电工电子实习教学指导书

电电工工电电子子实实习习教教学学指指导导书书印印印制制制电电电路路路板板板的的的设设设计计计与与与制制制作作作赵文兵柴旺兴编徐祖建主审湖北汽车工业学院电工电子实习基地目录印制电路板的设计一．印制电路板的基本概念……………………………………1（一）印制板的组成（二）印制板的种类（三）印制板的安装技术二．印制电路板的设计准备3（一）设计目标（二）设计前准备工作三．印制电路板的排版布局5（一）整机电路的布局原则（二）元器件的安装与布局四．印制电路的设计9（一）焊盘的设计（二）印制导线的设计（三）过孔和引线孔的设计五．印制电路板的抗干扰设计12（一）地线设计（二）电源线设计（三）电磁兼容性设计（四）器件布置设计（五）散热设计（六）板间配线设计六．印制电路板图的绘制20（一）手工设计印制电路板图（二）计算机辅助设计印制电路板图七．手工设计印制电路板实例22印制电路板的制作一．印制电路的形成方式24（一）减成法（二）加成法二．印制电路板的工业制作24（一）双面印制板制作的工艺流程（二）单面印制板制作的工艺流程三．印制电路板的手工制作26（一）描图蚀刻法（二）贴图蚀刻法（三）雕刻法（四）“转印”蚀刻法四．印制导线的修复29（一）印制导线断路的修复（二）印制导线起翘的修复印制电路板的设计1印制电路板（Printedcircuitboard，PCB）也称为印制线路板、印刷电路板，简称印制板。印制电路的概念是1936年由英国Eisler博士首先提出，他首创了在绝缘基板上全面覆盖金属箔，涂上耐蚀刻油墨后再将不需要的金属箔腐蚀掉的印制板制造基本技术。印制电路板在各种电子设备中有如下功能：1．提供各种电子元器件固定、装配的机械支撑。2．实现各种电子元器件之间的布线和电气连接（信号传输）或电绝缘。提供所要求的电气特性，如特性阻抗等。3．为自动装配提供阻焊、助焊图形，为元器件插装、检查、维修提供识别字符和图形。印制电路板的应用降低了传统方式下的接线工作量，简化了电子产品的装配、焊接、调试工作；缩小了整机的体积，降低了产品的成本，提高了电子设备的质量和可靠性。另外，印制电路板具有良好的产品一致性，可以采用标准化设计，有利于生产过程中实现机械化和自动化，也便于整机产品的互换和维修。随着电子工业的飞速发展，印制板的使用已日趋广泛，可以说它是电子设备的关键互联件，任何电子设备均需配备。因此，印制电路板的设计与制作已成为我们学习电子技术和制作电子装置的基本功之一。印制电路板的设计在电子产品设计中，电路原理图不过是设计思想的初步体现，而要最终实现整机功能无疑则要通过印制电路板这个实体。印制电路板的设计，就是根据电路原理图设计出印制电路板图，但这决不意味着设计工作仅仅是简单地连通，它是整机工艺设计的重要一环，也是一门综合性的学科，需要考虑到如选材、布局、抗干扰等诸多问题。对于同一种电子产品，采用的电路原理图尽管相似，但各自不同的印制板设计水平会带来很大的差异。印制电路板的设计现在有两种方式：人工设计和计算机辅助设计。尽管设计方式不同，设计方法也不同，但设计原则和基本思路都是一致的，都必须符合原理图的电气连接以及产品电气性能、机械性能的要求，同时考虑印制板加工工艺和电子装配工艺的基本要求。一．印制电路板的基本概念（一）印制板的组成印制板主要由绝缘底板（基板）和印制电路（也称导电图形）组成，具有导电线路和绝缘底板的双重作用。1．基板（BaseMaterial）基板是由绝缘隔热、并不易弯曲的材料所制作成，一般常用的基板是敷铜板，又称覆铜板，全称敷铜箔层压板。敷铜板的整个板面上通过热压等工艺贴敷着一层铜箔。2．印制电路（PrintedCircuit）覆铜板被加工成印制电路板时，许多覆铜部份被蚀刻处理掉，留下来的那些各种形状的铜膜材料就是印制电路，它主要由印制导线和焊盘等组成（如图1所示）。（1）印制导线（Conductor）用来形成印制电路的导电通路。（2）焊盘（Pad）用于印制板上电子元器件的电气连接、元件固定或两者兼备。