第章印制電路板的設計與制作.ppt

1、第四章 印制電路板的設計與制作,印制電路板（PCB、印刷電路板）： 它可實現(xiàn)各元器件之間的電器連接，并可作為各元器件固定、支撐的載體。 印制電路板由絕緣基板、印制導線、焊盤等構成，是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的基本組成部分之一。,教學要求：通過本章的學習，使學生了解印制電路板的基本性能，掌握印制電路板的基本設計方法和常見的幾種制作工藝。,4.1 覆銅板,一、覆銅板的結構 覆銅板是把一定厚度的銅箔通過粘接劑熱壓在一定厚度的絕緣基板上而構成。 它通常分為：單面覆銅板、雙面覆銅板、多層覆銅板,絕緣基板,銅箔,1絕緣基板,絕緣基板的組成： 高分子合成樹脂：基板的主要成份，決定電氣性能。 增強材料：主要用于提高機械性

2、能。, 增強材料的類型 布質(zhì)（編織物）增強材料。 紙質(zhì)增強材料。紙質(zhì)增強材料包括牛皮紙、亞硫酸鹽紙、纖維素紙和棉花（廢布）紙。, 合成樹脂的類型 酚醛樹脂絕緣基板：價格低廉，機械性能和電氣性能均可，主要用于民用設備。缺點是易吸水，吸水后電氣性能降低，工作溫度不超過100，在惡劣環(huán)境中不適宜采用。 環(huán)氧樹脂絕緣基板：對各種材料有良好的粘合性，硬化收縮小，能耐化學藥品、溶濟和油類，電氣絕緣性能好，是印制電路絕緣基板中的優(yōu)質(zhì)材料，一般用于軍品或高可靠性場合。 三氯氰胺絕緣基板：抗熱性能、電氣性能均較好，但較脆。表面很硬，耐磨性很好，介質(zhì)損耗小，適用于軍工或特殊電子儀器。 有機硅樹脂絕緣基板：抗熱性能

3、特別好，介質(zhì)損耗小，但銅箔和基板的附著力不大。,2銅箔,選用銅箔的依據(jù)： 當金屬箔用于印制線路板時，必須具有較高的導電率、良好的焊接性能和延展性能、以及與絕緣基板牢固的附著力等。銅在所有金屬中是比較符合要求的。,對銅箔的要求： 外觀：連續(xù)成卷，表面光亮不得有砂眼、凹隙、軋皺等。 純度：不小于99.8% 厚度：0.050.005mm（銅箔的厚度要適中）。部分國家關于銅箔厚度的規(guī)定見下表。,粘合劑 粘合劑采用聚乙烯醇縮醛膠（如JSF-4膠），用乙醇作溶劑。,4. 覆銅板的生產(chǎn)工藝流程,二、覆銅板的類型,根據(jù)印制電路用覆銅箔酚醛紙層壓板 （GB4723-84）規(guī)定，覆銅板的型號及特性見表。,三、覆銅

4、板的性能參數(shù),1抗彎強度：表示材料能承受彎曲、沖擊、振動的能力，以單位面積受的力來計算，單位為kg/cm2（英美國家為磅/ 平方英寸）。 2抗剝強度：是指在覆銅板上，剝開1cm寬度的銅箔所需要的力，用kg/cm來表示。它用來衡量銅箔與基板之間的結合力。 3耐浸焊性：指覆銅板置入一定溫度的熔融焊錫中停留一段時間（大約10s）后，所能承受的銅箔抗剝能力。 5翹曲度：用來衡量板材的翹曲程度，雙面印制電路板的翹曲度比單面的好，厚的比薄的好。,四、覆銅板的厚度,根據(jù)國標GB4723-84規(guī)定，覆銅板的厚度見下表所示。,4.2 印制電路板的排版設計,評價印制電路板的設計質(zhì)量，通?？紤]下列因素： 線路的設計

