PCB基础知识教材

印制板基础知识,苏茹,2006-2-16,一、概述,印制板的定义印制板的分类和用途印制板设计的相关标准,印制电路板简称印制板，它是实现电子产品小型化、轻量化、装配机械化和自动化的重要基础部件，在电子工业中有广泛应用。印制板的质量和可靠性对电子整机产品的性能和可靠性有重要影响，同时也影响电子产品的成本。因此从事印制板设计和使用的人员，为提高印制板设计水平、确保印制板的质量，进而保证电子产品的质量和可靠性，对印制板的性能、设计规则和工艺要求有全面的了解是十分必要的。,概述,1.1印制板定义,按国际电工委员会标准（IEC-196）的术语定义：印制电路是指“在绝缘基材上，按预定的设计，用印制的方法得到的导电图形，它包括印制线路和印制元件或两者结合而成的电路。完成了印制电路和印制线路工艺加工的板子通称印制板。”也有人把只有导电图形的印制板称为印制线路板。印制板的英文名称为PrintedCircuitBoard，缩写为PCB。,1.2印制板的分类和用途,由于电子产品的不同需要，印制板也有许多不同种类，其分类方法在国内外采用最多的是按PCB的结构和基材分类。按结构分类能反映出PCB的特点和功能，按基材分类能反映出PCB的基本性能。按PCB的结构分类如下：,印制板按结构分类,（有或无增强层）,印制板的用途,印制板的主要用途：在电子产品中为电子元器件的组装提供安装、固定和支撑的基板，实现各种电子元器件之间的电气连接和绝缘。印有阻焊膜和字符的板，能为印制板组装件提供安装、检验和维修的识别标志和字符。在一些特殊电路中印制板还可以提供某些电气特性如：特性阻抗、电磁兼容等性能。印有电阻、电容或芯片直接封装在板上的PCB，具有一定的电路功能,1.3印制板设计的相关标准,由于印制板在电子工业中应用广泛，产品又具有许多通用的特性，标准化程度高，在国内、外都有一套系列标准。在国内有影响的主要标准有：1.3.1国外标准国际标准：主要是国际电工委员会（IEC）系列标准：IEC196PCB术语和定义IEC326.3印制板设计和使用美国标准：MIL标准（美国军用标准）MILSTD275军用印制电路设计（已被IPC标准取代）美国电子电路互连封装协会（IPC）标准,1.3.印制板设计的相关标准,IPC-2221印制板设计通用规范IPC-2222刚性有机印制板设计分规范IPC-2223挠性印制板设计分规范IPC-D-316软基材微波电路板设计指南IPC-6010系列标准印制板检验和验收规范IPC-T-50电子电路互连和封装术语与定义IPC-TM-650印制电路试验方法手册NEMA美国电器制造商协会标准（基材）,1.3印制板设计的相关标准,其中IPC标准技术先进、内容完整、配套好、可操作性强。在国际印制板行业影响很大。IEC标准吸取和采用了许多IPC标准的内容，同时它也广被许多国家采用和参照采用。我国许多对外企业大都采用IPC标准。此外还有日本标准（JPCA）英国标准（BS），在我国采用的不多。,IPC有关PCB设计的标准,我们还应了解PCB产品的相关标准，IPC标准中的产品标准主要有：IPC-6011印制板通用规范IPC-6012刚性印制板规范IPC-6013挠性印制板规范IPC-A-600-F（G）印制板验收规范IPC-4101刚性基材系列标准,1.3.2国内标准,国内印制板标准主要分为：国标（GB）、国军标（GJB）和行业标准以及企业标准三大类。国家标准：GB/T4588.3“印制电路板设计和使用”国军标：GJB362A“刚性印制板总规范”电子行业标准：SJ20748“刚性印制板及刚性印制板组装件设计”航天行业标准：QJ3103“印制电路板设计规范”企业标准：以国标为基础结合本企业的具体产品要求而制定的，其技术指标一般不应低于国标。国标是参照IEC标准制定的，国军标和两项行标是参照MIL标准和IPC标准结合国情制定的。以下将根据IPC-2221和国标GB/T4588.3印制板设计的主要内容归纳如下几个方面进行介绍。