第4章PCB设计与制作

第4章PCB的设计与制作 学习目的1 掌握覆铜版的种类与选择2 掌握印制板的设计3 掌握印制板的制作过程4 掌握印制板与元器件焊接技术重点 难点重点 印制板的设计 制作与元器件焊接技术难点 印制板正确布设 随着信息时代的到来 电子技术正在突飞猛进的发展 电子产品已涉及到国防 航天事业等高技术领域直到家庭生活的各方面 从使用环境条件来讲 有的电子产品工作在对人产生危害很大的场所 或人们暂时无法到达的地方 在当今的时代 电子产品在无时无刻地为我们默默地做贡献 电子产品的设计与生产的一般步骤 作为电子技术人员 了解电子产品的结构 特点和制造过程 熟悉产品生产中各工序的要求 掌握产品装配的基本技能是非常有必要的 4 1电子产品的设计制作 一 电子产品的种类 特点和结构1 电子产品的种类电子产品按其功能和用途可大致有以下分类 1 广播通信类 包括各种有线 无线通信设备 如航天 航海的导航 移动通信 广播 电视设备等 2 信息处理类 包括电子计算机及其附属设备 信息网络 数据处理设备等 3 电子应用类 包括电子测量仪器 工业上检测与控制设备 医疗电子设备 民用电子设备等 2 电子产品的结构电子产品通常由下列基本部分组成 1 机壳 2 电源部分 3 控制部分 比较部分和执行部分 4 输入设备和输出设备 3 电子产品的特点1 应用领域广泛 使用环境复杂 如天空 地面 地下 海洋 沙漠高低温 高低压等环境 2 精度要求高 安全可靠 二 电子产品生产的基本过程根据设计电路的要求 对所用元件进行老化处理并且筛选优质元件 根据电路原理图和元件给制 加工印刷电路板 再根据使用的环境条件设计机箱 之后 进行电路焊接 导线配置 将其组装成整机 再进行电路调试和各种相关的综合实验 经检验符合设计指标要求 再经包装后出厂 1 电子产品整机生产的基本过程 投入生产的电子整机产品的生产过程一般分为生产准备 部件装配和总装等环节 1 生产准备 生产准备包括技术准备和材料准备 技术准备一是要准备好生产所需的全部技术资料 例如各种图纸 工艺文件等 二是要进行人员培训 使操作者具备安全 文明 熟练生产的素质 明确产品生产的技术和质量要求 材料准备是指对产品生产所需的原材料 元器件 工装设备等进行准备 主要内容包括 原材料和元器件的质量检验 主要元器件的老化筛选 导线的加工 元器件的引线成型 电缆的制作 零件的加工制造 通用工艺处理和工装设备的制作等 2 部件装配 部件是指由两个或两个以上的零件 元器件装配组成构具有一定功能的组件 如印制电路板 机壳 面板 机芯等 电子整机产品都是由各种不同的部件组成 因此整机装配前一般要先进行部件的装配 3 总装 总装就是依据设计文件和工艺文件的要求 将调试 检验合格的产品零部件进行装配 连接 并经调试 检验直至组成具有完整功能的合格成品的整个过程 2 产品生产的主要工序及要求 电子产品的整机装配需要多道工序才能完成 主要生产工序有筛选元器件 装配 焊接 调试 检验等 筛选元器件 主要目的是选择性能优良的电子元器件 焊接 利用焊接工具 将各种电子元器件 导线 电路板等正确地连接起来 装配 用装配工具 正确选用紧固材料 整体装配产品 调测 调整测试电产品的技术参数 使其符合设计要求 检修 对有故障的产品进行检修 检验 检测整机的各种技术指标 包括技术参数 适应环境试验等 三 印制电路板的设计3 1印制电路板的种类1 覆铜板的种类与选用覆以铜箔的绝缘层压板称为覆铜箔层压板 简称覆铜板 它是用腐蚀铜箔法制作电路板的主要材料 覆铜箔层压板的种类很多 有纸基板 玻璃布板 酚醛板 环氧酚醛板 聚酸亚胶板 聚四氟乙烯板等 1 覆铜板的种类1 酚醛纸基覆铜板 其特点是板价格低 械强度低 易吸水 耐高温性能差 主要用于低频和一般民用产品中 如收音机 电视机等产品使用较多 2 环氧酚醛玻璃布覆铜板 这类覆铜板耐温性好 受潮湿影响小 电气和机械性能良好 加工方便 一般用于高温 高频电子设备 恶劣环境和超高频电路中 