印刷电路板设计基础和焊接工艺习

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第4章 焊接练习,*,Beijing University of Posts and Telecommunications,第4章,印刷电路板设计基础和焊接工艺,周怡琳,11/26/2024,1,第4章 焊接练习,4.1 印刷电路板设计基础,印制电路板工艺,设计流程,制造流程,电子元器件排版布局的要求,元器件的安装与排列方式,印制导线的要求,11/26/2024,2,第4章 焊接练习,一、印制电路板介绍,印刷电路板（,Printedcircuitboard,，,PCB,）主要功能,是提供各零件的相互电气连接,固定各种小零件,裸板结构印刷线路板,PrintedWiringBoard,（,PWB,）。,板子本身的基板是由绝缘隔热、并不易弯曲的材质所制作成。,导线（,conductorpattern,）或称布线,铜箔覆盖在整个板子上的，而在制造过程中部份被蚀刻处理掉，留下来的部份就变成网状的细小线路，用来提供,PCB,上零件的电路连接。,PCB,的正反面分别被称为零件面（,ComponentSide,）与焊接面（,SolderSide,）,在最基本的,PCB,（单面板）上，零件都集中在其中一面，导线则都集中在另一面。需要在板子上打洞，这样接脚才能穿过板子到另一面，所 以零件的接脚是焊在另一面上的。,11/26/2024,3,第4章 焊接练习,一、印制电路板介绍,阻焊漆（soldermask）,PCB 上的绿色或是棕色。这层是绝缘的防护层，可以保护铜线，也可以防止零件被焊到不正确的地方。,丝网印刷面（silkscreen）,在阻焊层上另外会印刷上一层文字与符号（大多是白色的），以标示出各零件在板子上的位置。丝网印刷面也被称作图标面（legend）。,11/26/2024,4,第4章 焊接练习,一、印制电路板介绍,电路板分类,单面板（,Single-SidedBoards,）,最基本的,PCB,上，零件集中在其中一 面，导线则集中在另一面上。,因为单面板在设计线路上有许多严 格的限制（因为只有一面，布线间不能交叉而必须绕独自的路径），所以只有早期的电路才使用这类的板子。,双面板（,Double-SidedBoards,）,电路板的两面都有布线。,在两面间有适当的电路连接。这种电路间的桥梁叫做导孔（,via,）。导孔是在,PCB,上，充满 或涂上金属的小洞，它可以与两面的导线相连接。,因为双面板的面积比单面板大了一倍，而且因为布线可以互相交错（可以绕到另一面），它更适合用在比单面板更复杂的电路上。,11/26/2024,5,第4章 焊接练习,一、印制电路板介绍,多层板（Multi-LayerBoards）,为了增加可以布线的面积，多层板用上了更多单或双面的布线板。,多层板使用数片双面板，并在每层板间放进一层绝缘层后黏牢（压合）。,板子的层数就代表了有几层独立的布线层，通常层数都是偶数，并且包含最外侧的两层。大部分的主机板都是4到8层的结构，不过技术上可以做到近100层的PCB板。,导孔（via），埋孔（Buriedvias）和盲孔（Blindvias）。盲孔是将几层内 部PCB与表面PCB连接，不须穿透整个板子。埋孔则只连接内部的PCB,大型的超 级计算机大多使用相当多层的主机板，不过因为这类计算机已经可以用许多普通计算机的集群代替，超多层板已经渐渐不被使用了。,11/26/2024,6,第4章 焊接练习,一、印制电路板介绍,零件封装技术,插入式封装技术（,ThroughHoleTechnology,，,THT,）,将零件安置在板子的一面，并将接脚焊在另一面上。,零 件占用大量空间，并且要为每只接脚钻一个洞。所以它们的接脚其实占掉两面的空间，而且焊点也比较大。,耐压力，通常都是,THT,封装。,表面黏贴式封装（,SurfaceMountedTechnology,，,SMT,）,接脚是焊在与零件同一面。