【正文】 電工電子實習教學指導書印制電路板的設計與制作趙文兵 柴旺興 編徐祖建 主審湖北汽車工業(yè)學院電工電子實習基地34 / 36目 錄印制電路板的設計一．印制電路板的基本概念 ……………………………………1（一）印制板的組成 （二）印制板的種類 （三）印制板的安裝技術二．印制電路板的設計準備 3（一）設計目標 （二）設計前準備工作 三．印制電路板的排版布局 5（一）整機電路的布局原則 （二）元器件的安裝與布局四．印制電路的設計 9（一）焊盤的設計 （二）印制導線的設計 （三）過孔和引線孔的設計五．印制電路板的抗干擾設計 12（一）地線設計 （二）電源線設計 （三）電磁兼容性設計 （四）器件布置設計 （五）散熱設計 （六）板間配線設計六．印制電路板圖的繪制 20（一）手工設計印制電路板圖 （二）計算機輔助設計印制電路板圖七．手工設計印制電路板實例 22印制電路板的制作一．印制電路的形成方式 24（一）減成法 （二）加成法二．印制電路板的工業(yè)制作 24（一）雙面印制板制作的工藝流程 （二）單面印制板制作的工藝流程三．印制電路板的手工制作 26（一）描圖蝕刻法 （二）貼圖蝕刻法 （三）雕刻法 （四）“轉印”蝕刻法四．印制導線的修復 29（一）印制導線斷路的修復 （二）印制導線起翹的修復印制電路板（Printed circuit board，PCB）也稱為印制線路板、印刷電路板，簡稱印制板。印制電路的概念是1936年由英國Eisler博士首先提出，他首創(chuàng)了在絕緣基板上全面覆蓋金屬箔，涂上耐蝕刻油墨后再將不需要的金屬箔腐蝕掉的印制板制造基本技術。印制電路板在各種電子設備中有如下功能：1．提供各種電子元器件固定、裝配的機械支撐。2．實現(xiàn)各種電子元器件之間的布線和電氣連接（信號傳輸）或電絕緣。提供所要求的電氣特性，如特性阻抗等。3．為自動裝配提供阻焊、助焊圖形，為元器件插裝、檢查、維修提供識別字符和圖形。 印制電路板的應用降低了傳統(tǒng)方式下的接線工作量，簡化了電子產(chǎn)品的裝配、焊接、調試工作；縮小了整機的體積，降低了產(chǎn)品的成本，提高了電子設備的質量和可靠性。另外，印制電路板具有良好的產(chǎn)品一致性，可以采用標準化設計，有利于生產(chǎn)過程中實現(xiàn)機械化和自動化，也便于整機產(chǎn)品的互換和維修。隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展，印制板的使用已日趨廣泛，可以說它是電子設備的關鍵互聯(lián)件，任何電子設備均需配備。因此，印制電路板的設計與制作已成為我們學習電子技術和制作電子裝置的基本功之一。印制電路板的設計在電子產(chǎn)品設計中，電路原理圖不過是設計思想的初步體現(xiàn)，而要最終實現(xiàn)整機功能無疑則要通過印制電路板這個實體。印制電路板的設計，就是根據(jù)電路原理圖設計出印制電路板圖，但這決不意味著設計工作僅僅是簡單地連通，它是整機工藝設計的重要一環(huán)，也是一門綜合性的學科，需要考慮到如選材、布局、抗干擾等諸多問題。對于同一種電子產(chǎn)品，采用的電路原理圖盡管相似，但各自不同的印制板設計水平會帶來很大的差異。印制電路板的設計現(xiàn)在有兩種方式：人工設計和計算機輔助設計。盡管設計方式不同，設計方法也不同，但設計原則和基本思路都是一致的，都必須符合原理圖的電氣連接以及產(chǎn)品電氣性能、機械性能的要求，同時考慮印制板加工工藝和電子裝配工藝的基本要求。一．印制電路板的基本概念（一）印制板的組成印制板主要由絕緣底板（基板）和印制電路（也稱導電圖形）組成，具有導電線路和絕緣底板的雙重作用。1．基板（Base Material）基板是由絕緣隔熱、并不易彎曲的材料所制作成，一般常用的基板是敷銅板，又稱覆銅板，全稱敷銅箔層壓板。敷銅板的整個板面上通過熱壓等工藝貼敷著一層銅箔。2．印制電路（Printed Circuit）覆銅板被加工成印制電路板時，許多覆銅部份被蝕刻處理掉，留下來的那些各種形狀的銅膜材料就是印制電路，它主要由印制導線和焊盤等組成（如圖1所示）。（1）印制導線（Conductor）用來形成印制電路的導電通路。（2）焊盤（Pad）用于印制板上電子元器件的電氣連接、元件固定或兩者兼?zhèn)?。?）