第六章_印制电路板的设计与制作_2

第6章印刷电路板的设计与制作覆铜板印制电路板的设计印制板的制作与检验印制电路板的组装6.1覆铜板一、覆铜板的作用与分类1.按基板材料分：纸基板覆铜板：价格低廉、但性能较差，主要用于低频和民用产品中。玻璃布板覆铜板、合成纤维覆铜板：价格较贵，但性能较好，主要用在高频和军用产品中。2.按黏剂树脂分：酚醛覆铜板、环氧覆铜板、聚酯覆铜板、聚四氟乙烯覆铜板、聚酿亚胺覆铜板等。当频率高于数百兆赫时，必须用介电常数和介质损耗小的材料（如聚四氟乙烯和高频陶瓷）做基板。3.按结构分：单面覆铜板：绝缘基板的一面覆有铜箔的覆铜板。主要用在电性能要求不高的电子设备（如收音机、电视机、常规电子仪表等）上做印制电路板用。双面覆铜板：绝缘基板的两面覆有铜箔的覆铜板。主要用于布线密度较高的电子设备（如电子计算机、电子交换机等）上座印制电路板用。软性覆铜板：用柔性材料为基材与铜箔热压而成。有单层、双层和多层几种，该覆铜板鱼油课折叠、弯曲、卷绕成螺旋形的优点，由软性覆铜板制作的印制电路板可以端接、排列到任意规定的位置，是电子产品的内部空间得到充分利用。广泛应用与通信设备、电子计算机、自动化仪器、导弹和汽车仪表灯电子产品的印制电路板的制作上。二、常用覆铜板及其选用1.纸铜箔板特点：价格低廉，但机械强度低、不耐高温、阻燃性差、抗湿性能差等。主要用在低频和中、低档的民用产品中（如收音机等）的印制电路板。2.布铜箔板特点：质轻、电气和机械性能良好、加工方便等，但价格较高。主要用在工作温度较高、工作频率较高的无线电设备中作印制电路板3.聚四氟乙烯覆铜板特点：耐温范围宽，绝缘性能好，耐腐蚀等，但价格高，主要用在高频和超高频线路中作印制电路板，如航空航天和军工产品中。4.聚苯乙烯覆铜箔板用胶黏剂将聚苯乙烯板和铜箔粘接而成的覆铜箔板，主要用作高频和超高频印制线路板和印制元件，如微波炉中的定向耦合器等。6.2印制电路板的设计印制电路板的设计，是根据设计人员的意图，将电原理图转换成印制板图、确定加工技术要求的过程。一、印制电路板的特点印制电路板简称PCB板，是由绝缘底板、连接导线和装配焊接电子元器件的焊盘组成，具有导电线路和绝缘底板的双重作用，是电子产品的核心部件。1．印制电路板可以实现电路中各个元器件的电气连接，代替复杂的布线，减少接线工作量和连线的差错，简化了装配、焊接和调试的工作，降低了产品成本，提高了劳动生产率。2．布线密度高，缩小了整机体积，有利于电子产品的小型化。3．印制电路板具有良好的产品一致性，可以采用标准化设计，有利于提高电子产品的质量和可靠性，有利于实现机械化和自动化生产。4．可以使整块经过装配调试的印制电路板作为一个备件，便于电子整机产品的互换与维修。二、印制电路板设计的主要内容印制电路板的设计包括电路设计和封装设计（即印制导线设计）两部分。设计的过程应根据电子产品的电原理图及电子产品的技术性能指标来进行。主要设计内容包括：1.熟悉原理图中的每个元器件，掌握每个元器件外形尺寸、封装形式、引线方式、管脚排列顺序、各管脚功能及其形状等，由此确定哪些原件需安装散热片，散热面积需多大；哪些元件装在板上，哪些在板外；哪些元件需要加固等。2.找到线路中可能产生电磁干扰的干扰源，以及易受外界干扰的敏感元件，确定排除干扰的措施。3.根据电气性能和机械性能，布设导线和组件，确定元器件的安装方式、位置和尺寸，确定印制导线的宽度、间距和焊盘的直径、孔距等。4.确定印制电路板的尺寸、形状、材料、种类及外部连接和安装方法。对于主要由分立元件组成的不太复杂的电路，可采用单面板设计；对于集成电路较多的较复杂的电路，因器件引线间距小，引脚数目多，单面布设印制线不交叉又十分困难，因而可采用双面板设计。5.印制电路板的封装设计（1）决定印制板的尺寸、形状、材料外部连接和安装方法。（2）布设导线和组件，确定印制导线的宽度、间距和焊盘的直径和孔径。（3）制作照相底图三、电子元器件布局、排列的原则与方法1．