第4章印制电路板的设计与制作

第四章印制电路板的设计与制作印制电路板（PCB、印刷电路板）：它可实现各元器件之间的电器连接，并可作为各元器件固定、支撑的载体。印制电路板由绝缘基板、印制导线、焊盘等构成，是现代电子产品的基本组成部分之一。教学要求：通过本章的学习，使学生了解印制电路板的基本性能，掌握印制电路板的基本设计方法和常见的几种制作工艺。§4.1覆铜板一、覆铜板的结构覆铜板是把一定厚度的铜箔通过粘接剂热压在一定厚度的绝缘基板上而构成。它通常分为：单面覆铜板、双面覆铜板、多层覆铜板绝缘基板铜箔1．绝缘基板绝缘基板的组成：高分子合成树脂：基板的主要成份，决定电气性能。增强材料：主要用于提高机械性能。①增强材料的类型布质（编织物）增强材料。纸质增强材料。纸质增强材料包括牛皮纸、亚硫酸盐纸、α纤维素纸和棉花（废布）纸。②合成树脂的类型酚醛树脂绝缘基板：价格低廉，机械性能和电气性能均可，主要用于民用设备。缺点是易吸水，吸水后电气性能降低，工作温度不超过100℃，在恶劣环境中不适宜采用。环氧树脂绝缘基板：对各种材料有良好的粘合性，硬化收缩小，能耐化学药品、溶济和油类，电气绝缘性能好，是印制电路绝缘基板中的优质材料，一般用于军品或高可靠性场合。三氯氰胺绝缘基板：抗热性能、电气性能均较好，但较脆。表面很硬，耐磨性很好，介质损耗小，适用于军工或特殊电子仪器。有机硅树脂绝缘基板：抗热性能特别好，介质损耗小，但铜箔和基板的附着力不大。2．铜箔选用铜箔的依据：当金属箔用于印制线路板时，必须具有较高的导电率、良好的焊接性能和延展性能、以及与绝缘基板牢固的附着力等。铜在所有金属中是比较符合要求的。对铜箔的要求：外观：连续成卷，表面光亮不得有砂眼、凹隙、轧皱等。纯度：不小于99.8%厚度：0.05±0.005mm（铜箔的厚度要适中）。部分国家关于铜箔厚度的规定见下表。3.粘合剂粘合剂采用聚乙烯醇缩醛胶（如JSF-4胶），用乙醇作溶剂。4.覆铜板的生产工艺流程二、覆铜板的类型根据《印制电路用覆铜箔酚醛纸层压板》（GB4723-84）规定，覆铜板的型号及特性见表。三、覆铜板的性能参数1．抗弯强度：表示材料能承受弯曲、冲击、振动的能力，以单位面积受的力来计算，单位为kg/cm2（英美国家为磅/平方英寸）。2．抗剥强度：是指在覆铜板上，剥开1cm宽度的铜箔所需要的力，用kg/cm来表示。它用来衡量铜箔与基板之间的结合力。3．耐浸焊性：指覆铜板置入一定温度的熔融焊锡中停留一段时间（大约10s）后，所能承受的铜箔抗剥能力。5．翘曲度：用来衡量板材的翘曲程度，双面印制电路板的翘曲度比单面的好，厚的比薄的好。四、覆铜板的厚度根据国标GB4723-84规定，覆铜板的厚度见下表所示。§4.2印制电路板的排版设计评价印制电路板的设计质量，通常考虑下列因素：线路的设计是否给整机带来干扰；电路的装配与维修是否方便；制板材料的性能价格比是否最佳；电路板的对外引线是否可靠；元器件的排列是否均匀、整齐；版面布局是否合理、美观。一、设计印制电路板的准备工作1.印制电路板的设计前提确定设计方案，完成电路设计；元器件的选择；仿真验证；电路方案试验；对电路试验结果的分析及对电路设计的改进；考虑整机的机械结构和安装使用。2.印制电路板的设计目标准确性：元器件和印制导线的连接关系必须符合印制板的电气原理图。可靠性：印制电路板的可靠性是影响电子设备可靠性的一个重要因素。工艺性：印制电路板的制造工艺尽可能简单；根据电路的复杂程度确定电路板的形状，充分考虑生产的需求。经济性：在设计印制电路板时，应考虑和通用的制造工艺、方法相适应。此外，应尽可能采用标准的尺寸结构，选用合适的基板材料，运用巧妙的设计技术来降低成本。3.板材、形状、尺寸和厚度的确定①板材的确定常用的覆铜板有酚醛纸板、酚醛玻璃布板，环氧玻璃布板等。选择板材的依据是整机的性能要求、使用尺寸、整机价格等。选择时要统筹考虑，既要了解覆铜板的性能指标，又要熟悉电子产品的特点，以获得良好的性能价格比。