印制电路板的设计与制作培训课件

第四章印制电路板的设计与制作印制电路板（PCB、印刷电路板）：

它可实现各元器件之间的电器连接，并可作为各元器件固定、支撑的载体。印制电路板由绝缘基板、印制导线、焊盘等构成，是现代电子产品的基本组成部分之一。教学要求：通过本章的学习，使学生了解印制电路板的基本性能，掌握印制电路板的基本设计方法和常见的几种制作工艺。§4.1覆铜板一、覆铜板的结构覆铜板是把一定厚度的铜箔通过粘接剂热压在一定厚度的绝缘基板上而构成。它通常分为：单面覆铜板、双面覆铜板、多层覆铜板绝缘基板铜箔1．绝缘基板绝缘基板的组成：高分子合成树脂：基板的主要成份，决定电气性能。增强材料：主要用于提高机械性能。①增强材料的类型布质（编织物）增强材料。纸质增强材料。纸质增强材料包括牛皮纸、亚硫酸盐纸、α纤维素纸和棉花（废布）纸。②合成树脂的类型

酚醛树脂绝缘基板：价格低廉，机械性能和电气性能均可，主要用于民用设备。缺点是易吸水，吸水后电气性能降低，工作温度不超过100℃，在恶劣环境中不适宜采用。环氧树脂绝缘基板：对各种材料有良好的粘合性，硬化收缩小，能耐化学药品、溶济和油类，电气绝缘性能好，是印制电路绝缘基板中的优质材料，一般用于军品或高可靠性场合。三氯氰胺绝缘基板：抗热性能、电气性能均较好，但较脆。表面很硬，耐磨性很好，介质损耗小，适用于军工或特殊电子仪器。有机硅树脂绝缘基板：抗热性能特别好，介质损耗小，但铜箔和基板的附着力不大。2．铜箔选用铜箔的依据：当金属箔用于印制线路板时，必须具有较高的导电率、良好的焊接性能和延展性能、以及与绝缘基板牢固的附着力等。铜在所有金属中是比较符合要求的。对铜箔的要求：外观：连续成卷，表面光亮不得有砂眼、凹隙、轧皱等。纯度：不小于99.8%厚度：0.05±0.005mm（铜箔的厚度要适中）。部分国家关于铜箔厚度的规定见下表。粘合剂粘合剂采用聚乙烯醇缩醛胶（如JSF-4胶），用乙醇作溶剂。4.覆铜板的生产工艺流程二、覆铜板的类型根据《印制电路用覆铜箔酚醛纸层压板》（GB4723-84）规定，覆铜板的型号及特性见表。三、覆铜板的性能参数1．抗弯强度：表示材料能承受弯曲、冲击、振动的能力，以单位面积受的力来计算，单位为kg/cm2（英美国家为磅/平方英寸）。2．抗剥强度：是指在覆铜板上，剥开1cm宽度的铜箔所需要的力，用kg/cm来表示。它用来衡量铜箔与基板之间的结合力。3．耐浸焊性：指覆铜板置入一定温度的熔融焊锡中停留一段时间（大约10s）后，所能承受的铜箔抗剥能力。5．翘曲度：用来衡量板材的翘曲程度，双面印制电路板的翘曲度比单面的好，厚的比薄的好。四、覆铜板的厚度根据国标GB4723-84规定，覆铜板的厚度见下表所示。§4.2印制电路板板的排版设设计评价印制电电路板的设设计质量，，通常考虑虑下列因素素：线路的设计计是否给整整机带来干干扰；电路的装配配与维修是是否方便；；制板材料的的性能价格格比是否最最佳；电路板的对对外引线是是否可靠；；元器件的排排列是否均均匀、整齐齐；版面布局是是否合理、、美观。一、设计印印制电路板板的准备工工作1.印制电电路板的设设计前提确定设计方方案，完成成电路设计计；元器件的选选择；仿真验证；；电路方案试试验；对电路试验验结果的分分析及对电电路设计的的改进；考虑虑整整机机的的机机械械结结构构和和安安装装使使用用。。