甚至还能在两面都焊上。,SMT,也比,THT,的零件要小。和使用,THT,零件的,PCB,比起来，使用,SMT,技术的,PCB,板上零件要密集很多。,SMT,封装零件也比,THT,的要便宜。所以现今的,PCB,上大部分都是,SMT,，自然不足为奇。,11/26/2024,7,第4章 焊接练习,二、设计流程,系统规格,首先要先规划出该电子设备的各项系统规格。包含了系统功能，成本限制、大小、运作情形等等。,系统功能区块图,接下来必须要制作出系统的功能方块图。方块间的关系也必须要标示出来。,将系统分割几个,PCB,将系统分割数个,PCB,的话，不仅在尺寸上可以缩小，也可以让系统具有升级与交换零件的能力。系统功能方块图就提供了我们分割的依据。像是计算机就可以分成主机板、显示卡、声卡、软盘驱动器和电源等等。,决定使用封装方法，和各,PCB,的大小,当各,PCB,使用的技术和电路数量都决定好了，接下来就是决定板子的大小了。如果设计的过大，那么封装技术就要改变，或是重新作分割。在选择技术时，也要将线路图的品质与速度都考虑进去。,11/26/2024,8,第4章 焊接练习,二、设计流程,绘出所有,PCB,的电路概图,概图中要表示出各零件间的相互连接细节。所有系统中的,PCB,都必须要描出来，现今大多采用,CAD,（计算机辅助设计，,ComputerAidedDesign,）的方式。,初步设计的仿真运作,为了确保设计出来的电路图可以正常运作，这必须先用计算机软件来仿真一次。这类软件可以读取设计图，并且用许多方式显示电路运作的情况。这比起实际做出一块样本,PCB,，然后用手动测量要来的有效率多了。,将零件放上,PCB,零件放置的方式，是根据它们之间如何相连来决定的。它们必须以最有效率的方式与路径相连接。所谓有效率的布线，就是牵线越短并且通过层数越少越好。,现今的部份计算机软件，可以检查各零件摆设的位置是否可以正确连接，或是检查在高速运作下，这样是否可以正确运作。这项步骤称为安排零件，如果电路设计有问题，在实地导出线路前，还可以重新安排零件的位置。,11/26/2024,9,第4章 焊接练习,二、设计流程,导出,PCB,上线路,在概图中的连接，现在将会实地作成布线的样子。这项步骤通常都是全自动的，不过一般来说还是需要手动更改某些部份。,每一次的设计，都必须要符合一套规定，例如：线路间的最小保留空隙、最小线路宽度、和其它类似的实际限制等。这些规定依照电路的速度，传送信号的强 弱，电路对耗电与噪声的敏感度，以及材质品质与制造设备等因素而有不同。如果电流强度上升，那导线的粗细也必须要增加。为了减少,PCB,的成本，在减少层数 的同时，也必须要注意这些规定是否仍旧符合。如果需要超过,2,层的构造的话，那么通常会使用到电源层以及地线层，来避免信号层上的传送信号受到影响，并且可 以当作信号层的防护罩。,导线后电路测试,为了确定线路在导线后能够正常运作，它必须要通过最后检测。这项检测也可以检查是否有不正确的连接，并且所有都照着概图走。,建立制作档案,因为目前有许多设计,PCB,的,CAD,工具，制造厂商必须有符合标准的档案，才能制造板子。标准规格有好几种，不过最常用的是,Gerberfiles,规格。一组,Gerberfiles,包括各信号、电源以及地线层的平面图，阻焊层与网板印刷面的平面图，以及钻孔与取放等指定档案。,11/26/2024,10,第4章 焊接练习,二、设计流程,电磁兼容问题,没有照,EMC,（电磁兼容）规格设计的电子设备，很可能会散发出电磁能量，并且干扰附近的电器。,EMC,对电磁干扰（,EMI,），电磁场（,EMF,）和射频 干扰（,RFI,）等都规定了最大的限制。这项规定可以确保该电器与附近其它电器的正常运作。,EMC,对一项设备，散射或传导到另一设备的能量有严格的限制，并 且设计时要减少对外来,EMF,、,EMI,、,RFI,等的磁化率。