,二、印制板的组成,2.1、板材（基板）2.2、孔：印制板上的孔，基本上可归为四类：机械安装孔、元件孔、隔离孔和导通孔；又分为金属化孔和非金属化孔；2.3、导线2.4、涂覆层2.5、丝印,三印制板的有关知识,3.1、印制板基材及选择；3.2导线宽度和间距；3.3孔与连接盘（焊盘）3.4槽和缺口尺寸3.5接插区和印制插头3.6、PCB的表面涂（镀）层选择；,3.1、印制板基材及选择,覆铜箔板基材的分类常用基材的特性基材的选择,3.1、印制板基材及选择,印制板的基材影响印制板的基本性能、制造工艺方法和成本，在选用基材时应综合考虑。目前最广泛使用的是以减成法（铜箔蚀刻法）制造印制板所用的基材覆铜箔层压板，简称覆箔板，它是目前国内外用量最大的PCB基材。,3.1.1覆铜箔板的分类,由于电子产品的需求不同，覆箔板又分为许多种类和规格，主要有刚性板和挠性板两大类。刚性覆箔板：在刚性层压基材上覆有铜箔。按其基材中的增强材料不同，分为四类：纸基板、玻璃布基板、复合基板（两种以上）和特殊材料基板（金属、陶瓷）。每一类又以所用的树脂粘合剂与基材不同分为许多品种，如：覆铜箔酚醛纸质层压板、覆铜箔环氧玻璃布层压板等。每种层压板又有阻燃型与非阻燃型之分，一般阻燃型板相当于美国标准中的FR3、FR4、FR5板，国标中的CEPGC32F等，其内层印有红色标记。,3.1.1覆铜箔板的分类,挠性覆铜箔板：在软性的基材上覆有铜箔，可以挠曲。根据覆箔板的铜箔面数又分为：单面板、双面板；根据板的厚度不同有多种规格。,3.1.2常用基材的特性,基材的特性直接影响印制板的基本特性。常用的刚性基材主要有：覆铜箔酚醛纸质层压板（阻燃型FR-2）覆铜箔环氧纸质层压（阻燃型FR-3）覆铜箔环氧玻璃布层压板（阻燃型FR-4/FR-5和非阻燃型G10，相当于国标的CEPGC-31/32F）覆铜箔BT树脂玻璃布层压板覆铜箔聚四氟乙烯玻璃布层压板覆铜箔聚酰亚胺玻璃布层压板和覆铜箔聚酰亚胺芳酰胺布层压板等。常用的挠性基材主要有：覆铜箔聚酯薄膜和覆铜箔聚酰亚胺薄膜等。,3.1.3基材的选择,选择基材的依据是：根据PCB的使用条件和机械、电气性能要求从有关标准中选择材料的型号和规格；高频和微波电路应选择低介电常数和低介质损耗的基材。对特性阻抗要求严格的板，应根据计算选择相应介电常数的材料。根据预计的印制板结构确定基材的覆铜箔面数（不同规格的单面、双面覆铜箔板或多层板用薄板）；根据印制板的尺寸、单位面积承载元器件重量，确定基材板的厚度。多层板应根据导电层数、层间绝缘层厚度要求确定薄覆铜板、粘接片的数量和总厚度。不同类型材料的成本相差很大，选用的基本原则是：满足使用要求，切勿宁高勿低。,3.1.4板的厚度,PCB的厚度应根据对板的机械强度要求和与之相匹配的连接器的规格尺寸，以及PCB上单位面积承受的元器件重量，从相关基材的厚度标准尺寸系列中，选取合适厚度的基材。一般不要选非标准厚度的基材，这样会增加成本；在能满足安全使用的前提下，不要选择过厚的基材，以减轻产品重量和降低成本。印制板的总厚度，应根据使用时对板的机械强度要求及有边缘连接器时与连接器匹配需要而定。,3.1.4板的厚度,多层板中间层的绝缘材料厚度，应根据其电气性能要求（耐压、绝缘电阻、特性阻抗的要求）来决定；在两相邻导电层之间，至少应有0.09mm厚的绝缘层，并且其粘结片不少于两片，在所有的粘结层中最好使用同一种厚度的粘结片。对微波电路用的多层板，其层间介质层的厚度应根据电路的特性阻抗要求，需要严格计算而确定。对于挠性板，当使用附加镀（涂）覆层、覆盖层或胶粘剂时，板的总厚度会大于挠性覆铜箔基材的厚度，所以对其尺寸公差应尽可能宽松。,3.1.5坐标网格和参考基准,为了确定孔和导电图形的位置，应采用GB1360（印制电路坐标网格）规定的网格系统，基本格子为2.54mm，辅助格子为1.27mm和0.635mm或者更小。（公制尺寸元器件用2.5mm格子）。