元器件布局的原则印制电路板上元件的排列称为布局。印制电路板的设计是根据电路原理图及元器件的特点，研究各元器件的布局排列，确定它们在印制电路板上的最佳位置。应遵循以下原则：（1）应保证电路性能指标的实现※对于高频电路：元器件布局时解决的主要问题是减小分布参数的影响；布局不当，将会使分布电容、接线电感、接地电阻等分布参数增大，直接改变高频电路的参数，从而影响电路基本指标的实现。※在高增益放大电路中，尤其是多级放大器中，元器件布局不合理，可能引起输出对输入或后级对前级的寄生反馈，容易造成信号失真、电路工作不稳定，甚至产生自激，破坏电路的正常工作。※在脉冲电路中，传输、放大的信号时陡峭的窄脉冲，其上升沿或下降沿的时间很短，谐波成分比较丰富，如果元器件布局不当，就会使脉冲信号在传输中产生波形畸变，前后沿变坏，电路达不到规定的要求。※无论什么电路，所使用的元器件，特别是半导体器件，对温度会非常敏感，因而元器件布局应采取有利机内散热和防热的措施，以保证电路性能指标不受温度的影响。※元器件的布局应使电磁场的影响减小到最低限度。所以元器件布局时，应采取屏蔽、隔离等措施，避免电路之间形成干扰，并防止外来干扰，以保证电路正常稳定工作。（2）应有利于布线，方便于布线。元器件布设的位置，直接决定着布线长度和敷设路径；布线长度和走线方向不合理，会增加分布参数和产生寄生耦合，使电子产品的高频性能变差，干扰增加；而且不合理的走线还会给装接、调试、维修等工作带来麻烦。（3）应满足结构工艺的要求电子设备的组装要求结构紧凑，外观性好、重量平衡、防震、耐震等。（4）应有利于设备的装配、调试和维修（5）应根据电子产品的工作环境等因素来合理布局。温度较高的场合发热元件之间要留有足够的空间散热，必要时安装风扇散热；湿度较大的场合要考虑选用密封性好的元器件，并采取除湿措施，干燥时要注意采取防静电感应措施。2.元器件排列的方法及要求（1）按电路组成顺序成直线排列方法根据主要信号的放大、变换的传递顺序按级成直线布置，电子管电路、晶体管电路及以集成电路为中心的电路都是如此。优点：电路结构清楚，便于布设、检查，也便于各级电路的屏蔽或隔离。输出级与输入级相距甚远，使级间寄生反馈减小。前后级之间衔接较好，可使连接线最短，减小电路的分布参数。（2）按电路性能及特点的排列方法对高频电路组件，由于信号频率高，相互之间容易产生干扰和辐射，排列时应注意组件之间的距离越小越好，引线要短而直，可相互交叉，但不能平行排列。对推挽电路、桥式电路等对称性电路组件的排列，应注意组件布设位置和走线的对称性，使对称组件的分布参数也尽可能一致。电路中，高电位的组件应排列在横轴方向上，低电位的组件应排列在纵轴方向上，可使地电流集中在纵轴附近，以免窜流，减少高电位组件对低电位组件的干扰。如果遇到干扰电路靠近放大电路的输入端，在布设时又无法拉开两者的距离时，可改变相邻的两个组件的相对位置，以减小脉动及噪声干扰。为了防止通过公共电源馈线系统对各级电路形成干扰，常用去耦电路，在布设去耦组件时，应注意将它们放在有关电路的电源进线处，使去耦电路能有效的起退耦作用，不让本级信号通过电源线泄露出去，因此要将每一级电路的去耦电容和电阻紧靠在一起，并且电容应就近接地。（3）按元器件的特点及特殊要求合理排列。敏感组件的排列要注意远离敏感区。如热敏组件不要靠近发热组件，光敏组件要注意光源的位置。磁场较强的组件，在放置时应注意其周围应有适当的空间或采取屏蔽措施，以减小对临近电路的影响。它们之间应注意放置的角度，一般应相互垂直或称某一角度放置，不应平行安放，以免相互影响。高压器件或导线，在排列时要注意和其他元器件保持适当的距离，防止击穿与打火。需要散热的元器件，要装在散热器上或装在作为散热器的机器底板上，且排列时注意有利于这些元器件的通风散热，并远离热敏感元器件（二极管、三极管等）。（4）从结构工艺上考虑元器件的排列方法为防止印制板组装后的翘曲变形，元器件的排列要尽量对称，重量平衡，重心尽量靠板子的中心或下部，采用大板子组装时，还应考虑在板子上使用加强筋。