印制線路板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造工藝

第七章印制線路板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造工藝PCB（printedcircuitboards）產(chǎn)品已經(jīng)走過三個(gè)階段，即通孔插裝用PCB、表面安裝用PCB和芯片封裝用PCB。7.1印制電路板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)1．印制電路板的熱設(shè)計(jì)由于印制電路板基材耐溫能力和導(dǎo)熱系數(shù)都比較低，銅箔的抗剝離強(qiáng)度隨工作溫度的升高而下降。印制電路板的工作溫度一般不能超過85℃。印制電路板的減振緩沖設(shè)計(jì)印制電路板是電子產(chǎn)品中電路元件和器件的支撐件，它提供電路元件和器件之間的電氣連接。。印制電路板的抗電磁干擾設(shè)計(jì)7.印制電路板的板面設(shè)計(jì)⑴公共地線應(yīng)布置在板的最邊緣，便于印制板安裝在機(jī)架上，也便于與機(jī)架(地)相連。導(dǎo)線與印制板的邊緣應(yīng)留有一定的距離(不小于板厚)，這不僅便于安裝導(dǎo)軌和進(jìn)行機(jī)械加工，而且還提高了絕緣性能。電路的工作頻率越高，地線應(yīng)越寬。印制板上每級(jí)電路的地線一般應(yīng)自成封閉回路，以保證每級(jí)電路的地電流主要在本級(jí)地回路中流通，減小級(jí)間地電流耦合。如但印制板附近有強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，地線不能做成封閉回路，以免成為一個(gè)閉合線圈而引起感生電流。⑴低頻導(dǎo)線靠近印制板邊布置。將電源、濾波、控制等低頻和直流導(dǎo)線放在印制板的邊緣。高頻線路放在板面的中間，可以減小高頻導(dǎo)線對(duì)地線和機(jī)殼的分布電容，也便于板上的地線和機(jī)架相連。⑵高電位導(dǎo)線和低電位導(dǎo)線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離，最好的布線是使相鄰的導(dǎo)線間的電位差最小。⑶避免長距離平行走線，印制電路板上的布線應(yīng)短而直。必要時(shí)可以采用跨接線。雙面印制板兩面的導(dǎo)線應(yīng)垂直交叉。高頻電路的印制導(dǎo)線的長度和寬度宜小，導(dǎo)線間距要大。印制電路板上同時(shí)安裝模擬電路和數(shù)字電路時(shí)，宜將這兩種電路的地線系統(tǒng)完全分開，它們的供電系統(tǒng)也要完全分開。⑸采用恰當(dāng)?shù)慕硬逍问剑缬媒硬寮?、插接端和?dǎo)線引出等幾種形式。輸入電路的導(dǎo)線要遠(yuǎn)離輸出電路的導(dǎo)線，引出線要相對(duì)集中設(shè)置。布線時(shí)使輸入輸出電路分列于電路板的兩邊，并用地線隔開。7.1.3印制導(dǎo)線的尺寸和圖形當(dāng)元器件結(jié)構(gòu)布局和布線方案確定后，就要具體地設(shè)計(jì)繪制印制導(dǎo)線的圖形。覆銅箔板銅箔的厚度一般為0.02mm～0.05mm。印制導(dǎo)線的最小寬度取決于導(dǎo)線的載流量和允許溫升。