2.印印制制电电路路板板的的设设计计目目标标准确确性性：：元元器器件件和和印印制制导导线线的的连连接接关关系系必必须须符符合合印印制制板板的的电电气气原原理理图图。。可靠靠性性：：印印制制电电路路板板的的可可靠靠性性是是影影响响电电子子设设备备可可靠靠性性的的一一个个重重要要因因素素。。工艺艺性性：：印印制制电电路路板板的的制制造造工工艺艺尽尽可可能能简简单单；；根根据据电电路路的的复复杂杂程程度度确确定定电电路路板板的的形形状状，，充充分分考考虑虑生生产产的的需需求求。。经济济性性：：在在设设计计印印制制电电路路板板时时，，应应考考虑虑和和通通用用的的制制造造工工艺艺、、方方法法相相适适应应。。此此外外，，应应尽尽可可能能采采用用标标准准的的尺尺寸寸结结构构，，选选用用合合适适的的基基板板材材料料，，运运用用巧巧妙妙的的设设计计技技术术来来降降低低成成本本。。3.板板材材、、形形状状、、尺尺寸寸和和厚厚度度的的确确定定①板板材材的的确确定定常用用的的覆覆铜铜板板有有酚醛醛纸纸板板、酚醛醛玻玻璃璃布布板板，环氧氧玻玻璃璃布布板板等。。选择择板板材材的的依依据据是是整整机机的的性性能能要要求求、、使使用用尺尺寸寸、、整整机机价价格格等等。。选选择择时时要要统统筹筹考考虑虑，，既既要要了了解解覆覆铜铜板板的的性性能能指指标标，，又又要要熟熟悉悉电电子子产产品品的的特特点点，，以以获获得得良良好好的的性性能能价价格格比比。。若电电路路板板面面积积较较小小、、元元器器件件不不多多、、印印制制线线较较宽宽、、产产品品售售价价较较低低，，可可选选用用酚酚醛醛纸纸板板。。否否则则用用环环氧氧玻玻璃璃布布板板。。分立立元元件件多多的的用用单单面面板板，，集集成成电电路路多多的的用用双双面面或或多多面面板板。。②印印制制电电路路板板形形状状的的选选择择印制制电电路路板板的的形形状状通通常常由由整整机机结结构构和和内内部部空空间间的的大大小小确确定定。。（（原原则则））一般般采采用用长长方方形形（（3：：2或或4：：3）），，尽尽量量不不用用异异形形板板。。根据据整整机机的的安安装装要要求求确确定定特特形形的的电电路路板板。。（（收收音音机机））在一些批量量生产中，，为了降低低线路板的的制作成本本，提高线线路板的自自动装焊率率，常把两两、三块面面积小的印印制电路板板和主印制制电路板共共同设计成成一个矩形形。待装焊焊后沿工艺艺孔掰开，，分别装在在整机的不不同部位上上。③印制电电路板的尺尺寸的选择择选择印制电电路板的尺尺寸选择要要考虑整机机的内部结结构及印制制电路板上上元器件的的数量及尺尺寸。板上元器件件排列彼此此间要留有有一定的间间隔。特别别是在高压压电路中，，更要注意意留有足够够的间距。。在考虑元器器件所占面面积的同时时，还要考考虑发热元元器件所需需散热片的的尺寸。在确定了板板的面积后后，四周还还应留出5~10mm（单边边），以便便于印制电电路板在整整机中的固固定。确定电路板板的固定孔孔的位置及及大小。④板厚的的确定根据国标GB2473-84规定，覆覆铜板的标标称厚度有有0.2，，0.5，，0.8，，1.0，，1.2，，1.6，，2.0，，2.4，，3.2，，6.4，，0.7，，1.5mm等多种种。