,3.1.5坐标网格和参考基准,对于SMT用印制板，若在具有自动光学定位系统的高精度表面安装设备上安装时，应在印制板元件面的两角（对角线上）或三个角上各设置一个1.6mm的圆形或边长为2.0mm的方形光学定位标志作为基准（MARK点），在大尺寸或细节距的IC焊盘图形的对角线或中心位置上各设置一个基准标志，光学定位标志上面不允许有阻焊膜覆盖。,3.2导线宽度和间距,1、印制导线宽度印制导线的宽度由导线的负载电流、允许的温升和铜箔的附着力决定。一般印制板的导线宽度不小于0.13mm（1级板为0.1mm）。对线宽为0.3mm、厚度为35m以上，负载电流在0.6A时，其温升不超过10。对于SMT印制板和高密度板的导线宽度可小于0.2mm，导线越细其加工难度越大，所以在布线空间允许的条件下，应适当选择宽一些的导线。导线的尺寸精度取决于导电图形的设计精度、生产底版的精度、制造工艺（成像、镀覆、蚀刻的方法和质量）及导体厚度的均匀性等因素，公差不能过严所以只规定最小导线宽度。对于微波电路的导线宽度及公差应有严格要求一般取0.030.08、0.05mm的公差。,3.2印制导线宽度和间距,2、印制导线间距印制导线的间距，由导线之间的绝缘电阻和耐电压要求，以及基材的特性所决定。印制板表层导线间的绝缘电阻是由导线间距、相邻导线平行段的长度、绝缘介质（包括基材和空气）印制板的加工工艺质量、温度、湿度和表面的污染等因素所决定。一般来说绝缘电阻和耐电压要求越高，其导线间距就应适当加宽。小于0.2mm的导线间距也难以加工，所以设计时在布线空间允许的条件下，应适当加大导线间距。较大的导线间距有利于降低信号串扰（相邻导线宽度大于线宽的2倍即2W原则，信号串扰会明显降低）。,3.3孔与连接盘（焊盘）,1、孔印制板上的孔，基本上可归为四类：机械安装孔、元件孔、隔离孔和导通孔。各类孔的设计要求不同。机械安装孔：应与机械安装件的位置尺寸、安装尺寸及位置公差相匹配。孔与孔的边缘及孔边缘到板边缘的距离应大于板的厚度，以保证孔壁的强度。元件孔：孔径应大于或等于所安装的元器件引线（或插针）直径0.20.3mm，孔中心的位置应在坐标网格（或辅助格）的交点上，并且与元器件引线（引脚）的位置相匹配，如果元器件的引线为非直线排列，则至少有一个点的孔中心位于网格的交点上。此类孔的孔直径一般是指金属化后的镀覆孔的直径。,3.3孔与连接盘（焊盘）,隔离孔：在多层板中将某层导电图形与通过该层的镀覆孔（金属化孔）进行绝缘隔离，孔径应大于同轴的金属化孔壁外径0.20.3mm，空间允许应适当加大。导通孔：又称为过孔，分为通孔、盲孔和埋孔三种形式。其孔径的大小和孔位由布线空间大小酌情调整，不作严格规定，为了提高布线密度一般其孔径设计得比元件孔小，但是最小孔径与板厚度的比一般不小于1：5，过小的比例在孔金属化时，工艺难度加大成本上升。在布线空间允许的情况下，此孔一般不设计在元件体的下面（多层板的埋孔除外），以便于检查和维修，SMT板布线密度较高，允许将过孔设置在器件下面，但是必须用阻焊剂封堵孔。,3.3孔与连接盘,导通孔的三种类型：通孔、埋孔和盲孔,3.3孔与连接盘（焊盘）,2连接盘印制板上的连接盘，用于表层进行焊接的称为焊盘。一般为圆形与孔同心环绕在孔周围，最小的环宽应0.1mm，（连接盘直径孔径2倍最小环宽加工允差）在空间位置允许的条件下，应适当加宽连接盘的环宽。表层的焊盘面积应稍大些有利于焊接，其形状一般也是圆形的，也有采用切割圆形、矩形、正方形或卵圆形等，这要根据布线的密度来确定。扁平封装和表面安装元器件的焊盘，一般为矩形或条状的，BGA器件的焊盘是圆的并与元器件的引脚位置相匹配，具体的形状、尺寸随元器件的型号不同而异，设计时应查阅相关标准（IPC-728）和资料。孔与连接盘的错位，不应使连接盘的环宽小于规定的最小环宽值。,3.4槽和缺口尺寸,印制板上的槽和缺口是用于印制板安装、接插件和特殊元件的安装。它的形状、尺寸应与安装件的尺寸相匹配，原则上可以是任意的，但是应满足加工工艺要求，并且尽量减少异形槽、孔，以方便加工、降低成本。槽、口一般为矩形，在无镀覆层的情况下推荐的长度、宽度的偏差为0.1mm。