表7.10.05mm厚的導(dǎo)線寬度與允許的載流量、電阻的關(guān)系導(dǎo)線的寬度(mm)0.51.01.52.0允許載流量(A)0.81.01.31.9電阻(Ω/m)0.70.410.310.29一般導(dǎo)線間距等于導(dǎo)線寬度，但不小于1mm。對(duì)于微型設(shè)備，不小于0.4mm。表面貼裝板的間距0.12～0.2mm，甚至0.08mm。具體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮下述三個(gè)因素：（1）低頻低壓電路的導(dǎo)線間距取決于焊接工藝。采用自動(dòng)化焊接時(shí)間距要小些，手工操作時(shí)宜大些。（2）高壓電路的導(dǎo)線間距取決于工作電壓和基板的抗電強(qiáng)度。（3）高頻電路主要考慮分布電容對(duì)信號(hào)的影響。表7.2安全工作電壓、擊穿電壓與導(dǎo)線間距值導(dǎo)線間距(mm)0.51.01.52.03.0工作電壓(V)100200300500700擊穿電壓(V)10001500180021002400元器件在印制板上有兩種排列方式：不規(guī)則排列、規(guī)則排列。不規(guī)則排列適用于高頻電路，它可以減少印制導(dǎo)線的長度和分布參數(shù)，但不利于自動(dòng)插裝。規(guī)則（坐標(biāo)格）排列，排列整齊，自動(dòng)插裝效率高，但引線可能較長。同一印制板上的導(dǎo)線的寬度宜一致，地線可適當(dāng)加寬。導(dǎo)線不應(yīng)有急彎和尖角，轉(zhuǎn)彎和過渡部分宜用半徑不小于2mm的圓弧連接或用45度角連線，且應(yīng)避免分支線。當(dāng)導(dǎo)線寬度超過3mm時(shí)，最好在導(dǎo)線中間開槽成兩根并聯(lián)線。大面積銅箔時(shí)，應(yīng)做成柵格狀。7.焊盤

焊盤中心孔要比器件引線直徑稍大一些。焊盤太大易形成虛焊。一般焊盤外徑D>(d+1.3)mm，其中d為引線插孔直徑。對(duì)高密度的數(shù)字電路，焊盤最小直徑可取Dmin=(d+1.0)mm。焊盤太小容易在焊接時(shí)粘斷或剝落。焊盤的形狀有島形焊盤、圓形焊盤、方形焊盤、橢圓焊盤和靈活設(shè)計(jì)的焊盤。設(shè)計(jì)印制板應(yīng)具備的條件①已知印制電路板板面需要容納的電路，以及該電路內(nèi)各種元器件的型號(hào)、規(guī)格和主要尺寸。②明確各元器件和導(dǎo)線在布局、布線時(shí)的特殊要求。如哪些元器件和導(dǎo)線需要屏蔽；哪些元器件經(jīng)常更換和調(diào)整；哪些是發(fā)熱元器件和熱敏元器件；各元器件的工作頻率和電壓大?。浑娐饭ぷ鲿r(shí)環(huán)境條件(溫度、濕度和沖振要求)等。③確定印制板在整機(jī)(或分機(jī))中的位置及其連接形式。印制板的設(shè)計(jì)步驟和方法選定印制板的材料、板厚和板面尺寸。選擇印制板材料必須考慮到基材的電氣和機(jī)械性能，還要考慮價(jià)格和成本。印制板的最佳形狀為矩形，長寬比為3：2或4：3。將幾塊小的印制板(矩形的或異形的)拼成一個(gè)大矩形，待裝配、焊接后再沿工藝孔裁開，可降低生產(chǎn)成本。印制板的外形尺寸已由GB9315-88做了規(guī)定，常用系列見表7.3、表7.4。表7.3印制板尺寸系列1單位：mmB55.55100147.45188.9233.55277.80L100160220280340注：本表尺寸B、L可任意組合。