印制电路板的设计与制作Word文件下载.docx
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第1章印刷电路板根底知识
1.1印刷电路板概述
印刷电路板〔PrintedCircuitBoard,简称PCB〕又称印制板，是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的提供者。
由于它是采用电子印刷术制作的，故被称为“印刷〞电路板。
印制电路板的设计是以电路原理图为根据，实现电路设计者所需要的功能。
印刷电路板的设计主要指版图设计，需要考虑外部连接的布局、内部电子元件的优化布局、金属连线和通孔的优化布局、电磁保护、热耗散等各种因素。
优秀的版图设计可以节约生产本钱，达到良好的电路性能和散热性能。
这才是有价值的印刷电路板。
1.1.1PCB介绍
PCB是电子产品的重要部件之一，几乎每种电子设备，小到电子手表、计算器，大到计算机、通信电子设备、自动化控制系统，只要存在电子元器件、它们之间的电气互连就要使用PCB。
在电子产品的研发过程中，影响电子产品成功的最根本因素之一是该产品的PCB的设计和制造，PCB的设计和制造质量直接影响到整个电子产品的质量和本钱，甚至影响电子产品在市场竞争中的竞争力。
在电子技术开展早期，元件都是用导线连接的，而元件的固定是在空间中立体进展的。
电路由电源、导线、开关和元器件构成，就像实验室里电工实验电路那样。
随着电子技术的开展，电子产品的功能、结构变得很复杂，元件布局、互连布线都不能像以往那样随便，否那么检查起来就会眼花缭乱；
因此，人们对元件和线路进展了规划。
用一块板子为根底，在板上分配元件的布局，确定元件的接点，使用铆钉、接线柱作为接点，用导线把接点按照电路要求，在板的一面布线，另一面装元件，这就是最原始的电路板。
这种类型的电路板在真空电子管时代非常盛行。
线路的接法有直线连接〔接点到接点的连线拉直〕和曲线连接。
后来，大多数人采用曲线连接，尽量减少使用直线连接。
线路都在同一个平面分布，没有太多的遮盖点，检查起来容易。
这时电路板已初步形成了“层〞的概念。
单面敷铜板的发明，成为电路板设计与制作新时代的标志。
布线设计和制作技术都已开展成熟。
先在敷铜板上用模板印刷防腐蚀膜图，然后再腐蚀刻线，这种技术就像在纸上印刷那么简便，“印刷电路板〞因此得名，英文PrintedCircuitBoard,简称PCB。
印刷电路板的应用大幅度降低了生产本钱，从晶体管时代到现在，这种单面印刷电路板一直得到了广泛的应用。
随着技术进步，人们又发明了双面板，即在板子两面都敷铜，两面都可腐蚀刻线。
1.1.2电路板的开展与功能
1．电路板的开展
由于电路的复杂性，有时也用到“飞线〞。
但电路的布线不是把元件按电路原理简单连接起来就可以，电路工作时电磁感应、电阻效应、电容效应的都会影响电路的性能，甚至会引起严重的质量问题，如自激、信号不完整传输、电磁干扰等问题。
飞线的方法只能解决少量的信号交织问题，数量太多是不可取的。
而且，硬要把所有线路都排在有限的两个面上，又要降低电磁感应、电阻效应、电容效应，使得布线设计的任务十分艰巨。
线太细太密，不但加工困难、干扰大，而且容易烧断和发生断路故障。
假设保证了线宽和线间距，电路板的面积就可能太大，不利于精细设备的小型化。
这些问题的出现促使了印制电路板设计和制作工艺的开展。
随着电子产品生产技术的开展，开始在双面电路板的根底上开展夹层，其实就是在双面板的根底上叠加上一块单面板，这就是多层电路板。
起初，夹层多用做大面积的地线、电源线的布线，表层都用于信号布线。
后来，要求夹层用于信号布线的情况越来越多，这要求电路板的层数也要增加。
但夹层不能无限增加，主要原因是本钱和厚度问题。
