印制线路板的结构设计及制造工艺.doc

第七章 印制线路板的结构设计及制造工艺
在组装工艺技术方面，印制电路板PCB（printed circuit 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。
7.1印制电路板结构设计的一般原则
元器件布局与布线原则，对印制板上的元器件布局也基本合用。但印制板又有其自身特点，如印制导线都是平面布置，单面印制板上导线不能互相交叉；铜箔的抗剥离强度较低，接点不易多次焊接；不宜采用一点接地等。因此印制板上元器件布局与布线又有其自身特点。
7.1.1印制电路板的结构布局设计
1．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℃。
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。
3． 印制电路板的抗电磁干扰设计
7. 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。在保证电性能规定的前提下，元器件应平行或垂直于板面，并和重要板边平行或垂直。在板面上分布均匀整齐。一般不得将元件重叠安放，假如的确需要重叠，应采用结构件加以固定。
通常元器件布置在印制板的一面。此种布置便于加工、安装和维修。
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规定。
机内调节，应放在印制板上便于调节的地方；机外调节，其位置与调节旋钮要在机箱上。
元件的标记或型号应朝向便于观测的一面。
7.1.2印制电路板上的元器件布线的一般原则
1.电源线设计
　　根据印制线路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻。同时使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。
2. 地线设计
⑴公共地线应布置在板的最边沿，便于印制板安装在机架上，也便于与机架
(地)相连。导线与印制板的边沿应留有一定的距离(不小于板厚)，这不仅便于安装导轨和进行机械加工，并且还提高了绝缘性能。
⑵数字地与模拟地应尽量分开。低频电路的地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分串联后再并联接地。高频电路宜采用多点串联就近接地，地线应短而粗，电路的工作频率越高，地线应越宽。
⑶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重要在本级地回路中流通，减小级间地电流耦合。如仅由数字电路组成的印制板，其接地电路布成封闭环路大多能提高抗噪声能力。但印制板附近有强磁场时，地线不能做成封闭回路，以免成为一个闭合线圈而引起感生电流。
3.信号线设计
⑴ 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沿。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布电容，也便于板上的地线和机架相连。
⑵高电位导线和低电位导线应尽量远离，最佳的布线是使相邻的导线间的电位差最小。
⑶避免长距离平行走线，印制电路板上的布线应短而直。必要时可以采用跨接线。双面印制板两面的导线应垂直交叉。高频电路的印制导线的长度和宽度宜小，导线间距要大。
⑷印制电路板上同时安装模拟电路和数字电路时，宜将这两种电路的地线系统完全分开，它们的供电系统也要完全分开。
⑸采用恰当的接插形式，如用接插件、插接端和导线引出等几种形式。输入电路的导线要远离输出电路的导线，以免发生反馈耦合。引出线要相对集中设立。布线时使输入输出电路分列于电路板的两边，并用地线隔开。
7.1.3印制导线的尺寸和图形
当元器件结构布局和布线方案拟定后，就要具体地设计绘制印制导线的图形。
1.印制导线的宽度
覆铜箔板铜箔的厚度一般为0.02mm～0.05mm。印制导线的最小宽度取决于导线的载流量和允许温升。
表7.1 0.05mm厚的导线宽度与允许的载流量、电阻的关系
导线的宽度(mm)
0.5
1.0
1.5
2.0
允许载流量(A)
0.8
1.0
1.3
1.9
电阻(Ω/m)
0.7
0.41
0.31
0.29
2.印制导线的间距
导线的最小间距重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：
（1）低频低压电路的导线间距取决于焊接工艺。采用自动化焊接时间距要小些，手工操作时宜大些。
（2）高压电路的导线间距取决于工作电压和基板的抗电强度。
（3）高频电路重要考虑分布电容对信号的影响。
表7.2 安全工作电压、击穿电压与导线间距值
导线间距(mm)
0.5
1.0
1.5
2.0
3.0
工作电压(V)
100
200
300
500
700
击穿电压(V)
1000
1500
1800
2100
2400
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。不规则排列合用于高频电路，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，但引线也许较长。
同一印制板上的导线的宽度宜一致，地线可适当加宽。导线不应有急弯和尖角，转弯和过渡部分宜用半径不小于2mm的圆弧连接或用45度角连线，且应避免分支线。
当导线宽度超过3mm时，最佳在导线中间开槽成两根并联线。大面积铜箔时，应做成栅格状。
7.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。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)mm。焊盘太小容易在焊接时粘断或剥落。
焊盘的形状有岛形焊盘、圆形焊盘、方形焊盘、椭圆焊盘和灵活设计的焊盘。
4．1．4印制板设计环节和方法
1. 设计印制板应具有的条件
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、规格和重要尺寸。
② 明确各元器件和导线在布局、布线时的特殊规定。如哪些元器件和导线需要屏蔽；哪些元器件经常更换和调整；哪些是发热元器件和热敏元器件；各元器件的工作频率和电压大小；电路工作时环境条件(温度、湿度和冲振规定)等。
③ 拟定印制板在整机(或分机)中的位置及其连接形式。
2. 印制板的设计环节和方法
① 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。
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，可减少生产成本。印制板的外形尺寸已由GB9315-88做了规定，常用系列见表7.3、表7.4。

