4.1 PCB 结构设计的一般原则 4.2 PCB 的制造工艺及检测4.3 PCB 的组装工艺

* 4.4 PCB 的计算机辅助设计过程简介本章小结

第四章　印制电路板的结构设计　　　　及制造工艺

　 　 　　

4.1 PCB 结构设计的一般原则

4.1.1 　 PCB 的结构布局设计

4.1.2 　元器件布线的一般原则

4.1.3 　 印制导线的尺寸和图形

4.1.4 　 PCB 设计步骤和方法

　 　 　　

4.1.1 　 PCB 的结构布局设计 1 ． PCB 的热设计

4.1 PCB 结构设计的一般原则

　　 PCB 的工作温度 < 85℃ ，过高的温度会导致印制板损坏。散热方法：均匀分布热负载、元器件装散热器，设置带状导热条、局部或全局强迫风冷。　　元件排列方向和疏密要有利于空气对流。发热量大的元器件应放在便于散热的位置。温度高于 40℃ 时应加散热器。热敏元件应远离调温区域或采用热屏蔽结构。　　 2 ． PCB 的减振缓冲设计　　负荷应合理颁布。较生的元件安排在支承点处。板面尺寸大于 200mm 150 mm 时，应用机械边框加固，元器件离板边缘 > 2mm 。

　 　 　　

4.1 PCB 结构设计的一般原则

　　 3 ． PCB 的抗电磁干扰设计

　　高、低频，高、低电位电路的元器件不能靠得太近。输入和输出应尽量远离，缩短高频元器件之间的连接。电感器件、有磁芯的元件要注意磁场方向。线圈的轴线应垂直于印制板面。接触器、继电器等须采用 RC 电路来吸收放电电流。导线之间的耦合和干扰作用会带来串扰或噪音。消除方法：

　　（ 1 ）隔离。信号线与地线交错排列或地线（层）包围信号线。

　　（ 2 ）斜交。相邻的两层信号线垂直、斜交。应以圆角走弧线与斜线。

　 　 　　

4.1 PCB 结构设计的一般原则

　　（ 3 ）减少信号线的长度。高密度走线缩短信号传输线的最有效的方法是采用多层板。

　　（ 4 ）靠边。把最调频信号尽量接近输入输出处，使传输最短。

　　（ 5 ）选件。对调频组件的引脚，应用 BGA 结构，不采用 QFP 。　　（ 6 ） CSP 。 CSP （裸芯片封装）比 SMT 的 BGA 互联传输线长度更短。

　 　 　　

4.1 PCB 结构设计的一般原则

　　 4 ． PCB 的板面设计

　　（ 1 ）元器件按原理图顺序直线排列，力求紧凑、均匀，平行或垂直于板面。

　　（ 2 ）元器件布置在印制的一面。

　　（ 3 ）必须将电路分成几块，应每一块为独立功能电路，引出线应最少。

（ 4）电位器等可调元件的布局应考虑结构要求，元件的标记应便于观察。

　 　 　　

4.1 PCB 结构设计的一般原则

4.1.2 　元器件布线的一般原则　　 1 ．电源线设计　　加粗电源线宽度，以减少环路电阻，走向应和数据传递的方向一致。

　　 2 ．地线设计

　　（ 1 ）公共地线布置在板的边缘，导线与印制板的边缘应留有不小于板厚的距离以绝缘。

　 　 　　

4.1 PCB 结构设计的一般原则

　　（ 2 ）数字地与模拟地应尽量分开。低频电路应尽量采用单点并联接地。高频电路宜采用多点串联就近接地。

　　（ 3 ）每级电路的地线应自成封闭回路，以减小级间地电流耦合，但附近有强磁场除外。

　　 3 ．信号线设计

　　（ 1 ）低频导线靠近印制板边布置。　　（ 2 ）高、低电位导线应尽量远离。

　　（ 3）避免长距离平行走线，必要时可跨接。

　 　 　　

4.1 PCB 结构设计的一般原则

　　（ 4 ）同时安装模拟和数字电路时供电与地线系统要分开。

　　（ 5 ）采用恰当的接插形式。几种形式使输入输出分列于电路板两边，并用地线隔开。

印制电路板输入、输出线布设

　 　 　　

4.1 PCB 结构设计的一般原则4.1.3 　印制导线的尺寸和图形

　　 1 ．导线宽度　　取决于导线的载流量和允许温升。　　集成电路线宽 0.02 ~ 0.03 mm ， SMT 线宽 012 ~ 0.15 mm

　　 2 ．线距　　由导线间绝缘电阻和击穿电压决定。

　　（ 1 ）间距与焊接工艺有关。　　（ 2 ）高压电路取决于工作电压和基板的抗电强度。　　（ 3 ）高频电路主要考虑颁布电容对信号的影响。

　　微型设备≥ 0.4 mm ， SMT 0.08 ~ 0.2 mm 。　　应考虑的因素：

　 　 　　