电子产品设计要考虑性价比这个矛盾的综合体，而最实际的设计方法仍然是以表层做信号布线层为首选。
高频电路的元件也不能排的太密，否那么元件本身的辐射会直接对其他元件产生干扰。
层与层之间的布线应错开成十字走向，以减少布线电容和电感。
2．印刷电路板的功能
印制电路板在电子设备中具有如下功能：
提供集成电路等各种电子元器件固定、装配的机械支撑；
实现集成电路等各种电子元器件之间的布线和电气连接或电绝缘；
提供所要求的电气特性，如特性阻抗等；
为自动焊锡提供阻焊图形，为元件插装、检查、维修提供识别字符和图形。
有关印制板的一些根本术语如下；
在绝缘基材上，按预定设计，制成印刷线路、印制元件或由两者结合而成的导电图形，称为印刷线路，它不包括印制元件。
印制电路或者印制线路的成品板称为印制电路板或印制线路板，也称印制板。
电子设备采用印制板后，由于同类印制板的一致性，防止了人工接线的过失，并可实现电子元器件自动插装或贴装、自动焊锡、自动监测，保证了电子产品的质量，提高了劳动生产率、降低了本钱，且便于维修。
1.2印制电路板的分类
根据电路层数分类：
分为单面板、双面板和多层板。
常见的多层板一般为4层板或6层板，复杂的多层板可达十几层。
1．单面板
单面板〔Single-SidedBoards〕在最根本的PCB上，零件集中在其中一面，导线那么集中在另一面上。
因为导线只出现在其中一面，所以这种PCB叫作单面板〔Single-sided〕。
因为单面板在设计线路上有许多严格的限制〔因为只有一面，布线间不能交叉而必须绕独自的路径〕，所以只有早期的电路才使用这类的板子。
单面板结构比拟简单，制作本钱较低，因此通常批量生产的电子产品会采用单面板，例如电视机、显示器的电路板。
但是对于复杂的电路，由于只能在一个面上走线并且不允许交叉，单面板布线难度很大，布通率往往较低，当然如果剩下的未布通的导线不多，可以通过焊接飞线来连接。
不过如果飞线太多，不但焊接印制电路板的工作量加大，而且焊接飞线本来就是一种隐患，时间久了，飞线容易脱落。
因此，通常只有电路比拟简单时才采用单面板的布线方案。
2．双面板与多层板
双面板〔Double-SidedBoards〕这种电路板的两面都有布线，不过要用上两面的导线，必须要在两面间有适当的电路连接才行。
这种电路间的“桥梁〞叫做导孔〔via〕。
导孔是在PCB上，充满或涂上金属的小洞，它可以与两面的导线相连接。
因为双面板的面积比单面板大了一倍，而且因为布线可以互相交织〔可以绕到另一面〕，它更适合用在比单面板更复杂的电路上。
目前，外表贴装〔不钻孔，直接焊接在PCB外表上〕的使用越来越广泛，在使用外表贴装时，可以根据需要将元器件焊接在任意一面上，这时候元器件面和焊接面的区别就不是很明显了，但是作为一种标识，PCB仍然会区分元器件面和焊接面。
多层板〔Multi-LayerBoards〕为了增加可以布线的面积，多层板用上了更多单或双面的布线板。
用一块双面作内层、二块单面作外层或二块双面作内层、二块单面作外层的印刷线路板，通过定位系统与绝缘粘结材料交替在一起且导电图形按设计要求进展互连的印刷线路板就成为四层、六层印刷电路板了，也称为多层印刷线路板。
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。
大局部的主机板都是4到8层的结构，不过技术上理论可以做到近100层的PCB板。
大型的超级计算机大多使用相当多层的主机板，不过因为这类计算机已经可以用许多普通计算机的集群代替，超多层板已经渐渐不被使用了。
因为PCB中的各层都严密的结合，一般不太容易看出实际数目，不过如果仔细观察主机板，还是可以看出来。
3．其他电路板
根据制作材料的不同，PCB可以分为刚性印制板和挠性印制板
