印制电路板的设计制作

印制电路板的设计制作王志强（运城学院物理与电子工程系印制电路技术与工艺专业2011级，2011070925）摘要：印刷电路板(Printed Circuit Board)简称PCB，又称印制板，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。在电子制作中，正确设计印制电路板，能使电子元件在整机中更为合理，结构更为紧凑，并且使整机电性指标有所提高。关键词：印制电路板 焊接 布线 Design and manufacture ofprinted circuit boardAbstract: Printed circuit board(PrintedCircuitBoard)referred to asPCB,also known as printed circuit boards,is thesupportcircuitcomponents and devicesin electronic products.Itprovides the electricalconnectionbetween circuitcomponents and devices.In the electronicproduction,the correctdesign of printed circuit board, can make theelectronic componentsinthemore reasonable,more compact structure,and maketheelectrical indexincreased.Keywords: Printed circuit board Welding Wiring1.引言32印制电路板32.1 印制电路板简介32.2设计印制电路板的大体步骤42.3印制电路板的组成42.4基本制作43印制电路板设计遵循的原则53.1 元件布局53.2布线53.3焊盘64印制电路板的装配64.1 元器件引线成型74.2元器件引线及导线端头焊前处理74.3元器件的插装方法74.4元器件的焊接74.5 焊接质量检验75回收75结束语86致谢8参考文献：81.引言印制电路板，又称印刷电路板，是电子元器件电气连接的提供者。它的发展已有100多年的历史了；它的设计主要是版图设计；采用电路板的主要优点是大大减少布线和装配的差错，提高了自动化水平和生产劳动率。2印制电路板2.1 印制电路板简介印制电路板可实现集成电路等各种电子元器件之间的布线和电气连接或电绝缘，提供所要求的电气特性，为自动焊接提供阻焊图形，为元件插装、检查、维修提供识别字符和图形。2.2设计印制电路板的大体步骤印制电路板的设计是以电路原理图为蓝本，实现电路使用者所需要的功能。印制电路板的设计主要指版图设计，需要内部电子元件、金属连线、通孔和外部连接的布局、电磁保护、热耗散、串音等各种因素。优秀的线路设计可以节约生产成本，达到良好的电路性能和散热性能。简单的版图设计可以用手工实现，但复杂的线路设计一般也需要借助计算机辅助设计（CAD）实现，而著名的设计软件有OrCAD、Pads (也即PowerPCB)、Altium designer (也即Protel)、FreePCB、CAM350等在设计电路板时，首先应对电子制作中的所有元件的引脚尺寸、结构封状形式标注详细真实的具体数字，应注意的是有时同一型号的元件会因生产厂家不同在数值及引脚排列上有所差异；其次，根据所设计的电原理图，模拟出元件总体方框图：最后，根据方框图及电性要求，画出电路板草图。在画各元件的详细引脚及其在电路板上的位置时，应注意处理好元器件体积大小及相互之间的距离、周边元件距边缘的尺寸，输入、输出、接地及电源线，高频电路、易辐射、易干扰的信号线等。2.3印制电路板的组成1）线路与图面(Pattern):线路是做为原件之间导通的工具，在设计上会另外设计大铜面作为接地及电源层。线路与图面是同时做出的。2）介电层(Dielectric):用来保持线路及各层之间的绝缘性，俗称为基材3）孔(Through hole / via):导通孔可使两层次以上的线路彼此导通，较大的导通孔则做为零件插件用，另外有非导通孔(nPTH)通常用来作为表面贴装定位，组装时固定螺丝用防焊油墨(Solder resistant /Solder Mask):并非全部的铜面都要吃锡上零件，因此非吃锡的区域，会印一层隔绝铜面吃锡的物质(通常为环氧树脂)，避免非吃锡的线路间短路。根据不同的工艺，分为绿油、红油、蓝油。丝印（Legend /Marking/Silk screen):此为非必要之构成，主要的功能是在电路板上标注各零件的名称、位置框，方便组装后维修及辨识用。表面处理(Surface Finish):由于铜面在一般环境中，很容易氧化，导致无法上锡(焊锡性不良)，因此会在要吃锡的铜面上进行保护。保护的方式有喷锡(HASL)，化金(ENIG)，化银(Immersion Silver)，化锡(Immersion Tin)，有机保焊剂(OSP)，方法各有优缺点，统称为表面处理。2.4基本制作减去法（Subtractive），是利用化学品或机械将空白的电路板（即铺有完整一块的金属箔的电路板）上不需要的地方除去，余下的地方便是所需要的电路。丝网印刷：把预先设计好的电路图制成丝网遮罩，丝网上不需要的电路部分会被蜡或者不透水的物料覆盖，然后把丝网遮罩放到空白线路板上面，再在丝网上油上不会被腐蚀的保护剂，把线路板放到腐蚀液中，没有被保护剂遮住的部份便会被蚀走，最后把保护剂清理。