3 环氧玻璃布覆铜箔板 与环氧酚醛覆铜板相比 具有较好的机械加工性能 防潮性良好 工作温度较高 4 聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔板 此种板电性能 化学性能均好 温度范围宽 介质损耗小 常用于微波 高频电路中 2 铜箔厚度 印刷电路板铜格厚度有 10 m 18 m 35 m 50 m 70 m等 对于导电条较窄的 选取铜箔较薄的板材 否则选用厚些的 一般选用35 m和50 m厚的 3 板材的厚度 常用覆铜板的材质标称厚度有 0 5 0 7 0 8 1 0 1 2 1 5 1 6 2 0 2 4 3 2 6 4 单位mm 电子仪器 通用设备一般选用1 5mm的最多 对于电源板 大功率器件极 有重物的 尺寸较大的电路板 可选用2 0 3 0mm的板材 2 印制电路板的分类印制板也称印刷线路板 它是在绝缘基板上 有选择地加工和制造出导电图形的组装板 具体讲就是 将电气连线图 印制 在覆铜板上 通过腐蚀液去掉线路外的铜箔 保留连线图形部分的铜箔作为导线和安装元件的连接板 1 印制电路板的分类 常见的印制电路板有如下几种 1 单面印制电路板 单面印制电路板通常是用单面覆铜箔板制作的 在绝缘基板覆铜箔一面制成印制导线 2 双面印制电路板 双面印制电路板为在两面都有印制导线的印制板 通常采用环氧玻璃布覆铜箔板或环氧酚醛玻璃布覆铜箔板 由于两面都有印制导线 一般采用金属化孔连接两面印制导线 其布线密度比单面板更高 使用更为方便 它适用于对电性能要求较高的通信设备 电子计算机和仪器仪表等 3 多层印制电路板 多层印制电路板为在绝缘基板上制成三层以上印制导线的印制电路板 它由几层较薄的单面或双面印制电路板 每层厚度在0 4mm以下 叠合压制而成 为了将夹在绝缘基板中间的印制导线引出 多层印制电路板上安装元件的孔需经金属化处理 使之与夹在绝缘基板中的印制导线沟通 目前多层板生产多集中在4 6层为主 如计算机主板 工控机CPU板等 在巨型机等领域内可达到几十层的多层极 多层印制电路板主要特点 与集成电路配合使用 有利于整机的小型化及重量的减轻 接线短 直 布线密度高 由于增设了屏蔽层 可以减小电路的信号失真 引入了接地散热层 可以减少局部过热 提高整机工作的稳定性 4 软性印制电路板 软性印制电路板也称挠性印制电路板或柔性印制电路板 是以软层状塑料或其他软质绝缘材料为基材制成的印制电路板 它可以分为单面 双面和多层三大类 此类印制电路板除了重量轻 体积小 可靠性高以外 最突出的特点是具有挠性 能折叠 弯曲 卷绕 自身可端接以及三维空间排列 软性印制电路板在电子计算机启动化仪表 通信设备中应用广泛 利用挠性板可以弯曲 折叠 可以连接活动部件 达到立体布线 三维空间互连 从而提高装配密度和产品可靠性 如笔记本电脑 移动通讯 照相机 摄像机等高档电子产品中都应用了挠性电路板 4 2印制电路板的设计1 印制板设计过程印制电路板 PCB 设计也称印制板排版设计 通常包括以下过程 1 确定印制板的外形及结构 印制板对外连接一般包括电源线 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 图4 1是温度控制器电路板的板外连接图 图4 2是计算机上一种插卡外形尺寸草图 图4 1温度控制器电路板的板外连接草图图4 2外形尺寸草图示例 印制板外形尺寸确定 根据产品的结构要求 考虑对原材料的有效利用 应选取合适的尺寸 不应选用过大也不应选用过小 选材过大 元件排列稀疏 浪费材料 选材过 元件密集度又高 元件引线 外壳又易相碰 给安装 调试 维修带来不方便 印制板外形尺寸受各种因素制约 在设计时注意考虑以下因素 1 形状 优先考虑矩形 2 安装 定位 考虑印制板的安装 固定孔位 安装某些特殊元器件或插接定位用的孔 糟等几何形状的位置和尺寸 印制板与机壳或其他结构件连接的螺孔位置及孔径应明确标出 3 类型 建议优先采用双面印制板布线 