换言之，这项规定的目的就是要防止电磁能量进入或由装置散发出。这其实是一项很难解决的问题，一 般大多会使用电源和地线层，或是将,PCB,放进金属盒子当中以解决这些问题。电源和地线层可以防止信号层受干扰，金属盒的效用也差不多。,电路的最大速度得看如何照,EMC,规定做了。内部的,EMI,，像是导体间的电流耗损，会随着频率上升而增强。如果两者之间的的电流差距过大，那么一定要 拉长两者间的距离。这也告诉我们如何避免高压，以及让电路的电流消耗降到最低。布线的延迟率也很重要，所以长度自然越短越好。所以布线良好的小,PCB,，会 比大,PCB,更适合在高速下运作。,11/26/2024,11,第4章 焊接练习,三、制造流程,PCB的制造过程由玻璃环氧树脂（GlassEpoxy）或类似材质制成的基板开始,影像（成形导线制作）,制作的第一步是建立出零件间联机的布线。我们采用负片转印（,Subtractivetransfer,）方式将工作底片表现在金属导体上。这项技巧 是将整个表面铺上一层薄薄的铜箔，并且把多余的部份给消除。,如果制作的是双面板，那么,PCB,的基板两面都会铺上铜箔，如果制作的是多层板，接下来的步骤则会将这些板子黏在一起。,11/26/2024,12,第4章 焊接练习,三、制造流程,正光阻剂（positivephotoresist）是由感光剂制成的，它在照明下会溶解（负光阻剂则是如果没有经过照明就会分解）。有很多方式 可以处理铜表面的光阻剂，不过最普遍的方式，是将它加热，并在含有光阻剂的表面上滚动（称作干膜光阻剂）。它也可以用液态的方式喷在上头，不过干膜式提供 比较高的分辨率，也可以制作出比较细的导线。,遮光罩只是一个制造中PCB层的模板。在PCB板上的光阻剂经过UV光曝光之前，覆盖在上面的遮光罩可以防止部份区域的光阻剂不被曝光（假设用的是正光阻剂）。这些被光阻剂盖住的地方，将会变成布线。,在光阻剂显影之后，要蚀刻的其它的裸铜部份。蚀刻过程可以将板子浸到蚀刻溶剂中，或是将溶剂喷在板子上。一般用作蚀刻溶剂的有，氯化铁（FerricChloride），碱性氨（AlkalineAmmonia），硫酸加过氧化氢（SulfuricAcid+HydrogenPeroxide），和氯化铜（CupricChloride）等。蚀刻结束后将剩下的光阻剂去 除掉。这称作脱膜（Stripping）程序。,11/26/2024,13,第4章 焊接练习,三、制造流程,钻孔与电镀,如果制作的是多层,PCB,板，并且里头包含埋孔或是盲孔的话，每一层板子在黏合前必须要先钻孔与电镀。如果不经过这个步骤，那么就没办法互相连接了。,在根据钻孔需求由机器设备钻孔之后，孔壁里头必须经过电镀（镀通孔技术，,Plated-Through-Holetechnology,，,PTH,）。在孔壁内部作金属处理后，可以让内部的各层线路能够彼此连接。在开始电镀之前，必须先清掉孔内的杂物。这是因为树脂环氧物在加热后会产生一些化学变化，而它会覆盖住内部,PCB,层，所以要先清掉。清除与电镀动作都会在化学制程中完成。,11/26/2024,14,第4章 焊接练习,三、制造流程,测试,测试,PCB,是否有短路或是断路的状况，可以使用光学或电子方式测试。光学方式采用扫描以找出各层的缺陷，电子测试则通常用飞针探测仪（,Flying-Probe,）来检查所有连接。电子测试在寻找短路或断路比较准确，不过光学测试可以更容易侦测到导体间不正确空隙的问题。,11/26/2024,15,第4章 焊接练习,三、制造流程,零件安装与焊接,THT,零件通常都用叫做波峰焊接（,WaveSoldering,）的方式来焊接。这可以让所有零件一次焊接上,PCB,。首先将接脚切割到靠近板子，并 且稍微弯曲以让零件能够固定。接着将,PCB,移到助溶剂的水波上，让底部接触到助溶剂，这样可以将底部金属上的氧化物给除去。在加热,PCB,后，这次则移到融 化的焊料上，在和底部接触后焊接就完成了。,自动焊接,SMT,零件的方式则