刚性印制板包括酚醛纸质层压板、环氧纸质层压板、聚酯玻璃毡层压板、环氧玻璃布层压板等；
挠性印制板包括聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜、氟化乙丙烯〔FEP〕薄膜等。
挠性印制板又称软件印制电路板，即FPC,软性电路板是以聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成的一种具有高可靠性和较高曲挠性的印制板。
挠性印制板散热性能好，具有可弯曲、折叠、卷绕等优点，也可在三维空间随意移动和伸缩。
可利用FPC缩小体积，实现轻量化、小型化、薄型化，从而实现元器件装置和导线连接一体化。
FPC广泛应用于计算机、通信、航天与家电等行业。
1.3印刷电路板的开展趋势
印制电路板从单层板开展到双面板、多层板和挠制板，并不断地向高精度、高密度和高可靠性方向开展。
不断缩小体积、减少本钱、提高性能，使得印制板在未来电子产品的开展过程中，仍然保持强大的生命力。
1.3.1印制电路板要求
对于双面板和多层板而言，印制板技术水平的标志是把大批量生产的印制板在2.50mm或2.54mm标准网格交点上的两个焊盘之间，能布设导线的根数作为标志。
在两个焊盘之间布设一根导线，为低密度印制板，其导线宽度大于0.3mm。
在两个焊盘之间布设2根导线，为中密度印制板，其导线宽度约为0.2mm。
在两个焊盘之间布设3根导线，为高密度印制板，其导线宽度为0.1~0.15mm。
在两个焊盘之间布设4根导线，可算超高密度印制板，线宽度为0.05~0.08mm。
对于多层板来说，还应以孔径大小、层数多少作为综合衡量标志。
密集组装板面打线〔WireBond〕盛行，镀镍镀金越来越重要，柱状溴化镍将兴起，PCB设计与制作技术难度加大，薄板、大尺寸排板、小孔剧增，纵横比〔AspeetRatio〕加大，水平反脉冲与垂直反脉冲供电方式被广泛应用，盲孔镀铜那么以垂直自走涡流搅拌方式为宜，如UCON。
细线制作困难，特性阻抗要求也越来越严格，对线边齐直度要求也逐渐苛求。
方式如：
采用薄铜皮、平行光曝光、湿膜薄光阻、局部蚀刻法〔PartialEtching〕或砂带削薄法等进展批量生产。
要考虑印制电路板尺寸大小，如果尺寸过大会使印制线条长，阻抗增加，不仅抗噪声能力下降，本钱也高；
但尺寸过小，那么散热不好，同时易受临近线条干扰。
要求其尺寸要适中。
因此，设计电路板首先对PCB的大小和外形，给出一个合理的定位。
再确定特殊元件的位置和单元电路等，要按电路的流程把整个电路分为几个单元电路或模块，并以每个单元电路的核心元件（如集成电路）为中心，其它的元件要按一定的顺序均匀、整齐紧凑地排列在PCB板上，但不要太靠近这些大的元件，要有一定的距离，特别一些比拟大、比拟高的元件周围要保持一定的距离，这样有助于焊接和返修。
一些开关、微调元件等应该放在易于操作的地方。
同一块印制板上的器件应尽可能按其发热量大小与散热程度分区排列，发热量小或耐热性差的器件（如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等）放在冷却气流的最上流（入口处），发热量大或耐热性好的器件放在冷却气流最下游。
在同频电路中应考虑元器件之间的分布参数，一般高频电路中应考虑元器件之间的分布参数，一般电路尽可能使元器件平行排列，这样不但美观，而且易于装焊，同时易于批量生产。
1.3.2国内外电路板的开展趋势
目前，全球PCB产业产值占电子元件产业总产值的四分之一以上，是各个电子元件细分产业中比重最大的产业，产业规模达400亿美元。
同时，由于其在电子根底产业中的独特地位，已经成为当代电子元件业中最活跃的产业，2003和2004年，全球PCB产值分别是344亿美元和401亿美元，同比增长率分别为5.27%和16.47%。