若电路板面积较小、元器件不多、印制线较宽、产品售价较低，可选用酚醛纸板。否则用环氧玻璃布板。分立元件多的用单面板，集成电路多的用双面或多面板。②印制电路板形状的选择印制电路板的形状通常由整机结构和内部空间的大小确定。（原则）一般采用长方形（3：2或4：3），尽量不用异形板。根据整机的安装要求确定特形的电路板。（收音机）在一些批量生产中，为了降低线路板的制作成本，提高线路板的自动装焊率，常把两、三块面积小的印制电路板和主印制电路板共同设计成一个矩形。待装焊后沿工艺孔掰开，分别装在整机的不同部位上。③印制电路板的尺寸的选择选择印制电路板的尺寸选择要考虑整机的内部结构及印制电路板上元器件的数量及尺寸。板上元器件排列彼此间要留有一定的间隔。特别是在高压电路中，更要注意留有足够的间距。在考虑元器件所占面积的同时，还要考虑发热元器件所需散热片的尺寸。在确定了板的面积后，四周还应留出5~10mm（单边），以便于印制电路板在整机中的固定。确定电路板的固定孔的位置及大小。④板厚的确定根据国标GB2473-84规定，覆铜板的标称厚度有0.2，0.5，0.8，1.0，1.2，1.6，2.0，2.4，3.2，6.4，0.7，1.5mm等多种。在确定板厚时，主要考虑以下因素：当印制板对外通过直接式插座连接时，过厚插不进去，过薄接触不良。一般应选1.5mm左右。要考虑板的尺寸、板上元器件的体积、重量等。板的尺寸及元器件重量过大，都应适当增加板厚，否则容易产生翘曲。4.印制电路板对外连接方式的选择①导线焊接方式：是指用导线将印制电路板上的对外连接点与板外元器件或其他部件直接焊接，不需要任何接插件。常用于对外连接较少的场合。采用导线焊接方式时，应注意以下几点：印制电路板的对外焊点应尽可能引至整板的边缘，并按一定尺寸排列，以利于焊接和维修。引线应通过印制电路板上的穿线孔从电路板的元件面穿过，再进行焊接，避免将导线拽掉。将导线排列或捆扎整齐，用线卡或其它紧固件将线与板固定，避免导线因移动而折断。例：②接插件连接方式接插件连接是指通过插座将印制电路板上对外连接点与板外元器件进行连接。其优点是调试方便，缺点是因接触点多，可靠性较差。二、印制电路板的排版布局1.印制电路板布局的一般原则按照信号流走向的布局原则；以核心元器件为中心，围绕它来进行布局；优先确定特殊元器件的位置。防止电磁干扰的考虑：相互可能产生影响或干扰的元器件，应当尽量分开或采取屏蔽措施。由于某些元器件或导线之间可能有较高电位差，应该加大它们的距离，以免因放电、击穿引起意外短路。抑制热干扰的设计：装在板上的发热元器件（如功耗大的电阻）应当布置在靠近外壳或通风较好的地方，以便利用机壳上开凿的通风孔散热。对于温度敏感的元器件，如晶体管、集成电路和其他热敏元件、大容量的电解电容器等，不宜放在热源附近或设备内的上部。增加机械强度的考虑：对于那些又大又重、发热量较多的元器件，一般不要直接安装固定在印制电路板上。当印制电路板的版面尺寸大于200mm×150mm时，考虑到电路板所承受重力和震动产生的机械应力，操作性能对元器件位置的要求：考虑电位器、可变电容器或可调电感线圈等调节元件的布局。为了保证调试、维修的安全，特别要注意带高电压的元器件（例如显示器的阳极高压电路元件），尽量布置在操作时人手不易触及的地方。2.一般元器件的安装与排列元器件的布设原则：元器件在整个板面应布设均匀，疏密一致。元器件不要占满板面四周，一般每边应留有5~10mm。元器件布设在板的一面，每个元器件的引出脚单独占用一个焊盘。元器件间应留有一定的间距。间隙安全电压为200V/mm。元器件安装高度应一致，且尽量矮，一般引线不超过5mm，过高则稳定性变差，易倒或与相邻元件碰接。元器件的布设不可上下交叉。规则排列的元器件其轴线方向在整机中处于竖立状态。元器件两端的跨距应稍大于元器件的轴向尺寸，弯脚时不要齐跟弯，应留有一定距离（至少2mm），以免损坏元件。