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印制电路板基础知识解析

by admin 发表时间:2019-8-6 访问数量: 302

     印制电路板{PCB线路板},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。

     按照线路板层数可分为单面板、双面板、四层板、六层板以及其他多层线路板。

由于印刷电路板并非一般终端产品,因此在名称的定义上略为混乱,例如:个人电脑用的母板,称为主板,而不能直接称为电路板,虽然主机板中有电路板的存在,但是并不相同,因此评估产业时两者有关却不能说相同。再譬如:因为有集成电路零件装载在电路板上,因而新闻媒体称他为IC板,但实质上他也不等同于印刷电路板。我们通常说的印刷电路板是指裸板-即没有上元器件的电路板。

分类

单面板

     在最基本的PCB上,零件集中在其中一面,导线则集中在另一面上。因为导线只出现在其中一面,所以这种PCB叫作单面板(Single-sided)。因为单面板在设计线路上有许多严格的限制(因为只有一面,布线间不能交叉而必须绕独自的路径),所以只有早期的电路才使用这类的板子。

双面板

     这种电路板的两面都有布线,不过要用上两面的导线,必须要在两面间有适当的电路连接才行。这种电路间的“桥梁”叫做导孔(via)。导孔是在PCB上,充满或涂上金属的小洞,它可以与两面的导线相连接。因为双面板的面积比单面板大了一倍,双面板解决了单面板中因为布线交错的难点(可以通过导孔通到另一面),它更适合用在比单面板更复杂的电路上。

多层板

     为了增加可以布线的面积,多层板用上了更多单或双面的布线板。用一块双面作内层、二块单面作外层或二块双面作内层、二块单面作外层的印刷线路板,通过定位系统及绝缘粘结材料交替在一起且导电图形按设计要求进行互连的印刷线路板就成为四层、六层印刷电路板了,也称为多层印刷线路板。板子的层数并不代表有几层独立的布线层,在特殊情况下会加入空层来控制板厚,通常层数都是偶数,并且包含最外侧的两层。大部分的主机板都是4到8层的结构,不过技术上理论可以做到近100层的PCB板。大型的超级计算机大多使用相当多层的主机板,不过因为这类计算机已经可以用许多普通计算机的集群代替,超多层板已经渐渐不被使用了。因为PCB中的各层都紧密的结合,一般不太容易看出实际数目,不过如果仔细观察主机板,还是可以看出来。

资料

组成

目前的电路板,主要由以下组成

     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。

介电层(Dielectric):用来保持线路及各层之间的绝缘性,俗称为基材。

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。

外观

     裸板(上头没有零件)也常被称为“印刷线路板Printed Wiring Board(PWB)”。板子本身的基板是由绝缘隔热、并不易弯曲的材质所制作成。在表面可以看到的细小线路材料是铜箔,原本铜箔是覆盖在整个板子上的,而在制造过程中部份被蚀刻处理掉,留下来的部份就变成网状的细小线路了。这些线路被称作导线(conductor pattern)或称布线,并用来提供PCB上零件的电路连接。

     通常PCB的颜色都是绿色或是棕色,这是阻焊(solder mask)的颜色。是绝缘的防护层,可以保护铜线,也防止波焊时造成的短路,并节省焊锡之用量。在阻焊层上还会印刷上一层丝网印刷面(silk screen)。通常在这上面会印上文字与符号(大多是白色的),以标示出各零件在板子上的位置。丝网印刷面也被称作图标面(legend)。

     在制成最终产品时,其上会安装集成电路、电晶体、二极管、被动元件(如:电阻、电容、连接器等)及其他各种各样的电子零件。借着导线连通,可以形成电子讯号连结及应有机能。

优点

采用印制板的主要优点是:

⒈由于图形具有重复性(再现性)和一致性,减少了布线和装配的差错,节省了设备的维修、调试和检查时间;

⒉设计上可以标准化,利于互换;3.布线密度高,体积小,重量轻,利于电子设备的小型化;

⒋利于机械化、自动化生产,提高了劳动生产率并降低了电子设备的造价。

印制板的制造方法可分为减去法(减成法)和添加法(加成法)两个大类。目前,大规模工业生产还是以减去法中的腐蚀铜箔法为主。

⒌特别是FPC软性板的耐弯折性,精密性,更好的应用到高精密仪器上。(如相机,手机。摄像机等。)

设计

     随着电子技术的快速发展,印制电路板广泛应用于各个领域,几乎所有的电子设备中都包含相应的印制电路板。为保证电子设备正常工作,减少相互间的电磁干扰,降低电磁污染对人类及生态环境的不利影响,电磁兼容设计不容忽视。本文介绍了印制电路板的设计方法和技巧。

     在印制电路板的设计中,元器件布局和电路连接的布线是关键的两个环节。

布局

     布局,是把电路器件放在印制电路板布线区内。布局是否合理不仅影响后面的布线工作,而且对整个电路板的性能也有重要影响。在保证电路功能和性能指标后,要满足工艺性、检测和维修方面的要求,元件应均匀、整齐、紧凑布放在PCB上,尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接,以得到均匀的组装密度。