感光板：把预先设计好的电路图制在透光的胶片遮罩上（最简单的做法就是用打印机印出来的投影片），同理应把需要的部份印成不透明的颜色，再在空白线路板上涂上感光颜料，将预备好的胶片遮罩放在电路板上照射强光数分钟，除去遮罩后用显影剂把电路板上的图案显示出来，最后如同用丝网印刷的方法一样把电路腐蚀。刻印：利用钳床和镭射雕刻机直接把空白线路上不需要的部份除去。加成法（Additive），现在普遍是在一块预先镀上薄铜的基板上，覆盖光阻剂（D/F)，经紫外光曝光再显影，把需要的地方露出，然后利用电镀把线路板上正式线路铜厚增厚到所需要的规格,再镀上一层抗蚀刻阻剂金属薄锡，最后除去光阻剂（这制程称为去膜），再把光阻剂下的铜箔层蚀刻掉。3印制电路板设计遵循的原则3.1 元件布局首先，要考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。在确定PCB尺寸后，了解各个元件的属性信息，包括电气性能、外形尺寸、引脚距离等，再确定元件的位置。最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局，需要注意以下几个方面：1)元件排列一般按信号流向，从输入级开始，到输出级终止。每个单元电路相对集中，并以核心器件为中心，围绕它进行布局。尽可能缩短高频元器件之间的连线，减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。对于可调元件布置时，要考虑到调节方便。易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。2)对称式的电路，如推挽功放、差分放大器、桥式电路等，应注意元件的对称性。尽可能使分布参数一致，有铁芯的电感线圈，应尽量相互垂直放置，且远离，以减小相互间的耦合。3)对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。若是机内调节，应放在印制板上方便于调节的地方；若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。4)元件排列均匀、整齐、紧凑，密度一致，尽量做到横平竖直，不能将元器件斜排或交叉重排。单元电路之间的引线应尽可能短，引出线数目尽可能少。5)位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm。各元件外壳之间的距离，应根据它们之间的电压来确定，不应小于0.5 mm。3.2布线元件布局确定后，就可开始实施布线，印制电路板布线时应注意以下几点：1)布线要短，尤其是晶体管的基极、高频引线、高低电位差比较大而又相邻的引线，要尽可能的短，间距要尽量大，拐弯要圆，输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行。 2)-般公共地线布置在边缘部位，便于将印制电路板排在机壳上。3)印制电路板同一层上不应连接的印制导线不能交叉。印制摄导线的最小宽度主要由导线与绝缘基扳间的粘附强度和流过它们的电流值决定。导线宽度为1.5mm可满足要求。对于集成电路，尤其是数字电路，通常选0.02 0.3mm导线宽度。4)印制导线拐弯处一般取圆弧形，而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。此外，尽量避免使用大面积铜箔，否则，长时间受热时，易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用大面积铜箔时，最好用栅格状。这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。5) 印制导线的布设应尽可能的短，在高频回路中更应如此；印制导线的拐弯应成圆角，而直角或尖角在高频电路和布线密度高的情况下会影响电气性能；当两面板布线时，两面的导线宜相互垂直、斜交、或弯曲走线，避免相互平行，以减小寄生耦合。作为电路的输入及输出用的印制导线应尽量避免相邻平行，以免发生回授，在这些导线之间最好加接地线。印制导线的宽度：导线宽度应以能满足电气性能要求而又便于生产为宜，它的最小值以承受的电流大小而定，但最小不宜小于0.2mm，在高密度、高精度的印制线路中，导线宽度和间距一般可取0.3mm；导线宽度在大电流情况下还要考虑其温升，单面板实验表明，当铜箔厚度为50m、导线宽度11.5mm、通过电流2A时，温升很小，因此，一般选用11.5mm宽度导线就可能满足设计要求而不致引起温升；印制导线的公共地线应尽可能地粗，可能的话，使用大于23mm的线条，这点在带有微处理器的电路中尤为重要，因为当地线过细时，由于流过的电流的变化，地电位变动，微处理器定时信号的电平不稳，会使噪声容限劣化；在DIP封装的IC脚间走线，可应用1010与1212原则6) 相邻导线间距必须能满足电气安全要求，而且为了便于操作和生产，间距也应尽量宽些。最小间距至少要能适合承受的电压。这个电压一般包括工作电压、附加波动电压以及其它原因引起的峰值电压。如果有关技术条件允许导线之间存在某种程度的金属残粒，则其间距就会减小。因此设计者在考虑电压时应把这种因素考虑进去。在布线密度较低时，信号线的间距可适当地加大，对高、低电平悬殊的信号线应尽可能地短且加大间距。7)走线长度尽量短，以便使引线电感极小化。在低频电路中，因为所有电路的地电流流经公共的接地阻抗或接地平面，所以避免采用多点接地。公共地线应尽量布置在印制电路板边缘部分。电路板上应尽可能多保留铜箔做地线，可以增强屏蔽能力。双层板可以使用地线面，地线面的目的是提供一个低阻抗的地线。多层印制电路板中，可设置接地层，接地层设计成网状。地线网格的间距不能太大，因为地线的一个主要作用是提供信号回流路径，若网格的间距过大，会形成较大的信号环路面积。