电子工艺实验指导书.doc

电子技术工艺实验指导胡之惠17第一节 印制电路板设计过程与方法实验中对于简单的电路我们可以直接用导线连接，对于较复杂的电路我们还可以运用面包板搭接而成。但如果我们想要把图纸上的原理图转换为实际的电子产品，往往离不开印制电路板这个载体。印制电路板亦称印制线路板，通常简称印制板或PCB（printed circuit board）。印制电路板的主要作用是为电路中电子元器件的固定与装配提供机械支撑和识别符号，为电路中电子元器件之间的连接提供电气通路。熟悉印制电路板基本知识，掌握PCB基本设计方法和制作工艺，是电气技术人员不可缺少的基本技能。一、 印刷电路板的手工设计过程印制电路板设计也称印制板排版设计，不论是手工设计或采用CAD设计通常都包括以下过程。以如图1所示的稳压电源电路为例，介绍印刷电路板的手工设计过程。其中V1和V3为硅材料PNP型小功率三极管，V2为中功率管。调整1K电阻可以改变输出电压。图1 稳压电路原理图1设计准备（1）了解电路工作原理和电路参数，各功能电路的相互关系及信号流向等内容，对电路工作时可能发热、可能产生干扰及最高工作电压，最大电流及工作频率等情况要心中有数。（2）印制板工作环境（是否密封，工作环境温度变化，是否有腐蚀性气体等）及工作机制（连续工作还是断续工作等）。（3）主要元器件和部件的型号、外形尺寸、封装、必要时需取得样品或产品样本。2外形草图包括印制板对外连接草图和尺寸图两部分。对外连接草图是根据整机结构和分板要求决定的。一般包括电源线、地线、板外元器件的引线，板与板之间连接线等，绘制草图时应大致确定其位置和排列顺序。若采用接插件引出时，要确定接插件位置和方向。印制板外形尺寸草图。印制板外形尺寸受各种因素制约，一般在设计时已大致确定，从经济性和工艺性出发，优先考虑矩形。印制板的安装、固定也是必须考虑的内容，印制板与机壳或其他结构件连接的螺孔位置与孔径应明确标出。我们设计的稳压电源电路较简单，所以我们将印制板对外连接草图和尺寸图两部分合二为一。我们以单面板为例，外形草图如图2所示。图2 单面板外形草图3设计入门绘制单线不交叉图对较简单的电路（一般元件数少于3050个）可采用绘单线不交叉图的方法设计印制板。这种方法简单易学且不易出错，特别适合初学者和非专业设计人员。具体步骤如下：（1）将原理图中应放置于板上的电路元器件根据信号流向或排版方向依次画到板面上，集成电路要画封装引脚图。（2）按原理图将各元器件引脚连接，对导线交叉处可用两种方法避免交叉。1）利用元器件中间跨越。2）用跨接线跨越（同一板上跨接线长度尽可能归为一种或两三种。跨接线尽可能短、尽可能少）。对于可用单面加少量跨接线布通的电路，尽量选用单面板布线，只有电路较复杂才用双面板。显然双面板要容易，因为可以利用板子另一面印制导线做跨越。（3）调整元器件位置和方向，使跨接线最少，连接最简洁。（4）重新画不交叉图，如图3所示。简单的图，经过（1）（4）步骤可得到较好的结果，复杂一些的（3）（4）可能反复一次，甚至反复若干次才获得比较好的效果。图3 单线不交叉图4设计布局对于元件数多于50个以上的电路。采用上述方法，PCB板不易作到微型化。较复杂的电路我们需要经过设计布局及设计布线这两步。布局就是将电路元件放在印制板布线区内，布局是否合理不仅影响后面的布线工作，而且对整个电路板的性能也有重要的作用。在一个PCB板上，元件的布局要求要均衡，疏密有序，不能头重脚轻。下面介绍的布局要求、原则、布放顺序和方法，无论手工设计还是计算机辅助设计（CAD），专业还是业余，模拟电路还是数字电路都是适用的。（1）布局原则1）就近原则当板上对外连接确定后，相关电路部分应就近安放，避免走远路，绕弯子，尤其忌讳交叉穿插。