     按电路流程安排各个功能电路单元的位置,输入和输出信号、高电平和低电平部分尽可能不交叉,信号传输路线最短。

功能区分

     元器件的位置应按电源电压、数字及模拟电路、速度快慢、电流大小等进行分组,以免相互干扰。

电路板上同时安装数字电路和模拟电路时,两种电路的地线和供电系统完全分开,有条件时将数字电路和模拟电路安排在不同层内。电路板上需要布置快速、中速和低速逻辑电路时,应安放在紧靠连接器范围内;而低速逻辑和存储器,应安放在远离连接器范围内。这样,有利于减小共阻抗耦合、辐射和交扰的减小。时钟电路和高频电路是主要的骚扰辐射源,一定要单独安排,远离敏感电路。

热磁兼顾

     发热元件与热敏元件尽可能远离,要考虑电磁兼容的影响。

工艺性

⑴层面

贴装元件尽可能在一面,简化组装工艺。

⑵距离

元器件之间距离的最小限制根据元件外形和其他相关性能确定,目前元器件之间的距离一般不小于0.2 mm~0.3mm,元器件距印制板边缘的距离应大于2mm。

⑶方向

元件排列的方向和疏密程度应有利于空气的对流。考虑组装工艺,元件方向尽可能一致。

布线

1、导线

⑴宽度

印制导线的最小宽度,主要由导线和绝缘基板间的粘附强度和流过它们的电流值决定。印制导线可尽量宽一些,尤其是电源线和地线,在板面允许的条件下尽量宽一些,即使面积紧张的条件下一般不小于1mm。特别是地线,即使局部不允许加宽,也应在允许的地方加宽,以降低整个地线系统的电阻。对长度超过80mm的导线,即使工作电流不大,也应加宽以减小导线压降对电路的影响。

⑵长度

要极小化布线的长度,布线越短,干扰和串扰越少,并且它的寄生电抗也越低,辐射更少。特别是场效应管栅极,三极管的基极和高频回路更应注意布线要短。

⑶间距

相邻导线之间的距离应满足电气安全的要求,串扰和电压击穿是影响布线间距的主要电气特性。为了便于操作和生产,间距应尽量宽些,选择最小间距至少应该适合所施加的电压。这个电压包括工作电压、附加的波动电压、过电压和因其它原因产生的峰值电压。当电路中存在有市电电压时,出于安全的需要间距应该更宽些。

⑷路径

信号路径的宽度,从驱动到负载应该是常数。改变路径宽度对路径阻抗(电阻、电感、和电容)产生改变,会产生反射和造成线路阻抗不平衡。所以,最好保持路径的宽度不变。在布线中,最好避免使用直角和锐角,一般拐角应该大于90°。直角的路径内部的边缘能产生集中的电场,该电场产生耦合到相邻路径的噪声,45°路径优于直角和锐角路径。当两条导线以锐角相遇连接时,应将锐角改成圆形。

2、孔径和焊盘尺寸

元件安装孔的直径应该与元件的引线直径较好的匹配,使安装孔的直径略大于元件引线直径的(0.15~0.3)mm。通常DIL封装的管脚和绝大多数的小型元件使用0.8mm的孔径,焊盘直径大约为2mm。对于大孔径焊盘为了获得较好的附着能力,焊盘的直径与孔径之比,对于环氧玻璃板基大约为2,而对于苯酚纸板基应为(2.5~3)。

过孔,一般被使用在多层PCB中,它的最小可用直径是与板基的厚度相关,通常板基的厚度与过孔直径比是6:1。高速信号时,过孔产生(1~4)nH的电感和(0.3~0.8)pF的电容的路径。因此,当铺设高速信号通道时,过孔应该被保持到绝对的最小。对于高速的并行线(例如地址和数据线),如果层的改变是不可避免,应该确保每根信号线的过孔数一样。并且应尽量减少过孔数量,必要时需设置印制导线保护环或保护线,以防止振荡和改善电路性能。

3、地线设计

不合理的地线设计会使印制电路板产生干扰,达不到设计指标,甚至无法工作。地线是电路中电位的参考点,又是电流公共通道。地电位理论上是零电位,但实际上由于导线阻抗的存在,地线各处电位不都是零。因为地线只要有一定长度就不是一个处处为零的等电位点,地线不仅是必不可少的电路公共通道,又是产生干扰的一个渠道。

一点接地是消除地线干扰的基本原则。所有电路、设备的地线都必须接到统一的接地点上,以该点作为电路、设备的零电位参考点(面)。一点接地分公用地线串联一点接地和独立地线并联一点接地。

公用地线串联一点接地方式比较简单,各个电路接地引线比较短,其电阻相对小,这种接地方式常用于设备机柜中的接地。独立地线并联一点接地,只有一个物理点被定义为接地参考点,其他各个需要接地的点都直接接到这一点上,各电路的地电位只与本电路的地电流基地阻抗有关,不受其他电路的影响。

具体布线时应注意以下几点:

⑴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。

⑵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。

⑶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。

⑷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。

⑸地线面能够使辐射的环路最小。


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