印制插头上的定位槽尺寸及公差要求很高，需按所采用的插座的尺寸及公差进行设计。,3.5接插区和印制插头,印制板与相应的电连接器相连接的部位称为接插区，一般设置在板的边缘。接插区的尺寸应与连接器的尺寸相匹配，以保证连接可靠。必要时在接插区的长度方向上对板的翘曲度单独提出要求（一般为1）。在采用插头座连接时，应考虑印制插头部位板的厚度及公差，板插入插座时过紧，易使插座涨裂或簧片产生永久形变会造成接触不良，插入时簧片的间隙过大，也会造成接触不良。,3.5接插区和印制插头,印制插头接触片插入端最好设计成如下形状：,3.5接插区和印制插头（金手指）,印制插头应根据与其相配合的插座的相关尺寸及公差和装配要求进行设计，印制插头接触片的宽度一般为插座两相邻簧片中心距的0.55倍，印制接触片的插入端应设计成半圆形，其圆弧的半径为接触片宽度的一半，接触片的长度应能保证插入插座后，簧片能完全接触。对双面印制插头，正反两面接触片的相对位置，应与相匹配的插座的对应簧片位置及公差相一致。插头与插座的定位基准应保持一致。在每个接触片圆弧的顶端引出0.2mm宽的工艺导线在靠近板的边线外侧用0.20.3mm的导线将其短路，作为汇总的工艺导线，为生产中插头簧片镀金/镍时使用。,3.5接插区和印制插头,工艺导线设计,工艺线,R,3.6PCB的表面涂（镀）层选择,印制板表面涂（镀）层分为：有机涂层和金属镀层两大类。用于保护PCB的可焊性或防焊性能和提高对基材及导电图形的防护能力，延长板的寿命。1）有机涂层有：助焊剂、阻焊层、敷形涂层（包括丙烯酸树脂、环氧树脂、硅树脂、聚胺酯树脂和二甲苯五类）等。助焊剂：用于暂时保护印制板焊盘的可焊性并帮助焊接，焊后应除去；阻焊剂：有热固和光固两种类型，用于印制板上在焊接时保护非焊接部分涂不上焊料，焊后不除去；敷形涂层：用于印制板组装件起三防作用（微波电路一般不采用敷形涂层），延长板的使用寿命；,3.6、PCB的表面涂（镀）层选择,OSP：是有机防氧化保焊剂，用于表面贴装印制板的焊盘上，保护焊盘的可焊性，并有助焊作用。其涂层薄、平面性好，能防止焊盘氧化利于焊接，在焊接温度下涂层自行分解。2）金属镀层有：铜镀层：与助焊剂或OSP配合使用，可焊性、导电性、平面性好，金属化孔内镀铜层平均厚度为25m。锡铅合金：需要热熔，可焊性好，对印制导线有电化学保护作用，镀层厚度为711m。焊料涂层：通过热风整平涂覆在焊盘上，保护焊盘可焊性，可焊性好，厚度7m，但允许金属化孔与焊盘连接处较薄。,3.6、PCB的表面涂（镀）层选择,电镀金/镍：在印制板的铜层上镀镍作为底层再镀金，该镀层的特点是：防氧化性、耐磨性好，接触电阻小，用于印制插头或印制接触点，金层厚度1.3m，镍层厚度为57m，但是金能与焊料中的锡形成金锡间共价化合物（AuSn4），在焊点的焊料中金的含量超过3%会使焊点变脆，所以一般厚的镀金层虽然可焊性好，也不能用作锡铅焊接镀层。用于锡铅焊接的金层厚度应小于1m；厚金镀层可用于热压焊。,3.6、PCB的表面涂（镀）层选择,化学镀金/镍：用化学方法在印制板的铜层上先镀镍，然后再镀金。该镀层的特点是：耐氧化性、可焊性好，镀层表面平整适合用于SMT板。镀层厚镀1m(锡焊时优选值为0.10.3m)，薄的镀金层能在焊接时迅速溶于焊料中，并与镍层形成锡镍共价化合物，使焊点更牢固，少量的金溶于锡中不会引起焊点变脆，金层只起保护镍层不被氧化的作用。,四、SMT对印制板的要求,表面安装技术对印制板提出了新的更高的要求，主要有如下几点；导电图形精度高、印制导线更精细，一般小于0.2mm；没有元器件安装孔，布线密度高；元器件焊盘的节距小，通孔安装板的节距一般为2.54mm,而SMT板的节距为1.27、0.635mm或更小。导通孔直径小于0.5mm或小于0.3mm；印制板的翘曲度小,对1.6mm厚的SMT板翘曲度0.75%；板的尺寸稳定、耐热性好，热膨胀系数应与元器件材料膨胀系数相匹配；,四、SMT对印制板的要求,焊盘的镀层平坦，能与表贴元器件