我国的PCB研制工作始于1956年，1963-1978年，逐步扩大形成PCB产业。
改革开放后20多年，由于引进国外先进技术和设备，单面板、双面板和多层板均获得快速开展，国内PCB产业由小到大逐步开展起来。
2002年，成为第三大PCB产出国。
2003年，PCB产值和进出口额均超过60亿美元，成为世界第二大PCB产出国。
我国PCB产业近年来保持着20%左右的高速增长，并预计在2010年左右超过日本，成为全球PCB产值最大和技术开展最活跃的国家。
从产量构成来看，中国PCB产业的主要产品已经由单面板、双面板转向多层板，而且正在从4～6层向6～8层以上提升。
随着多层板、HDI板、柔性板的快速增长，我国的PCB产业结构正在逐步得到优化和改善。
在北美的许多印制板制造商们企盼着美国电子工业衰退的终结，但未见明显上升，美国的印制板制造商们除了采取在本土裁员或关厂等应急措施外，为了长远的开展，他们将战略重点转移到亚洲。
西方厂商看重东方市场，电子制造业在亚洲获得空前开展，尤其是在中国。
目前，中国已经成为电子制造业大国。
随着改革开放的深入，以与中国的##久安和社会的稳定，吸引了越来越多的境外厂商。
这是中国企业难得的机遇，只有牢牢抓住这个机遇，寻找差距，迅速提高自己，才能使中国的电子电路行业真正攀登世界顶峰。
第2章印刷电路板的设计
2.1印制电路的根本概念
在进展PCB的设计与制作前，先了解一下印制电路板的结构，理解一些根本概念，尤其是涉与到布线规那么时，这些概念很重要。
2.1.1印制电路板结构
一个普通的PCB板由镀铜的树脂玻璃材料或一层铜箔与树脂材料粘贴在一起，如图2-1所示。
一般来说，印制电路板的结构有单面板、双面板和多层板三种。
1．单面板：
单面板是一种一面有敷铜，另一面没有敷铜的电路板，用户只可在敷铜的一面布线并放置元件。
单面板由于本钱低、不用打孔而被广泛应用。
由于单面走线只能在一面上进展，因此，它的设计往往比双面板或多层板困难得多。
2．双面板：
双面板包括顶层〔TopLayer〕和底层〔BottomLayer〕，顶层一般为元件面，底层一般为焊锡层面，双面板的双面都可以敷铜，都可以布线。
双面板的电路一般比单面板的电路复杂，但布线比拟容易，是制作电路板比拟理想的选择。
3．多层板：
多层板是包含了多个工作层的电路板。
除了上面讲到的顶层、底层以外，还包括中间层、内部电源或接地层等。
随着电子技术的高速开展，电子产品越来越精细，电路板也就越来越复杂，多层电路板的应用也越来越广泛。
多层电路板一般指三层以上的电路板。
2.1.2元件封装
通常设计完成印制电路板后，将它拿到专门制作电路板的单位，制作电路板。
取回制好的电路板后，要将元件焊接上去。
那么如何保证取用元件的引脚和印制电路板上的焊盘一致呢？
那就得靠元件封装了。
元件封装是指元件焊接到电路板时所指的外观和焊盘位置。
既然元件封装只是元件的外观和焊盘位置，那么纯粹的元件封装仅仅是空间的概念，因此，不同的元件可以共用同一个元件封装；
另一方面，同种元件也可以有不同的封装，所以在取用焊接元器件时，不仅要知道元件名称，还要知道元件的封装。
1．元件封装的分类
元件的封装形式可以分成两大类，即针脚式〔直插式〕元件封装和SMT〔外表贴装式〕元件封装。
针脚式元件封装焊接时先要将元件针脚插入焊盘导通孔，然后再焊锡。
针脚式元件封装的焊盘和过孔贯穿整个电路板，SMT元件封装的焊盘只限于外表层。
2．元件封装的编号
元件封装的编号一般为“元件类型+焊盘距离〔焊盘数〕+元件外形尺寸〞。
可以根据元件封装编号来判别元件封装的规格。
2.1.3铜膜导线
铜膜导线也称铜膜走线，简称导线，用于连接各个焊盘，是印制电路板最重要的局部。
