印制电路板的结构设计及制造工艺课件

第四章印制电路板的结构设计及制造工艺主要内容印制电路板结构设计的一般原则印制电路板的制造工艺及检测印制电路板的组装工艺印制电路板的计算机辅助设计（CAD）过程简介

印制电路板从第一代的单面板、第二代的双面板，发展到了第三代的多层板。现在市场上又已经出现第四代印制电路板，一般称其为“积层法电路板”(buildupboards)、“高密度互联电路板’’(hghdensl订interconnects)或“微过孔板”(microViboards)

在组装工艺技术方面，印制电路板PCB(printeddrcu北boards)产品已经走过三个阶段，即通孔插装用PCB、表面安装用PCB和芯片封装用PCB。中国PCB产业经过90年代以来的努力和技术改造，已经全面走上了以表面安装用PCB产品为主的轨道。4．1印制电路板结构设计的一般原则4．1．1印制电路板的结构布局设计印制电路板的热设计由于印制电路板基材耐温能力和导热系数都比较低，铜箔的抗剥离强度随工作温度的升高而下降。印制电路板的工作温度一般不能超过85℃。主制板结构设计时，其散热主要有以下几种方法：均匀分布热负载、元器件装散热器，在印制板与元器件之间设置带状导热条、局部或全局强迫风冷。

2．印制电路板的减振缓冲设计印制电路板是电子产品中电路元件和器件的支撑件，它提供电路元件和器件之间的电气连接。为提高印制板的抗振、抗冲击性能，板上的负荷应合理分布以免产生过大的应力。对大而重的元件(重量超过15g或体积超过27cm3)尽可能布置在靠近固定端，并降低其重心或加金属结构件固定。

3．印制电路板的抗电磁干扰设计为使印制板上的元器件的相互影响和干扰最小，高频电路和低频电路、高电位与低电位电路的元器件不能靠得太近。输入和输出元件应尽量远离，尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。

(1)采用信号线与地线交错排列或地线(层)包围信号线，以达到良好的隔离作用。(2)采用双信号带状线时，相邻的两层信号线不宜平行布设，应互相垂直、斜交，以减少分布电容产生，防止信号耦合。同时不宜直角或锐角走线，应以圆角走弧线与斜线，尽量降低可能发生的干扰。(3)减少信号线的长度。目前在保持高密度走线下，缩短信号传输线的最有效的方法是采用多层板结构。(4)应把最高频信号或最高速数字化信号组件尽量接近印制电路板连接边的输入输出(I／O)处，使它们的传输线走线最短。(5)对高频信号和高速数字化信号的组件的引脚，应采用有BGA(BallGridArray球栅阵列)类型结构而尽量不采用密集的QFP（方形扁平封装)形式。(6)采用最新的CSP(裸芯片封装)技术。

4．印制电路板的板面设计元器件应按电原理图顺序成直线排列，力求紧凑以缩短印制导线长度，并得到均匀的组装密度。在保证电性能要求的前提下，元器件应平行或垂直于板面，并和主要板边平行或垂直。在板面上分布均匀整齐。（2）数字地与模拟地应尽量分开（3）印制板上每级电路的地线一般应自成封闭回路，以保证每级电路的地电流主要在本级地回路中流通，减小级间地电流耦合。

3．信号线设计(1)低频导线靠近印制板边布置将电源、滤波、控制等低频和直流导线放在印制板的边缘。高频线路放在板面的中间，可以减小高频导线对地线和机壳的分电容，也便于板上的地线和机架相连。高电位导线和低电位导线应尽量远离最好的布线是使相邻的导线间的电位差最小。

2．印制导线的间距导线的最小间距主要由最恶劣情况下的导线间绝缘电阻和击穿电压决定。一般导线间距等于导线宽度，但不小于1mm。对于微型设备，不小于0．4mm。表面贴装板的间距0．12～0．2mm，甚至0．08mm。具体设计时应考虑下述三个因素：3．印制导线的图形元器件在印制板上有两种排列方式：不规则排列、规则排列(如图4．7所示)。不规则排列适用于高频电路，它可以减少印制导线的长度和分布参数，但不利于自动插装。规则(坐标格)排列，排列整齐，自动插装效率高，但引线可能较长。同一印制板上的导线的宽度宜一致，地线可适当加宽。