（3）过孔（Via）和引线孔（ComponentHole）分别用于不同层面的印制电路之间的连接以及印制板上电子元器件的定位。3．助焊膜和阻焊膜在印制电路板的焊盘表面可看到许多比之略大的各浅色斑痕，这就是为提高可焊性能而涂覆的助焊膜。印制电路板的设计2印制电路板上非焊盘处的铜箔是不能粘锡的，因此印制板上焊盘以外的各部位都要涂覆绿色或棕色的一层涂料——阻焊膜。这一绝缘防护层，不但可以防止铜箔氧化，也可以防止桥焊的产生。4．丝印层（Overlay）为了方便元器件的安装和维修等，印制板的板上有一层丝网印刷面（图标面）——丝印层，这上面会印上标志图案和各元器件的电气符号、文字符号（大多是白色）等，主要用于标示出各元器件在板子上的位置，因此印制板上有丝印层的一面常称为元件面。（二）印制板的种类印制板根据其基板材质刚、柔强度不同，分为刚性板、挠性板以及刚挠结合板，又根据板面上印制电路的层数分为单面板、双面板以及多层板。1．单面板（Single-sided）仅一面上有印制电路的印制板。这是早期电路（THT元件）才使用的板子，元器件集中在其中一面——元件面（ComponentSide），印制电路则集中在另一面上——印制面或焊接面（SolderSide），两者通过焊盘中的引线孔形成连接。单面板在设计线路上有许多严格的限制，如布线间不能交叉而必须绕独自的路径。2．双面板（Double-SidedBoards）两面均有印制电路的印制板。这类的印制板，两面导线的电气连接是靠穿透整个印制板并金属化的通孔(throughvia)来实现的。相对来说，双面板的可利用面积比单面板大了一倍，并且有效的解决了单面板布线间不能交叉的问题。3．多层板（Multi-LayerBoards）由多于两层的印制电路与绝缘材料交替粘结在一起，且层间导电图形互连的印制板。如用一块双面作内层、二块单面作外层，每层板间放进一层绝缘层后黏牢（压合），便有了四层的多层印制板。板子的层数就代表了有几层独立的布线层，通常层数都是偶数，并且包含最外侧的两层。比如大部分计算机的主机板都是4到8层的结构。目前，技术上已经可以做到近100层的印制板。在多层板中，各面导线的电气连接采用埋孔（buriedvia）和盲孔（blindvia）技术来解决。（三）印制板的安装技术印制电路板的安装技术可以说是现代发展最快的制造技术，目前常见的主要有传统的通孔插入式和代表着当今安装技术主流的表面黏贴式。1．通孔插入式安装技术（ThroughHoleTechnology，THT）通孔插入式安装也称为通孔安装，适用于长管脚的插入式封装的元件。安装时将元件安置在印制电路板的一面，而将元件的管脚焊在另一面上。这种方式要为每只管脚钻一个洞，其实占掉了两面的空间，并且焊点也比较大。显然这一方式难以满足电子产品高密度、微型化的要求。印制导线焊盘(图1印制电路板图)印制电路板的设计32．表面黏贴式安装技术（SurfaceMountedTechnology，SMT）表面黏贴式安装也称为表面安装，适用于短管脚的表面黏贴式封装的元件。安装时管脚与元件是焊在印制电路板的同一面。这种方式无疑将大大节省印制板的面积，同时表面黏贴式封装的元件较之插入式封装的元件体积也要小许多，因此SMT技术的组装密度和可靠性都很高。当然，这种安装技术因为焊点和元件的管脚都非常小，要用人工焊接确实有一定的难度。二．印制电路板的设计准备（一）设计目标这是设计工作开始时首先应该明确的，同时也是在整个设计中需要时刻关注的，主要有以下方面：1．功能和性能表面上看，根据电路原理图进行正确的逻辑连接后其功能就可实现、性能也可保证稳定，但随着电子技术的飞速发展，信号的速率越来越快，电路的集成度越来越高，仅仅做到这一步已远远不够了。目标能否很好完成，无疑是印制板设计过程中的重点，也是难点。2．工艺性和经济性这些都是衡量印制板设计水平的重要指标。设计优良的印制电路板应该方便加工、维护、测试，同时在生产制造成本上有优势。这是需要多方面相互协调的，并不是件容易的事。