4.1 PCB 结构设计的一般原则

　　 3 ．导线图形

　　（ 1 ）排列方式：

　　① 不规则排列 —— 适于高频电路，但不利于自动插装。

　　② 规则排列 —— 排列整齐，自动插装效率高，但引线较长。

　 　 　　

4.1 PCB 结构设计的一般原则

　　 4 ．焊盘

　　 d —— 引线插孔直径

　　（ 2 ）形状

岛形、圆形、方形、椭圆、灵活焊盘，如图所示。

　　外径 D> （ d +1.3 ） mm；对一般电路

≥（ d +1.0 ） mm；对高密度数字电路

　 　 　　

4.1 PCB 结构设计的一般原则

　 　 　　

4.1 PCB 结构设计的一般原则4.1.4 　 PCB 设计步骤和方法

　　 1 ．设计条件　　（ 1 ）已知电路元器件的型号、规格和主要尺寸。　　（ 2 ）明确各元器件和导线在布局、布线时的特殊要求。 （ 3）确定印制板在整机中的位置及其连接形式。

　　 2 ．设计步骤

　　（ 1 ）选材料和尺寸 （ 2）设计坐标尺寸图 　　用典型元器件作布局基本单元，如图所示。

　 　 　　

4.1 PCB 结构设计的一般原则

　　图中 A≥ （ d +1.5 ） mm； l ≤ L＜ [ l + （ 4~5 ） ] mm 。安装孔的圆心必须在坐标交点上。

　　（ 3 ）绘制排版连线图

　 　 　　

4.1 PCB 结构设计的一般原则

　　（ 4 ）根据排版连线，绘出排版设计草图（选 2:1 ）并画出印制导线的照相底图。

　 　 　　

4.2 　 PCB 的制造工艺及检测

4.2.1 　 工艺流程

* 4.2.2 　 质量检验

　 　 　　

4.2 PCB 的制造工艺及检测4.2.1 　工艺流程

　　 1．照相底图 2:1、 4:1 或 8:1 的放大比例绘制。

制作方法：

（ 1）自动

① CAD 笔绘法

②打印法

　 　 　　

4.2 PCB 的制造工艺及检测

③ 光绘法 将 CAD 设计的 PCB 图形数据送入光绘机的计算机系统，控制光绘机，利用光线直接在底片上绘制图。速度快，精度高，质量好。

　　（ 2 ）手工

　　① 描图法

　　② 贴图法

　　 2 ．照相制版

　　工艺流程：对光 曝光 显影 定影 水洗 修复

　 　 　　

4.2 PCB 的制造工艺及检测

　　 3 ．机械加工

　　（ 1 ）孔加工

　　圆孔加工：冲、钻两种方法。异形孔用冲、铣。

　　设备：高速台钻，数控钻床。

　　 4 ．孔的金属化

　　作用：内层印制导线引出和互连。

方法：孔内壁表面化学沉铜再电镀铜。

　　 5 ．图形转移

作用：将电路图形由照相底片转移到印制上。

　 　 　　

4.2 PCB 的制造工艺及检测

　　方法：

　　（ 1 ）光化学法

　　在铜箔涂覆光敏抗蚀剂，然后照相底片放在上面曝光、显影；保留线路图，其余抗蚀剂洗掉。目前有液态感光法和感光干膜法两种方法。

　　（ 2 ）丝网漏印法

将图形制在丝网上，用丝网漏印的方式将线路图形印到板面形成保护层，经蚀刻留下所需的印制电路图。

　 　 　　

4.2 PCB 的制造工艺及检测

　　制作丝网图形的方法：

　　① 直接法

　　工艺流程：准备丝网 涂感光胶 曝光 显影 检查

　　② 间接法

　　工艺流程：准备工作 刷涂敏化液 转移到临时片基 曝光 显影 转网

　　③ 直间接法

工艺流程：丝网准备 刷涂敏化液 贴菲林膜 烘干

曝光 显影 修网 封网

　 　 　　

4.2 PCB 的制造工艺及检测

　　 6 ．蚀刻

　　用化学或电化学的方法去铜的过程，即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 PCB

留下所需的电路图形的过程。

　　工艺流程：预蚀刻 蚀刻 水洗 干燥 去抗蚀膜 热水洗 冷水冲洗 干燥（吹干或晾干） 修板

　　常用蚀刻剂：三氯化铁、氯化铜等。

蚀刻方法：摇动槽法、浸蚀法、高压喷淋蚀法。

　 　 　　

