第六章印制电路板

第六章印制电路板工艺目录印制电路板概述印制电路板的设计目标印制电路板的基本选择印制电路板的排版布局印制电路板上的焊盘及导线印制电路板的手工设计图印制电路板制作工艺多层印制电路板和挠性印制电路板6.1印制电路板概述在绝缘基材上，按预定设计形成的印刷元件或印刷电路以及两者结合的导电图形称为印制电路（PrintedCircuit）。印制电路或印刷电路的产品板通称为印制电路板（PrintedCircuitBoard）。图6.1是几块常见的双面印制电路板。1．印制电路板的构成一块完整的印制电路板主要由以下几部分组成：（1）绝缘基材（2）铜箔面（3）阻焊层（绿油面）（4）字符层（白油面）（5）孔图6.1印制电路板2．印制电路板的功能（1）提供集成电路等各种电子元器件固定、组装的机械支撑，可实现元器件的自动化安装。（2）实现集成电路等各种电子元器件之间的电气连接或电绝缘。提供所要求的电气特性，如特性阻抗等。与手工焊等线连接相比，印制电路板连接具有一致性、重复生产性、高可靠性的特点，避免了人为的连接错误。（3）为自动锡焊工艺提供非焊接地区的阻焊图形。为元器件插装、检查、维修提供识别字符和图形。6.1.2覆铜板的类别和指标1．覆铜板的构成和类别覆铜板主要由铜箔、增强材料和粘合剂三种主要原料组成。通常我们按印制电路板铜箔面层数的多少，将印制电路板分成单面板、双面板和多层板等各类。根据印制电路板所用的不同增强材料划分，可将印制电路板分为纸基、玻璃布基和复合材料基三大类。按粘合剂分，则印制电路板又可分为：酚醛树脂型、环氧树脂型、三氯氰胺树脂型、聚酯型、聚酰亚胺型、聚四氟乙烯型、聚苯醚型等。表6.1列出了常用覆铜板的特性和主要用途名称标准厚度（mm）铜箔厚度（μm）特点应用酚醛纸敷铜板1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.2，6.450—70价格低、机械强度低、阻燃性能差、易吸水、不耐高温中、低档民用品环氧纸质敷铜板1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.2，6.435—70价格略高、机械强度、防潮性能、耐高温性能较好仪器、仪表及中档以上民用品环氧玻璃布敷铜板0.2，0.3，0.5，1.0，1.5，2.0，3.0，5.0，6.435—50价格较高、性能优于环氧及酚醛纸板、基板透明工业、军用及计算机等高档电器聚四氟乙烯敷铜板0.25，0.3，0.5，0．8，1.0，1.5，2.035—50价格高、介电常数低、介质损耗低、耐高温、耐腐蚀微波、高频电器、航天航空、导弹、雷达等聚烯亚氨柔性敷铜板0.2，0.5，0.8，1．2，1.6，2.035可挠性、质量低仪器、仪表柔性连接6.2印制电路板的设计目标对于印制电路板的设计目标，通常要考虑准确性、可靠性、工艺性和经济性四个因素。6.2.1印制电路板的准确性元器件和印制导线的连接关系必须符合电气原理图。6.2.2印制电路板的可靠性影响印制板可靠性的因素很多，其中有基板材料方面的、制板加工方面的和装配连接工艺方面的。6.2.3印制电路板的工艺性从工艺性考虑，应该分析整机结构及机内的体积空间，从而确定印制电路板的面积、形状和尺寸。6.2.4印制电路板的经济性印制板的经济性与前几方面的内容密切相关。根据成本分析，从生产制造的角度，选择覆铜板的板材、质量、规格和印制电路板的工艺技术要求。6.3印制电路板的基本选择6.3.1印制电路板的材质、形状、尺寸和厚度的选择1．确定板材材质板材材质主要是指印制电路板的基板材料，不同材质的印制电路板的机械性能与电气性能有很大差别。目前，国内常见覆铜板的种类有：·覆铜酚醛纸质层压板，·覆铜环氧纸质层压板，·覆铜环氧玻璃布层压板等。对于设计者来说，选用板材时必须考虑性能价格比，确定板材要依据整机的性能要求、使用条件以及销售价格进行综合考虑。对于印制板的种类，一般应该选用单面板或双面板。分立元器件的电路常用单面板，双面板多用于集成电路较多的电路，特别是双列直插式封装的元器件。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位置的大小决定。