《電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工藝（第3版）》第4章 印制電路板設(shè)計(jì)與制造

印制電路板（PrintedCircuitBoard，簡(jiǎn)稱PCB）也叫印刷電路板或印刷線路板，簡(jiǎn)稱印制板。它由絕緣底板、連接導(dǎo)線和裝配焊接電子元器件的焊盤組成，如圖4.1.1所示。具有導(dǎo)電線路和絕緣底板的雙重功能。通過(guò)印制板可以實(shí)現(xiàn)電路中各個(gè)元器件的電氣連接，代替復(fù)雜的布線，減少接線的工作量，簡(jiǎn)化了電子產(chǎn)品的裝配、焊接及調(diào)試工作；減小了整機(jī)的體積，降低了產(chǎn)品的成本，提高了電子產(chǎn)品的質(zhì)量；有利于在生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。印制板作為整機(jī)的一個(gè)獨(dú)立功能部件，便于更換和維修。第4章印制電路板設(shè)計(jì)與制造4.1印制電路板設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

4.1.1印制電路板的設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求（1）確定元器件的安放位置、是否需要安裝散熱片、散熱面積的大??；哪些元器件需要獨(dú)立的支架，元件是否需要加固等。（2）找到可能產(chǎn)生電磁干擾的干擾源以及容易受外界干擾的元器件，確定排除干擾的方案。（3）根據(jù)電氣性能和機(jī)械性能，布設(shè)導(dǎo)線和組件，確定安裝方式、位置和尺寸，確定印制導(dǎo)線的寬度、間距，焊盤的形狀及尺寸等。（4）確定印制電路板的尺寸、形狀、材料、種類以及對(duì)外連接方式。（5）印制電路設(shè)計(jì)，一般分為三個(gè)階段：①?zèng)Q定印制板的尺寸、形狀、材料、外部連接和安裝方法。②布設(shè)元器件，確定印制導(dǎo)線的寬度、間距和焊盤形狀、尺寸。③制作照相底圖。

4.1.2印制焊盤焊盤也叫連接盤，是指印制導(dǎo)線在焊接孔周圍的金屬部分，供元件引線跨接線焊接用，如圖4.1.1所示。

1.焊盤的尺寸

焊盤的尺寸取決于焊接孔的尺寸，焊接孔是指固定元件引線或跨接線面貫穿基板的孔。顯然，焊接孔的直徑應(yīng)該稍大于焊接元件的引線直徑。焊接孔徑的大小與工藝有關(guān)，當(dāng)焊接孔徑大于或等于印制板厚度時(shí)，可用沖孔；當(dāng)焊接孔徑小于印制板厚度時(shí)，可用鉆孔。一般焊接孔的規(guī)格不宜過(guò)大，焊盤直徑D應(yīng)大于焊接孔內(nèi)徑d，D=(2～3)d。

2.焊盤的形狀根據(jù)不同的要求選擇不同形狀的焊盤，圓形連接盤用得最多，因?yàn)閳A焊盤在焊接時(shí)，焊錫將自然堆焊成光滑的圓錐形，結(jié)合牢固、美觀。但有的時(shí)候，為了增加連接盤的粘附強(qiáng)度，也采用正方形、長(zhǎng)方形、橢圓形和長(zhǎng)圓形焊盤，如圖4.1.2所示。

3.島形焊盤焊盤與焊盤間的連線合為一體，如同水上小島，故稱為島形焊盤，如圖4.1.3所示。島形焊盤常用于元器件的不規(guī)則排列中，其優(yōu)點(diǎn)是：有利于元器件密集固定，并可大量減少印制導(dǎo)線的長(zhǎng)度與數(shù)量；焊盤與印制線合為一體后，銅箔面積加大，使焊盤和印制導(dǎo)線的抗剝強(qiáng)度增加。

4.靈活設(shè)計(jì)的焊盤

在印制電路的設(shè)計(jì)中，由于線條過(guò)于密集，焊盤與焊盤、焊盤與鄰近導(dǎo)線有短路的危險(xiǎn)。因此，焊盤的形狀需要根據(jù)實(shí)際情況靈活變換，可以采取切掉一部分，以確保安全，如圖4.1.5所示。

5.表面貼裝器件用焊盤

表面貼裝器件用焊盤目前已成標(biāo)準(zhǔn)形式，其示例如圖4.1.6所示。在布線密度很高的印制板上，焊盤之間可通過(guò)一條甚至多條信號(hào)線。

