印刷电路板的设计与制作.ppt

第4章 印刷电路板的设计与制作,印制电路板(PCB,Printed Circuit Board)也叫做印刷电路板，简称印制板。它由绝缘底板连接导线和装配焊接电子元器件的焊盘组成，具有导线和绝缘底板的双重作用。,了解有关电子CAD的国家标准、行业标准、企业标准；利用PROTEL99SE软件，规范化绘制电子线路板，使之满足可生产性、可测试性以及安规、EMC、EMI 等技术规范要求，在产品设计过程中构建产品的工艺、技术、质量、成本优势。,一、本章任务,1.了解印制电路板设计的工作流程；2.掌握印制电路板排版设计的基本原则；3.掌握印制电路板的工艺设计规范;4.能够熟练使用电子CAD软件;5.能够创建标准的元件库、封装库；6.能够规范化设计电子线路板。,二、学习目标：,首先进行电路方案试验 慎重选用电子元器件 对电路试验的结果进行分析 整机的机械结构和使用性能必须确定,（1）印制电路板的设计前提,三、学习内容1、设计印制电路板的准备工作,（2）印制电路板的设计目标,准确性 可靠性 工艺性 经济性,（3）板材、形状、尺寸和厚度的确定,确定板材 印制电路板的形状 印制板尺寸 印制板的厚度,（4）印制板对外连接方式的选择,导线焊接方式 线路板对外的焊点尽可能引到 整板的边缘 穿孔焊接 通过线卡或其他紧固件将线与 板固定,接插件连接 印制板插座 其他接插件,插针式接插件与印制电路板的连接,（1）按照信号流向的布局原则（2）优先确定特殊元器件的位置（3）防止电磁干扰的考虑（4）抑制热干扰的考虑（5）增加机械强度的考虑（6）操作性能对元器件的考虑,2、印制电路板的排版布局,（7）一般元器件的安装与排列,元器件的安装与布局 元器件在整个版面上分布均匀、疏密一致 四周留有一定的空间（5mm）元器件引脚要单独占用一个焊盘 元器件的布设不能上下交叉，避免相互碰接 元器件的安装高度要尽量降低（不超过5mm）确定元器件的轴向方向 跨距应稍大于元器件体的轴向尺寸,元器件的安装固定方式 立式安装 卧式安装,元器件的排列方式 不规则排列 规则排列,元器件不规则排列,元器件规则排列,元器件的的焊盘定位,采用标准格距国际IEC标准中正交网格标准格距为2.54mm我国标准中正交网格标准格距为2.5mm,引线跨距 2.5的整数倍,焊盘间距应力求统一（特殊情况要应地制宜）,规则排列中的灵活性,3.印制电路板上的焊盘,引线孔及其周围的铜箔称为焊盘，用来固定元器件，实现元器件在电路中的电气连接。,（1）引线孔的直径（d）（2）焊盘的外径（D）Dd+1.3mm,岛型焊盘圆型焊盘方型焊盘灵活设计的焊盘,（3）焊盘的形状,4.印制导线,（1）印制导线的宽度（2）印制导线的间距（3）避免导线交叉（4）印制导线的走向与形状（5）导线的布局顺序,尽量做到“短、少、疏”,1、在c：根目录下新建含有名为“班级-姓名-学号”文件夹，将名为“班级-姓名-学号”数据库保存在该文件夹中。再递交作业。,5.PCB的设计,2.画原理图,串联型直流稳压电源,元器件清单,（1）建立以“班级-学号-姓名”命名的工程数据库文件；（2）图纸幅面为A4，要求使用国标符号，布图均匀美观。（3）图纸标题栏要求用“特殊字符串”设置制图者为“学生姓名”、标题为“串联型直流稳压电源”，字体为华文彩云，颜色为221号色。,具体要求：,3.画PCB板,特殊元器件外形结构尺寸或封装图，可查阅有关手册、厂商产品说明书和实物测量 考虑器件的散热要求,要求印制板图板面尺寸大小合适，布局合理，连线无误，疏密一致，标注清晰，设计规范。,提示：,采用单面板，四安装孔：3mm 距板边4mm；所有元器件均在Top Overtly层画；电源、地线宽为3mm，导线线宽为1mm；焊盘形状：插座采用方形，三极管采用椭圆形，其余一律为圆形焊盘;普通阻容元件的焊盘用2mm；孔径为0.8mm；采用 2.5mm正交网格格距，即阻容元件焊盘之间的跨距为2.5mm的倍数，通常电阻用7.5mm、1.0mm、12.5mm等；字符高度用2mm，线宽用；交流输入信号采用导线焊接式，输出采用接插式（TJC3-2插座）,设计要求,板面外型尺寸及固定孔,L,H,4mm,3mm,常用电阻器的额定功率及其外形尺寸,通常TO-3是三个引出端：两根引线和管壳。管壳常用螺栓固定在散热器上，不能直接把圆孔焊在线路板上的。如果需要散热板不带电，一般用绝缘材料隔在管座与散热器之间,散热器,案例：,1、数据整理2、训练体会,1.提交项目实训报告2.思考题：在印制电路板的设计中，如何选用工作层？在进行单面板和双面板设计时，应选择哪些层？利用PROTEL进行印制板图设计的步骤是什么？设计印制电路板时，布局的原则是什么？设计印制电路板时，布线的原则是什么？设计PCB时，正交网格什么情况下采用英制？