在确定定板厚时，，主要考虑虑以下因素素：当印制板对对外通过直直接式插座座连接时，，过厚插不不进去，过过薄接触不不良。一般般应选1.5mm左左右。要考虑板的的尺寸、板板上元器件件的体积、、重量等。。板的尺寸寸及元器件件重量过大大，都应适适当增加板板厚，否则则容易产生生翘曲。4.印制电电路板对外外连接方式式的选择①导线焊焊接方式：：是指用导导线将印制制电路板上上的对外连连接点与板板外元器件件或其他部部件直接焊焊接，不需需要任何接接插件。常常用于对外外连接较少少的场合。。采用导线焊焊接方式时时，应注意意以下几点点：印制电路板板的对外焊焊点应尽可可能引至整整板的边缘缘，并按一一定尺寸排排列，以利利于焊接和和维修。引线应通过过印制电路路板上的穿穿线孔从电电路板的元元件面穿过过，再进行行焊接，避避免将导线线拽掉。将导线排列列或捆扎整整齐，用线线卡或其它它紧固件将将线与板固固定，避免免导线因移移动而折断断。例：②接插件件连接方式式接插件连接接是指通过过插座将印印制电路板板上对外连连接点与板板外元器件件进行连接接。其优点点是调试方方便，缺点点是因接触触点多，可可靠性较差差。二、印制电路板板的排版布布局印制电路板板布局的一一般原则按照信号流流走向的布布局原则；；以核心元器器件为中心心，围绕它它来进行布布局；优先确定特特殊元器件件的位置。。防止电磁干干扰的考虑虑：相互可能产产生影响或或干扰的元元器件，应应当尽量分分开或采取取屏蔽措施施。由于某些元元器件或导导线之间可可能有较高高电位差，，应该加大大它们的距距离，以免免因放电、、击穿引起起意外短路路。抑制热干扰扰的设计：：装在板上的的发热元器器件（如功功耗大的电电阻）应当当布置在靠靠近外壳或或通风较好好的地方，，以便利用用机壳上开开凿的通风风孔散热。。对于温度敏敏感的元器器件，如晶晶体管、集集成电路和和其他热敏敏元件、大大容量的电电解电容器器等，不宜宜放在热源源附近或设设备内的上上部。增加机械强强度的考虑虑：对于那些又又大又重、、发热量较较多的元器器件，一般般不要直接接安装固定定在印制电电路板上。。当印制电路路板的版面面尺寸大于于200mm×150mm时时，考虑到到电路板所所承受重力力和震动产产生的机械械应力，操作性能对对元器件位位置的要求求：考虑电位器器、可变电电容器或可可调电感线线圈等调节节元件的布布局。为了保证调调试、维修修的安全，，特别要注注意带高电电压的元器器件（例如如显示器的的阳极高压压电路元件件），尽量量布置在操操作时人手手不易触及及的地方。。2.一般元元器件的安安装与排列列元器件的布布设原则：：元器件在整整个板面应应布设均匀匀，疏密一一致。元器件不要要占满板面面四周，一一般每边应应留有5~10mm。元器件布设设在板的一一面，每个个元器件的的引出脚单单独占用一一个焊盘。。元器件间应应留有一定定的间距。。间隙安全全电压为200V/mm。元器件安装装高度应一一致，且尽尽量矮，一一般引线不不超过5mm，过高高则稳定性性变差，易易倒或与相相邻元件碰碰接。元器件的布布设不可上上下交叉。。规则排列的的元器件其其轴线方向向在整机中中处于竖立立状态。元器件两端端的跨距应应稍大于元元器件的轴轴向尺寸，，弯脚时不不要齐跟弯弯，应留有有一定距离离（至少2mm），，以免损坏坏元件。3.