2）信号流原则按电路信号流向布放，避免输入输出，高低电平部分交叉。3）散热原则有利于发热元器件散热。4）美观性原则 元件排列整齐，疏密得当。（2）布局方法1）实物法 将元件和部件样品在1：1的草图上排列，寻找最优布局。这是最简单，最可靠的方法，实际应用中一般是将关键的元器件或部件实物作为布局依据。2）模板法 有时实物摆放不方便或没有实物，可按样本或有关资料制作主要元器件和部件的图样摸板，用以代替实物进行布局。以上两种方法适合初学者。3）经验对比法 根据经验参照可比的已有印制电路板对新设计布局。这种方法适合有一定的设计经验的工作人员。（3）布局的检查1）印制板尺寸是否与加工图纸尺寸相符，能否符合PCB制造工艺要求，有无定位标记。2）元件在二维、三维空间上有无冲突。3）合理选择的导线密度和间距以保证电路可靠工作4）元件布局是否疏密有序，排列整齐。5）需经常更换的元件能否方便的更换，插件板插入设备是否方便。6）热敏元件与发热元件之间是否有适当的距离。7）调整可调元件是否操作方便。8）在需要散热的地方，是否装有散热器，空气流是否通畅。9）信号流程是否顺畅且互连最短。10）插头、插座等与机械设计有无矛盾。11）线路的干扰和自激问题是否有所考虑。5设计布线布线是按照原理图要求将元器件和部件通过印制导线连接成电路。这是印制板设计中的关键步骤，具体布线要把握以下要点：（1）面对纵横交错的导电图形要保证所有连接正确不是一种容易的事，特别是较复杂的电路，手工布线出错率较高，布线完成后对照原理图要反复检查。利用CAD先进手段再加上必要的校对检查可以将失误减到尽可能小的程度。（2）走线简捷，粗细适当。印制线条力求短、平、直。电源线、地线和大电流线要保证一定的宽度。（3）调整元件位置，达到最佳布线效果。如图4所示，图4是根据不交叉图绘制的布线图。图4 稳压电源布线图6制版底图绘制印制板设计定稿以后，在投入生产制造时必须将设计转换成符合生产要求的1：1原版底片。现在常用的绘图方法是计算机绘图和光绘两种方法。二、 印制板CAD制作过程（Protel99设计要点）1原理图输入使用 Sch 绘制电路图（如图5）。确定元件排列没有问题、定义元件封装 (Footprint)，最后通过程序所提供的 ERC 检查。（建议将三极管的所有封装都统一为TO-39，否则管脚间距过小）图5 原理图2生成网络表利用 Sch 所提供的 CreateNet list 功能产生网络表（图6），同时也结束了 Sch 的任务。 图6 网络表3确定板面（画边框）进入 PCB 编辑器，首先定义版框，也就是板子的大小与形状（如图7所示）。长不超过8cm（3150mil），宽不超过6cm（2360mil）。可利用程序提供的版框向导，或将当前工作层切换到为禁止布线区（KeepOutLayer 版层），以 Place Track ( 放置线段) 命令，自行绘制版框。 图7 边框图4加载网络表及装入元件网络表（或电路图）如有错误，或接口上的问题，也在此阶段中出现。而产生错误时，也可以根据错误所在，回到 Sch 修改电路图，重头再来。这一步是非常重要的一个环节，网络表是PCB自动布线的灵魂，也是原理图设计与印刷电路板设计的接口，只有将网络表装入后，才能进行电路板的布线。Design/Netlist.命令，按 Browser 按钮进入搜寻所要装入的网表文件，然后按 OK 按钮。（如图8）装入网表后，电击 Execute 按钮，程序进行加载元件（如图9）。图8网络表成功装入图9装入网络表后的PCB图5零件布局装入的元件堆在一起，紧接着是把元件搬开。激活ToolsAuto place 命令，出现元件自动布局对话框。