4.2 PCB 的制造工艺及检测　　 7 ．插头的电镀

　　为获得尽可能低的接触电阻，要镀金。厚度是 0.005 mm 。

　　 8 ．涂（印）阻焊剂、印字符

　　（ 1 ）阻焊剂

　　① 作用

　　防止电路腐蚀，防止焊锡粘附在不需要的部分。

　　② 涂覆方式

　　丝网印制等。

　　（ 2 ）印文字、符号为装配和维修方便。

　 　 　　

4.2 PCB 的制造工艺及检测

　　 9 ．表面涂（镀）覆

　　作用：涂（镀）可焊性涂镀层。

　　 10．修边

　 　 　　

4.2 PCB 的制造工艺及检测* 4.2.2 　质量检验

　　 1 ．目视检验

　　（ 1 ）表面缺陷

　　包括凹痕、麻坑、划痕、表面粗糙、空洞、针孔。

　　（ 2 ）其他缺陷

　　① 焊盘的重合性

　　② 导线图形的完整性

　　③ 外形尺寸

　 　 　　

4.2 PCB 的制造工艺及检测

　　 3 ．绝缘电阻

　　 2 ．电性能测试

　　（ 1 ）作用：检验多层印制电路图形是否是连通。

（ 2）方法：接触式、夹具针床、非接触、电子束、激光。

　　 4 ．可焊性

　　 5．镀层的附着力

　 　 　　

4.3 　 PCB 的组装工艺

4.3.1 　 PCB 分类

4.3.2 　组装工艺的基本要求4.3.3 　装配工艺 4.3.4 　组装工艺流程

　 　 　　

4.3 PCB 的组装工艺

4.3.1 　 PCB 分类

　　按基材：纸基板、玻璃板、合成纤维板、陶瓷板、金属芯基板。

　　接结构：刚性板、挠性板、刚挠结合板。

　　挠性板可弯曲折叠，用于计算机外设（例与打印头相连）、仪器仪表。

　 　 　　

4.3 PCB 的组装工艺4.3.2 　组装工艺的基本要求

　　 1 ．引线成形

　　（ 1 ）预加工处理

　　包括引线的校直、表面清洁、搪锡。

　　（ 2 ）基本要求

　　① 离端面 > 1.5 mm 。

　　② 弯曲半径 R ≥ 2 引线直径。

　　③ 怕热元件将引线增长，提高散热能力。

　　④ 标记应便于查看。

　 　 　　

4.3 PCB 的组装工艺

　　⑤ 无机械损伤。如图所示。

　　（ 3 ）成形方法

自动化生产用专用工具。手工用鸭嘴钳或镊子等。

　 　 　　

4.3 PCB 的组装工艺

　　 2 ．元器件安装的技术要求　　① 从左到右、从上到下。　　② 注意极性。　　③ 管脚引线适中。　　④ 同规格元器件安装同一高度。　　⑤ 安装顺序为先低后高，先轻后重、先易后难、先一般后特殊。　　⑥ 分布均匀，引线不得相碰。　　⑦ 特殊元器件应做特殊处理。　　⑧ 引线外形处理如图。

　 　 　　

4.3 PCB 的组装工艺

　 　 　　

4.3 PCB 的组装工艺4.3.3 　装配工艺

　　 1 ．作用　　把元件插入到印制板加以焊接。　　 2 ．方法　　手工或专用的机械。　　 3 ．元器件的安装方法　　（ 1 ）贴板安装

　 　 　　

4.3 PCB 的组装工艺　　（ 2）悬空安装

　　（ 3 ）垂直安装

　 　 　　

4.3 PCB 的组装工艺　　（ 4 ）埋头安装

　　（ 5 ）有高度限制的安装

　 　 　　

4.3 PCB 的组装工艺

　　（ 6 ）支架固定安装

　 　 　　

4.3 PCB 的组装工艺4.3.4 　组装工艺流程

　　 1 ．通孔类元件　　工艺流程：　　① 把印制板装入夹具中，插入所有波峰焊接的元件，进行波峰焊接。　　② 插入、焊接所有人工焊接的元件。　　③ 插入和固定所有余下非焊元件。　　（ 1 ）自动插装工艺

　 　 　　

4.3 PCB 的组装工艺

　　如图，第一个自动插入站是（ DIP ）插装机。　　第二个插入站是轴向元件插装机。包括电阻器、电容器以及二极管。

　　（ 2 ）手工插入与半自动插装工艺流程

　　（ 3 ）机器人插装工艺流程 仅用来插入非标准元件。

　 　 　　