元器器件的安装装固定方式式立式安装：：是指元器件件的轴线方方向与印制制电路板垂垂直。卧式安装：：是指元器件件的轴线方方向与印制制电路板平平行。4.元器件件排列方式式不规则排列列：指元器器件轴线方方向不一致致，在板上上的排列顺顺序无规则则。其优点是印制制导线短而而少，减小小了印制电电路板间的的分布参数数，抑制了了干扰。尤其是对于于高频电路路有利。但但看起来杂杂乱无章，，不太美观观。规则排列：：是指元器件件轴线方向向排列一致致，并与印印制电路板板的四周垂垂直或平行行。其优点是元器器件排列规规范，板面面美观整齐齐，安装、、调试、维维修方便。但导线布布设较为复复杂，印制制导线相应应增多。5.元器器件焊盘的的定位焊盘的中心心（即引线线孔的中心心）距离印印制板的边边缘不能太太近，一般般距离应在在2.5mm以上，，至少应该该大于板的的厚度。焊盘的位置置一般要求求落在正交交网格的交交点上，如如图4-15所示。。在国际IEC标准准中，正交交网格的标标准格距为为2.54mm（0.1in）；国内内的标准是是2.5mm。§4.3印制电路板板上的焊盘盘及导线一、焊盘焊盘也称为为连接盘，，是指元器器件的每个个引出脚都都要在印制制电路板上上单独占据据一个孔位位，通过焊焊锡固定在在板上，此此孔及周围围的铜箔称称为焊盘。。引线孔铜箔1.引线线孔的直径径元器件引线线孔的直径径应该比引引线的直径径大0.2～0.3mm，优优先采用0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm等尺尺寸。在同一块电电路板上，，孔径的尺尺寸规格应应当少一些些。要尽可可能避免异异形孔，以以便降低加加工成本。。绝缘基板2.焊盘盘的外径普通单面板板：D≥≥d+1.3mm高密度的单单面电路板板：Dmin＝d+1mm双面电路板板：Dmin≥2ddD3.焊盘盘的形状岛形焊盘：：适用于元器器件密集、、不规则排排列的电子子产品。由由于焊盘面面积大，抗抗剥离强度度增大，可可以降低覆覆铜板的档档次。圆形焊盘：：一般在在元器器件规规则排排列的的单面面及双双面电电路板板中使使用。。方形焊焊盘：：常用于于表示示元器器件的的正极极或第第一脚脚。其它类类型的的焊盘盘：椭圆焊盘矩形焊盘多边形焊盘泪滴焊盘异形焊盘灵活设计的焊盘二、过过孔实现电电路板板的层层之间间的电电气连连接。。用于于双层层或多多层电电路板板中。。比焊焊盘小小，不不焊装装元器器件。。三、印印制导导线1.印印制制导线线的宽宽度印制导导线的的宽度度与通通过的的电流流有关关，应应宽窄窄适度度，与与板面面焊盘盘协调调。一一般在在0.3~2.5mm之之间。。印制导导线的的载流流量可可按20A/mm2计算算，即即当铜铜箔厚厚度为为0.05mm时，，1mm宽宽的印印制导导线允允许通通过1A的的电流流，即即线宽宽的毫毫米数数就是是载流流量的的安培培数。。一般采采用：：8mil，15mil，30mil，50mil，100mil等等。2.印印制制导线线的间间距印制导导线间间应保保持一一定的的间距距，导导线间间的间间隙安安全电电压为为200V/mm。。下表表给出出了导导线间间距与与安全全电压压之间间的关关系。。在一般般情况况下，，导线线间的的最小小间隙隙不要要小于于0.3mm，，以消消除相相邻导导线间间的电电压击击穿及及飞弧弧。