5、是否給整機帶來干擾； 電路的裝配與維修是否方便； 制板材料的性能價格比是否最佳； 電路板的對外引線是否可靠； 元器件的排列是否均勻、整齊； 版面布局是否合理、美觀。,一、設計印制電路板的準備工作,1.印制電路板的設計前提 確定設計方案，完成電路設計； 元器件的選擇； 仿真驗證； 電路方案試驗； 對電路試驗結果的分析及對電路設計的改進； 考慮整機的機械結構和安裝使用。,2. 印制電路板的設計目標,準確性：元器件和印制導線的連接關系必須符合印制板的電氣原理圖。 可靠性：印制電路板的可靠性是影響電子設備可靠性的一個重要因素。 工藝性：印制電路板的制造工藝盡可能簡單；根據(jù)電路的復雜程度確定電路板的形狀

6、，充分考慮生產(chǎn)的需求。 經(jīng)濟性：在設計印制電路板時，應考慮和通用的制造工藝、方法相適應。此外，應盡可能采用標準的尺寸結構，選用合適的基板材料，運用巧妙的設計技術來降低成本。,3. 板材、形狀、尺寸和厚度的確定, 板材的確定 常用的覆銅板有酚醛紙板、酚醛玻璃布板，環(huán)氧玻璃布板等。 選擇板材的依據(jù)是整機的性能要求、使用尺寸、整機價格等。選擇時要統(tǒng)籌考慮，既要了解覆銅板的性能指標，又要熟悉電子產(chǎn)品的特點，以獲得良好的性能價格比。 若電路板面積較小、元器件不多、印制線較寬、產(chǎn)品售價較低，可選用酚醛紙板。否則用環(huán)氧玻璃布板。 分立元件多的用單面板，集成電路多的用雙面或多面板。, 印制電路板形狀的選擇,印

7、制電路板的形狀通常由整機結構和內(nèi)部空間的大小確定。（原則） 一般采用長方形（3：2或4：3），盡量不用異形板。 根據(jù)整機的安裝要求確定特形的電路板。（收音機） 在一些批量生產(chǎn)中，為了降低線路板的制作成本，提高線路板的自動裝焊率，常把兩、三塊面積小的印制電路板和主印制電路板共同設計成一個矩形。待裝焊后沿工藝孔掰開，分別裝在整機的不同部位上。, 印制電路板的尺寸的選擇,選擇印制電路板的尺寸選擇要考慮整機的內(nèi)部結構及印制電路板上元器件的數(shù)量及尺寸。 板上元器件排列彼此間要留有一定的間隔。特別是在高壓電路中，更要注意留有足夠的間距。 在考慮元器件所占面積的同時，還要考慮發(fā)熱元器件所需散熱片的尺寸。 在

8、確定了板的面積后，四周還應留出510mm（單邊），以便于印制電路板在整機中的固定。 確定電路板的固定孔的位置及大小。, 板厚的確定,根據(jù)國標GB2473-84規(guī)定，覆銅板的標稱厚度有0.2，0.5，0.8，1.0，1.2，1.6，2.0，2.4，3.2，6.4，0.7，1.5mm等多種。在確定板厚時，主要考慮以下因素： 當印制板對外通過直接式插座連接時，過厚插不進去，過薄接觸不良。一般應選1.5mm左右。 要考慮板的尺寸、板上元器件的體積、重量等。板的尺寸及元器件重量過大，都應適當增加板厚，否則容易產(chǎn)生翹曲。,4.印制電路板對外連接方式的選擇, 導線焊接方式：是指用導線將印制電路板上的對外連接

9、點與板外元器件或其他部件直接焊接，不需要任何接插件。常用于對外連接較少的場合。 采用導線焊接方式時，應注意以下幾點： 印制電路板的對外焊點應盡可能引至整板的邊緣，并按一定尺寸排列，以利于焊接和維修。 引線應通過印制電路板上的穿線孔從電路板的元件面穿過，再進行焊接，避免將導線拽掉。 將導線排列或捆扎整齊，用線卡或其它緊固件將線與板固定，避免導線因移動而折斷。,例：, 接插件連接方式,接插件連接是指通過插座將印制電路板上對外連接點與板外元器件進行連接。其優(yōu)點是調(diào)試方便，缺點是因接觸點多，可靠性較差。,二、印制電路板的排版布局,印制電路板布局的一般原則 按照信號流走向的布局原則； 以核心元器件為中心