4.1.3印制導(dǎo)線在印制電路板中，電氣連接是通過(guò)印制板上的印制導(dǎo)線來(lái)實(shí)現(xiàn)的，印制導(dǎo)線的布設(shè)是印制電路板設(shè)計(jì)的主要問題。（1）印制導(dǎo)線的寬度

一般情況下，印制導(dǎo)線應(yīng)盡可能寬一些，這有利于承受電流和制造時(shí)方便。表4.1.3所示為厚0.05mm的導(dǎo)線寬度與允許電流量、電阻的關(guān)系。在決定印制導(dǎo)線寬度時(shí)，除需要考慮載流量外，還應(yīng)注意它在板上的剝離強(qiáng)度，以及與連接盤的協(xié)調(diào)，線寬b=(1/3～2/3)D。（2）印制導(dǎo)線間的間距一般情況下，建議導(dǎo)線與導(dǎo)線之間的距離等于導(dǎo)線寬度，但不小于1mm，否則浸焊就有困難。對(duì)微型化設(shè)備，導(dǎo)線的最小間距就不能小于0.4mm。導(dǎo)線間距與焊接工藝有關(guān)，采用浸焊或波峰焊時(shí)，間距要大一些，手工焊接時(shí)的間距可小一些。在高壓電路中，相鄰導(dǎo)線間存在著高電位梯度，必須考慮其影響。印制導(dǎo)線間的擊穿將導(dǎo)致基板表面炭化、腐蝕和破裂。在高頻電路中，導(dǎo)線之間的距離將影響分布電容的大小，從而影響著電路的損耗和穩(wěn)定性。因此導(dǎo)線間距的選擇要根據(jù)基板材料、工作環(huán)境、分布電容大小等因素來(lái)確定。最小導(dǎo)線間距還同印制板的加工方法有關(guān)，選用時(shí)就綜合考慮。

（3）印制導(dǎo)線形狀

印制導(dǎo)線的形狀可分為：平直均勻形、斜線均勻形、曲線均勻形以及曲線非均勻形四類，如圖4.1.8所示。印制導(dǎo)線的圖形除要考慮機(jī)械因素、電氣因素外，還要考慮美觀大方。在設(shè)計(jì)印制導(dǎo)線的圖形時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：①除地線外，同一印制板的導(dǎo)線寬度最好一樣。②印制導(dǎo)線應(yīng)走向平直，不應(yīng)有急劇的彎曲和出現(xiàn)尖角，所有彎曲與過(guò)渡部分均須用圓弧連接，如圖4.1.8所示。（a）尖角和過(guò)渡圖形（b）圓弧連接圖4.1.9印制導(dǎo)線尖角及處理③印制導(dǎo)線應(yīng)盡可能避免有分支（或樹枝），如圖4.1.10（a）所示。建議采用如圖4.1.10（b）所示的圖形。（a）分支圖形（b）分支處理圖4.1.10印制導(dǎo)線的分支及處理④當(dāng)導(dǎo)線寬度較大（一般超過(guò)3mm）時(shí)，最好在導(dǎo)線中間開槽成兩根并行的連接線，如圖4.1.11所示。⑤如果印制板面需要有大面積的銅箔，例如電路中的接地部分，則整個(gè)區(qū)域應(yīng)鏤空成柵狀或網(wǎng)格狀，如圖4.1.12。這樣在浸焊時(shí)既能迅速加熱保證涂錫均勻，又能防止印制板因受熱而變形，防止銅箔翹起和剝脫。

（a）柵狀（b）網(wǎng)格狀圖4-.1.12大面積銅箔的處理

4.2印制電路的設(shè)計(jì)印制電路的設(shè)計(jì)，是根據(jù)設(shè)計(jì)人員的意圖，將電路原理圖轉(zhuǎn)換成印制圖并確定其加工技術(shù)要求的過(guò)程。設(shè)計(jì)的印制電路板既要滿足電路原理圖的電氣連接要求，又要滿足電子產(chǎn)品的電氣性能和機(jī)械性能要求，同時(shí)還要符合印制電路板加工工藝和電子產(chǎn)品裝配工藝的要求。4.2.1印制板的布局1．整體布局（1）分析電路原理。（2）避免各級(jí)及元件間的相互干擾。（3）滿足生產(chǎn)、使用要求。（4）熟悉所用元器件。（5）美觀原則。（a）規(guī)則布局（b）不規(guī)則布局圖4.2.1印制板布局規(guī)則布局2．元器件布局（1）單面布局原則（2）元器件的布局方向（3）元器件的布局順序（4）核心器件的布局（5）發(fā)熱元器件與熱敏元器件的布局（6）大而重的元器件布局（7）調(diào)節(jié)元件和易損元件的布局（8）一般元器件的布局