過孔（Via）和引線孔（Component Hole）分別用于不同層面的印制電路之間的連接以及印制板上電子元器件的定位。3．助焊膜和阻焊膜在印制電路板的焊盤表面可看到許多比之略大的各淺色斑痕，這就是為提高可焊性能而涂覆的助焊膜。印制電路板上非焊盤處的銅箔是不能粘錫的，因此印制板上焊盤以外的各部位都要涂覆綠色或棕色的一層涂料——阻焊膜。這一絕緣防護層，不但可以防止銅箔氧化，也可以防止橋焊的產(chǎn)生。4．絲印層（Overlay）為了方便元器件的安裝和維修等，印制板的板上有一層絲網(wǎng)印刷面（圖標面）——絲印層，這上面會印上標志圖案和各元器件的電氣符號、文字符號（大多是白色）等，主要用于標示出各元器件在板子上的位置，因此印制板上有絲印層的一面常稱為元件面。印制導線焊盤(圖1 印制電路板圖)（二）印制板的種類印制板根據(jù)其基板材質剛、柔強度不同，分為剛性板、撓性板以及剛撓結合板，又根據(jù)板面上印制電路的層數(shù)分為單面板、雙面板以及多層板。1． 單面板（Singlesided） 僅一面上有印制電路的印制板。這是早期電路（THT元件）才使用的板子，元器件集中在其中一面——元件面（Component Side），印制電路則集中在另一面上——印制面或焊接面（Solder Side），兩者通過焊盤中的引線孔形成連接。單面板在設計線路上有許多嚴格的限制，如布線間不能交叉而必須繞獨自的路徑。 2．雙面板（DoubleSided Boards）兩面均有印制電路的印制板。這類的印制板，兩面導線的電氣連接是靠穿透整個印制板并金屬化的通孔(through via)來實現(xiàn)的。相對來說，雙面板的可利用面積比單面板大了一倍，并且有效的解決了單面板布線間不能交叉的問題。3．多層板（MultiLayer Boards）由多于兩層的印制電路與絕緣材料交替粘結在一起，且層間導電圖形互連的印制板。如用一塊雙面作內層、二塊單面作外層，每層板間放進一層絕緣層后黏牢（壓合），便有了四層的多層印制板。板子的層數(shù)就代表了有幾層獨立的布線層，通常層數(shù)都是偶數(shù)，并且包含最外側的兩層。比如大部分計算機的主機板都是4到8層的結構。目前，技術上已經(jīng)可以做到近100層的印制板。在多層板中，各面導線的電氣連接采用埋孔（buried via）和盲孔（blind via）技術來解決。（三）印制板的安裝技術印制電路板的安裝技術可以說是現(xiàn)代發(fā)展最快的制造技術，目前常見的主要有傳統(tǒng)的通孔插入式和代表著當今安裝技術主流的表面黏貼式。1．通孔插入式安裝技術（Through Hole Technology，THT）通孔插入式安裝也稱為通孔安裝，適用于長管腳的插入式封裝的元件。安裝時將元件安置在印制電路板的一面，而將元件的管腳焊在另一面上。這種方式要為每只管腳鉆一個洞，其實占掉了兩面的空間，并且焊點也比較大。顯然這一方式難以滿足電子產(chǎn)品高密度、微型化的要求。2．表面黏貼式安裝技術（Surface Mounted Technology，SMT）表面黏貼式安裝也稱為表面安裝，適用于短管腳的表面黏貼式封裝的元件。安裝時管腳與元件是焊在印制電路板的同一面。這種方式無疑將大大節(jié)省印制板的面積，同時表面黏貼式封裝的元件較之插入式封裝的元件體積也要小許多，因此SMT技術的組裝密度和可靠性都很高。當然，這種安裝技術因為焊點和元件的管腳都非常小，要用人工焊接確實有一定的難度。 二．印制電路板的設計準備（一）設計目標這是設計工作開始時首先應該明確的，同時也是在整個設計中需要時刻關注的，主要有以下方面：1．功能和性能表面上看，根據(jù)電路原理圖進行正確的邏輯連接后其功能就可實現(xiàn)、性能也可保證穩(wěn)定，但隨著電子技術的飛速發(fā)展，信號的速率越來越快，電路的集成度越來越高，僅僅做到這一步已遠遠不夠了。目標能否很好完成，無疑是印制板設計過程中的重點，也是難點。2．工藝性和經(jīng)濟性這些都是衡量印制板設計水平的重要指標。設計優(yōu)良的印制電路板應該方便加工、維護、測試，同時在生產(chǎn)制造成本上有優(yōu)勢。這是需要多方面相互協(xié)調的，并不是件容易的事。（二）設計前準備工作進入印制板設計階段前，許多具體要求及參數(shù)應該基本確定了，如電路方案、整機結構、板材外形等。