4．焊盘大面积铜箔时，焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些，但焊盘太大易形成虚焊。一般焊盘外径D>(d+1．3)mm，其中d为引线插孔直径。对高密度的数字电路，焊盘最小直径可取Dmin=（d+1.0）㎜。1．4印制板设计步骤和方法1．设计印制板应具备的条件(1)已知印制电路板板面需要容纳的电路，以及该电路内各种元器件的型号、规格和主要尺寸。(2)明确各元器件和导线在布局、布线时的特殊要求。(3)确定印制板在整机(或分机)中的位置及其连接形式。2．印制板的设计步骤和方法选定印制板的材料、板厚和板面尺寸选择印制板材料必须考虑到基材的电气和机械性能，还要考虑价格和成本。刚性基材可选择酚醛纸质层压板、环氧纸质层压板、环氧玻璃布层压板、聚四氟乙烯玻璃布层压板。前两种板材适用于一般要求不高的电子设备中；环氧玻璃布层压板适用于工作温度较高，工作频率较高的电子设备。

印制板厚由板面尺寸大小和所安装元件的重量决定。板厚已标准化，其尺寸有0．2、0．5、0．7、0．8、1．5、1．6、2．4、3．2、6．4mm等多种。刚性板厚一般1．5mm大电流板厚2～3mm。小家电板厚约0．5mm。印制板的最佳形状为矩形，长宽比为3：2或4：3。将几块小的印制板(矩形的或异形的)拼成一个大矩形，待装配、焊接后再沿工艺孔裁开，可降低生产成本。

设计印制电路板坐标尺寸图根据电原理图并考虑元器件外形尺寸和布局布线要求，逐级从输入到输出的顺序，用印有1mm或2．5mm方格的坐标格图纸绘制电路板坐标尺寸图。首先选出典型元器件作为布局的基本单元。典型元器件是板面上要安装的全部元件中在几何尺寸上具有代表性的元器件(如图4．10所示)，然后再估计其他元器件尺寸相当于典型元器件的倍数。

(3)根据电原理图绘制排版连线图排版连线图是用简单线条表示印制导线的走向和元件器件的连接。在排版连线图中应尽量避免导线的交叉，但可在元件处交叉，因元件跨距处可以通过印制线(如图4．12所根据排版连线图，按元器件大小比例，在方格纸上绘出排版设计草图(一般选2：1或4：1)。4.2印制电路板的制造工艺及检测制造印制电路板的工艺方法很多，其工艺过程一般有照相、图形转移、蚀刻、钻孔、孑L金属化、表面金属涂覆及有机材料涂覆等工序。但制造工艺基本上分两大类，即减成法(铜箔蚀刻法)和加成法(添加法)。4．2．1印制电路板的制造工艺流程1．照相底图照相底图是制造印制图形的依据。在印制电路板设计完成后，即可绘制照相底图。制备照相底图的材料通常有三种：

①布里斯托尔板②铝箔板③聚脂薄膜

(1)自动制作照相底图①CAD笔绘法：是由CAD系统布好线后，驱动笔绘机绘出照相底图。②打印法：是指利用PC机根据布线草图控制打印机打印出照相底图。③刻一揭红膜法：此法与笔绘法有相同之处只是把笔换成刻刀，根据事先编好的程序进行刻图。④光绘法：是指用光绘机直接将CAD设计的PCB图形数据送人光绘机的计算机系统，控制光绘机，利用光线直接在底片上绘制图。再经显定影得到照相底片。用光绘法制作照相底片，速度快，精度高，质量好。常用的光绘机有：向量式光绘机、扫描式光绘图机(激光光绘机)。现代激光绘图机能绘制细线条、高密度的底片，更适合于现代印制板多引线、细间隙、超大规模集成化(VLSl)的迅速发展。

2．照相制版用照相的方法对照相底图拍照以得到照相底片，照相底片要按比例缩小(用绘制照相底图相反的比例)，以得到设计所规定的印制图形尺寸。照相的工艺流程：对光一曝光一显影－定影一水洗一晾干一修复

3．印制电路板的机械加工印制板的外形和各种用途的孔(引线孔、中继孔、机械安装孔、定位孔、检测孔等)都是通过机械加工完成的。(1)外形加工外形加工可分为毛坯加工和成品精加工。毛坯加工一般采用剪、锯。成品精加工用剪、锯、冲、铣。(2)孔加工一般圆孔加工有冲和钻两种方法，异形孔可用冲、铣的方法加工。4．孔的金属化对于多层印制电路板，为了把内层印制导线引出和互连，需要将印制导线的孔金属化。孔金属化就是在孔内电镀一层金属，形成一个金属筒，与印制导线连接起来。孔金属化工艺，就是孔内壁表面化学沉铜后再通过全板电镀铜或图形电镀来实现层间可靠的互连。