大环路面积会引起辐射和敏感度问题。另外，信号回流实际走环路面积小的路径，其他地线并不起作用。地线面能够使辐射的环路最小。3.3焊盘焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些。焊盘太大易形成虚焊。焊盘外径D-般不小于(d+1.2)mm，其中d为引线孔径。对高密度的数字电路，焊盘最小直径可取(d+l.0)mm。焊盘的直径和内孔尺寸：焊盘的内孔尺寸必须从元件引线直径和公差尺寸以及搪锡层厚度、孔径公差、孔金属化电镀层厚度等方面考虑，焊盘的内孔一般不小于0.6mm，因为小于0.6mm的孔开模冲孔时不易加工，通常情况下以金属引脚直径值加上0.2mm作为焊盘内孔直径，如电阻的金属引脚直径为0.5mm时，其焊盘内孔直径对应为0.7mm，焊盘直径取决于内孔直径。1)当焊盘直径为1.5mm时，为了增加焊盘抗剥强度，可采用长不小于1.5mm，宽为1.5mm和长圆形焊盘，此种焊盘在集成电路引脚焊盘中最常见。2)对于超出上表范围的焊盘直径可用下列公式选取：直径小于0.4mm的孔：Dd0.53直径大于2mm的孔：Dd1.52式中：（D焊盘直径，d内孔直径）4印制电路板的装配4.1 元器件引线成型为使元件在印制电路板上排列整齐、美观，避免虚焊，将元器件引线成型也是非常重要的一步。一般用尖嘴钳或镊子成型。元器件引线成型有多种，基本成型方法、打弯式成型方法，垂直插装成型方法、集成电路成型方法等。4.2元器件引线及导线端头焊前处理为保证焊接质量，元件在焊接前，必须去掉引线上的杂质，并作浸锡处理。带绝缘层的导线按所需长度截断导线，按导线的连接方式决定剥头长度并剥头，多股导线捻头处理并上锡，这样可保证引线介接入电路后装接可导电良好且能承受一定拉力而不致产生断头。4.3元器件的插装方法电阻器、电容器、半导体器件等轴向对称元件常用卧式和立时两种方法，采用哪种插装方法与电路板的设计有关，看具体的要求。元件插装到电路板上后，其引线穿过焊盘后应保留一定的长度，一般l-2mm左右，直插式的，引脚穿过焊盘后不弯曲，拆焊方便，半打弯式将引脚弯成45度，具有一定的机械强度，全打弯式，引脚弯成90度左右，具有很高的机械强度，要注意焊盘中引线弯曲的方向。4.4元器件的焊接在焊接电路时，将印制电路板按单元电路区分，一般从信号输入端开始，依次焊接，先焊小元件，后焊大元件。焊接电阻时，使电阻器的高低一致，电容要注意“+”，“一”极性不能接错，二极管的阴阳极性不能接错，三极管在焊接时焊接的时间尽可能短，用镊子夹住引线脚，以利散热。集成电路线焊接对角的两只引脚，然后再从左到右自上而下逐个焊接，焊接时，烙铁头一次粘锡量以能焊2-3只引脚为宜，烙铁头先接触印制电路板上的铜箔，待焊锡进入集成电路引脚底部时，烙铁头再接触引脚，接触时不宜超过3S，且要使焊锡均匀包住引脚，焊后要检查是否漏焊、碰焊、虚焊，并清理焊点处焊料。4.5 焊接质量检验1)目测检查从外观上检查焊接质量是否合格，是否漏焊，焊点周围是否残留焊剂，有无连焊、桥焊，焊盘有无裂纹，焊点是否光滑，有无拉尖现象等。2)手触检查用手触摸元器件，有无松动、焊接不牢的现象，用镊子夹住元器件引线轻轻拉动，有无松动现象，焊点在摇动时，上面的焊锡是否有脱落现象5回收印制电路板制造技术是一项非常复杂的、综合性很高的加工技术。尤其是在湿法加工过程中，需采用大量的水，因而有多种重金属废水和有机废水排出，成分复杂，处理难度较大。按印制电路板铜箔的利用率为30%40%进行计算，那么在废液、废水中的含铜量就相当可观了。按一万平方米双面板计算（每面铜箔厚度为35微米），则废液、废水中的含铜量就有4500公斤左右，并还有不少其他的重金属和贵金属。这些存在于废液、废水中的金属如不经处理就排放，既造成了浪费又污染了环境。因此，在印制板生产过程中的废水处理和铜等金属的回收是很有意义的，是印制板生产中不可缺少的部分。印制电路板生产过程中的废水，其中大量的是铜，极少量的有铅、锡、金、银、氟、氨、有机物和有机络合物等。至于产生铜废水的工序，主要有：沉铜、全板电镀铜、图形电镀铜、蚀刻以及各种印制板前处理工序（化学前处理、刷板前处理、火山灰磨板前处理等）。以上工序所产生的含铜废水，按其成分，大致可分为络合物废水和非络合物废水。为使废水处理达到国家规定的排放标准，其中铜及其化合物的最高允许排放浓度为1mg/l（按铜计），必须针对不同的含铜废水，采取不同的废水处理方法。5结束语电子产品与我们的生产生活息息相关，我们在进行印制电路板的设计与制作时，上述的设计制作技巧，可使电路原理图的设计进一步规范化，质量检测对产品的性能、可靠性、安全性有更一步的保障。6致谢非常感谢我的老师和同学在我的论文写作中对我的热心的帮助，因为有了他们的支持和关怀，我的论文写作进展顺利！参考文献：1田夏军.PROTEL 99SE仿真在电路设计中的应用J河北工业科技，2004，(6).2赵伟军.Prote199se教程M北京：人民邮电出版社，2004.3杨宗德.Protel DXP电路设计制板100M.北京：人民邮电出版社20054He W,Cui H,et al.Producing Fine Pitch Substrate of COF by Semi-Additive ProcessJ.Transactions of the Institute of Metal Finishing.2009,879(1): 33-37.5 陈正浩.电子装联可制造性设计J.