在在板面面允许许情况况下，，导线线间隙隙一般般不小小于1mm。3.印制导导线的的走向向和形形状印制导导线是是印制制电路路板上上连接接元器器件，，电流流流通通的导导线。。其布布设应应遵循循以下下原则则：印制导导线以以短为为佳，，能走走捷径径，决决不绕绕远。。走向以以平滑滑自然然为佳佳，避避免急急拐弯弯和尖尖角。。公共地地线应应尽量量增大大铜箔箔面积积。不合理合理4.导导线线的布布局优先布布设信信号线线；电源线线（注注意合合适的的线宽宽）；；地线（（可以以使用用大面面积铜铜箔，，有屏屏蔽作作用））；导线之之间不不能交交叉（（可以以使用用“跳跳线””）；；相邻两两层的的布线线采用用垂直直布线线（双双面板板）；；特殊器器件的的布线线需参参考器器件的的数据据手册册。四、印印制导导线的的抗干干扰和和屏蔽蔽1.地地线线布置置引起起的干干扰原因：：如印制制导线线AB长为为10cm，宽宽为1.5mm，铜铜箔厚厚度为为0.05cm，根根据材材料电电阻的的计算算公式式：电路Ⅰ电路ⅡI1I2I1+I2AB当通过过大电电流时时，会会产生生较大大的压压降；；若通过过30MHZ以以上的的高频频信号号时，，感抗抗达到到16欧姆姆。解决的的方法法：①并联分分路式式电路Ⅰ电路Ⅱ电路Ⅲ②大大面积积覆盖盖接地地大面积积覆盖盖接地地是指指尽量量扩大大印制制电路路板上上的地地线面面积。。这样样，既既可以以有效效地减减小地地线中中的感感抗，，削弱弱在地地线上上产生生的高高频信信号，，又可可以对对电场场干扰扰起到到屏蔽蔽作用用。③模模拟地地和数数字地地分开开；交交流地地和直直流地地分开开。2.电电源干扰扰的产生生与对策策原因：电子仪器器的供电电大多数数是由交交流电通通过降压压、整流流、稳压压后供给给。供电电电源的的质量直直接影响响整机的的性能指指标。印制电路路板设计计不合理理或工艺艺布线不不合理，，就会使使交直流流回路彼彼此相连连，造成成交流信信号对直直流产生生干扰，，使电源源质量下下降。对策：大电流线线不要走走平行大大环线；；电源线和和信号线线不要平平行，不不要太近近。3.磁磁场的干干扰与对对策原因：印制导线线之间的的寄生耦耦合；磁性元件件对印制制导线的的干扰。。对策：弱信号的的线尽量量短，并并避免和和其它信信号线平平行；相邻两层层的信号号线尽量量垂直布布设；印制导线线采屏蔽蔽措施；；考虑磁性性元件的的位置。。§4.4板图设计计的要求求和制板板工艺文文件一、版图图设计的的一般程程序板图：是指能够够准确反反映元器器件在印印制板上上的位置置与连接接的设计计图，是是送交专专业制板板厂家的的依据。。手工绘制制印刷电电路板图图；采用CAD软件件，直接接在计算算机上绘绘制电路路板图。。版图设计计的一般般程序：：原理图设设计；确定元器器件的型型号、封封装，产产生网络络表；确定电路路板的形形状尺寸寸；装入元器器件；布局；布线；根据布线线情况调调整元器器件的布布局；电源及地地线的处处理；校验；送专业厂厂制作。。原理图设设计环境境下完成成印刷电路路板设计计环境下下完成二、制板板工艺文文件制板的技技术要求求，应该该用文字字准确、、清晰、、有条理理地写出出来，主主要内容容包括：：板的材质质、厚度度，板的的外形及及尺寸、、公差；；焊盘外径径、内径径、线宽宽、焊盘盘间距及及尺寸、、公差；；焊盘钻孔孔的尺寸寸、公差差及孔金金属化的的技术要要求；印制导线线和焊盘盘的镀层层要求（（指镀金金、银、、铅锡合合金等））；板面助焊焊剂、阻阻焊剂的的使用；；其他具体体要求。。