表7.4印制板尺寸系列2單位：mmB·50·50·707070·80·80100·100L80140140240320100140100160B·100120·120·140·140·160180·200300L200120200160200260220300300注：本表尺寸B、L為一一對(duì)應(yīng)，不可任意組合；帶有“·”是優(yōu)選尺寸。設(shè)計(jì)印制電路板坐標(biāo)尺寸圖。③根據(jù)電原理圖繪制排版連線圖。排版連接圖是用簡(jiǎn)單線條表示印制導(dǎo)線的走向和元件器件的連接。在排版連接圖中應(yīng)盡量避免導(dǎo)線的交叉，但可在元件處交叉，因元件跨距處可以通過印制線。根據(jù)排版連線圖，按元器件大小比例，畫出印制導(dǎo)線照相底圖和裝配圖。7.2印制電路板的制造工藝及檢測(cè)制造印制電路板的工藝方法很多，其工藝過程一般有照相、圖形轉(zhuǎn)移、蝕刻、鉆孔、孔金屬化、表面金屬涂覆及有機(jī)材料涂覆等工序。但制造工藝基本上分兩大類，即減成法(銅箔蝕刻法)和加成法(添加法)。4．2．1印制電路板的制造工藝流程 照相底圖照相制版圖形轉(zhuǎn)移蝕刻孔的金屬化照相底圖照相制版圖形轉(zhuǎn)移蝕刻孔的金屬化印制插頭的電鍍印阻焊劑、印字符涂覆(鍍)印制板的機(jī)械加工修邊表面涂覆(鍍)照相制版用照相的方法對(duì)照相底圖拍照以得到照相底片，照相底片要接比例縮小(用繪制照相底圖相反的比例)，以得到設(shè)計(jì)所規(guī)定的印制圖形尺寸。制電路板的機(jī)械加工印制板的外形和各種用途的孔(引線孔、中繼孔、機(jī)械安裝孔、定位孔、檢測(cè)孔等)都是通過機(jī)械加工完成的，隨著電子技術(shù)的發(fā)展其加工尺寸和精度要求越來越高?？椎慕饘倩瘜?duì)于多層印制電路板，為了把內(nèi)層印制導(dǎo)線引出和互連，需要將印制導(dǎo)線的孔金屬化?？捉饘倩褪窃诳變?nèi)電鍍一層金屬，形成一個(gè)金屬筒，與印制導(dǎo)線連接起來?？捉饘倩に?，就是孔內(nèi)壁表面化學(xué)沉銅后再通過全板電鍍銅或圖形電鍍來實(shí)現(xiàn)層間可靠的互連。圖形轉(zhuǎn)移圖形轉(zhuǎn)移就是將電路圖形由照相底片轉(zhuǎn)移到印制板上去。蝕刻廣義上講，凡是在覆銅箔印制板生產(chǎn)中，用化學(xué)或的方法去銅的過程都是蝕刻。狹義上講，蝕刻是將涂有抗蝕劑并經(jīng)感光顯影后的印制電路板上未感光部分的銅箔腐蝕掉，在印制電路板上留下所需的電路圖形的過程。印制插頭的電鍍?nèi)绻≈齐娐钒迨且赃吘売≈平佑|片作為插頭插入插座，那么所有導(dǎo)線的輸入輸出都必須接到印制板邊緣的印制插頭片上。為了獲得盡可能低的接觸電阻，要在這些印制插頭片上鍍金。涂(印)阻焊劑、印字符阻焊劑或稱阻焊油墨，是印制板最外面的“衣服”。它的作用是防止電路腐蝕，防止由于潮濕引起的電路絕緣性能下降，防止焊錫粘附在不需要的部分，防止銅對(duì)焊錫槽的污染，保證印制板功能等。油墨的涂覆的方式有簾幕涂布、絲網(wǎng)印刷、靜電涂布、氣式噴涂等。印文字、符號(hào)是為了印制板裝配和維修方便。它們一般印在阻焊油墨上面，也有的單面板直接印在基材上。10．表面涂(鍍)覆如果印制板制造后立即裝配，則可不進(jìn)行表面處理。對(duì)只儲(chǔ)存一個(gè)短時(shí)期的印制板，可涂一層助焊性清漆。