第6章印制电路板的设计与制作

电工电子技能实训教程印制电路板的设计第6章印制电路板的设计与制作印制电路板的制作电工电子技能实训教程6.1印制电路板的设计一、印制电路板的基本概念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（如图所示）。1、印制板的组成电工电子技能实训教程印制导线焊盘印制电路板图印制导线（Conductor）：用来形成印制电路的导电通路。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。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。电工电子技能实训教程（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种浅色斑痕，，这是为了提高可焊性能而涂覆的助焊膜。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，印制板的板面上有一层丝网印刷面（图标面）——丝印层，该面印有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。电工电子技能实训教程2、印制电路板的种类印制板根据其基板材质的刚、柔强度不同，分为刚性板、柔性板以及刚柔结合板，又根据板面上印制电路的层数不同分为单面板、双面板以及多层板。（1）单面板（Single-sided）仅一面上有印制电路。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。SMT是指贴片，Surfacemountingtechnology.THT是指通孔插装，Throughholetechnology.它们是电路板元件的两种不同组装方式。电工电子技能实训教程（2）双面板（Double-SidedBoards）两面均有印制电路。这类印制板，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4~8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。电工电子技能实训教程图2四层板结构图图1单面板与双面板结构图电工电子技能实训教程3、印制板的安装技术（1）通孔插入式安装技术通孔插入式安装也称为通孔安装（THT），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。（2）表面黏贴式安装技术表面黏贴式安装也称为表面安装（SMT），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。电工电子技能实训教程二、印制电路板的设计准备（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）工艺性和经济性工艺性和经济性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。1、设计目标电工电子技能实训教程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）确定电路方案设计电路方案，首先应进行实验验证,即用电子元器件把电路搭出来（搭接实验）或者用计算机仿真实验，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。即在进行电路方案实验时，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。2、设计前准备工作电工电子技能实训教程（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。（3）确定印制板的板材、形状、尺寸和厚度①板材：不同板材，其机械性能与电气性能有很大的差别。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，双面板的制造成本一般是单面板的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。电工电子技能实训教程名称铜箔厚度(μm)特点应用覆铜酚醛纸质层压板50~70多呈黑黄色淡黄色。价格低，阻燃强度低，易吸水，不耐高温。中低档民用品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、乃高温、和防潮湿等性能较强。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，介点常数低，介质损耗低，耐高温，耐腐蚀。微波、高频航空航天常用覆铜板及其特点电工电子技能实训教程玻璃纤维布用环氧树脂粘合而成加温加压制作电工电子技能实训教程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。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。(净板向外扩出5~10mm，以便安装定位）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，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。电工电子技能实训教程（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、印制板与板外元器件、印制板与设备面板之间，都需要电气连接。这些连接引线的总数要尽量少，并根据整机结构选择连接方式，总的原则应该使连接可靠、安装、调试、维修方便，成本低廉。（5）印制板固定方式的选择印制板在整机中的固定方式有两种，一种采用插接件连接方式固定；另一种采用螺钉紧固：将印制板直接固定在基座或机壳上，这时要注意当基板厚度为1.5mm时，支承间距不超过90mm，而厚度为2mm时，支承间距不超过120mm，支承间距过大，抗振动或冲击能力降低，影响整机可靠性。电工电子技能实训教程三、印制电路板的排版布局（1）就近原则当板上对外连接确定后，相关电路部分就应该就近安排，避免绕原路，尤其忌讳交叉。（2）信号流原则将整个电路按照功能划分成若干个电路单元，按照电信号的流向，逐个依次安排各个功能电路单元在板上的位置，使布局便于信号流通，并使信号流尽可能保持一致的方向：从上到下或从左到右。①与输入、输出端直接相连的元器件应安排在输入、输出接插件或连接件的地方。②对称式的电路，如桥式电路、差动放大器等，应注意元件的对称性，尽可能使其分布参数一致。③每个单元电路，应以核心元件为中心，围绕它进行布局，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。如以三极管或集成电路等元件作为核心元件时，可根据其各电极的位置布排其它元件。1、整机电路的布局原则电工电子技能实训教程（1）元器件的布局元件的布设应遵循以下几点原则：①元件在整个板面上的排列要均匀、整齐、紧凑。单元电路之间的引线应尽可能短，引出线的数目尽可能少。②元器件不要占满整个板面，注意板的四周要留有一定的空间。位于印制板边缘的元件，距离板的边缘应该大于2mm。③每个元件的引脚要单独占一个焊盘，不允许引脚相碰。④对于通孔安装，无论单面板还是双面板，元器件一般只能布设在板的元件面上，不能布设在焊接面。⑤相邻的两个元件之间，要保持一定的间距，以免元件之间的碰接。个别密集的地方须加装套管。若相邻的元器件的电位差较高，要保持不小于0.5mm的安全距离。2、元器件的安装与布局电工电子技能实训教程⑥元器件的布设不得立体交叉和重叠上下交叉，避免元器件外壳相碰，如图所示。⑦元器件的安装高度要尽量低，一般元件体和引线离开板面不要超过5mm，过高则承受振动和冲击的稳定性较差，容易倒伏与相邻元器件碰接。如果不考虑散热问题，元器件应紧贴板面安装。⑧根据印制板在整机中的安装位置及状态，确定元件的轴线方向。规则排列的元器件应使体积较大的元器件的轴线方向在整机中处于竖立状态，这样可以提高元器件在板上的稳定性，如图所示。正确错误较大元件合理不合理电工电子技能实训教程（2）元器件的安装方式在印制板上，元器件的安装方式可分为立式与卧式两种，如图所示。卧式是指元件的轴向与板面平行，立式则是垂直的。①立式安装立式固定的元器件占用面积小，单位面积上容纳元器件的数量多。这种安装方式适合于元器件排列密集紧凑的产品。立式安装的元器件要求体积小、重量轻，过大、过重的元器件不宜使用。②卧式安装与立式安装相比，元器件具有机械稳定性好、板面排列整齐等优点，卧式安装使元器件的跨距加大，两焊点之间容易走线，导线布设十分有利。立式卧式电工电子技能实训教程（3）元器件的排列格式元器件在印制板上的排列格式与产品种类和性能要求有关，通常有不规则排列、规则排列以及栅格排列三种。不规则排列也称为随机排列。元器件的轴线方向彼此不一致，在板上的排列顺序也没有一定规则，如图所示。规则排列也称为坐标排列。元器件的轴线方向排列一致，并与板的四边垂直、平行,如图所示。栅格排列也称为网格排列。与规则排列相似但要求焊盘的位置一般要在正交网格的交点上,如图所示。不规则排列规则排列栅格排列电工电子技能实训教程四、印制电路的设计（1）焊盘的形状焊盘的