计算机绘绘制的版版图文件件：（双面板板）印刷板外外形图；；元件面丝丝印图；；元件面布布线图；；焊接面丝丝印图；；焊接面布布线图；；焊盘图；；阻焊图。。§4.5印制电路路板的制制造工艺艺简介减成法工工艺：即在覆满满铜箔的的基板上上，按照照设计要要求采用用机械或或化学方方法，除除去不需需要的部部分，得得到导电电图形的的方法。。1.底底图胶片片制版◆照相制版法：1：1的的图片双面板要要有正反反两面的的相版，，尺寸完完全一致致。一、印制制电路板板制造过过程的基基本环节节◆CAD光光绘法应用CAD软件件设计的的版图文文件获得得的数据据文件来来驱动光学绘图图机，使感光光胶片曝曝光，经经过暗室室操作制制成原版版底片。。CAD光光绘法制制作的底底图胶片片精度高高，质量量好，但但成本较较高，近近年来CAD光光绘法已已经取代代了照相相制版法法。2.图图形转移移图形转移移是指把把像版上上的印制制电路图图形转移移到覆铜铜板上。。◆丝网漏印印法用胶片制制作电路路图形丝丝网；用助焊剂剂漏印焊焊盘；用阻焊剂剂漏印印印制导线线；干燥处理理。◆直接感光法清洁处理理感光胶感光胶发发生化学学反应感光部分分硬化，，其他部部分溶解解固膜修补◆光敏干膜膜法3.化化学蚀刻刻蚀刻在生生产线上上也称烂烂板，它它是利用用化学方方法去除除板上不不需要的的铜箔，，留下组组成图形形的焊盘盘、印制制导线及及符号等等。◆蚀刻溶液液三氯化铁铁蚀刻液液：适用用于实验验室中适适用。酸性氯化化铜蚀刻刻液：单单、双面面板的蚀蚀刻。碱性氯化化铜蚀刻刻液：电电镀锡铅铅合金双双面板及及多层板板。过氧化氢氢-硫酸酸蚀刻液液：新的的蚀刻液液。大量使用用蚀刻液液时，应应注意环环境保护护，要采采取措施施处理废废液并回回收废液液中的金金属铜。。◆蚀刻方法法浸入式泡沫式泼溅式喷淋式◆清洗流水清洗洗法中和清洗洗法4.孔孔金属化化和金属属涂覆◆金属化孔孔金属化孔孔是利用用化学镀镀技术，，即氧化化——还还原反应应，把铜铜沉积在在过孔或焊盘的孔壁上上，使原原来非金金属化的的孔壁金金属化。。金属化化后的孔孔称为金金属化孔孔。作用：解解决双面面板两面面的导线线或焊盘盘连通。。步骤：钻钻孔、孔孔壁处理理、化学学沉铜、、电镀铜铜加厚。。方法：板板面电镀镀法、图图形电镀镀法、反反镀漆膜膜法、堵堵孔法、、漆膜法法等。检验：外外观、电电性能、、孔的电电阻变化化率、机机械强度度、金相相剖析实实验等。。◆金属涂覆为了提高印印制电路的的导电性、、可焊性、、耐磨性、、装饰性，，延长印制制板的使用用寿命，提提高电气的的可靠性，，而在印制制电路板的的铜箔上涂涂敷一层金金属膜。金属涂覆的的方法：电镀法：镀镀层致密、、牢固、厚厚度均匀可可控，但设设备复杂，，成本较高高。多用于于要求高的的印制电路路板和镀层层，如插头头部分镀金金（金手指指）等。化学镀法：：设备简单单，操作方方便，成本本低，但镀镀层厚度有有限，牢固固性差。只只适用于改改善可焊性性的表面涂涂覆，如板板面镀银或或镀镍金（（水金）等等金属涂覆的的材料银：银层易易发生硫化化而变黑，，降低了可可焊性和外外观