3．印制導(dǎo)線的布設(shè)（1）印制導(dǎo)線的寬度要滿足電流的要求且布設(shè)應(yīng)盡可能短，在高頻電路中更應(yīng)如此。（2）印制導(dǎo)線的拐彎應(yīng)成圓角。直角或尖角在高頻電路和布線密度高的情況下會(huì)影響電氣性能。（3）高頻電路應(yīng)多采用島形焊盤，并采用大面積接地（就近接地）布線，如圖4.2.2所示。（4）當(dāng)雙面板布線時(shí)，兩面的導(dǎo)線宜相互垂直、斜交或彎曲走線，避免相互平行，以減小寄生耦合，如圖4.2.3所示。（5）電路中的輸入、輸出印制導(dǎo)線應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離，輸入與輸出之間用地線隔開，避免相鄰平行，以免發(fā)生干擾。（6）充分考慮可能產(chǎn)生的干擾，并采取相應(yīng)的抑制措施。

(a)一點(diǎn)接地(b)同區(qū)域接地圖4.2.4一點(diǎn)接地示意圖4.2.2印制電路圖的設(shè)計(jì)1.選定印制板的版面尺寸、材料和厚度①形狀和尺寸。②材料的選擇。③厚度的確定。2.繪制印制元件布局圖

①印制板外接線圖。下面以一簡(jiǎn)單的放大電路為例，考慮其外接信號(hào)源、揚(yáng)聲器和電源，如圖4.2.5所示。②畫元器件布局(a)用元器件符號(hào)布局(b)用元器件圖形布局圖4.2.6元器件布局圖③定位與定向(a)元器件定位(b)元器件定向圖4.2.7元器件的定位與定向3.根據(jù)電原理繪制印制草圖（1）繪制單線不交叉連通圖

(a)勾畫單線不交叉圖

(b)調(diào)整后的單線不交叉圖圖4.2.8

單線不交叉草圖（3）整理整理是把經(jīng)過(guò)調(diào)整合理的單線不交叉圖，保持元器件的位置和方向不變，根據(jù)導(dǎo)線布設(shè)的原則來(lái)整理導(dǎo)線，使之更為合理、美觀，如圖4.2.9所示。

(a)正面圖（元件面）

(b)背面圖（印制面）圖4.2.9單線印制圖

3.根據(jù)印制電路草圖繪制印制電路圖印制電路圖是根據(jù)印制電路草圖造型加工而成的，應(yīng)滿足印制焊盤和導(dǎo)線的形狀與尺寸要求。

CAD（ComputerAidedDesign）即印制電路板的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。CAD方法很大程度避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)，大大縮短了設(shè)計(jì)周期，改進(jìn)了產(chǎn)品的質(zhì)量。CAD方法精簡(jiǎn)了工藝標(biāo)準(zhǔn)檢查，且修改在同一圖紙上反復(fù)進(jìn)行，從而縮短了制造環(huán)節(jié)，提高了工作效率。4.2.3印制電路的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介1．CAD簡(jiǎn)介

2．EDA簡(jiǎn)介

EDA（ElectronicsDesignAutomation）——電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化。EDA是在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，可看作是電子CAD的高級(jí)階段。與早期的CAD軟件相比，EDA軟件的自動(dòng)化程度更高、功能更完善、運(yùn)行速度更快、操作界面友好，有良好的數(shù)據(jù)開放性和互換性。利用EDA設(shè)計(jì)工具，設(shè)計(jì)者可以預(yù)知設(shè)計(jì)結(jié)果，減少設(shè)計(jì)的盲目性，極大地提高設(shè)計(jì)的效率。

EWB（ElectronicsWorkbench）虛擬電子工作臺(tái)是加拿大InteractiveImageTechnologies公司于80年代末90年代初推出的電路分析和設(shè)計(jì)軟件（也稱電子線路仿真）。

EWB仿真的手段切合實(shí)際，選用元器件和儀器與實(shí)際情形非常相近。繪制原理圖所需的元器件、電路仿真需求的測(cè)試儀器均可直接從屏幕上選取。EWB提供了示波器、萬(wàn)用電表、波特圖示儀、函數(shù)發(fā)生器、邏輯分析儀、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器等到常用儀器，而且儀器的操作開關(guān)、按鍵同實(shí)際儀器極為相似。4.3印制電路板的制造工藝