5．图形转移图形转移就是将电路图形由照相底片转移到印制板上去。常用的方法有光化学法和丝网漏印法，前者精度较高，后者精度较低。(1)光化学法通常先在板的有铜箔面，浸渍涂覆一层光敏抗蚀剂，然后把照相底片放在上面进行曝光，然后进行显影，使抗蚀剂形成的线路图保留下来，而板面上其余的抗蚀剂都被洗掉。目前有液态感光法和感光干膜法两种方法：

①液态感光法是采用液态光致抗蚀剂或抗电镀剂，经感光法形成图形。适合制造高精密度印制板的图形转移要求。其工艺流程：基板前处理(酸处理、磨刷)一涂布－干燥一曝光一显影一干燥一蚀刻或电镀一去膜

感光干膜法的效率高、工艺简单、质量高。感光干膜法中的干膜由干膜抗蚀剂(耐酸的光聚合体)、聚酯膜(基底膜)和聚乙烯膜组成。贴膜制板工艺流程：贴膜前处理(刷洗去氧化膜、油污等)一吹干或烘干一贴膜一对孔一定位一曝光一显影－晾干一修板一蚀刻或电镀一去膜(2)丝网漏印法先将所需的印制电路图形制在丝网上，然后用一层稠密的抗化学腐蚀的油墨(通常是黑的)、漆类及树脂等，用丝网漏印的方式将线路图形漏印到印制板有铜箔的一面形成耐腐蚀的保护层，经蚀刻去除掉未施保护层的铜箔，洗掉保护层后，留下所需的印制电路图。

6．蚀刻广义上讲，凡是在覆铜箔印制板生产中，用化学或电化学的方法去铜的过程都是蚀刻。狭义上讲，蚀刻是将涂有抗蚀剂并经感光显影后的印制电路板上未感光部分的铜箔腐蚀掉，在印制电路板上留下所需的电路图形的过程。

蚀刻的工艺流程是：预蚀刻一蚀刻－水洗一浸酸处理一水洗一干燥－去抗蚀膜一热水洗－冷水冲洗－干燥(吹干或晾干)一修板。常用的蚀刻剂为三氯化铁、氯化铜(酸性、碱性)、过硫酸铵、铬酸、氨水蚀刻液等。其中三氯化铁价廉，毒性低；碱性氯化铜腐蚀速度快，能蚀刻高精度、高密度的印制板，铜离子又能再生回收，是目前应用最广的图形蚀刻液。

7．印制插头的电镀如果印制电路板是以边缘印制接触片作为插头插入插座，那么所有导线的输入输出都必须接到印制板边缘的印制插头片上。为了获得尽可能低的接触电阻，要在这些印制插头片上镀金。正常镀金的厚度是0．005mm。有时在硬镍底板上镀金，其厚度薄一些，约为0．0013mm。

8．涂(印)阻焊剂、印字符阻焊剂或称阻焊油墨，是印制板最外面的“衣服”。它的作用是防止电路腐蚀，防止由于潮湿引起的电路绝缘下降。9.表面涂（镀）覆10.修边4．3印制电路板的组装工艺印制电路板是现代电子设备中不可缺少的关键部件。它不仅为电子元器件提供了固定和装配的机械支撑，而且实现了电子元器件之间的布线和电气连接。随着印制电路板制造技术的迅速发展，新型的印制板、新的元件封装以及新的装配技术不断出现。

4．3．1印制电路板的分类印制电路板的分类方式有多种：按基材分类、按结构分类等。按基材印制电路板可分为：纸基印制板、玻璃布基印制板、合成纤维基印制板、陶瓷基印制板、金属芯基印制板。按结构印制电路板分为：刚性印制板、挠性印制板、刚挠结合印制板。其他类型的印制电路板还有：导电胶印制板、载芯片印制板、抗电磁波干扰印制板、单面多层制板、多重布线印制板、平面电阻印制板、积层式多层印制板。