若电路比较简单可采用单面板 若电路非常复杂可采多层印制板布线 4 方便 对电路中的可调节元件要置于有利于调节位置 5 把要放置到本印制板上的所有元件在印制板的区域上排列起来 确定印刷线路板的面积和元件的大致位置 位于边缘的元件 应离印刷线路板边至少应大于2mm 2 元件布局 布局就是将电路元器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作用 元器件排列 元器件在印制板上的排列时尽可能按元器件轴线方向排列 元器件以卧式安装为主 并与板的四边垂直或平行 这样排列元件版面美观 整齐 规范 对安装调试及维修均较方便 元器件安装尺寸 设计PCB时 元器件的间距通常采用0 1英寸即2 54mm为一个间距单位 设计PCB时尽可能采用这个单位 既有利与Protel绘图 又有利于使安装规范 便于PCB加工和检测 布局原则 元件排列对电子设备的性能影响很大 不同电路在排列元件时有不同的要求 因此 在动手安装前 首先要分析电路原理图 了解电路元件的特性 排列元器件时应考虑下列因素 1 排列顺序 先大后小 先放置面积较大的元器件 先集成后分立 放置集成电路后 再在其周围放置其它分立器件 先主后次 先放置主电路器件 之后放置次电路 先放置核心器件 再放置其它附属器件 2 信号流向原则 按信号流向排列 一般从输入级开始 到输出级终止 避免输入输出部分交叉 将高频和低频部分电路分开来布置 3 就近原则 当印制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 每个单元电路 应以核心器件为中心 围绕它进行布局 4 美观原则 在保证电路功能和性能指标的前提下 元件排列应均匀 整齐 紧凑 疏密得当 单元电路之间的引线应尽可能短 引出线数目尽可能少 5 工艺原则 满足工艺 检测 维修方面的要求 既要考虑元器件排列顺序 方向 引线间距 又要考虑到印制板检测的需要 设置必要的调整空间和测试点 6 散热原则 发热元器件应放在有利于散热的位置 发热量较大的元件 应尽可能放置在有利于散热的位置或靠近机壳 发热元器件不宜贴板安装 如电源电路中发热量大的器件 可以考虑放在机壳上 热敏元件要远离发热元件 7 敏感元件要远离干扰源 有铁芯的电感线圈 应尽量相互垂直放置 且相互远离以减小相互间的磁耦合 尽可能缩短高频元件的连接线 设法减小它们的分布参数和相互间的干扰 易受干扰的元件应加屏蔽 8 对于比较大 重的元件 要另加支架或紧固件 不能直接焊在印刷线路板上 可调元件布置时 要考虑到调节方便 线路板需要固定的 应留有紧固件的位置 放置紧固件的位置应考虑到安装 拆卸方便 若有引出线 最好使用接线插头 9 某些元件或导线间有较大电位差者 应加大它们之间的距离 元件外壳之间的距离 应根据它们之间的电压来确定 不应小于0 5mm 个别密集的地方应加套管 10 对称式的电路 如推挽功放 桥式电路等 应注意元件的对称性 尽可能使其分布参数一致 位于边缘的元件 应离印刷线路板边至少应大于2mm 3 布线设计布线原则 布线是按照原理图线路连接要求将元器件通过印制导线连接 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 连接正确 印制板上的印制导线与电路原理图的连接线有很大的区别 在印制板上的所有导线不能相互交叉 若相互交叉则交叉导线是相互连接的 这是我们在布置印制导线时特别注意的问题 利用Protell绘图软件绘图可以将失误减到尽可能小的程度 2 走线要简捷 印制导线走线要简捷 尽可能使走线短 直 平滑 特别是高频 高电压电路部分 3 粗细要适当 同一类型的导线应尽可能采用相同的宽度 电源线 地线和大电流线线必须保证足够宽度 特别是地线 在版面允许的条件下尽可能宽一些 焊盘设计 焊盘是焊接元件的地方 元件的一根引线只能对应一个焊盘 不允许一个焊盘焊接多个元件引线 焊盘之间是由印制导线连接起来的 