印制电路板设计都是围绕如何布置导线来进展的。
2.1.4助焊膜和阻焊膜
按“膜〞所处的位置与其作用，“膜〞可分为元件面〔或焊接面〕助焊膜和元件面〔或焊接面〕阻焊膜两类。
助焊膜是涂于焊盘上，提高可焊性能的一层膜。
阻焊膜的情况正好相反，为了使制成的PCB适应波峰焊等焊接形式，要求板子上非焊盘处的铜箔不能粘锡，因此在焊盘以外的各个部位都要涂覆一层涂料，用于阻止这些部位上锡。
可见，这两种膜是一种互补关系。
2.1.5层
现今，由于电子线路的元件密集安装、抗干扰和布线等特殊要求，一些较新的电子产品中所用的印制板不仅上下两面可供走线，在板的中间还设有能被特殊加工的夹层铜箔。
例如，现在的计算机主板所用的印制电路板材料大多在4层以上。
这些层因加工相对较难而大多用于设置走线较为简单的电源布线层，并常用大面积填充的方法来布线。
上下位置的外表层与中间各层需要连通的地方用“过孔〔Via〕〞来沟通。
2.1.6焊盘和过孔
1．焊盘：
焊盘的作用是放置焊锡、连接导线和元件引脚。
选择元件的焊盘类型要综合考虑该元件的形状、大小、布置形式、振动和受热情况、受力方向等因素。
焊盘的形状有圆、方、八角、圆方、定位用焊盘和特殊焊盘，特殊焊盘需要单独设计。
自行设计焊盘时还要考虑以下原那么：
〔1〕形状上长短不一致时，要考虑边线宽度与焊盘定边长的大小差异不能过大。
〔2〕需要在元件引脚之间走线时，选用长短不对称的焊盘往往事半功倍。
〔3〕各元件焊盘孔的大小要按元件引脚粗细分别编辑确定，原那么是孔的尺寸比引脚直径大0.2～0.4mm。
2．过孔：
为连通各层之间的线路，在各层需要连通的导线的交汇处钻上一个公共孔，这就是过孔。
过孔有三种，即从顶层贯穿到底层穿透式过孔、从顶层通到内层或从内层通到底层的盲过孔以与内层间的隐藏过孔。
过孔从上面看上去，有两个尺寸，即通孔直径和过孔直径。
2.1.7丝印层
为方便电路的安装和维修，要在印制板的上下两外表印上必要的标志图案和文字代号等，例如元件标号和标称值、元件轮廓形状和厂家标志、生产日期等，这就称为丝印层。
不少初学者设计丝印层的有关内容时，只注意文字符号放置得整齐美观，而忽略了实际制出的PCB效果。
在他们设计的印制板上，字符不是被元器件档住就是侵入了助焊区而被抹除了，还有把元件标号打在相邻元件上，如此种种的设计都将会给装配和维修带来很大不便。
正确的丝印层字符布置原那么是：
不出歧义，见缝插针，美观大方。
2.1.8敷铜
对于抗干扰要求比拟高的电路板，常常需要在PCB上敷铜。
敷铜可以有效地实现电路板信号屏蔽作用，提高电路板信号的抗电磁干扰的能力。
通常敷铜有两种方式：
一种是实心填充方式；
另一种是网格状的填充。
在实际应用中，实心式的填充比网格状的更好，建议使用实心式的填充方式。
如图2-2所示。
2.1.9印制焊盘
焊盘也叫连接盘，是指印制导线在焊接孔周围的金属局部，供元件引线跨接线焊接用。
1．连接盘的尺寸：
连接盘的尺寸取决于焊接孔的尺寸。
焊接孔是指固定元件引线或跨接线面贯穿基板的孔。
显然，焊接孔的直径应该稍大于焊接元件的引线直径。
焊接孔径的大小与工艺有关，当焊接孔径大于或等于印制板厚度时，可用冲孔；
当焊接孔径小于印制板厚度时，可用钻孔。
一般焊接孔的规格不宜过大，可按表2-1来选用〔表中有*者为优先选用〕
表2-1
连接盘直径D应大于焊接孔内径d，D=（2～3）d，如图2-3所示。
为了保证焊接与结合强度，建议采用表2-2的尺寸。
表2-2
焊接孔径〔mm〕
0.4
0.5
0.6
0.8
1.0
1.2
1.6
2.0
焊盘最小直径D〔mm〕
1.5
2.5
3.0
3.5
4.0
表2-3连接盘直径与焊接孔关系
2．连接盘的形状。
根据不同的要求选择不同形状的连接盘，圆形连接盘用得最多，因为圆焊盘在焊接时，焊锡将自然堆焊成光滑的圆锥形，结合结实、美观。