电子工艺技术,2006,27(3):177-178.6 R.L. Beadles: Interconnections and Encapsulation, AD 654-630, vol.14 of Integrated Silicon Device Technology ASD-IRD-63-316, Research Triangle Institute, 1967, May.第3章 印制电路板设计与制作印制电路板(PCB-Printed Circuit Borad)是由印制电路加基板构成的，它是电子工业重要的电子部件之一。印制电路板在电子设备中的广泛应用，大大提高了产品的一致性、重现性、成品率，同时由于机械化和自动化生产的实现，生产效率大为提高，且可以明显地减少接线的数量以及能消除接线错误，从而保证了电子设备的质量，降低了生产成本，方便了使用中的维修工作。3.1 印制电路板的设计3.1.1 有关印制电路板的概念和设计要求1印制电路板的概念印制：采用某种方法在一个表面上再现符号和图形的工艺，他包含通常意义的印刷。敷铜板：由绝缘基板和粘敷在上面的铜箔构成，是用减成法制造印制电路板的原料。印制元件：采用印制法在基板上制成的电路元件，如电感、电容等。印制线路：采用印制法在基板上制成的导电图形，包括印制导线、焊盘等。印制电路：采用印制法按预定设计得到的电路，包括印制线路和印制元件或由二者组成的电路。印制电路板：完成了印制电路或印制线路加工的板子。简称印制板，它不包括安装在板子上的元器件和进一步的加工。印制电路板组件：安装了元器件或其他部件的印制板部件。板上所有安装、焊接、涂覆都已完成，习惯上按其功能或用途称为“某某板”“某某卡”，如计算机的主板、显卡等。单面板：仅一面上有导电图形的印制板。双面板：两面都有导电图形的印制板。多层板：有三层或三层以上导电图形和绝缘材料层压合成的印制板。在基板上再现导电图形有两种基本方式：减成法和加成法。减成法：先将基板上敷满铜箔，然后用化学或机械方式除去不需要的部分。又分蚀刻法和雕刻法。a.蚀刻法-采用化学腐蚀办法除去不需要的铜箔。这是主要的制造方法。b.雕刻法-用 机械加工方法除去不需要的铜箔。这在单件试制或业余条件下可快速制出印制板。加成法: 在绝缘基板上用某种方式敷设所需的印制电路图形，敷设印制电路有丝印电镀法、粘贴法等。印制板是电子工业重要的电子部件之一，在电子设备中有如下功能：a.提供分离元件、集成电路等各种元器件固定、装配的机械支撑。b.实现分离元件、集成电路等各种元器件之间的布线和电气连接或电绝缘，提供c所要求的电气特性及特性阻抗等。c.为自动锡焊提供方便，为元器件插装、检查、维修提供认别字符和图形。2印制电路板的设计要求正确 这是印制板设计基本而重要的要求，准确实现电原理图的连接关系，避免实现电原理图的连接关系，避免出现“短路”和“断路”这两个简单而致命的错误。这一基本要求在手工设计和用简单CAD软件设计的PCB中并不容易做到，一般较复杂的产品都要经过两轮以上试制修改，功能较强的CAD软件则有检验功能，可以保证电气连接的正确性。经济 这是必须达到的目标。板材选价低，板子尺寸尽量小，连接用直焊导线，表面涂覆用最便宜的，选择价格最低的加工厂等，印制板制造价格就会下降。但不要忘记这些廉价的选择可能造成工艺性，可靠性变差，是制造费用、维修费用上升，总体经济性不一定合算，故不易做到。必须则是市场竞争的原因。竞争是无情的，一个原理先进，技术高新的产品可能因为经济性的原因夭折。可靠 这是印制板设计中较高一层的要求。连接正确的电路板不一定可靠性好，例如板材选材选择不合理，板厚及安装固定不正确，元器件布局布线不当等都可能导致PCB不能可靠地工作，早期失效甚至根本不能正确工作。再如多层板和单、双面板相比，设计时要容易得多，但就可靠性而言却不如单、双面板。从可靠性的角度讲，结构越简单，使用元件越小，板子层数越少，可靠性越高。合理 这是印制板设计中更深一层，更不容易达到的要求。一个印制板组件，从印制板的制造、 检验、装配、调试到整机装配、调试，直到使用维修，无不与印制板设计的合理与否息息相关，例如板子形状选得不好加工困难，引线孔太小装配困难，没留下测试点调试困难，板外连接选择不当维修困难等等。每一种困难都可能导致成本增加，工时延长，而每一个造成困难的原因都原于设计者的失误。没有绝对合理的设计，只有不断合理化的过程。特需要设计者的责任心和严谨的作风，以及实践中不断总结、提高的经验。上述四条既相互矛盾又相辅相成，不同用途，不同要求的产品侧重点不同。事关国家安全、防灾救急、上天入海的产品，可靠性第一。民用低价值产品，经济性首当其冲。具体产品具体对待，综合考虑以求最好，是对设计者综合能力的要求。3.1.2 印制电路板设计前的准备 印制板电路板设计质量不仅关系到元器件在焊接装配、调试中是否方便，而且直接影响整机的技术性能。印制板的设计要力求达到设计正确、可靠、合理、经济。设计中需掌握一些基本设计原则和技巧，设计中具有很大的灵活性和离散性，同一张原理图，不同的设计者会有不同的设计方案。印制电路板设计的主要内容是排版设计，但排版设计之前必须考虑敷铜板板材、规格、尺寸、形状、对外连接方式等内容，以上工作即称为排版设计前的准备工作。1板材的确定这里说的板材是指敷铜板。敷铜板就是把一定厚度的铜箔通过粘接剂热压在一定厚度的绝缘基板上。铜箔敷在基板的一面的称单面板，敷在基板两面的称双面板。敷铜板板材通常按增强材料、粘合剂或板材特性分类。若以增强材料来区分，可分为有机纤维材料的纸质和无机纤维材料的玻璃布、玻璃毡等类；若以粘合剂来区分，可分为酚醛、环氧、聚四氟乙烯、聚酰亚胺等类；若以板材特性来区分，可分为刚性和挠性两类。铜箔的厚度系列为18、25、35、50、70、105，单位：m，误差不大于5m，一般最常用的为35m、50m。不同的电子设备，对敷铜板的板材要求也不同，否则，会影响电子设备的质量。下面介绍几种国内常用的几种敷铜板，供设计时选用。