但最好的方法是在印制導(dǎo)線制成后再進(jìn)行表面涂覆。11．修邊印制電路板的最后工序就是修整邊緣，以達(dá)到所要求的尺寸和公差。修邊在高速切割鋸，或輪廓加工機(jī)(銑切機(jī))上進(jìn)行，有的用沖模進(jìn)行修邊。4．2．2印制電路板的質(zhì)量檢驗(yàn)印制板最常見的故障是導(dǎo)體間的短路和導(dǎo)體內(nèi)的斷路、焊盤上阻焊膜配備不良，樹脂涂抹移位和電鍍通孔開裂等。所以印制板制成后要經(jīng)過以下幾項(xiàng)質(zhì)量檢驗(yàn)，才能組裝焊接。目視檢驗(yàn)?zāi)恳暀z驗(yàn)是用肉眼檢驗(yàn)所見到的一些性能。通常目檢能發(fā)現(xiàn)的一些缺陷可分為表面缺陷和其它缺陷。⑴表面缺陷表面缺陷包括凹痕、麻坑、劃痕、表面粗糙、空洞、針孔等。⑵其它缺陷焊盤的重合性檢驗(yàn)孔是否在焊盤中心。導(dǎo)線圖形的完整性測(cè)量導(dǎo)線圖形的完整性。用照相底圖制造的底片覆蓋在已加工好的印制板上，測(cè)量導(dǎo)線寬度、外形是否處于所要求的范圍內(nèi)。外形尺寸檢驗(yàn)印制板的邊緣尺寸是否在所要求的范圍內(nèi)。電性能測(cè)試對(duì)多層印制電路板要進(jìn)行連通性試驗(yàn)，檢驗(yàn)印制電路圖形是否是連通的。絕緣電阻測(cè)量印制板絕緣部件對(duì)外加直流電壓所呈現(xiàn)出的一種電阻?？珊感钥珊感允怯脕頊y(cè)量元器件連接到印制板上時(shí)，焊接對(duì)印制圖形的潤濕能力，一般用：潤濕、半潤濕、不潤濕來表示。鍍層的附著力常用膠帶試驗(yàn)法檢查鍍層附著力。此外還有PCB的翹曲和扭曲、抗剝強(qiáng)度、合金成分、孔端抗拉脫強(qiáng)度、金屬化孔的電流擊穿，載流量，用焊料浮起測(cè)試和金屬切片分別檢測(cè)電鍍通孔結(jié)構(gòu)的質(zhì)量等試驗(yàn)。7.3印制電路板的組裝工藝印制電路板是現(xiàn)代電子設(shè)備中不可缺少的關(guān)鍵部件。它不僅為電子元器件提供了固定和裝配的機(jī)械支撐，而且實(shí)現(xiàn)了電子元器件之間的布線和電氣連接。4．3．1印制電路板的分類：印制電路板的分類方式一般有兩種：按基材分類、按結(jié)構(gòu)分類?；挠≈齐娐钒蹇煞譃椋杭埢≈瓢?、玻璃布基印制電路板、合成纖維印制板、陶瓷基印制板、金屬芯基印制板。按結(jié)構(gòu)印制電路板分為：剛性印制板、撓性印制電路板、剛撓結(jié)合印制板。其它類型的印制板還有：導(dǎo)電膠印制板、載芯片印制板、抗電磁波干擾印制板、單面多層印制板、多重布線印制板、平面電阻印制板、積層式多層印制電路板。4．3．2印制板電路板組裝工藝的基本要求印制基板的兩側(cè)分別叫元件面(CS面)和焊接面(SS)。元件面安裝元件，元件引出線通過基板的插孔，在焊接面的焊盤處通過焊接把線路連接起來。電子元器件很多，一般有軸向元件VCD（也稱為可變中心距元件，VariableCenterDistanceComponent）、雙列直排封裝元件DIP(DualIn-linePackage)、單列直排封裝元件SIP(SingleIn-linePackage)、輻射狀引線元件和表面安裝元器件SMD(SurfaceMountedDevices)等。印制板的組裝方法必須根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、裝配的密度、使用的方法和要求來決定。