的安装、固定也是必须考虑的内容，印制板与机壳或其他结构件连接的螺孔位置及孔径应明确标出。3.Protel电路设计流程•绘制原理图•生成网络表•启动PCB编辑器•确定板面•导入网络表•手工调整布局•自动布线•手工调整布局及布线•检查•输出4.Protel99SE印制电路板设计举例二、印制电路板布局和布线原则有时电路从原理上是能实现的，但由于元件布局不合理或走线存在问题，致使设计出来的电路可靠性下降，甚至无法实现预定的功能，因此印制板的布局和布线必须遵循一些原则。为保证印制板的质量，在设计前的一般要考虑PCB的可靠性、工艺性和经济性问题。⑴可靠性。印制板可靠性是影响电子设备的重要因素，在满足电子设备要求的前提下，应尽量将多层板的层数设计得少一些。⑵工艺性。设计者应考虑所设计的印制板的制造工艺尽可能简单。一般来说宁可设计层数较多、导线和间距较宽的印制板，而不设计层数较少、布线密度很高的印制板，这和可靠性的要求是矛盾的。⑶经济性。印制板的经济性与其制造工艺直接相关，应考虑与通用的制造工艺方法相适应，尽可能采用标准化的尺寸结构，选用合适等级的基板材料，运用巧妙的设计技术来降低成本。三、印制电路板布局原则元件布局是将元件在一定面积的印制板上合理地排放，它是设计PCB的第一步。布局是印制板设计中最耗费精力的工作，往往要经过若干次布局比较，才能得到一个比较满意的布局。一个好的布局，首先要满足电路的设计性能，其次要满足安装空间的限制，在没有尺寸限制时，要使布局尽量紧凑，减小PCB设计的尺寸，减少生产成本。为了设计出质量好、造价低、加工周期短的印制板，印制板布局应遵循下列的一般原则。1.元件排列规则⑴在通常条件下，所有的元件均应布置在印制板的同一面上，只有在顶层元件过密时，才能将一些高度有限并且发热量小的器件，如贴片电阻、贴片电容、贴片IC等放在底层。⑵在保证电气性能的前提下，元件应放置在栅格上且相互平行或垂直排列，以求整齐、美观，一般情况下不允许元件重叠，元件排列要紧凑，输入和输出元件尽量远离。⑶某些元器件或导线之间可能存在较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免因放电、击穿引起以外短路。⑷带高压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。⑸位于板边缘的元件，离板边缘至少2个板厚。⑹元器件在整个板面上分布均匀、疏密一致。2.按照信号走向布局原则⑴通常按照信号的流程逐个安排各个功能电路单元的位置，以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它进行布局。⑵元件的布局应便于信号流通，使信号尽可能保持一致的方向。多数情况下，信号的流向安排为从左到右或从上到下，与输入、输出端直接相连的元件应当放在靠近输入、输出接插件或连接器的地方。3.防止电磁干扰⑴对辐射电磁场较强的元件，以及对电磁感应较灵敏的元件，应加大它们相互之间的距离或加以屏蔽，元器件放置的方向应与相邻的印制导线交叉。⑵尽量避免高低电压器件相互混杂、强弱信号的器件交错在一起。⑶对于会产生磁场的元器件，如变压器、扬声器、电感等，布局时应注意减少磁力线对印制导线的切割，相邻元件的磁场方向应相互垂直，减少彼此间的耦合。⑷对干扰源进行屏蔽，屏蔽罩应良好接地。⑸高频下工作的电路，要考虑元器件间分布参数的影响。4.抑制热干扰⑴对于发热的元器件，应优先安排在利于散热的位置，必要时可以单独设置散热器或小风扇，以降低温度，减少对邻近元器件的影响。⑵一些功耗大的集成块、大或中功率管、电阻等元件，要布置在容易散热的地方，，并与其它元件隔开一定距离。⑶热敏元件应紧贴被测元件并远离高温区域，以免受到其它发热元件影响，引起误动作。⑷双面放置元件时，底层一般不放置发热元件。5.提高机械强度⑴要注意整个PCB板的重心平衡与稳定，重而大的元件尽量安置在印制板上靠近固定端的位置，并降低重心，以提高机械强度和耐振、耐冲击能力，以及减少印制板的负荷和变形。⑵重15克以上的元器件，不能只靠焊盘来固定，应当使用支架或卡子加以固定。⑶为便于缩小体积或提高机械强度，可设置“辅助底板”，将一些笨重的元件，如变压器、继电器等安装在辅助底板上，并利用附件将其固定。⑷板的最佳形状是矩形（长宽比为3:2或4:3），板面尺寸大于200×150mm时，要考虑板所受的机械强度，可以使用机械边框加固。⑸要在印制板上留出固定支架、定位螺孔和连接插座所用的位置。6.可调节元件的布局对于电位器、可变电容器、可调电感线圈或微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求，若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应；若是机内调节，则应放置在印制板上能够方便调节的地方。四、印制电路板布线原则布线和布局是密切相关的两项工作，布局的好坏直接影响着布线的布通率。布线受布局、板层、电路结构、电性能要求等多种因素影响，布线结果又直接影响电路板性能。进行布线时要综合考虑各种因素，才能设计出高质量的PCB图。⒈基本布线方法⑴直接布线。传统的印制板布线方法起源于最早的单面印制线路板。其过程为：先把最关键的一根或几根导线从始点到终点直接布设好，然后把其它次要的导线绕过这些导线布下，通用的技巧是利用元件跨越导线来提高布线效率，布不通的线可以通过短路线(飞线)解决。⑵X－Y坐标布线。X－Y坐标布线指布设在印制板一面的所有导线与印制线路板边沿平行，而布设在另一面的则与前一面的导线正交，两面导线的连接通过金属化孔实现。⒉印制板布线的一般原则⑴布线板层选择印制板布线可以采用单面、双面或多层，一般应首先选用单面，其次是双面，在仍不能满足设计要求时才选用多层板。⑵印制导线宽度原则①印制导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流过它们的电流值决定。一般选用导线宽度在1.5mm左右就可以满足要求，对于IC，尤其数字电路通常选0.2～0.3mm就足够。只要密度允许，尽可能用宽线，尤其是电源和地线。②印制导线的线宽一般要小于与之相连焊盘的直径。⑶印制导线的间距原则导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。导线越短、间距越大，绝缘电阻就越大，一般选用间距1～1.5mm完全可以满足要求。对集成电路，尤其数字电路，只要工艺允许可使间距很小。⑷信号线走线原则①输入、输出端的导线应尽量避免相邻平行，平行信号线间要尽量留有较大的间隔，最好加线间地线，起到屏蔽的作用。②印制板两面的导线应互相垂直、斜交或弯曲走线，避免平行，减少寄生耦合。③信号线高、低电平悬殊时，要加大导线的间距；在布线密度比较低时，可加粗导线，信号线的间距也可适当加大。⑸地线的布设①一般将公共地线布置在印制板的边缘，便于印制板安装在仅便于安装导轨和进行机械加工，而且还提高了绝缘性能。②在印制电路板上应尽可能多地保留铜箔做地线，这样传输特性和屏蔽作用将得到改善，并且起到减少分布电容的作用。地线（公共线）不能设计成闭合回路，在高频电路中，应采用大面积接地方式。③印制板上若装有大电流器件，如继电器、扬声器等，它们的地线最好要分开独立走，以减少地线上的噪声。④模拟电路与数字电路的电源、地线应分开排布，这样可以减小模拟电路与数字电路之间的相互干扰。⑹模拟电路布线模拟电路的布线要特别注意弱信号放大电路部分的布线，特别是电子管的栅