4.3 PCB 的组装工艺

　　 2 ．表面安装器件

　　（ 1 ）表面安装元件和器件特点：无引线或引线极短，元器件体积小。

（ 2）工艺流程图

　　（ 3 ）装配方式：

单面混合装配、双面混合装配、完全表面装配。

如图。

　 　 　　

* 4.4 　 PCB 的计算机辅助设计过程简介

4.4.1 　 PCB CAD 软件系统

4.4.2 　印制板 CAD 设计流程图

4.4.3 　软件介绍

　 　 　　

* 4.4 PCB 的计算机辅助设计过程简介4.4.1 　 PCB CAD 软件系统

　　（ 1 ）建库工具　　包括各类元器件符号库和物理库以及各种设计规则和后处理库。　　（ 2 ）交互和自动布局工具　　（ 3 ）自动布线工具和交互布线工具　　（ 4 ）后处理工具　　（ 5 ）生成各类报告的工具　　（ 6 ）设计验证工具　　（ 7 ）高速电路分析工具　　（ 8 ）工具间的接口　　（ 9 ）二次开发工具

　 　 　　

* 4.4 PCB 的计算机辅助设计过程简介4.4.2 　印制板 CAD 设计流程图

　　如图所示。

　 　 　　

* 4.4 PCB 的计算机辅助设计过程简介

　　 1 ．原理图的设计

　　（ 1 ）建立原理图　　确定电路的逻辑符号与物理器件的映射，编制元件表，建立线网表。　　（ 2 ）逻辑仿真　　对原理图进行逻辑仿真、时序分析。　　 2 ．印制板图的设计　　（ 1 ）布局原则：　　① 按功能进行布局 —— 将同功能的元件（如存储单元电路）布在一起。

　 　 　　

* 4.4 PCB 的计算机辅助设计过程简介

② —— 按电路特性进行布局 相同电路特性的电路布在一起。

　　③ 表面贴装元件（ SMT ）布局。

　　④ 参照布局网格布局，标准元件的两管脚间距为 0.1 in 。

　　⑤ 参照产品结构、元件温度布局。

　　⑥ 整体元件布局重量均衡。

⑦ 布局检查。

　　（ 2 ） PCB 设计中的布线

　　包括：单面布线、双面布线、双层布线。

　　布线的方式：自动布线、交互式布线。

　 　 　　

* 4.4 PCB 的计算机辅助设计过程简介

布线规则可预先设定：电源、地线的处理；数字电路与模拟电路的共地处理。一般先探索式布线，把短线连通再进行迷宫式布线。 　　设计验证：　　① 距离是否合理。　　② 电源与地线的宽度。　　③ 关键线的最佳设计。　　④ 是否有短路。　　⑤ 阻焊与字符标记是否影响电装质量。 （ 3）生成生产数据

　 　 　　

* 4.4 PCB 的计算机辅助设计过程简介4.4.3 　软件介绍

　　实用性较强的有： PROTEL 、 OrCAD 和 PADS 2000

等。　　 PROTEL 澳大利亚 PROTEL 科技公司 90 年代推出的，与 TANGO 兼容，包括　　

　　 1 ． Advanced Schematic

　　用来绘制电路图，编辑文件库，编译成网络表文件。

　　 2 ． Advanced PCB Design

　　设计印制电路板。　　 3 ． Advanced PLD/FPGA Design

　　设计 PLD 和 FPGA 及其他的模拟程序。

　 　 　　

* 4.4 PCB 的计算机辅助设计过程简介

　　敷铜层有上层面、下层面、 14 个中间层、 4 个电源——地线层。非敷铜层有 1 个禁止布线层、上下丝印层、 4 个机械层。上下阻焊层、上下阴粘层、钻孔图层。工作流程如图。

　 　 　　

* 4.4 PCB 的计算机辅助设计过程简介

　 　 　　

* 4.4 PCB 的计算机辅助设计过程简介

　 　 　　

本章小结　　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，而且实现了电子元器件之间的布线和电气连接、电绝缘；为电子装配提供了识别字符和图形，为波峰焊提供了阻焊提供了阻焊图形等。本节主要介绍了以下内容：

　　① 现代印制电路板结构设计的方法，根据第二章介绍的物理设计内容，对印制电路板上元器件、导线进行排列布置。

　　② 印制电路板的制造工艺流程和检测方法。

　 　 　　

　　③ 印制电路板组装工艺，重点介绍了分立式元器件的组装要求与方法。

　　④ 简单介绍了计算机辅助设计 PCB 软件及其主要功能。

本章内容中渗入了较新的 PCB 制造技术和工艺知识。