4.3.1印制電路板原版底圖的制作

印制板的制造流程為：原版底圖的制作→圖形轉(zhuǎn)移→蝕刻與加工→孔金屬化（雙面板）→涂覆助焊劑與阻焊劑。4.3.2印制電路板的印制（1）感光干膜法制造工藝圖4.3.1圖形轉(zhuǎn)移工藝流程圖粘膜：在印制板上粘感光膜。

(1)液體感光膠法液體感光膠法是將抗蝕劑涂敷在覆銅箔板上，干燥后形成一層有機(jī)感光層，把底圖或照相底片覆蓋在上面，經(jīng)曝光后，使得受光部分的感光材料固化，起著抗蝕作用。而未感光部分在沖洗時(shí)被清除，使不需要的銅箔露出來(lái)，經(jīng)蝕刻后就得到所需要的電路圖形。（2）液體感光膠法液體感光膠法是將抗蝕劑以液態(tài)的形式涂敷到經(jīng)過(guò)清潔處理的覆銅箔板的銅表面上，干燥后形成一層有機(jī)感光層，把供圖形轉(zhuǎn)移用的照相底版覆蓋在上面，經(jīng)曝光后，使得受光部分的感光材料固化，不再溶解于溶劑之中，起著抗蝕和掩膜的作用。把未感光部分的抗蝕材料沖洗干凈，使不需要的銅箔露出來(lái)，最后經(jīng)蝕刻就能得到所需要的電路圖形。（3）絲網(wǎng)漏印工藝絲網(wǎng)漏印是一種傳統(tǒng)的工藝，它適用于分辨率和尺寸精度要求不高的印制電路板生產(chǎn)工藝中。絲網(wǎng)漏印的第一步是制造絲網(wǎng)模版，其基本方法是把感光膠均勻地涂在絲網(wǎng)上，經(jīng)干燥后直接蓋上照相底版上進(jìn)行曝光、顯影，從而制出電路圖形模版。第二步用油墨通過(guò)絲網(wǎng)模版將電路圖形漏印在銅箔板上，從而實(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移，形成耐腐蝕的保護(hù)層。最后經(jīng)蝕刻，去除保護(hù)層后制成印制電路板。該工藝的特點(diǎn)是成本低廉、操作簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、質(zhì)量穩(wěn)定，因而被廣泛應(yīng)用于印制板制造中。4.3.3印制電路板的蝕刻與加工

1、印制板的機(jī)械加工（1）外形加工。外形加工主要是對(duì)印制板進(jìn)行剪切和打磨。（2）鉆孔。根據(jù)鉆孔工具的不同可分為手工加工和數(shù)控加工兩種。

圖4.3.2數(shù)控鉆床外形圖

3.印制電路板的蝕刻工業(yè)上常用的蝕刻液主要有三氯化鐵蝕刻液、酸性氯化銅蝕刻液、堿性氯化銅蝕刻液、硫酸-過(guò)氧化氫蝕刻液等。蝕刻方法有搖動(dòng)槽法、浸蝕法和噴蝕法等三種。其中搖動(dòng)槽法簡(jiǎn)單、蝕刻速度快，蝕刻設(shè)備僅是一只盛有蝕刻劑的槽，置于不斷搖動(dòng)的臺(tái)面上。蝕刻時(shí)臺(tái)面不斷搖動(dòng)，槽內(nèi)蝕刻液隨之?dāng)[動(dòng)，既使蝕刻速度加速，又使得蝕刻更均勻。浸蝕法是將電路板浸在放有蝕刻劑且能保溫的大槽中進(jìn)行蝕刻。噴蝕法則用泵將蝕刻液噴于印制板表面進(jìn)行蝕刻，因而蝕刻速度較快。

4.3.4印制電路質(zhì)量檢驗(yàn)

1．外觀檢驗(yàn)（1）印制板的翹曲度是否過(guò)大，過(guò)大時(shí)可采用手工進(jìn)行矯正。（2）印制板上的標(biāo)注字、符號(hào)是否被腐蝕掉，或因腐蝕不夠造成字跡、符號(hào)不清。（3）導(dǎo)線上有無(wú)沙眼或斷線，線條邊緣上有無(wú)鋸齒狀缺口，不該連接的導(dǎo)線間有無(wú)短路。（4）印制板表面是否光滑、平整，是否有凹凸點(diǎn)或劃傷的痕跡。（5）印制板上有無(wú)漏鉆孔、錯(cuò)鉆孔或四周銅箔被鉆破的情況。（6）導(dǎo)線圖形的完整性如何，用照相底片覆蓋在印制板上，測(cè)定一下導(dǎo)線寬度、外形是否符合要求。（7）印制板的外邊緣尺寸是否符合要求。