表7.3 印制板尺寸系列1 单位：mm
B
55.55
100
147.45
188.9
233.55
277.80
L
100
160
220

280
340
注：本表尺寸B、L可任意组合。

表7.4 印制板尺寸系列2 单位：mm
B
·50
·50
·70
70
70
·80
·80
100
·100
L
80
140
140
240
320
100
140
100
160

B
·100
120
·120
·140
·140
·160
180
·200
300
L
200
120
200
160
200
260
220
300
300
注：本表尺寸B、L为一一相应，不可任意组合；带有“· ”是优选尺寸。
② 设计印制电路板坐标尺寸图。
③ 根据电原理图绘制排版连线图。
排版连接图是用简朴线条表达印制导线的走向和元件器件的连接。在排版连接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。
根据排版连线图，按元器件大小比例，画出印制导线照相底图和装配图。
7.2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、孔金属化、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

照相底图
照相制版
图形转移
蚀刻
孔的金属化
印制插头的电镀

印阻焊剂、印字符涂覆(镀)
印制板的机械加工
修边
表面涂覆(镀)

→
1． 照相制版
用照相的方法对照相底图拍照以得到照相底片，照相底片要接比例缩小(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。
2． 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毕的，随着电子技术的发展其加工尺寸和精度规定越来越高。
3． 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。
4． 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。
5． 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。
6． 印制插头的电镀
假如印制电路板是以边沿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沿的印制插头片上。为了获得尽也许低的接触电阻，要在这些印制插头片上镀金。
7． 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性能下降，防止焊锡粘附在不需要的部分，防止铜对焊锡槽的污染，保证印制板功能等。
油墨的涂覆的方式有帘幕涂布、丝网印刷、静电涂布、气式喷涂等。
印文字、符号是为了印制板装配和维修方便。它们一般印在阻焊油墨上面，也有的单面板直接印在基材上。
10．表面涂(镀)覆
假如印制板制造后立即装配，则可不进行表面解决。对只储存一个短时期的印制板，可涂一层助焊性清漆。但最佳的方法是在印制导线制成后再进行表面涂覆。
11．修边
印制电路板的最后工序就是修整边沿，以达成所规定的尺寸和公差。修边在高速切割锯，或轮廓加工机(铣切机)上进行，有的用冲模进行修边。
4．2．2印制电路板的质量检查
印制板最常见的故障是导体间的短路和导体内的断路、焊盘上阻焊膜配备不良，树脂涂抹移位和电镀通孔开裂等。所以印制板制成后要通过以下几项质量检查，才干组装焊接。
1． 目视检查
目视检查是用肉眼检查所见到的一些性能。通常目检能发现的一些缺陷可分为表面缺陷和其它缺陷。
⑴ 表面缺陷 表面缺陷涉及凹痕、麻坑、划痕、表面粗糙、空洞、针孔等。
⑵ 其它缺陷
焊盘的重合性 检查孔是否在焊盘中心。
导线图形的完整性 测量导线图形的完整性。用照相底图制造的底片覆盖在已加工好的印制板上，测量导线宽度、外形是否处在所规定的范围内。
外形尺寸 检查印制板的边沿尺寸是否在所规定的范围内。
2． 电性能测试
对多层印制电路板要进行连通性实验，检查印制电路图形是否是连通的。
3． 绝缘电阻
测量印制板绝缘部件对外加直流电压所呈现出的一种电阻。
4． 可焊性
可焊性是用来测量元器件连接到印制板上时，焊接对印制图形的润湿能力，一般用：润湿、半润湿、不润湿来表达。
5． 镀层的附着力
常用胶带实验法检查镀层附着力。
此外尚有PCB的翘曲和扭曲、抗剥强度、合金成分、孔端抗拉脱强度、金属化孔的电流击穿，载流量，用焊料浮起测试和金属切片分别检测电镀通孔结构的质量等实验。
7.3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，并且实现了电子元器件之间的布线和电气连接。
4．3．1印制电路板的分类：
印制电路板的分类方式一般有两种：按基材分类、按结构分类。基材印制电路板可分为：纸基印制板、玻璃布基印制电路板、合成纤维印制板、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、挠性印制电路板、刚挠结合印制板。其它类型的印制板尚有：导电胶印制板、载芯片印制板、抗电磁波干扰印制板、单面多层印制板、多重布线印制板、平面电阻印制板、积层式多层印制电路板。
4．3．2印制板电路板组装工艺的基本规定