元器件插裝前，一般需要進(jìn)行加工處理，然后插裝。良好的成形及插裝工藝，可使可使元器件穩(wěn)定、抗振、整齊、美觀。元器件引線的成形⑴預(yù)加工處理由于生產(chǎn)工藝的限制和包裝、貯存、運(yùn)輸?shù)戎虚g環(huán)節(jié)時(shí)間較長，元器件表面易產(chǎn)生氧化膜，使引線可焊性下降。引線的預(yù)加工處理包括引線的校直、表面清潔、搪錫三個(gè)步驟。⑵引線成形的基本要求為將元器件迅速而準(zhǔn)確地插入印制板上的孔內(nèi)，要根據(jù)焊點(diǎn)之間的距離，將引線做成需要形狀。基本要求如下：①元件引線開始彎曲處，離元件端面的最小距離大于1.5mm。②彎曲半經(jīng)大于等于引線直經(jīng)的兩倍，兩根引線打彎后要相互平行。③焊接時(shí)怕熱元件，應(yīng)將引線繞成環(huán)狀或用卷發(fā)式成形方法，將引線增長，提高散裝面積熱能力。④元件標(biāo)稱值及文字標(biāo)記應(yīng)處于便于查看的位置，便于檢查和維修。⑤成形后無機(jī)械損傷。⑶成形方法在自動(dòng)化生產(chǎn)中，成形工序在流水線上用專用工具和成形模具成形。如采用電動(dòng)、氣動(dòng)等專用引線成形機(jī)。少量元器件可采用手工，用尖嘴鉗或鑷子鉗等工具成形。①③④⑤安裝順序一般為先低后高，先輕后重、先易后難、先一般元器件后特殊元器件。⑥在印制板上元器件分布均勻、整齊。不允許斜排、立體交叉和重疊排列。元器件外殼與引線不得相碰，并保證1mm左右間隙，必要時(shí)應(yīng)套絕緣套管。⑦一些特殊元器件應(yīng)做特殊處理。如MOS集成電路應(yīng)在等電位工作臺(tái)上安裝，以免靜電損壞器件；發(fā)熱元件（如2W以上的電阻）要懸空安裝或直接裝在散熱器上，并保證可靠接觸，以利于散熱；較大元器件（重量大于28g）應(yīng)在印制板面上采取固定措施（彈性固定夾、螺釘螺母、支架等），以減振緩沖。⑧元器件插好后，其引線外形處理有彎頭的，有切斷成形的。一般彎腳的彎折方向都應(yīng)與銅箔走線方向相同。如無印制導(dǎo)線只有焊盤時(shí)，可朝距印制導(dǎo)線遠(yuǎn)的地方打彎。4．3．3印制電路板裝配工藝印制電路板裝配主要包括把元件插入到印制電路板中并加以焊接兩道工藝。插入元件的工件由手工或高速專用的機(jī)械來完成，前者簡(jiǎn)單易行,但效率低,誤裝率高。而后者安裝速度快,誤裝率低,但設(shè)備成本高，引線成形要求嚴(yán)格。1．元器件的安裝方法,一般有以下幾種形式：⑴貼板安裝元器件貼緊印制基板面，安裝間隙小于1mm。若元器件外殼是金屬的，安裝面又有印制導(dǎo)線時(shí)，應(yīng)加墊絕緣襯墊或套絕緣套管。這種方法優(yōu)點(diǎn)是：元器件穩(wěn)定性好、受振動(dòng)時(shí)不易脫落。⑵懸空安裝元器件插裝后距印制板面3～8mm高。這種方法有利于元器件散熱。⑶垂直安裝元器件垂直于印制基板面插裝，這種方法有利于提高元器件的組裝密度，拆卸方便，但不抗振。電容、三極管多數(shù)采用這種方法。⑷埋頭安裝(嵌入式安裝)將元器件的殼體埋于印制基板的嵌入孔內(nèi)，這種方法有利于元器件抗振，并降低了安裝高度。⑸有高度限制時(shí)的安裝將元器件的垂直插入后，再朝水平方向彎曲。對(duì)大型元件要特殊處理，以保