10、，圍繞它來進行布局； 優(yōu)先確定特殊元器件的位置。 防止電磁干擾的考慮： 相互可能產(chǎn)生影響或干擾的元器件，應當盡量分開或采取屏蔽措施。 由于某些元器件或?qū)Ь€之間可能有較高電位差，應該加大它們的距離，以免因放電、擊穿引起意外短路。,抑制熱干擾的設計： 裝在板上的發(fā)熱元器件（如功耗大的電阻）應當布置在靠近外殼或通風較好的地方，以便利用機殼上開鑿的通風孔散熱。 對于溫度敏感的元器件，如晶體管、集成電路和其他熱敏元件、大容量的電解電容器等，不宜放在熱源附近或設備內(nèi)的上部。 增加機械強度的考慮： 對于那些又大又重、發(fā)熱量較多的元器件，一般不要直接安裝固定在印制電路板上。 當印制電路板的版面尺寸大于200m

11、m150mm時，考慮到電路板所承受重力和震動產(chǎn)生的機械應力，,操作性能對元器件位置的要求： 考慮電位器、可變電容器或可調(diào)電感線圈等調(diào)節(jié)元件的布局。 為了保證調(diào)試、維修的安全，特別要注意帶高電壓的元器件（例如顯示器的陽極高壓電路元件），盡量布置在操作時人手不易觸及的地方。,2.一般元器件的安裝與排列,元器件的布設原則： 元器件在整個板面應布設均勻，疏密一致。 元器件不要占滿板面四周，一般每邊應留有510mm。 元器件布設在板的一面，每個元器件的引出腳單獨占用一個焊盤。 元器件間應留有一定的間距。間隙安全電壓為200V/mm。 元器件安裝高度應一致，且盡量矮，一般引線不超過5mm，過高則穩(wěn)定性變差

12、，易倒或與相鄰元件碰接。,元器件的布設不可上下交叉。 規(guī)則排列的元器件其軸線方向在整機中處于豎立狀態(tài)。 元器件兩端的跨距應稍大于元器件的軸向尺寸，彎腳時不要齊跟彎，應留有一定距離（至少2mm），以免損壞元件。,3. 元器件的安裝固定方式,立式安裝：是指元器件的軸線方向與印制電路板垂直。,臥式安裝：是指元器件的軸線方向與印制電路板平行。,4.元器件排列方式,不規(guī)則排列：指元器件軸線方向不一致，在板上的排列順序無規(guī)則。其優(yōu)點是印制導線短而少，減小了印制電路板間的分布參數(shù)，抑制了干擾。尤其是對于高頻電路有利。但看起來雜亂無章，不太美觀。,規(guī)則排列：是指元器件軸線方向排列一致，并與印制電路板的四周垂直

13、或平行。其優(yōu)點是元器件排列規(guī)范，板面美觀整齊，安裝、調(diào)試、維修方便。但導線布設較為復雜，印制導線相應增多。,5. 元器件焊盤的定位,焊盤的中心（即引線孔的中心）距離印制板的邊緣不能太近，一般距離應在2.5mm以上，至少應該大于板的厚度。 焊盤的位置一般要求落在正交網(wǎng)格的交點上，如圖4-15所示。在國際IEC標準中，正交網(wǎng)格的標準格距為2.54mm（0.1in）；國內(nèi)的標準是2.5mm。,4.3 印制電路板上的焊盤及導線,一、焊盤 焊盤也稱為連接盤，是指元器件的每個引出腳都要在印制電路板上單獨占據(jù)一個孔位，通過焊錫固定在板上，此孔及周圍的銅箔稱為焊盤。,引線孔,銅箔,1. 引線孔的直徑 元器件引

14、線孔的直徑應該比引線的直徑大0.20.3mm，優(yōu)先采用0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm等尺寸。 在同一塊電路板上，孔徑的尺寸規(guī)格應當少一些。要盡可能避免異形孔，以便降低加工成本。,絕緣基板,2. 焊盤的外徑,普通單面板： Dd+1.3mm 高密度的單面電路板： Dmind+1mm 雙面電路板： Dmin2d,3. 焊盤的形狀,島形焊盤：,適用于元器件密集、不規(guī)則排列的電子產(chǎn)品。由于焊盤面積大，抗剝離強度增大，可以降低覆銅板的檔次。,圓形焊盤：,一般在元器件規(guī)則排列的單面及雙面電路板中使用。,方形焊盤：,常用于表示元器件的正極或第一腳。,其它類型的焊盤：,橢圓焊盤,矩形焊盤,多邊形