但有时，为了增加连接盘的粘附强度，也采用正方形、椭圆形和长圆形连接盘。
3．岛形焊盘。
焊盘与焊盘间的连线合为一体，如同水上小岛，故称为岛形焊盘，常用于元件的不规那么排列中，其有利于元器件密集固定，并可大量减少印制导线的长度与数量。
此外，焊盘与印制线合为一体后，铜箔面积加大，使焊盘和印制线的抗剥强度增加。
所以，多用在高频电路中，它可以减少接点和印制导线电感，增大地线的屏蔽面积，以减少连接点间的寄生耦合。
4．定位孔。
定位孔是用于印制电路板制板制作时的加工基准。
根据定位准确度要求的不同，有不同的定位方法。
印制电路板上的定位孔，应该用专门图形符号表示。
当要求不高时，也可采用印制线路板内较大的装配孔代替。
图7-8给出了三种定位孔图形符号。
2.1.10印制导线
设计印制电路板时，当元件布局和布线的方案初步确定后，就要具体地设计印制导线与印制板图形。
这时必然会遇到印制线宽度、导线间距等设计尺寸确实定以与图形的格式等问题。
设计尺寸和图形格式不能随便选择，它关系到印制板的总尺寸和电路性能。
1．印制导线的宽度
一般情况下，印制导线应尽可能宽一些，这有利于承受电流和制造时方便。
表2-3为0.05mm厚的导线宽度与允许电流量、电阻的关系。
表2-3导线宽度与允许电流量、电阻的关系
在决定印制导线宽度时，除需要考虑载流量外，还应注意它在板上的剥离强度，以与与连接盘的协调，线宽b=（1/3～2/3）D。
一般的导线宽度可在0.3～2.0mm之间，建议优先采用0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm,其中0.5mm主要用于微小型化设备。
印制导线具有电阻，通过电流时将产生热量和电压降。
印制导线的电阻在一般情况下可不予考虑，但当作为公共地线时，为防止地线电位差而引起寄生回授时要适当考虑。
印制电路的电源线和接地线的载流量较大，因此，设计时要适当加宽，一般取1.5～2.0mm。
当要求印制导线的电阻和电感小时，可采用较宽的信号线；
当要求分布电容小时，可采用较窄的信号线。
2．印制导线的间距
一般情况下，建议导线间距等于导线宽度，但不小于1mm，否那么浸焊就有困难。
对微型化设备，导线的最小间距就不小于0.4mm。
导线间距与焊接工艺有关，采用浸焊或波峰焊时，间距要大一些，手工焊接时的间距可小一些。
在高压电路中，相邻导线间存在着高电位梯度，必须考虑其影响。
印制导线间的击穿将导致基板外表炭化、腐蚀和破裂。
在高频电路中，导线之间的距离将影响分布电容的大小，从而影响着电路的损耗和稳定性。
因此导线间距的选择要根据基板材料、工作环境、分布电容大小等因素来确定。
最小导线间距还同印制板的加工方法有关，选用时就综合考虑。
3．印制导线形状
印制导线的形状可分为：
平直均匀形；
斜线均匀形；
曲线均匀形；
曲线非均匀形。
印制导线的图形除要考虑机械因素、电气因素外，还要考虑美观大方。
所以在设计印制导线的图形时，应遵循以下原那么
〔1〕同一印制板的导线宽度〔除地线外〕最好一样。
〔2〕印制导线应走向平直，不应有急剧的弯曲和出现尖角，所有弯曲与过渡局部均须用圆弧连接。
〔3〕印制导线应尽可能防止有分支，如必须有分支，分支处应圆滑。
〔4〕印制导线尽防止长距离平行，对双面布设的印制线不能平行，应交叉布设。
〔5〕如果印制板面需要有大面积的铜箔，例如电路中的接地局部，那么整个区域应镂空成栅状，见图2-4。
这样在浸焊时能迅速加热，并保证涂锡均匀。
此外还能防止板受热变形，防止铜箔翘起和剥脱。
图2-4栅状区域图2-5
〔6〕当导线宽度超过3mm时，最好在导
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