（1）敷铜箔酚醛纸层压板 用于一般电子设备中。价格低廉、易吸水，在恶劣环境下不宜使用。（2）敷铜箔酚醛玻璃布层压板 用于温度、频率较高的电子及电器设备中。价格适中，可达到满意的电性能和机械性能要求。（3）敷铜箔环氧玻璃布层压板 是孔金属化印制板常用的材料。具有较好的冲剪、钻孔性能，且基板透明度好，是电气性能和机械性能较好的材料，但价格较高。（4）敷铜箔聚四氟乙烯层压板 具有良好的抗热性和电能性，用于耐高温、耐高压的电子设备中。2印制板形状、尺寸、板厚的确定印制板形状、尺寸通常与整机外形、整机的内部结构及印制板上元器件的数量及尺寸等诸多因素有关。板上元器件的排列要考虑机械结构上的间距，还要考虑电气性能的要求。在确定板的净面积后，还应向外扩出5mm-10mm（单边），以便印制板在机内的固定安装。同时，还要考虑成本，工艺方面的其他要求。印制板的标称厚度有0.2mm、0.3mm、0.5mm、0.7mm、0.8mm、1.5mm、1.6mm、2.4mm、3.2mm、6.4mm等多种。在考虑板厚时，要考虑下列因素：当印制板对外连接采用直接式插座连接，则必须考虑插座间隙，板厚一般选1.5mm，过厚则插不进，过薄会引起接触不良；对非插入式的印制板，要考虑安装在板上元器件的体积与重量等因素，以避免因挠度而引起电气方面的影响；多层板的场合可选用厚度为0.2mm、0.3mm、0.5mm等的敷铜板。3.1.3 印制板对外连接方式的选择通常印制板只是整机的一个组成部分，故存在印制板的对外连接问题，如印制板之间，印制板与板外元器件、印制板与面板之间等都需要相互连接。选择连接方式要根据整机的结构考虑，总的原则是连接可靠，安装、调试、维修方便。选择时，可根据不同特点灵活掌握。1导线焊接方式 这是一种简单、廉价、可靠的连接方式，不需要任何插件，只需将导线与印制板板上对应的对外连接点与板外元器件或其他部件直接焊牢即可。如收音机中的喇叭、电池盒，电子设备中的旋钮电位器、开关等。这种方式优点是成本低，可靠性高，可避免因接触不良造成的故障，缺点是维修不够方便。本方式一般只适用于对外导线连接较少的场合，如收音机、电视机、小型电子设备中。采用导线焊接方式应注意以下几点。a.印制板的对外焊接点尽可能引在板的边缘，并按一定尺寸排列，以利于焊接维修，避免因整机内部乱线而导致整机可靠性降低。b.为提高导线与板上焊点的机械强度，引线应通过印制板上的穿线孔，再从线路板元件面穿过，焊接在焊盘上，以免将焊盘或印制板导线拽掉。c.将导线排列或捆扎整齐 ，通过线卡或其它紧固件将线与板固定，避免导线因移动而折断。d.同一电气性质的导线最好用同一种颜色的导线，以便与维修。如电源导线采用红色，地导线采用黑色等。2插接件连接 在较复杂的仪器设备中，经常采用插接件的连接方式。如电子计算机扩展槽与功能板的连接，大型电子设备中各功能模块与插槽的连接等。这种连接方式对复杂产品的批量生产提供了质量保证，并提高了极为方便的调试、维修条件，但因触点多，所以可靠性差。在一台大型设备中，常用十几块甚至几十块印制板，在设备出现故障时，维修人员不必去寻找线路板上损坏的元件立即进行更换，而只需判断出出现故障的印制板，将其用备用件替换掉，从而缩短排除故障时间，提高设备的利用效率，是很有效的。印制板上插座接触部分的外形尺寸、印制导线宽度，应符合插座的尺寸规定，要保证插头与插座完全匹配接触。典型的印制板插头如图3.1所示。图中的几个主要尺寸与公差，可根据所选的插座尺寸与公差来确定。图3.1 典型的印制板插头3.1.4 印制板电路的排版设计1安装方式元器件在印制板上的固定方式分为卧式和立式两种，如图3.2(a)(b)所示。图3.2 元器件安装方式立式固定 占用面积小，适合于要求排列紧凑密集的产品。采用立式固定的元件体积，要求小型、轻巧，过大、过重会由于机械强度差，易倒伏，造成元器件间的碰撞，而降低整机可靠性。卧式固定 卧式固定与立式相比，具有机械稳定性好、排列整齐等特点，但占用面积较大。大型元器件的固定 对于体积大、质量重的大型元器件一般最好不要安装在印制板上，因这些元器件不仅占据了印制板的大量面积和空间，而且在固定这些元器件时，往往使印制板变形而造成一些不良影响。对必须安装在板上的大型元件，焊装时应采取固定措施，否则长期震动引线极易折断。2元器件的排列格式元器件在印制板上的排列格式可分为不规则和规则两种。选用时可根据电路实际情况灵活掌握。(1) 不规则情排列 元器件轴线方向彼此不一致，在板上的排列顺序也无一定规则。这种排列方式一般元件以立式固定为主，此种方式下看起来杂乱无章，但印制导线布设方便，印制导线短而少，可减少线路板的分布参数，抑制干扰，特别对消除高频干扰有利。(2) 规则排列 元器件轴线方向一致，并与板的四边垂直或平行，一般元器件卧式固定以规则排列为主，此方式排列规范，整齐美观，便于安装、调试、维修，但布线时受方向、位置的限制而变得复杂些。这种排列方式常用于板面宽松，元器件种类少、数量多的低频电路中。 3元器件布置原则元器件布设决定了板面的整齐美观程度和印制导线的长度，也在一定程度上影响着整机的可靠性，布设中应遵循以下原则：(1) 元器件在整个板面疏密一致，布设均匀。(2) 元件安装高度尽量矮，以提高稳定性和防止相邻元件碰撞。(3) 元器件不要占满板面，四周留边，便于安装固定。(4) 元器件布设在板的一面，每个引脚单独占用一个焊盘。(5) 元器件的布设不可上下交叉，相邻元器件保持一定间距，并留出安全电压间隙220V/mm。(6) 根据在整机中安装状态确定元器件轴向位置，为提高元器件在板上稳定性，使元器件轴向在整机内处于竖立状态。(7) 元件两端跨距应稍大于元件轴向尺寸，弯脚对应留出距离，防止齐根弯曲损坏器件。