印制电路板的结构设计及制造工艺

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1、第四章 印制电路板的结构设计及制造工艺主要内容印制电路板结构设计的一般原则印制电路板的制造工艺及检测印制电路板的组装工艺印制电路板的计算机辅助设计（CAD）过程简介印制电路板从第一代的单面板、第二代的双面板，发展到了第三代的多层板。现在市场上又已经出现第四代印制电路板，一般称其为“积层法电路板”(buildupboards)、“高密度互联电路板(hghdensl订interconnects)或“微过孔板”(microViboards)在组装工艺技术方面，印制电路板PCB(printeddrcu北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。中国PC

2、B产业经过90年代以来的努力和技术改造，已经全面走上了以表面安装用PCB产品为主的轨道。目前，多层印制电路板正朝着高精度、高密度、高性能、微孔化、薄型化和高层化方向迅猛发展，其应用范围已从工业用大型电子计算机、通信仪表、电气测量、国防尖端及航空、航天等工业部门迅速进入到民用电器及其相关产品，如移动电话、笔记本计算机、小型摄像机、储存卡，等等。41 印制电路板结构设计的一般原则411 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。主制板结构设计时，其散热主要有以下几种方法

3、：均匀分布热负载、元器件装散热器，在印制板与元器件之间设置带状导热条、局部或全局强迫风冷。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。对大而重的元件(重量超过15g或体积超过27cm3)尽可能布置在靠近固定端，并降低其重心或加金属结构件固定。 3 印制电路板的抗电磁干扰设计为使印制板上的元器件的相互影响和干扰最小，高频电路和低频电路、高电位与低电位电路的元器件不能靠得太近。输入和输出元件应尽量远离，尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间

4、的电磁干扰。随着高密度精细线宽间距的发展，导线与导线间距愈来愈小，使得导线与导线之间的耦合和干扰作用将会带来杂散信号或错误信号，俗称为串扰或噪音。这种耦合作用可分为电容性耦合和电感性耦合作用。这些耦合作用所带来的杂散信号，应通过设计或隔离办法来减少或消除：(1) 采用信号线与地线交错排列或地线(层)包围信号线，以达到良好的隔离作用。(2) 采用双信号带状线时，相邻的两层信号线不宜平行布设，应互相垂直、斜交，以减少分布电容产生，防止信号耦合。同时不宜直角或锐角走线，应以圆角走弧线与斜线，尽量降低可能发生的干扰。(3) 减少信号线的长度。目前在保持高密度走线下，缩短信号传输线的最有效的方法是采用多

5、层板结构。(4) 应把最高频信号或最高速数字化信号组件尽量接近印制电路板连接边的输入输出(IO) 处，使它们的传输线走线最短。 (5) 对高频信号和高速数字化信号的组件的引脚，应采用有BGA ( Ball GridArray球栅阵列) 类型结构而尽量不采用密集的QFP（方形扁平封装) 形式。(6) 采用最新的CSP(裸芯片封装)技术。4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。在保证电性能要求的前提下，元器件应平行或垂直于板面，并和主要板边平行或垂直。在板面上分布均匀整齐。412 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

6、制电路板电流的大小，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(1) 公共地线应布置在板的最边缘，便于印制板安装在机架上 （2） 数字地与模拟地应尽量分开 （3）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主要在本级地回路中流通，减小级间地电流耦合。3信号线设计(1) 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缘。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电容，也便于板上的地线和机架相连。(2) 高电位导线和低电位导线应尽量远离最好的布线是使相邻的导线间的电

7、位差最小。(3) 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。(4) 印制电路板上同时安装模拟电路和数字电路此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。(5) 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(如图45所示)。413 印制导线的尺寸和图形当元器件结构布局和布线方案确定后，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002mm005mm。印制导线的最小宽度取决于导线的载流量和允许温升。印制板的工作温度不能超过85，导线长期受热后，铜箔会因粘贴强度差而脱落。2印制导线的间距导线的最小间距主要由最恶

8、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1 mm。对于微型设备，不小于04 mm。表面贴装板的间距012 02mm，甚至008mm。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大些，手工操作时宜小些。 (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) 高频电路主要考虑分布电容对信号的影响。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(如图47所示)。不规则排列适用于高频电路，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

9、效率高，但引线可能较长。同一印制板上的导线的宽度宜一致，地线可适当加宽。4焊盘大面积铜箔时，焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些，但焊盘太大易形成虚焊。一般焊盘外径D(d+13)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）。14 印制板设计步骤和方法1设计印制板应具备的条件(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(或分机)中的位置及其连接形式。2 印制板的设计步骤和方法(1) 选定印制板的材料、板厚和板面尺寸选择印制板材料必