（二）设计前准备工作进入印制板设计阶段前，许多具体要求及参数应该基本确定了，如电路方案、整机结构、板材外形等。不过在印制板设计过程中，这些内容都可能要进行必要的调整。1．确定电路方案设计出的电路方案一般首先应进行实验验证——用电子元器件把电路搭出来或者用计算机仿真，这不仅是原理性和功能性的，同时也应当是工艺性的。（1）通过对电气信号的测量，调整电路元器件的参数，改进电路的设计方案。（2）根据元器件的特点、数量、大小以及整机的使用性能要求，考虑整机的结构尺寸。（3）从实际电路的功能、结构与成本，分析成品适用性。在电路方案实验的时候，必须审核考察产品在工业化生产过程中的加工可行性和生产费用，以及产品的工作环境适应性和运行、维护、保养消耗。通过对电路实验的结果进行分析，以下几点将得到确认：（1）电路原理。整个电路的工作原理和组成，各功能电路的相互关系和信号流程。（2）印制电路板的工作环境及工作机制。（3）主要电路参数。（4）主要元器件和部件的型号、外形尺寸及封装。2．确定整机结构当电路和元器件的电气参数和机械参数得以确定，整机的工艺结构还仅仅是初步成型，在后面的印制板设计过程中，需要综合考虑元件布局和印制电路布设这两方面因素才可能最终确定。3．确定印制板的板材、形状、尺寸和厚度（1）板材对于印制板电路板的基板材料的选择，不同板材的机械性能与电气性能有很大的差别。目前国内常见覆铜板的种类见表一。确定板材主要是从整机的电气性能、可靠性、加工工艺要求、经济指标等方面考虑。通常情况下，希望印制板的制造成本在整机成本中只占很小的比例。对于相同的制板面积来说，双面板的制造成本是一般单面板的3—4倍以上，而多层板至少要贵到20倍以上。分立元器件的引线少，排列位置便于灵活变换，其电路常用单面板。双面板多用于集成电路较多的电路。印制电路板的设计4（2）印制板的形状印制电路板的形状由整机结构和内部空间的大小决定，外形应该尽量简单，最佳形状为矩形（正方形或长方形，长:宽=3:2或4:3），避免采用异形板。当电路板面尺寸大于200×150mm时，应考虑印制电路板的机械强度。表一常用覆铜板及特点名称铜箔厚（um）特点应用覆铜酚醛纸质层压板50--70多呈黑黄色或淡黄色。价格低，阻燃强度低，易吸水，不耐高温。中低档民用品如收音机、录音机等。覆铜环氧纸质层压板35--70价格高于覆铜酚醛纸质层压板，机械强度、耐高温和防潮湿等性能较好。工作环境好的仪器、仪表及中档以上民用品覆铜环氧玻璃布层压板35--50多呈青绿色并有透明感。价格较高，性能优于覆铜环氧纸质层压板。工业、军用设备，计算机等高档电器。覆铜聚四氟乙烯玻璃布层压板35--50价格高，介电常数低，介质损耗低，耐高温，耐腐蚀。微波、高频、航空航天。（3）印制板的尺寸尺寸的大小根据整机的内部结构和板上元器件的数量、尺寸及安装、排列方式来决定，同时要充分考虑到元器件的散热和邻近走线易受干扰等因素。①面积应尽量小，面积太大则印制线条长而使阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也高。②元器件之间保证有一定间距，特别是在高压电路中，更应该留有足够的间距。③要注意发热元件安装散热片占用面积的尺寸。④板的净面积确定后，还要向外扩出5—10mm，便于印制板在整机中的安装固定。（4）印制板的厚度覆铜板的厚度通常为1.0mm、1.5mm、2.0mm等。在确定板的厚度时，主要考虑对元器件的承重和振动冲击等因素。如果板的尺寸过大或板上的元器件过重，都应该适当增加板的厚度或对电路板采取加固措施，否则电路板容易产生翘曲。当印制板对外通过插座连线时（如图2所示），插座槽的间隙一般为1.5mm，板材过厚则插不进去，过薄则容易造成接触不良。在选定了印制板的板材、形状、尺寸和厚度后，还要注意查看铜箔面有无气泡、划痕、凹陷、胶斑，以及整块板是否过分翘曲等质量问题。4．确定印制板对外连接的方式印制板是整机的一个组成部分，必然存在对外连接的问题。例如，印制板之间、印制板