15、焊盤,淚滴焊盤,異形焊盤,靈活設計的焊盤,二、過孔,實現(xiàn)電路板的層之間的電氣連接。用于雙層或多層電路板中。比焊盤小，不焊裝元器件。,三、印制導線 1. 印制導線的寬度 印制導線的寬度與通過的電流有關，應寬窄適度，與板面焊盤協(xié)調(diào)。一般在0.32.5mm之間。 印制導線的載流量可按20A/mm2計算，即當銅箔厚度為0.05mm時，1mm寬的印制導線允許通過1A的電流，即線寬的毫米數(shù)就是載流量的安培數(shù)。,一般采用：8mil，15mil，30mil，50mil，100mil等。,2. 印制導線的間距,印制導線間應保持一定的間距，導線間的間隙安全電壓為200V/mm。下表給出了導線間距與安全電壓之間的關

16、系。,在一般情況下，導線間的最小間隙不要小于0.3mm，以消除相鄰導線間的電壓擊穿及飛弧。在板面允許情況下，導線間隙一般不小于1mm。,3. 印制導線的走向和形狀,印制導線是印制電路板上連接元器件，電流流通的導線。其布設應遵循以下原則： 印制導線以短為佳，能走捷徑，決不繞遠。 走向以平滑自然為佳，避免急拐彎和尖角。 公共地線應盡量增大銅箔面積。,不合理,合理,4. 導線的布局,優(yōu)先布設信號線； 電源線（注意合適的線寬）； 地線（可以使用大面積銅箔，有屏蔽作用）； 導線之間不能交叉（可以使用“跳線”）； 相鄰兩層的布線采用垂直布線（雙面板）； 特殊器件的布線需參考器件的數(shù)據(jù)手冊。,四、印制導線的

17、抗干擾和屏蔽,1. 地線布置引起的干擾,原因： 如印制導線AB長為10cm，寬為1.5mm，銅箔厚度為0.05cm，根據(jù)材料電阻的計算公式：,當通過大電流時，會產(chǎn)生較大的壓降； 若通過30MHZ以上的高頻信號時，感抗達到16歐姆。,解決的方法：, 并聯(lián)分路式, 大面積覆蓋接地 大面積覆蓋接地是指盡量擴大印制電路板上的地線面積。這樣，既可以有效地減小地線中的感抗，削弱在地線上產(chǎn)生的高頻信號，又可以對電場干擾起到屏蔽作用。, 模擬地和數(shù)字地分開；交流地和直流地分開。,2. 電源干擾的產(chǎn)生與對策,原因： 電子儀器的供電大多數(shù)是由交流電通過降壓、整流、穩(wěn)壓后供給。供電電源的質(zhì)量直接影響整機的性能指標。

18、 印制電路板設計不合理或工藝布線不合理，就會使交直流回路彼此相連，造成交流信號對直流產(chǎn)生干擾，使電源質(zhì)量下降。,對策： 大電流線不要走平行大環(huán)線； 電源線和信號線不要平行，不要太近。,3. 磁場的干擾與對策,原因： 印制導線之間的寄生耦合； 磁性元件對印制導線的干擾。,對策： 弱信號的線盡量短，并避免和其它信號線平行； 相鄰兩層的信號線盡量垂直布設； 印制導線采屏蔽措施； 考慮磁性元件的位置。,4.4 板圖設計的要求和制板工藝文件,一、版圖設計的一般程序 板圖：是指能夠準確反映元器件在印制板上的位置與連接的設計圖，是送交專業(yè)制板廠家的依據(jù)。 手工繪制印刷電路板圖； 采用CAD軟件，直接在計算機