然后，单击OK按钮。出现如图10所示布局图。从图10中可见虽然已经实现子元件的分离，但并不能满足实际要求。因此，还可以对分离好的元件进行手工布局，拖曳元件并配合按空格键改变元件方向重新调整元件的布局如图11所示。图10 自动布局后的PCB图图11 手工调整后的PCB图6设置布线环境 显示层面的设置（激活DesignOptions命令）（图12）图12 设置工作层面7设置布线规则定义规则、自动布线设定（激活 Design Rules 命令，进入以下对话框，如图13）。图13 设置布线规则（1）定义安全间距(Clearance Constraint)1mm（2）设置布线拐角模式(Routing Corners)45度（3）设置布线工作层面(Routing Layers) 仅用Bottom Layer （选 Any 其余选 Not Used ）（4）布线优先权(Routing Priority) （5）过孔形式(Routing Via Style) （6）布线线宽(Width Constraint) 50mil8执行自动布线PCB 的自动布线功能相当强大，只要参数设置合理，元件布局妥当, 系统自动布线的成功率几乎是100%。选择“Auto Route”“All”命令，进行全局自动布线。单击“All”按钮后，程序便按照上面设置的布线规则进行自动布线（如图14）。图14 稳压电源PCB图9调整布线 （即整理一些不太规则的布线） 布线成功不等于布线合理，有时候会发现自动布线导线拐弯太多等问题，必须还要进行手工调整。调整结果如图15所示。图15 调整后的稳压电源PCB图10保存文件 在设计过程中要随时保存文件，以免出现意外导致设计工作丢失。 11打印文件 最后可以打印印刷电路板设计结果，可以单层打印也可以多层一起打印。三、 印制板制作方法 在电子产品生产中，印制板作为一个重要部件，一般是由整机厂设计，专业印制板生产厂家制造。在产品研制、技术革新及创新制作时，需要印制板数量少，而且不定型的情况下，出于时间及经济考虑，可用简单快速法自己制作。自制印制线路板有多种方法，我们介绍两种常用方法。1描图蚀刻法（1）按照电路板的设计尺寸，裁下一定规格的单面敷铜板，并用细砂纸将敷铜打光。（2）按照11的比例，在敷铜板上用复印纸描好印刷底板图。（3）将漆片（即虫胶，化工原料店有售）一份，溶于三份无水酒精中，并适当搅拌，待其全部溶解后，滴上几滴医用紫药水（龙胆紫），使其呈现一定的颜色，搅拌均匀后，即可作为保护漆用来描绘电路板线条。采用绘图仪器中的鸭嘴笔（或圆规上用来画图形的墨水鸭嘴笔），进行描绘，鸭嘴笔上有调整笔划粗细的螺母，笔划粗细可调，并可借用直尺、三角尺描绘出很细的直线，且描绘出的线条光滑、均匀，无边缘锯齿，给人以顺畅、流利的感觉。绘制电路板线条亦可用油性记号笔直接在敷铜板上描绘。（4） 将三氯化铁溶于温水中（用塑料器具）将凉干描好印刷底板图的敷铜板放入三氯化铁溶液中，待电路板腐蚀完毕后，放入清水中清洗干净后拿出待用。在腐蚀过程中，应注意水温，并经常搅动电路板，以加速化学反应的速度。（5）电路板腐蚀好后，去漆也很方便，用棉球蘸上无水酒精，就可以将保护漆擦掉，略一晾干，就可随之涂上松香水使用。（6）在做记号的元件插孔处钻孔。打孔时注意钻床转速应取高速，钻头应刃锋利。进刀不宜过快，以免将铜箔挤出。清除孔中毛刺时用稍大的钻头手工倒角，不要用砂皮纸。2转印法热转印法的关键是热转印纸和热转印机，它利用激光打印机先将图形打印到热转印纸上，再通过热转印机将图形“转印”到敷铜板上，形成由墨粉组成的抗腐蚀图形，再经蚀刻机蚀刻后即可获得所需印制板图形。