3.1.5 焊盘及印制导线1焊盘的尺寸焊盘的尺寸与钻孔孔径、最小孔环宽度等因素有关。为保证焊盘上基板连接的可靠性，应尽量增大焊盘尺寸，但同时还要考虑布线密度。一般对于双列直插式集成电路的焊盘尺寸为1.5mm-1.6mm,相邻的焊盘之间可穿过0.3mm0.4mm宽的印制导线。一般焊盘的环宽不小于0.3mm，焊盘的尺寸不小于1.3mm。实际焊盘的大小一般以推荐来选用。2焊盘的种类焊盘的种类有圆形、椭圆形、岛形、方形、长方形、泪滴形、多边形等，如图3.3所示。对下面常用焊盘作简要介绍：圆形焊盘 该焊盘与穿线孔为一同心圆。外径一般为23倍孔径。孔径大于引线0.2mm0.3mm。设计时，若板尺寸允许，焊盘尽量大，以免焊盘在焊接过程中脱落。而且，同一块板上，一般焊盘尺寸取一致，不仅美观，而且加工工艺方便，除非某些特殊场合。圆形焊盘使用最多，尤其在排列规则和双面板设计中。(d)椭圆形 (e) 泪滴形 (f) 开口 (g) 矩形 (h)多边形 (i)异形孔图3.3 焊盘图形岛形焊盘 各岛形焊盘之间的连线合为一体，犹如水上小岛，故称岛形焊盘，常用在元件不规则排列中，可在一定程度上起抑制干扰的作用，并能提高焊盘与印制导线的抗剥程度。其他各种形状的焊盘，在焊盘设计时可根据实际情况作些灵活的修改。3焊盘孔位和孔径的确定 焊盘孔位一般必须在印制电路网络线的交点位置上。焊盘孔径由元器件引线截面尺寸所决定。孔径与元器件引线间的间隙，非金属化孔可小些，孔径大于引线0.15mm左右，金属化孔径间隙还要考虑孔壁的平均厚度因素，一般取0.2mm左右。4印制导线的走向和形状印制导线由于本身可能承受附加的机械应力，以及局部高电压引起的放电作用，因此，尽可能避免出现尖角或锐角拐弯，一般推荐选用和避免采用的印制导线形状如图3.4所示。图3.4 印制导线形状印制导线的宽度还要考虑承受电流、蚀刻过程中的侧蚀、板上的抗剥强度、以及与焊盘的协调等因素，一般安装密度不大的印制板，导线宽度不小于0.5mm 为宜，手工制作时不小于0.8mm。对于电源线和接地线，由于载流量大的缘故，一般取1.5mm2mm。在一些对电路要求高的场合，导线宽度还得作适当的调整。印制导线间的距离考虑安全间隙电压为220V/mm，最小间隙不要小于0.3mm，否则会可能引起相邻导线间的电压击穿或飞弧。在板面允许的情况下，印制导线宽度与间隙一般不小于1mm。印制导线宽度与最大允许工作电流关系见表表3.1，印制导线间距与最大允许工作电压见表3.2。表3.1 印制导线宽度与最大允许工作电流导线宽度(mm)11.522.533.54导线面积(mm2)0.050.0750.10.1250.150.1750.2导线电流(A)11.522.533.54表3.2 印制导线间距与最大允许工作电压导线间距(mm)0.511.523工作电压(V)100200300500700印制板上大面积铜箔应镂空成栅状，导线宽度超过3 mm时中间留槽，以利于印制板的涂覆铅锡及波峰焊（图3.5）。另外为增加焊盘抗剥强度，可设置工艺线（图3.6）。图3.5 铜箔上的镂空和留槽 图3.6 印制板上的工艺线3.1.6 印制电路板散热设计的考虑设计印制电路板，必须考虑发热元器件，怕热元器件及热敏感元器件的分板，板上位置及布线问题。常用元器件中，电源变压器、功率器件、大功率电阻等都是发热元器件（以下均称热源），电解电容是典型怕热元件，几乎所有半导体器件都有不同程度温度敏感性，印制板热设计基本原则是：有利散热，远离热源。具体设计中可采用以下措施：1热源外置 将发热元器件移到机壳之外，直流稳压电源的调整管通常置于机外，并利用机壳（金属外壳）散热。2热源单置 将发热元器件单独设计为一个功能单元，置于机内靠近边缘容易散热的位置，必要时强制通风，如台式计算机的电源部分就是这样。 3热源上置 必须将发热元器件和其他电路设计在一块板上时，尽量使热源设置在印制板的上部，如有利于散热且不易影响怕热元器件。4热源高置 发热元件不宜贴板安装。留一定距离散热并避免印制板受热过度。5散热方向 发热元件放置，要有利于散热。6远离热源 怕热元件及敏感元器件尽量远离热源，躲开散热通道。7热量均匀 将发热量大的元器件至于容易降温之处，即将可能超过允许温升的器件置于空气流入口外，LSI较SSI功耗大，超温则故障率高。放的位置，易使整个电路高温下降，热量均匀。8引导散热 为散热添加某些与电路原理无关的零部件。在采用强制风冷的印刷板上，使其产生涡流而增强了散热效果。因此人为设置改变气流使人为添加了“紊流排”使靠近元件处产生了涡流而增强散热效果。3.1.7 印制电路板中的干扰及抑制干扰现象在整机调试和工作中经常出现，其原因是多方面的，除外界因素造成干扰外，印制板布置不合理，元器件安装位置不当等都可能造成。这些干扰，在排版设计中应事先重视，则完全可以避免，否则，严重的会引起设计失败。今对印制板上常见的几种干扰及其抑制办法作简单的介绍。1热干扰及抑制由于发热元件的影响而造成温度敏感器件的工作特性变化以致整个电路电性能发生变化而产生的干扰。布设时，要找出发热元件与温度敏感元件，使热元处于较好的散热状态，使热元尽量不安装在印制板上，在必须安排在印制板上时，要配制足够的散热片，防止温度过高对周围元件产生热传导或辐射。2电源干扰抑制电子仪器的供电绝大多数是由于交流市电通过将压，整流，稳压后获得。电源的质量好坏直接影响政绩的技术指标。而电源的质量出原理本身外，工艺布线和印制板设计不合理，都会产生干扰，特别是交流电源的干扰。直流电源的布线不合理，也会引起干扰。布线时，电流线不要走平行大环形线；电源线与信号线不要太近，并避免平行。3底线的共阻抗干扰及抑制几乎所有电路都存在一个自身的接地点，电路中接地点在电位的概念中表示零电位，其他电位均相对于这一点而言。