每个焊盘中心都钻有引线孔 孔径要比所插入元件引线直径略大些 但不要过大 否则 焊锡易从引线孔中流过而损坏被焊元件 或由于元件的活动容易造成虚焊 元件引线孔直径优先采用0 5mm 0 8mm 1 0mm 1 2mm a 圆形 b 方形 c 矩形焊盘图4 3焊盘形状 1 焊盘形状 焊盘形状有很多样式 如图3 3所示 圆形焊盘 焊盘与穿线孔为一同心圆 其外径一般为2 3倍孔径 焊盘不宜过小 太小则在焊接中极易脱落 至于采用何种形状的焊盘 应根据元器件封装和引线的形状 大小来确定 2 焊盘外径 焊盘外径的大小主要由所焊接元件的载流量和机械强度等因素所决定的 一般单面板焊盘外径应大于引线孔1 5mm以上 双面板大于1 0mm 高密度精密板大于0 5mm 3 引线孔和过孔 引线孔有电气连接和机械固定双重作用 引线孔既不能过大 也不能过小 过大容易使焊锡从引线孔流过而损坏元件 或形成气孔造成焊接缺陷 过小则带来安装困难 焊锡不能润湿金属孔 引线孔径应比元器件引线直径大0 2 0 4mm 过孔作用是连接不同层面之间的电气连线 一般电路过孔直径可取0 6 0 8mm 高密度板可减小到0 4mm 尺寸越小则布线密度越高 过孔的最小极限受制板厂技术设备条件的制约 4 安装孔 安装孔用于在印制板上固定大型元器件 或将印制板固定在机壳内部的安装支架上 安装孔根据实际需要选取 优选选择2 2 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 6 0mm 5 定位孔 定位孔是印制板加工和检测定位用的 一般采用三孔定位方式 孔径根据装配工艺确定 印制导线设计 印制导线的宽度确定 印刷线路板上的印制导线宽度主要由印刷导线与绝缘板之间的粘附强度和流过它们的电流值决定的 印制导线宽度和间距可根据布线的实际情况并参考表4 1进行选择 表4 1印制导线宽度和导线间距的关系 根据实际经验和具体电路的要求 布线时要掌握以下几条基本原则 1 印制导线应尽可能地短 能走直线的就不要绕弯 2 走线平滑自然 间距能一致的尽量一致 避免急拐弯和尖角出现 3 电源线 地线布置在印制板的最边缘 且分两层布置 公共地线应尽可能多地保留铜箔 4 首先对单元电路进行布线 之后再进行单元电路之间的布线 先对核心器件 如晶体管 集成电路为核心的单元电路 布线 再对外围元件布线 5 将大部分导线布置在印刷电路板的底面 其余少部分导线布置在顶面 两层面的导线应相互垂直 减小相互间的干扰 避免平行线效应 6 高频电路地线要采用用大面积接地方法 印制板上大面积铜箔应偻空成栅状 导线宽度超过3mm时中间留槽 以利于印制板涂覆铅锡及波峰焊 7 避免成环 印制板上环形导线相当于单匝线圈或环形天线 使电磁感应和天线效应增强 布线时尽可能避免成环或减小环形面积 8 在印制线路板上标注元件图形符号 极性和文字符号 以便校对 同时也便于安装 测试和检修 应在印刷线路板的明显位置标注电路名称或印刷线路板的代号 以利于辨别 2 印刷线路板的制作过程目前 大批量生产印刷线路板普遍采用丝网漏印和感光晒板法制作印刷线路板 除此之外还有其它制作印制板的方法 如快速电脑雕刻法 直接将电脑设计好的图形输入雕刻机 直接在覆铜板上钻孔 雕刻导电图形 加工外形及异型槽孔等 再经孔金属化 镀铅锡合金等工序即可获得高质量印制板 这种方法制板周期短 仅几小时即可完成 学生实习用的线路板数量比较小 而且种类多 形式多变 不利于批量加工 要采用简易制作方法就可以了 下面介绍印刷电路板简易制作的方法 1 选取板材 根据电路的电气功能和使用的环境条件选取合适的印制板材质 依据印制板上印制导线的宽窄和通过电流的大小以及相邻元器件 导线之间的电压差的高低确定选择铜箔厚度 一般选用35 m和50 m厚的 根据设备的具体要求选择印制板的板材的厚度 通用电子设备一般选用1 5mm的最多 若印制板上有比较重的元器件或电路板尺寸较大的可选用板材相对厚一些的印制板 2 裁板 按设计的印制板的