4．3．2印制电路板组装工艺的基本要求印制基板的两侧分别叫元件面(CS面)和焊接面(SS)。元件面安装元件，元件引出线通过基板的插孔，在焊接面的焊盘处通过焊接把线路连接起来。电子元器件很多。如图4．16所示。印制板的组装方法必须根据产品的结构、装配的密度、使用的方法和要求来决定。元器件插装前，一般需要进行加工处理，然后插装。良好的成形及插装工艺，可使元器件稳定、抗振、整齐、美观。1．元器件引线的成形(1)预加工处理由于生产工艺的限制和包装、贮存、运输等中间环节时间较长，元器件表面易产生氧化膜，使引线可焊性下降。引线的预加工处理包括引线的校直、表面清洁、搪锡三个步骤。(2)引线成形的基本要求为将元器件迅速而准确地插入印制板上的孔内，要根据焊点之间的距离，将引线做成需要形状。基本要求如下：①元件引线开始弯曲处，离元件端面的最小距离大于1．5mm。②弯曲半径大于等于引线直径的两倍，两根引线打弯后要相互平行。③焊接时怕热元件，应将引线绕成环状或用卷发式成形方法，将引线增长，提高散热能力。④元件标称值及文字标记应处于便于查看的位置，便于检查和维修。⑤成形后无机械损伤。引线成形基本要求如图4．17所示。

2．元器件安装的技术要求①元器件的标志方向按图纸要求，安装后应能看清元件上标志。若装配图上没指明方向，则应按从左到右、从下到上的顺序能读出标志。②有极性的元器件可加彩色套管以示区别。如晶体管的管脚和电解电容的正负端。③晶体管管脚引线一般留3～5mm，管脚过长降低晶体管的稳定性，过短时，焊接过热会损坏晶体管。集成电路安装时要先将引线脚与孔位对准，防止弄断或弄偏引出脚。

④安装高度应符合规定要求，同一规格的元器件应尽量安装在同一高度。⑤安装顺序一般为先低后高，先轻后重、先易后难、先一般元器件后特殊元器件。在印制板上元器件分布均匀、整齐。不允许斜排、立体交叉和重叠排列。元器件外壳与引线不得相碰，并保证1mm左右间隙，必要时应套绝缘套管。

元器件插好后，其引线外形处理有弯头的，有切断成形的。一般弯脚的弯折方向都应与铜箔走线方向相同。如无印制导线只有焊盘时，可朝距印制导线远的地方打弯。如图4．18、4.3．3印制电路板装配工艺印制电路板装配主要包括把元件插入到印制电路板中并加以焊接两道工艺。插入元件的工件由手工或高速专用的机械来完成，前者简单易行，但效率低，误装率高。而后者安装速度快，误装率低，但设备成本高，引线成形要求严格。元器件的安装方法，一般有以下几种形式：

贴板安装如图4．20所示，元器件贴紧印制基板面，安装间隙小于1mm。若元器件外壳是金属的，安装面又有印制导线时，应加垫绝缘衬垫或套绝缘套管。这种方法优点是：元器件稳定性好、受振动时不易脱落。②悬空安装如图4．21所示，元器件插装后距印制板面3～8mm高。这种方法有利于元器件散热。

垂直安装如图4．22所示，元器件垂直于印制基板面插装，这种方法有利于提高元器件的组装密度，拆卸方便，但不抗振。电容、三极管多数采用这种安装方法。④埋头安装(嵌入式安装)如图4．23所示，将元器件的壳体埋于印制基板的嵌入孔内，这种方法有利于元器件抗振，并降低了安装高度。⑤有高度限制时的安装如图4．24所示，将元器件垂直插入后，再朝水平方向弯曲。对大型元件要特殊处理，以保证有足够机械强度，经得起振动和冲击。支架固定安装如图4．25所示，用金属支架将元器件固定在印制基板上，这种方法适用于重量较大的元器件，如小型继电器、变压器、阻流圈等。4．3．4印制电路板组装工艺流程1．通孔类元件THC的装配工艺流程通孔类元件印制电路板装配的工艺流程是：印制电路板装入夹具中，插入所有波峰焊接的元件，进行波峰焊接。接着插入和焊接所有人工焊接的元件；最后插入和固定所有余下的非焊接元件。元器件插入有三种方法：专用自动插装机器插入、手工装配工人(包括半自动装机在内)插入、机器人插入。(1)自动插装工艺流程(如图4．26所示)2．表面安装器件(SMD)的装配工艺流程(如图4．28所示)表面安装元件(SMC)和器件(SMD)的特点是