在印制板上的地线也不能保证是零电位，而往往存在一定值，虽然电位可能很小，但由于电路的放大作用，可能产生较大的干扰。这类干扰的主要原因在于两个或两个以上的回路共用一段地线所造成的。为克服地线共阻抗干扰，应尽量避免不同回路电流同时流经某一段共用地线，特别是高频和大电流回路中。在印制电路的地线布设中，首先考虑各级的内部接地，同级电路的几个接地点要尽量集中，称为一点接地，避免其他回路的交流信号窜入本级或本级中的交流信号窜入其他回路。同级电路中的接地处理好后，要布好整个印制板上的地线，防止各级之间的干扰，下面介绍几种接地方式。并联分路式 将印制板上的几个部分地线分别通过各自地线汇总到线路的总接地点。在实际设计中，印制电路的公共地线一般设在印制板的边缘，并较一般导线宽，各级电路就近并联接地。但如周围有强磁场，公共地线不能构成封闭回路，以免引起电磁感应。大面积覆盖接地 在高频电路中，可采用扩大印制板的地线面积来减少地线中的感抗，同时，可对电场干扰起屏蔽作用。地线的分线 在一块印制板上，如布设模拟地线和数字地线，则两种地线要分开，供电也要分开，以抑制相互干扰。4磁场干扰及对策印制板的特点是元器件安装紧凑，连接紧密，但如设计不当，会给整机带来分布参数造成干扰，元器件相互之间的磁场干扰等。分布参数造成干扰主要由于印制导线间的寄生耦合的等效电感和电容。布设时，对不同回路的信号线尽量避免平行，双面板上的两面印制线尽量做到不平行布设。在必要的的场合下，可通过采用屏蔽的方法来减少干扰。元器件间的磁场干扰主要是由于扬声器、电磁铁、永磁式仪表、变压器、继电器等产生的恒磁场和交变磁场，对周围元件，印制导线产生干扰。布设时，尽量减少磁力线对印制导线的切割，两磁性元件相互垂直以减少相互耦合，对干扰源进行屏蔽。3.1.8 印制电路板图的绘制排版设计不是单纯地按照原理图联结起来，而是采取一定的抗干扰措施，遵循一定的设计原则，合理的布局，达到整机安装方便，维修容易。因此，无论是手工排版还是利用计算机布线，都要经过草图设计这一步骤。但计算机布线，下述步骤可根据个人的实际情况作一些灵活的调整。1分析原理图分析原理图的目的，是为了在设计过程中掌握更大的主动性，且要达到如下目的。（1）熟悉原理图的功能原理，找出可能引起干扰的干扰源，并作出采取抑制的措施。（2）熟悉原理图中的每个元器件，掌握每个元器件的外形尺寸、封装形式、引线方式、排列顺序、各管脚功能，确定发热元件所安装散热片的面积，以及确定哪些元件在板上，哪些在板外。（3）确定印制板参数，根据线路的复杂程度来确定印制板到底应采取单面还是双面，根据元件尺寸、元件在板上安装方式、排列方式和印制板在整机内的安装方式综合确定印制板的尺寸以及厚度等参数。（4）确定对外连接方式，根据布置在面板、底板、侧板上的元器件的位置来具体确定。2单面板的排版设计排版设计是个具有十分灵活性的工作，但在实际排版中，一般遵循以下原则：(1)根据与面板、底板、 侧板等的联接方式，确定与之有关的元器件在印制板上的具体位置，然后决定其他一般元件的布局，布局要均匀，有时为了排列美观和减少空间，将具有相同性质的元件布设在一起，由此可能会增加印制导线长度。(2)元器件在纸上位置被安放后，开始布置印制导线，布设导线时，要尽量使走线短、少、疏。在此基础上还要解决原理图中存在的交叉现象，依据原理图画出单线不交叉图如图3.7所示。在复杂的电路中，由于解决交叉现象而导致印制导线变得很长的情况下而可能产生干扰时，可用“飞线”来解决。“飞线“即在印制导线的交叉处切断一根，从板的元件面用一短接线连接。但“飞线”过多，会影响印制板的质量，应尽量少用。图3.7 单线不交叉图要注意，一个令人满意的排版设计常常经多次调整元件位置和方向，多次调整印制导线的布线情况而得到的。3正式排版草图的绘制这是为了制作照相底图而必须绘做一张草图。图的要求：版面尺寸，焊盘位置，印制导线的连接与布设，板上各孔的尺寸与位置均与实际板相同并标出，同时应注明线路板的技术要求。图的比例可根据印制板图形密度与精度按1：1、2：1、4：1等不同比例。如图3.8所示为单面印制板图的绘制步骤：图3.8 印制电路板图的手工绘制过程（1）按草图尺寸取方格纸或坐标纸。（2）画出版面轮廓尺寸，留出版面各工艺孔空间，而且还留出图纸技术要求说明空间。（3）用铅笔画出元器件外形轮廓，小型元件可不画轮廓，但做到心中有数。（4）标出焊盘位置，勾勒印制导线。（5）复核无误后，擦掉外形轮廓，用绘图笔重描焊点及印制导线。（6）标明焊盘尺寸、线宽，注明印制板技术要求。技术要求包括：焊盘的内、外径；线宽；焊盘间距及公差；板料及板厚；板的外形尺寸及公差；板面镀层要求；板面助焊、阻焊要求等。4双面印制板图的绘制在电子设备中，双面印制电路板应用较为广泛，它的两面都有线，可以比较充分地利用板上空间。绘制印制电路板图时，除于上述单面板设计绘制过程相同外，还应考以下几点。元器件布在一面，主要印制导线布在另一面，两面印制导线尽量避免平行布设，力求相互垂直，以减少干扰。两面印制导线最好分布在两面，如在一面绘制，则用双色区别，并注明对应层颜色。两面焊盘严格对应，可通过针扎孔法来将一面焊盘中心引到另一面。在绘制元件面导线时，注意避让元件外壳、屏蔽罩等。两面彼此连接地印制线，需用金属化孔实现。画双面电路板图的一般步骤是：（1）按黑白图的大小方格上画一外框尺寸。如果选择黑白图与实际印刷电路板的比例2：1。则外框尺寸比实际印刷电路板增加一倍，也就是图的长度和宽度各扩大一倍，图上各连线和元器件所占的长度也都放大一倍。在制版时缩小到1/2，则制出的板刚是所要求的尺寸。（2）画印制电路板的插头引线图时，它的大小必须依据实际插座弹簧片上的宽度而定，尺寸要求准确，否则在使用时容易造成相邻引线短路。