组件在板子上排列应整齐，不应随便倾斜放置，轴向引出线的组件一般采用卧式跨接，使重心降低，有利于保证自动焊接时的质量。对于组装密度大，电气上有特殊要求的电路，可采用立式跨接。同尺寸的元器件或尺寸相差很小的元器件的插装孔距应尽量统一，便于组件引线的折弯和插装机械化。在组件排列时，组件外壳或引线至印制板的边缘距离不得小于2mm。在一排组件或部件中，两相邻组件外壳之间的距离应根据工作电压来选择，但不得小于1mm。机械固定用的垫圈等零件与印制导线之间的距离不得小于2mm。对于可调组件或需要更换频繁的元器件，应放在机器便于打开，容易接触或观察的地方，利于调整与维修。对于比较重的组件，在板上要用支架或固定夹进行装卡，以免组件引线承受多大的盈利。若印制板不能承载的组件，应在板外用金属托架安装，并注意固定及防振。四、印制板的设计步骤和方法1.选定印制板基板的选材2.印制电路板上元器件排列的设计3.印制电路板上地线的设计4.输入输出端的设计5.排版联线图的设计四、印制板的设计步骤和方法1.选定印制板基板的选材（1）材料的选择。印制板的材料选择必须考虑到电气和机械特性。（2）厚度的确定。主要是考虑印制板上装有的所有元器件重量的承受能力和使用中承受的机械负荷能力。（3）形状和尺寸。从装配工艺角度考虑两个方面问题：一：便于自动化安装；另：便于将印制板组装成不同规格的产品，且安装方便、固定可靠。2.印制电路板上元器件排列的设计不规则排列、坐标排列和坐标格排列三种方式。（1）不规则排列。主要用在高频电路特点：可以减少印制导线的长度，减少分布电容和接线电感，减少高频干扰，使电路工作稳定。元器件的不规则排列（2）坐标排列。元器件的轴向和印制电路板的四边平行或垂直排列特点：外观整齐美观，但仅适用于频率低于30MHZ的电路元器件的坐标排列（3）坐标格排列。元器件的轴向必须与印制电路板的四边平行或垂直放置，元器件安装孔的圆心必须放置在坐标格的交点上。优点：元器件排列整齐美观，维修时寻找元器件和测试点方便，印制电路板加工时孔位易于对其，也便于自动化生产。元器件的坐标格排列3.印制电路板上地线的设计要设计统一的电源线及底线，原则是：（1）一般将公共地线布置在印制电路板的边缘，便于印制电路板安装在机壳上，也便于与机壳连接。电路中导线与电路板的边缘留有一定的距离，便于机械加工，有利于提高电路的绝缘性能。（2）设计高频电路时，为减小引线电感和接地阻抗，地线应有足够的宽度，否则，放大器的电性能易下降，电路也容易产生自激振荡。（3）印制电路板上每级电路的地线，在许多情况下可设计成自封闭回路，可保证每级电路的高频地电流主要在本级回路中流通，而不流过其他级，可减小级间地电流的耦合。同时，由于电路四周都围有地线，便于接地元器件就近接地，减小了引线电感。但，在外界有强磁场的情况下，地线不能接成回路，以避免封闭地线组成的线圈产生电磁感应而影响电路的电性能。4.输入输出端的设计（1）输入、输出端应尽量按信号流程顺序排列，使信号便于流通，并可减小导线之间的寄生干扰。（2）输入、输出端应尽可能的远离，在可能的情况下最好用地线隔离开，可减小输入、输出端信号的相互干扰。5.排版联线图的设计用简单线表示印制导线的走向和元器件的连接关系的图样。（a）电原理图（b）排版连线图当电路比较简单时，可不画排版连线图。（a）制版电路原理图（b）正确的制版方向（c）错误的制版方向由原理图到印制版图的排版方向3.4印制板的设计与制作——设计集成电路的排版方向3.4印制板的设计与制作——设计五、印制电路板的计算机辅助设计目前，印制电路板的设计大多利用计算机辅助设计CAD软件进行。使用计算机辅助设计的特点是：设计速度快，布线均匀、美观，既能保证设计质量，又可以大大节省设计和绘图的时间。上一级1．CAD的操作步骤和特点（1）在计算机辅助设计软件上画出电路原理图。（2）向计算机输入印制板布线结构的参数。（3）计算机执