10、须考虑到基材的电气和机械性能，还要考虑价格和成本。 刚性基材可选择酚醛纸质层压板、环氧纸质层压板、环氧玻璃布层压板、聚四氟乙烯玻璃布层压板。前两种板材适用于一般要求不高的电子设备中；环氧玻璃布层压板适用于工作温度较高，工作频率较高的电子设备。印制板厚由板面尺寸大小和所安装元件的重量决定。板厚已标准化，其尺寸有02、05、07、08、15、16、24、32、64 mm等多种。刚性板厚一般15 mm大电流板厚23 mm。小家电板厚约05mm。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，可降低生产成本。(2) 设计印

11、制电路板坐标尺寸图根据电原理图并考虑元器件外形尺寸和布局布线要求，逐级从输入到输出的顺序，用印有1 mm或25 mm方格的坐标格图纸绘制电路板坐标尺寸图。首先选出典型元器件作为布局的基本单元。典型元器件是板面上要安装的全部元件中在几何尺寸上具有代表性的元器件(如图410所示)，然后再估计其他元器件尺寸相当于典型元器件的倍数。(3) 根据电原理图绘制排版连线图排版连线图是用简单线条表示印制导线的走向和元件器件的连接。在排版连线 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(如图412所根据排版连线图，按元器件大小比例，在方格纸上绘出排版设计草图(一般选2：1或4：1)。

12、4 . 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、孑L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)。421印制电路板的制造工艺流程1 照相底图照相底图是制造印制图形的依据。在印制电路板设计完成后，即可绘制照相底图。制备照相底图的材料通常有三种： 布里斯托尔板 铝箔板 聚脂薄膜 (1) 自动制作照相底图 CAD笔绘法： 是由CAD系统布好线后，驱动笔绘机绘出照相底图。 打印法 ： 是指利用PC机根据布线草图控制打印机打印出照相底图。 刻一揭红膜法： 此法与笔绘法有相同之处

13、只是把笔换成刻刀，根据事先编好的程序进行刻图。 光绘法： 是指用光绘机直接将CAD设计的PCB图形数据送人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。再经显定影得到照相底片。用光绘法制作照相底片，速度快，精度高，质量好。常用的光绘机有：向量式光绘机、扫描式光绘图机(激光光绘机)。现代激光绘图机能绘制细线条、高密度的底片，更适合于现代印制板多引线、细间隙、超大规模集成化(VLSl)的迅速发展。2照相制版用照相的方法对照相底图拍照以得到照相底片，照相底片要按比例缩小(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。照相的工艺流程： 对光 一 曝光 一 显影 定影 一 水

14、洗 一 晾干 一 修复 3印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成的。(1) 外形加工外形加工可分为毛坯加工和成品精加工。毛坯加工一般采用剪、锯。成品精加工用剪、锯、冲、铣。(2) 孔加工一般圆孔加工有冲和钻两种方法，异形孔可用冲、铣的方法加工。4 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。5 图形转移图形转移就是将电路图形

15、由照相底片转移到印制板上去。常用的方法有光化学法和丝网漏印法，前者精度较高，后者精度较低。(1) 光化学法通常先在板的有铜箔面，浸渍涂覆一层光敏抗蚀剂，然后把照相底片放在上面进行曝光，然后进行显影，使抗蚀剂形成的线路图保留下来，而板面上其余的抗蚀剂都被洗掉。目前有液态感光法和感光干膜法两种方法： 液态感光法是采用液态光致抗蚀剂或抗电镀剂，经感光法形成图形。适合制造高精密度印制板的图形转移要求。其工艺流程：基板前处理(酸处理、磨刷) 一 涂布 干燥 一 曝光 一 显影 一 干燥 一 蚀刻或电镀 一 去膜 感光干膜法的效率高、工艺简单、质量高。感光干膜法中的干膜由干膜抗蚀剂(耐酸的光聚合体)、聚酯膜(基底膜)和聚乙烯膜组成。贴膜制板工艺流程：贴膜前处理 (刷洗去氧化膜、油污等) 一 吹干或烘干 一 贴膜 一 对孔 一 定位 一 曝光 一 显影 晾干 一 修板 一 蚀刻或电镀 一 去膜(2) 丝网漏印法先将所需的印制电路图形制在丝网上，然后用一层稠密的抗化学腐蚀的油墨(通常是黑的)、漆类及树脂等，用丝网漏印的方式将线路图形漏印到印制板有铜箔的一面形成耐腐蚀的保护层，经蚀刻去除掉未施保护层的铜箔，洗掉保护层后，留下所需的印制电路图。6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