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，一般有轴向元件VCD（也称为可变中心距元件，Variable Center Distance Component）、双列直排封装元件DIP (Dual In-line Package)、单列直排封装元件SIP(Single In-line Package)、辐射状引线元件和表面安装元器件SMD(Surface Mounted Devices)等。印制板的组装方法必须根据产品的结构、装配的密度、使用的方法和规定来决定。元器件插装前，一般需要进行加工解决，然后插装。良好的成形及插装工艺，可使可使元器件稳定、抗振、整齐、美观。
1． 元器件引线的成形
⑴预加工解决
由于生产工艺的限制和包装、贮存、运送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。引线的预加工解决涉及引线的校直、表面清洁、搪锡三个环节。
⑵引线成形的基本规定
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。基本规定如下：
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弯曲半经大于等于引线直经的两倍，两根引线打弯后要互相平行。
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，提高散装面积热能力。
④元件标称值及文字标记应处在便于查看的位置，便于检查和维修。
⑤成形后无机械损伤。
⑶成形方法
在自动化生产中，成形工序在流水线上用专用工具和成形模具成形。如采用电动、气动等专用引线成形机。少量元器件可采用手工，用尖嘴钳或镊子钳等工具成形。
2． 元器件的安装的技术规定
①元器件的标志方向按图纸规定，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，管脚过长减少晶体管的稳定性，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规定，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。
⑥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。
⑦一些特殊元器件应做特殊解决。如MOS集成电路应在等电位工作台上安装，以免静电损坏器件；发热元件（如2W以上的电阻）要悬空安装或直接装在散热器上，并保证可靠接触，以利于散热；较大元器件（重量大于28g）应在印制板面上采用固定措施（弹性固定夹、螺钉螺母、支架等），以减振缓冲。
⑧元器件插好后，其引线外形解决有弯头的，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。
4．3．3印制电路板装配工艺
印制电路板装配重要涉及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毕，前者简朴易行,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，引线成形规定严格。
1．元器件的安装方法,一般有以下几种形式：
⑴贴板安装 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。
⑵悬空安装 元器件插装后距印制板面3～8mm高。这种方法有助于元器件散热。
⑶垂直安装 元器件垂直于印制基板面插装，这种方法有助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方法。
⑷埋头安装(嵌入式安装) 将元器件的壳体埋于印制基板的嵌入孔内，这种方法有助于元器件抗振，并减少了安装高度。
⑸有高度限制时的安装 将元器件的垂直插入后，再朝水平方向弯曲。对大型元件要特殊解决，以保证有足够机械强度，经得起振动和冲击。
⑹支架固定安装 用金属支架将元器件固定在印制基板上， 这种方法合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(Through Hole Component) 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：把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（涉及半自动插装机在内）插入、机器人插入。

①自动插装工艺流程
印制基板
定位装置
元件特性自动测试
元件自动排列传送

自动
插装机
自动检查
自动焊
自动检测修正

②手工插入与半自动插装工艺流程
待装
元件
引线成形
插件
调整位置
剪切引线
焊接
检查

手工插入与半自动插入时，所有操作按顺序用人工完毕。
半自动插装机自动地向操作员提供对的的元件，并且运用光束指示元件在电路板上的插入位置和方向。然后手工把元件插入，有时自动割断引线，然后折弯，速度约为720个/h。
非标准元件、热敏元件和其它不能波峰焊接元件，如把手、较大的电解电容、连接器和功率晶体管等，常采用手工插入，有时还用螺钉或螺栓和螺母加以固定。
③机器人插装工艺流程
机器人插入的操作涉及：机器人手臂向元件运动、抓住元件、把它重新定向（假如需要的话）、移到电路板的对的位置然后插入。机器人一般仅仅用来插入那些需要人工插入的非标准元件，或者形状奇特不能采用专用的机械插入那些元件。