不過在印制板設計過程中，這些內容都可能要進行必要的調整。1．確定電路方案設計出的電路方案一般首先應進行實驗驗證——用電子元器件把電路搭出來或者用計算機仿真，這不僅是原理性和功能性的，同時也應當是工藝性的。（1）通過對電氣信號的測量，調整電路元器件的參數(shù)，改進電路的設計方案。（2）根據(jù)元器件的特點、數(shù)量、大小以及整機的使用性能要求，考慮整機的結構尺寸。（3）從實際電路的功能、結構與成本，分析成品適用性。在電路方案實驗的時候，必須審核考察產(chǎn)品在工業(yè)化生產(chǎn)過程中的加工可行性和生產(chǎn)費用，以及產(chǎn)品的工作環(huán)境適應性和運行、維護、保養(yǎng)消耗。通過對電路實驗的結果進行分析，以下幾點將得到確認：（1）電路原理。整個電路的工作原理和組成，各功能電路的相互關系和信號流程。（2）印制電路板的工作環(huán)境及工作機制。（3）主要電路參數(shù)。（4）主要元器件和部件的型號、外形尺寸及封裝。2．確定整機結構當電路和元器件的電氣參數(shù)和機械參數(shù)得以確定，整機的工藝結構還僅僅是初步成型，在后面的印制板設計過程中，需要綜合考慮元件布局和印制電路布設這兩方面因素才可能最終確定。3．確定印制板的板材、形狀、尺寸和厚度 （1）板材對于印制板電路板的基板材料的選擇，不同板材的機械性能與電氣性能有很大的差別。目前國內常見覆銅板的種類見表一。確定板材主要是從整機的電氣性能、可靠性、加工工藝要求、經(jīng)濟指標等方面考慮。通常情況下，希望印制板的制造成本在整機成本中只占很小的比例。對于相同的制板面積來說，雙面板的制造成本是一般單面板的3—4倍以上，而多層板至少要貴到20倍以上。分立元器件的引線少，排列位置便于靈活變換，其電路常用單面板。雙面板多用于集成電路較多的電路。（2）印制板的形狀印制電路板的形狀由整機結構和內部空間的大小決定，外形應該盡量簡單，最佳形狀為矩形（正方形或長方形，長:寬=3:2或4:3），避免采用異形板。當電路板面尺寸大于200150mm時，應考慮印制電路板的機械強度。表一 常用覆銅板及特點名稱銅箔厚（um）特點應用覆銅酚醛紙質層壓板5070多呈黑黃色或淡黃色。價格低，阻燃強度低，易吸水，不耐高溫。中低檔民用品如收音機、錄音機等。覆銅環(huán)氧紙質層壓板3570價格高于覆銅酚醛紙質層壓板，機械強度、耐高溫和防潮濕等性能較好。工作環(huán)境好的儀器、儀表及中檔以上民用品覆銅環(huán)氧玻璃布層壓板3550多呈青綠色并有透明感。價格較高，性能優(yōu)于覆銅環(huán)氧紙質層壓板。工業(yè)、軍用設備，計算機等高檔電器。覆銅聚四氟乙烯玻璃布層壓板3550價格高，介電常數(shù)低，介質損耗低，耐高溫，耐腐蝕。微波、高頻、航空航天。（3）印制板的尺寸尺寸的大小根據(jù)整機的內部結構和板上元器件的數(shù)量、尺寸及安裝、排列方式來決定，同時要充分考慮到元器件的散熱和鄰近走線易受干擾等因素。①面積應盡量小，面積太大則印制線條長而使阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也高。②元器件之間保證有一定間距，特別是在高壓電路中，更應該留有足夠的間距。③要注意發(fā)熱元件安裝散熱片占用面積的尺寸。④板的凈面積確定后，還要向外擴出5—10mm，便于印制板在整機中的安裝固定。（4）印制板的厚度、。在確定板的厚度時，主要考慮對元器件的承重和振動沖擊等因素。如果板的尺寸過大或板上的元器件過重，都應該適當增加板的厚度或對電路板采取加固措施，否則電路板容易產(chǎn)生翹曲。當印制板對外通過插座連線時（如圖2所示），板材過厚則插不進去，過薄則容易造成接觸不良。焊片(圖2 印制板經(jīng)插座對外引線)（圖3 焊接式對外引線） 在選定了印制板的板材、形狀、尺寸和厚度后，還要注意查看銅箔面有無氣泡、劃痕、凹陷、膠斑，以及整塊板是否過分翹曲等質量問題。4．確定印制板對外連接的方式印制板是整機的一個組成部分，必然存在對外連接的問題。例如，印制板之間、印制板與板外元器件、印制板與設備面板之間，都需要電氣連接。這些連接引線的總數(shù)要盡量少，并根據(jù)整機結構選擇連接方式，總的原則應該使連接可靠、安裝、調試、維修方便，成本低廉。（1）導線焊接方式這是一種最簡單、廉價而可靠的連接方