19、上繪制電路板圖。,版圖設計的一般程序： 原理圖設計； 確定元器件的型號、封裝，產(chǎn)生網(wǎng)絡表； 確定電路板的形狀尺寸； 裝入元器件； 布局； 布線； 根據(jù)布線情況調(diào)整元器件的布局； 電源及地線的處理； 校驗； 送專業(yè)廠制作。,原理圖設計環(huán)境下完成,印刷電路板設計環(huán)境下完成,二、制板工藝文件,制板的技術要求，應該用文字準確、清晰、有條理地寫出來，主要內(nèi)容包括： 板的材質(zhì)、厚度，板的外形及尺寸、公差； 焊盤外徑、內(nèi)徑、線寬、焊盤間距及尺寸、公差； 焊盤鉆孔的尺寸、公差及孔金屬化的技術要求； 印制導線和焊盤的鍍層要求（指鍍金、銀、鉛錫合金等）； 板面助焊劑、阻焊劑的使用； 其他具體要求。,計算機繪制的版

20、圖文件：（雙面板） 印刷板外形圖； 元件面絲印圖； 元件面布線圖； 焊接面絲印圖； 焊接面布線圖； 焊盤圖； 阻焊圖。,4.5 印制電路板的制造工藝簡介,減成法工藝：即在覆滿銅箔的基板上，按照設計要求采用機械或化學方法，除去不需要的部分，得到導電圖形的方法。,1. 底圖膠片制版,照相制版法：,1：1的圖片,雙面板要有正反兩面的相版，尺寸完全一致。,一、印制電路板制造過程的基本環(huán)節(jié), CAD光繪法,應用CAD軟件設計的版圖文件獲得的數(shù)據(jù)文件來驅(qū)動光學繪圖機，使感光膠片曝光，經(jīng)過暗室操作制成原版底片。 CAD光繪法制作的底圖膠片精度高，質(zhì)量好，但成本較高，近年來CAD光繪法已經(jīng)取代了照相制版法。,

21、2. 圖形轉(zhuǎn)移 圖形轉(zhuǎn)移是指把像版上的印制電路圖形轉(zhuǎn)移到覆銅板上。,絲網(wǎng)漏印法,用膠片制作電路圖形絲網(wǎng)； 用助焊劑漏印焊盤； 用阻焊劑漏印印制導線； 干燥處理。,直接感光法,清潔處理,感光膠,感光膠發(fā)生化學反應,感光部分硬化，其他部分溶解,固膜,修補,光敏干膜法,3. 化學蝕刻,蝕刻在生產(chǎn)線上也稱爛板，它是利用化學方法去除板上不需要的銅箔，留下組成圖形的焊盤、印制導線及符號等。,蝕刻溶液 三氯化鐵蝕刻液：適用于實驗室中適用。 酸性氯化銅蝕刻液：單、雙面板的蝕刻。 堿性氯化銅蝕刻液：電鍍錫鉛合金雙面板及多層板。 過氧化氫-硫酸蝕刻液：新的蝕刻液。,大量使用蝕刻液時，應注意環(huán)境保護，要采取措施處理

22、廢液并回收廢液中的金屬銅。, 蝕刻方法,浸入式 泡沫式 潑濺式 噴淋式, 清洗,流水清洗法 中和清洗法,4. 孔金屬化和金屬涂覆, 金屬化孔 金屬化孔是利用化學鍍技術，即氧化還原反應，把銅沉積在過孔或焊盤的孔壁上，使原來非金屬化的孔壁金屬化。金屬化后的孔稱為金屬化孔。 作用：解決雙面板兩面的導線或焊盤連通。 步驟：鉆孔、孔壁處理、化學沉銅、電鍍銅加厚。 方法：板面電鍍法、圖形電鍍法、反鍍漆膜法、堵孔法、漆膜法等。 檢驗：外觀、電性能、孔的電阻變化率、機械強度、金相剖析實驗等。, 金屬涂覆,為了提高印制電路的導電性、可焊性、耐磨性、裝飾性，延長印制板的使用壽命，提高電氣的可靠性，而在印制電路板的銅箔上涂敷一層金屬膜。,金屬涂覆的方法： 電鍍法：鍍層致密、牢固、厚度均勻可控，但設備復雜，成本較高。多用于要求高的印制電路板和鍍層，如插頭部分鍍金（金手指）等。 化學鍍法：設備簡單，操作方便，成本低，但鍍層厚度有限，牢固性差。只適用于改善可焊性的表面涂覆，如板面鍍銀或鍍鎳金（水金）等,金屬涂覆的材料 銀：銀層易發(fā)生硫化而變黑，降低了可焊性和外