（3）确定元件的位置时，一般是把直接引出线多的元件安排在离插头较近的位置，原理图上相互连线多的元件尽可能靠近，以减少引线的长度，元器件位置确定后，再画出元器件引脚位置图。（4）为了画图方便，双面印制电路板的草图可以在一张方格纸内完成，这就要求用两种颜色的笔表示双面引线。比如正面（元件面）用红色铅笔画，反面（只有连线的一面）用兰色铅笔画。双列直插式集成电路引脚是焊在反面，因此画图时用蓝色笔画。（5）布线一般是一面以横线为主，另一面以竖线为主。当一根引线需要从印刷电路板的一面引到另一面，中间要有一个引线孔，这个引线孔是穿过印刷电路板的。早期是在孔内插入一根单股线，正反两面连线分别和引线端焊住，现在一般采用孔金属化工艺把正反两面的连线接通。（6）对画好的草图要认真检查，确认无误后重新把引线孔及加连线描粗并加深，使得白色铜版纸放在上面可清楚看到连线，以便绘制照相底图。3.2 印制电路板的制作3.2.1 制作印制电路板的基本环节印制电路板的制造工艺随会因印制板的类型和要求而异，但在不同的工艺流程中，一般有以下七个基本环节。1绘制照相底图 照相底图的绘制方法已在上节介绍过了，作为厂家第一道工序即为设计者送来的底图进行检查、修改，以保证加工质量。现在由于计算机绘制底图的应用，常将画好的底图拷贝在U盘上，告诉厂家底图的文件名，让厂家通过绘图仪将底图绘出。2照相制板 用绘好的底图照相制板，版面尺寸通过调整相机焦距准确达到印制板尺寸，相版要求反差大，无砂眼。制版过程与普通照像大体相同。相版干燥后需修版，对相版上砂眼修补，对不要的用小刀刮掉。做双面板的照相版应保证正反面次照相的焦距一致，确保两面图形尺寸的吻合。3图形转移 把照相版上的印制电路图形转移到覆铜板上，称为图形转移。方法有：丝网转移，光化学法等。（1）丝网漏印 是一种古老的工艺，但由于具有操作简单、生产效率高、质量稳定和成本低廉等优点，所以，广泛用于印制板制造，现由于该法在工艺、材料、设备上都有突破，能印制出0.2mm的导线。缺点是精度比光化学法差，要求工人具有熟练操作技术。丝网漏印技术包括丝网的准备，丝网图形的制作和漏印三部分。（2）直接感光法（光化学法之一） 包括覆铜板表面处理、上胶、暴光、显影、固膜和修版的顺序过程。这里指出的上胶过程中指的覆铜板表面均匀涂上的一层感光胶。暴光的目的是使光线透过的地方感光胶发生化学反应，而显影的结果使未感光胶溶解，脱落，留下感光部分。固膜是为了使感光胶牢固地粘连在印制板上并烘干。（3）光敏干膜法（光化学法之二） 它与直接感光法的主要区别是来自感光材料。它的感光材料是一种薄膜类物质，由聚酯薄膜、感光胶膜、聚乙烯薄膜三层材料组成，感光胶膜夹在中间。贴膜前，将聚乙烯保护膜揭掉，使感光胶膜贴于覆铜板上，暴光后，将聚酯薄膜揭掉后再进行显影，其余过程与直接感光法类同。4蚀刻 蚀刻也称烂板，是制造印制电路板的必不可少的重要步骤。它利用化学方法去除板上不需要的铜箔，留下焊盘、印制导线及符号等。常用的蚀刻溶液有三氯化铁、酸性氯化铜、碱性氯化铜、硫酸-过氧化氢等。三氯化铁蚀刻液适用于丝网漏印油墨抗蚀剂和液体感光胶抗蚀层印制板的蚀刻。用它蚀刻的特点是工艺稳定，操作方便，价格便宜。但是，由于它再生困难，污染严重，废水处理困难而正在被淘汰，只适于在实验室中少量加工较为方便。影响三氯化铁蚀刻时间的因素有浓度和温度、溶铜量（铜在蚀刻液中溶入的量）、盐酸的加入量以及适当的搅拌方式。酸性氯化铜近年来正代替三氯化铁蚀刻液，它具有回收的再生方法简单、减少污染、操作方便等特点。酸性氯化铜蚀刻液的配方一般除氯化铜外还有提供氯离子的成份：氯化钠、盐酸和氯化铵。影响氯化铜蚀刻时间的因素有氯离子浓度、溶液中铜含量以及溶液温度等。碱性氯化铜适用于金、镍、铅-锡合金等电镀层作抗蚀涂层的印制板蚀刻。它的特点是蚀刻速度快也容易控制，维护方便（通过补充氨水或氨气维持PH值），以及成本低等。它的蚀刻度也受铜离子浓度、氨水浓度、氯化铵浓度以及温度的影响。硫酸-过氧化氢是一种新的蚀刻液，它的蚀刻特点是蚀刻速度快，溶铜量大，铜的回收方便，勿须废水处理等。影响蚀刻的因素有过氧化氢的浓度、硫酸和铜离子的浓度、稳定剂（使溶液稳定、蚀刻速率均匀一致）、催化剂（Ag+、Hg+、Pd+）和温度等。蚀刻的方式主要由浸入式、泡沫式、泼溅式和喷淋式等，分别选用于不同的蚀刻液蚀刻，目前，工业生产中用的最多的是喷淋式蚀刻。5孔金属化 孔金属化是双面板和多面板的孔与孔间、孔与导线间导通的最可靠方法，是印制板质量好坏的关键，它采用将铜沉积在贯通两面导线或焊盘的孔壁上，使原来非金属的孔壁金属化。孔金属化过程中须经过的环节有钻孔、孔壁处理、化学沉铜和电镀铜加厚。孔壁处理的目的是使孔壁上沉积一层作为化学沉铜的结晶核心的催化剂金属。化学沉铜的目的是使印制板表面和孔壁产生一薄层附着力差的导电铜层。最后的电镀铜是使孔壁加厚并附着牢固。6金属涂敷为提高印制电路的导电性、可焊性、耐磨性、装饰性，延长印制板的使用寿命，提高电气可靠性，可在印制板的铜箔上涂敷一层金属。金属镀层的材料可为：金、银、锡、铅锡合金等。涂敷的方法分电镀和化学镀两种:电镀使镀层致密、牢固、厚度均匀可控，但设备复杂，成本高，一般用于要求高的印制板和镀层，如插头部分镀金等。化学镀设备简单、操作方便、成本低，但镀层厚度有限，牢固性差，一般只适用于改善可焊性的表面涂敷。目前大部分采用浸锡和镀铅锡合金的方法来改善可焊性，它具有可焊性好、抗腐蚀能力强，长时间放置不变色等优点。7涂助焊剂与阻焊剂 印制板经表面金属涂敷后，根据不同的需要可进行助焊和阻焊处理。涂助焊剂的目的，既可起保护镀层不氧化的作用，又可提高可焊性。为了保护版面，确保焊接的正确性，在一定的要求下在板面上加阻焊剂，但必须使焊盘裸露。印制板加工除了上述七个基