外形应该尽量简单。3．印制板尺寸印制板的尺寸应该接近标准系列值，要从整机的内部结构和印制板上元器件的数量、尺寸及安装、排列方式来决定。4．印制板的厚度在确定板的厚度时，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（如大容量的电解电容器或大功率器件等），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。6.3.2印制板对外连接方式的选择1．导线焊接方式这是一种最简单、廉价而可靠的连接方式，不需要任何接插件，只要用导线将印制板上的对外连接点与板外的元器件或其他部件直接焊牢即可。采用导线焊接方式应该注意如下几点：（1）电路板的对外焊点尽可能引到整板的边缘，并按照统一尺寸排列，以利于焊接与维修。（2）为提高导线连接的机械强度，避免因导线受到拉扯将焊盘或印制线条拽掉，应该在印制板上焊点的附近钻孔，让导线从电路板的焊接面穿绕过通孔，再从元件面插入焊盘孔进行焊接，如图6.2所示。（3）将导线排列或捆扎整齐，遍过线卡或其他紧固件将线与板固定，避免导线因移动而折断，见图6.3。2．插接件连接在比较复杂的仪器设备中，经常采用接插件连接方式。接插件的品种繁多，下面介绍几种，供设计时选择参考。图6.2电路板对外引线焊接方式错误基板导线铜箔焊锡基板正确铜箔图6.3用紧固件将引线固定在板上（1）印制板插座：如图6.4所示。（2）其他插接件：如图6.5印制板左上角的三个接插件。如果印制板上有大电流信号对外连接，可以采用矩形接插件。这种插座的体积较大，不宜直接焊接在电路板上。为了保证足够的机械强度和可靠的对外连接，需要另做支架，将电路板和插座同时固定。图6.4同一引出线用多个接点并联引出图6.5印制板上的插针式接插件6.4印制电路板的排版布局印制电路板设计的主要内容是排版设计。把电子元器件在一定的制板面积上合理地布局排版，是设计印制板的第一步。排版设计，不单纯是按照电路原理把元器件通过印制线条简单地连接起来。这里将介绍排版与布局的一般原则，力求使设计者掌握普通印制板的设计知识，使排版设计趋于合理。6.4.1按照信号流走向布局对整机电路的布局原则是：把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。在多数情况下，信号流向安排成从左到右（左输入、右输出）或从上到下（上输入、下输出）。与输入、输出端直接相连的元器件应当放在靠近输入、输出接插件或连接器的地方。以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。6.4.2优先确定特殊元器件的位置电子整机产品的干扰问题比较复杂，它可能由电、磁、热、机械等多种因素引起。所以在着手设计印制板的版面、决定整机电路布局的时候，应该分析电路原理，首先确定特殊元器件的位置，然后再安排其他元器件，尽量避免可能产生干扰的因素，并采取措施，使印制板上可能产生的干扰得到最大限度的抑制。所谓特殊元器件，是指那些从电、磁、热、机械强度等几方面对整机性能产生影响或根据操作要求而固定位置的元器件。6.4.3防止电磁干扰的考虑印制板设计方案可能造成的几种电磁干扰及其抑制方法：1．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。2．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。金属壳的元器件要避免相互触碰。6.4.4抑制热干扰的设计温度升高造成的干扰，在印制板设计中也应该引起注意。在排版设计印制板的时候，应该首先分析、区别哪些是发热元件，哪些是温度敏感元件。1．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。尽量不要把几个发热元器件放在一起，并且要考虑使用散热器或小风扇等装置，使元器件的温升不超过允许值。大功率器件可以直接固定在机壳上，利用金属外壳传导散热；如果必须安装在印制电路板上，则要特别注意不能将它们紧贴在板上安装，而要配置足够大的散热片，还应该同其他元器件保持一定距离，避免发热元器件对周围元器件产生热传导或热幅射。