只要激光打印机能保证，采用热转印法可获得足够的精度和接近专业品质的印制板。参考制作步骤如下：（1）绘图 PCB图可直接从电脑调用，也可自行设计。（2）打印设计完成经检查合格后（注意添加个人标记），将PCB图输入激光打印机，按1：1比例将PCB图打印到热转印纸上。（3）转印热转印工艺的关键是热转印温度，它是由机内的微电脑精确控制的。将热转印纸固定到准备好的敷铜板（已清洗）上，送入热转印机转移图形。转印后掀开转印纸一角，检查转印图形完整性，以决定是否重复热转印（转印不完全）或局部修补（少量缺陷，用专用笔修整）。（4）蚀刻将检查并修补无误的板子批量送入蚀刻机，蚀刻出所需PCB图形。（5）打孔将蚀刻好的板子清洗干净，在钻床上打孔，注意孔径区别。第二节 SMT SMT是Surface Mounting Technology的缩写，即表面安装技术。SMT是一种将微型化的无引线或短引线元器件直接贴焊到印制板上的电子装接技术。由于适应了电子产品高可靠、高性能、小型化的潮流，成为当前最热门的电子装接技术，被誉为电子组装技术的一次革命。SMT已经在很多领域取代了传统的通孔安装（Through Hole Technology 简称 THT），并且这种趋势还在发展，预计未来90%以上产品将来采用SMT。它使电子组装变得越来越快速和简单，随之而来的是各种电子产品更新换代越来越快，集成度越来越高，价格越来越便宜。通过SMT实习，了解SMT的特点，熟悉他的基本工艺过程，掌握最起码的操作技艺。一、SMT主要特点1高密集 表面安装元件（SMC）、表面安装器件（SMD）的体积只有传统元器件的1/31/10左右，可以装在PCB的两面，有效利用了印制板的面积，减轻了电路板的重量。一般采用了SMT后可使电子产品的体积缩小40%60%，重量减轻60%80%。2可靠性高 SMC和SMD无引线或引线很短，重量轻因而抗震性能强，焊点失效率可比THT至少降低一个数量级，大大提高产品可靠性。3高性能 SMT密集安装减小了电磁干扰和射频干扰，尤其高频电路中减小了分布参数的影响，提高了信号传输速度，改善了高频特性，使整个产品性能提高。4低成本 SMT使PCB面积减小，成本降低；无引线和短引线使SMD，SMC成本降低，安装中省去引线成型、打弯，剪线的工序；频率特性提高，减小调试费用；焊点可靠性提高，减小调试和维修成本。一般情况下采用SMT后可使产品总成本下降30以上。二、SMT工艺及设备简介SMT有两种基本方式，主要取决于焊接方式。1采用波峰焊 此种方式适合大批量生产。对贴片精度以及生产过程自动化程度要求很高。如图16所示。图16 波峰焊1） 点胶 如图16（a）用手动/自动点胶2） 贴片 如图16（b）手动贴片机3） 固化 如图16（c）用加热使贴片固化4） 焊接 如图16（d）用波峰焊机焊接2采用再流焊 这种方法较为灵活，视配置设备的自动化程度，既可用于中小批量生产，又可用于大批量生产如图17所示。（a）印锡膏 (b) 贴片 （c）焊接图17 再流焊1）焊膏印制 在PCB上用印刷机印制焊锡膏。印刷机结构见图18。操作方式为手动（如图19所示）。技术关键是定位精度与模板制造。图18 焊膏印刷机 图19 刷焊膏2）贴片 如用手动/半自动/自动贴片机贴片。手工贴片可用摄子拾取也可采用真空吸取。如图20所示为摄子拾取。图20 手工贴片3）焊接 用再流焊机焊接使用桌面自动再流焊机（如图21所示）,选择合理加热曲线,利用强制热风与红外混合加热的原理将工件加热到焊接温度, 使焊膏熔化润湿焊件（如图22所示），最后降温凝固形成焊点。图21 台式自动再流焊机图22 再流焊机的工作过程三、SMT元器件SMT元器件由于安装方式的不同，于THT元器件主要区