2．連通性檢驗(yàn)多層印制電路板需進(jìn)行連通性試驗(yàn)。檢驗(yàn)一般借助萬(wàn)用表來(lái)測(cè)量電流、電壓，以判斷印制電路圖形是否連通。

3．可焊性檢驗(yàn)可焊性是用來(lái)檢驗(yàn)往印制板上焊元器件時(shí)，焊料對(duì)印制圖形的潤(rùn)濕能力。可焊性一般可用潤(rùn)濕、半潤(rùn)濕和不潤(rùn)濕來(lái)表示。（1）潤(rùn)濕。焊料在導(dǎo)線和焊盤上能充分漫流，而形成粘附性連接。（2）半潤(rùn)濕。焊料潤(rùn)濕焊盤表面后，因潤(rùn)濕不佳而造成焊料回縮，結(jié)果在基底金屬上留下一層薄焊料層。在其表面一些不規(guī)則的地方，大部分焊料都形成焊料球。（3）不潤(rùn)濕。焊盤表面雖然接觸融焊料，但其表面絲毫未沾上焊料。

4．絕緣性能檢測(cè)同一層中不同導(dǎo)線之間或不同層的導(dǎo)線之間的絕緣電阻以確認(rèn)印制板的絕緣性能。檢測(cè)時(shí)應(yīng)在一定的溫度和濕度下按印制板標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

5．鍍層附著力檢驗(yàn)鍍層附著力可采用膠帶試驗(yàn)法。將質(zhì)量好的透明膠帶粘到要測(cè)試的鍍層上，按壓均勻后快速掀起膠帶一端扯下，鍍層無(wú)脫落為合格。4.4印制電路板的手工制作4.4.1涂漆法圖4-32涂漆法自制印制板工藝流程（1）下料。按實(shí)際尺寸剪裁敷銅板。去除板的四周毛刺，清除板面污垢。（2）拓圖。用復(fù)寫紙將已設(shè)計(jì)好的印制圖拓在敷銅板上。（3）打孔。在印制板上安裝元器件的位置鉆孔（也可在腐蝕后進(jìn)行）。（4）描圖。用稀稠適宜的調(diào)和漆描圖，描好后置于室內(nèi)晾干。

趁油漆未完全干透的情況下進(jìn)行修整，把圖形中的毛刺或多余的油漆刮掉。

（5）腐蝕。當(dāng)油漆干好后，把板放到三氯化鐵水溶液中，注意掌握濃度、溫度和腐蝕時(shí)間。在腐蝕過(guò)程中，應(yīng)輕輕地?cái)噭?dòng)，使“新鮮”的溶液不斷流過(guò)工件表面，才能有效地腐蝕。待完全腐蝕后，取出用水沖洗。注意只能用塑料桶存放三氯化鐵，不能讓三氯化鐵飛濺在衣物和人體表面或滴落在地板上，出現(xiàn)應(yīng)及時(shí)清洗，因其具有極強(qiáng)的腐蝕性。

（7）去漆膜。用香蕉水清除漆膜，也可在此之前先用刀片刮掉漆膜，如此清除更快捷些。

（9）修板。用細(xì)砂紙清除毛刺，用碎布擦凈污物，用水沖洗、晾干。

（10）涂助焊劑。當(dāng)板晾干后，立即涂上松香水（松香酒精溶液），注意濃度、涂層厚度。

4.4.2貼圖法貼圖法制作印制電路板的工藝流程與描圖法基本相同，不同之處在于：描圖法自制電路板的過(guò)程中，圖形靠描漆或其他抗蝕涂料描繪而成，貼圖法是用具有抗腐蝕能力的、厚度只有幾微米的薄膜，按設(shè)計(jì)要求貼在覆銅板上完成貼圖任務(wù)的。

4.4.3刀刻法刀刻法是把設(shè)計(jì)好的印制板圖用復(fù)寫紙寫到印制板的銅箔面上，然后用小刀刻去不需要的銅箔即可。制作時(shí)，先繪圖，然后按照拓好的圖形，用刻刀沿鋼尺劃銅箔，刀刻的深度必須把銅箔劃透，