2．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，也不宜放在设备内部空间的上方；这些地方会因为电路的长期工作引起温度升高，影响到温度敏感元器件的工作状态及性能。6.4.5增加机械强度的考虑1．要注意整个电路板的重心平衡与稳定。对于那些又大又重、发热量较多的元器件（如电源变压器、大电解电容器和带散热片的大功率晶体管等），一般不要直接安装固定在印制电路板上。应当把它们固定在机箱底板上，使整机的重心靠下，容易稳定。否则，这些大型元器件不仅要大量占据印制板上的有效面积和空间，而且在固定它们时，往往可能使印制板弯曲变形，导致其他元器件受到机械损伤，还会引起对外连接的接插件接触不良。重量在15克以上的大型元器件，如果必须安装在电路板上，不能只靠焊盘焊接固定，应当采用支架或卡子等辅助固定措施。2．当印制电路板的板面尺寸大于200×150mm2时，考虑到电路板所承受重力和振动产生的机械应力，应该采用机械边框对它加固，以免变形；在板上留出固定支架、定位螺钉和连接插座所用的位置。6.4.6操作性能对元件位置的要求1．对于电位器、可变电容器或可调电感线圈等调节元件的布局，要考虑整机结构的安排。如果是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应，如果是机内调节，则应放在印制板上能够方便地调节的地方。2．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。6.4.7一般元器件的安装与排列1．元器件的安置布局布设元器件应该遵循的几条原则是：（1）元器件在整个版面上分布均匀、疏密一致。（2）元器件不要占满版面，注意板边四周要留有一定空间。留空的大小要根据印制板的面积和固定方式来确定，位于印制电路板边上的元器件，距离印制板的边缘至少应该大于2mm。电子仪器内的印制板四周，一般每边都留有5-l0mm空间。（3）一般元器件应该布设在印制板的一面，并且每个元器件的引出脚要单独占用一个焊盘。（4）元器件的布局不能上下交叉（如图6.6）。相邻的两个元器件之间，要保持一定间距。间距不得过小，避免相互碰接。如果相邻元器件的电位差较高，则应当保持安全距离。一般环境中的间隙安全电压是200V／mm。（5）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变差，容易倒伏或与相邻元器件碰接。（6）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，应该使体积较大的元件的轴线方向在整机中处于竖立状态，可以提高元器件在板上固定的稳定性，如图6.7所示。（7）元件两端焊盘的跨距应该稍大于元件体的轴向尺寸，如图6.8所示。引线不要齐根弯折，弯脚时应该留出一定距离（至少2mm），以免损坏元件。图6.6元件布局图6.7元件布设方向较大元件合理不合理合理不合理图6.8元件装配正确错误2．元器件的安装固定方式在印制板上，元器件有立式与卧式两种安装固定的方式。卧式是指元器件的轴线方向与印制板面平行，立式则是垂直的，如图6.9所示。（1）立式安装：立式固定的元器件占用面积小，单位版面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，例如半导体收音机、助听器等。（2）卧式安装：和立式固定相比，元器件卧式安装具有机械稳定性好、版面排列整齐等优点。3．元器件的排列格式有不规则与规则两种方式。这两种方式在印制板上可以单独采用，也可以同时采用。（1）不规则排列：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。（2）规则排列：元器件的轴线方向排列一致，并与板的四边垂直或平行。图6.9元器件的安装方式(a)元件的卧式安装(b)元件的立式安装4．元器件焊盘的定位元器件的每个引出线都要在印制板上占据一个焊盘，焊盘的位置随元器件的尺寸及其固定方式而