3.元器件的安装固定方式立式安装：是指元器件的轴线方向与印制电路板垂直。卧式安装：是指元器件的轴线方向与印制电路板平行。4.元器件排列方式不规则排列：指元器件轴线方向不一致，在板上的排列顺序无规则。其优点是印制导线短而少，减小了印制电路板间的分布参数，抑制了干扰。尤其是对于高频电路有利。但看起来杂乱无章，不太美观。规则排列：是指元器件轴线方向排列一致，并与印制电路板的四周垂直或平行。其优点是元器件排列规范，板面美观整齐，安装、调试、维修方便。但导线布设较为复杂，印制导线相应增多。5.元器件焊盘的定位焊盘的中心（即引线孔的中心）距离印制板的边缘不能太近，一般距离应在2.5mm以上，至少应该大于板的厚度。焊盘的位置一般要求落在正交网格的交点上，如图4-15所示。在国际IEC标准中，正交网格的标准格距为2.54mm（0.1in）；国内的标准是2.5mm。§4.3印制电路板上的焊盘及导线一、焊盘焊盘也称为连接盘，是指元器件的每个引出脚都要在印制电路板上单独占据一个孔位，通过焊锡固定在板上，此孔及周围的铜箔称为焊盘。引线孔铜箔1.引线孔的直径元器件引线孔的直径应该比引线的直径大0.2～0.3mm，优先采用0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm等尺寸。在同一块电路板上，孔径的尺寸规格应当少一些。要尽可能避免异形孔，以便降低加工成本。绝缘基板2.焊盘的外径普通单面板：D≥d+1.3mm高密度的单面电路板：Dmin＝d+1mm双面电路板：Dmin≥2ddD3.焊盘的形状岛形焊盘：适用于元器件密集、不规则排列的电子产品。由于焊盘面积大，抗剥离强度增大，可以降低覆铜板的档次。圆形焊盘：一般在元器件规则排列的单面及双面电路板中使用。方形焊盘：常用于表示元器件的正极或第一脚。其它类型的焊盘：椭圆焊盘矩形焊盘多边形焊盘泪滴焊盘异形焊盘灵活设计的焊盘二、过孔实现电路板的层之间的电气连接。用于双层或多层电路板中。比焊盘小，不焊装元器件。三、印制导线1.印制导线的宽度印制导线的宽度与通过的电流有关，应宽窄适度，与板面焊盘协调。一般在0.3~2.5mm之间。印制导线的载流量可按20A/mm2计算，即当铜箔厚度为0.05mm时，1mm宽的印制导线允许通过1A的电流，即线宽的毫米数就是载流量的安培数。一般采用：8mil，15mil，30mil，50mil，100mil等。2.印制导线的间距印制导线间应保持一定的间距，导线间的间隙安全电压为200V/mm。下表给出了导线间距与安全电压之间的关系。在一般情况下，导线间的最小间隙不要小于0.3mm，以消除相邻导线间的电压击穿及飞弧。在板面允许情况下，导线间隙一般不小于1mm。3.印制导线的走向和形状印制导线是印制电路板上连接元器件，电流流通的导线。其布设应遵循以下原则：印制导线以短为佳，能走捷径，决不绕远。走向以平滑自然为佳，避免急拐弯和尖角。公共地线应尽量增大铜箔面积。(a)(b)不合理(a)(b)合理4.导线的布局优先布设信号线；电源线（注意合适的线宽）；地线（可以使用大面积铜箔，有屏蔽作用）；导线之间不能交叉（可以使用“跳线”）；相邻两层的布线采用垂直布线（双面板）；特殊器件的布线需参考器件的数据手册。四、印制导线的抗干扰和屏蔽1.地线布置引起的干扰原因：如印制导线AB长为10cm，宽为1.5mm，铜箔厚度为0.05cm，根据材料电阻的计算公式：电路Ⅰ电路ⅡI1I2I1+I2AB0.026LRS当通过大电流时，会产生较大的压降；若通过30MHZ以上的高频信号时，感抗达到16欧姆。解决的方法：①并联分路式电路Ⅰ电路Ⅱ电路Ⅲ②大面积覆盖接地大面积覆盖接地是指尽量扩大印制电路板上的地线面积。这样，既可以有效地减小地线中的感抗，削弱在地线上产生的高频信号，又可以对电场干扰起到屏蔽作用。③模拟地和数字地分开；交流地和直流地分开。2.电源干扰的产生与对策原因：电子仪器的供电大