什么情况下采用公制？,作业,二、制造印制电路板的材料覆铜板,1、覆铜板的材料与制造2、覆铜板的指标与特点,印制电路板(PCB,Printed Circuit Board)也叫做印刷电路板，简称印制板。它由绝缘底板连接导线和装配焊接电子元器件的焊盘组成，具有导电线路和绝缘底板的双重作用。,PCB是采用敷铜箔绝缘层压板作为基材，用化学蚀刻方法制成符合电路要求的图案，经机械加工达到安装所需要的形状，用以装联各种元器件。,印制电路板种类 层数:单面、双面、多层 机械强度:刚性、挠性,1.实现电路中各个元器件的电气连接，简化电子产品的装配、焊接、调试工作；2.缩小了整机体积，降低产品成本，提高电子设备的质量和可靠性；3.具有良好的产品一致性，它可以采用标准化设计，有利于在生产过程中实现机械化和自动化。4.便于整机产品的互换与维修。,1、印制电路板的优点,缺点：制造工艺较复杂，单件或小批量生产不经济,2、覆铜板的材料与制造,（1）覆铜板的组成,基板+铜箔+粘合剂,单面覆铜板,基板,铜箔,（1）覆铜板的组成,基板,铜箔,双面覆铜板,准备制作电路板的敷铜板,人工切割敷铜板,人工切割敷铜板,机器切割敷铜板,1）覆铜板的基板,酚醛树脂 合成树脂 环氧树脂基板 三氯氢胺树脂 纸质 增强材料 布质,基板决定PCB板的机械性能（耐浸焊性、抗弯强度）,聚四氟乙烯基板和聚四氟乙烯玻璃布覆铜板,用无碱玻璃布浸渍聚四氟乙烯分散乳液后热压制成的层压基板，是一种高度绝缘、耐高温的新型材料。,环氧树脂基板和环氧玻璃布覆铜板,纤维纸或无碱玻璃布用环氧树脂浸渍后热压而成的环氧树脂层压基板，电气性能和机械性能良好。,酚醛树脂基板和酚醛纸基覆铜板,用酚醛树脂浸渍绝缘纸或棉纤维板，两面加无碱玻璃布，就能制成酚醛树脂层压基板。,2）铜箔,铜箔是制造覆铜板的关键材料，必须有较高的导电率及良好的焊接性。铜箔表面不得有划痕、砂眼和皱折，金属纯度不低于99.8%，厚度误差不大于5m。,原电子工业部的部颁标准规定：铜箔厚度的标称系列为18m、25m、35m、50m、70m和105m。目前普遍使用的是35m厚度的铜箔。,3）粘合剂,铜箔能否牢固地附着在基板上，粘合剂是重要因素。覆铜板的抗剥强度主要取决于粘合剂的性能。常用的覆铜板粘合剂有酚醛树脂、环氧树脂、聚四氟乙烯和聚酰亚胺等。,（2）覆铜板的生产工艺流程,抗剥强度 单位宽度的铜箔剥离基板所需的最小力，主要取决于粘合剂的性能和铜箔表面处理的质量。翘曲度 单位长度的翘曲值抗弯强度 覆铜板单位面积所能承受弯曲的能力，取决于基板材料耐浸焊性 覆铜板置入一定温度的熔融焊锡中停留一段时间所能承受的抗剥能力,（1）覆铜板的非电技术指标,3、覆铜板的指标与特点,（2）几种常用覆铜板的性能特点,（3）SMT技术的新型基板材料 金属芯印制板,优点：具有更好的机械性能、电性能、热性能和电磁屏蔽作用，尺寸稳定。,金属芯印制电路板的制造工艺,印制电路板的制造工艺简介,一、印制电路板制造过程的基本环节二、印制板的生产工艺三、印制板的检验四、手工自制印制电路板,一、印制电路板制造过程的基本环节 1、底图胶片制版,（1）CAD光绘法 使用计算机和光学绘图仪，直接绘制出原版底片。底图胶片精度高、质量好但成本较高,（2）照相制版法 用激光打印机输出（或手工绘制）的黑白底图照相制版，相版要求反差大、无砂眼,把相版上的印制电路图形转移到覆铜箔上，称为图形转移。具体方法有丝网漏印法、光化学法（直接感光法和光敏干膜法）等,2、图形转移,（1）丝网漏印法,优点：设备简单、价格低廉缺点：精度不高一般用于丝网漏印PCB电路图形,漆膜丝网制法：贴膜曝光显影去膜,丝网材料：真丝绢、合成纤维绢、金属丝漏印材料：助焊剂（焊盘）、阻焊剂（印制导线）,漏印工艺流程：（1）将覆铜箔板固定的底座上（2）将漏印材料倒入丝印的框内，用橡皮刮 板刮压印料（注意手势），即可印制图形（3）烘干、修版（4）进行腐蚀,（2）直接感光法,适用于品种多、批量小的PCB生产，特点是尺寸精度高、工艺简单,（3）光敏干膜法（光化学法）,材料：聚脂薄膜、感光胶膜 和聚乙烯薄膜三层材料组成 的薄膜类的光敏干膜,工艺流程：,覆铜板表面处理,曝光,显影,贴膜,3、化学蚀刻,俗称烂板，它是利用化学方法去除板上不需要的铜箔，留下组成焊盘、印制导线及符号的图形。,（1）蚀刻溶液三氯化铁（FeCl3）2FeCl3+Cu 2FeCl2+CuCl2,特点：蚀刻速度快、质量好、溶铜量大、溶液稳定、价格低廉；但污染严重、废水处理麻烦；只适用于实验室少量加工,.酸性氯化铜（CuCl2-NaCl-HCl）特点：溶液呈酸性，回收再生方法简单、污染小、操作方便,.碱性氯化铜（CuCl2-NH4Cl NH3H2O）特点：蚀刻速度快也容易控制，维护方便、成本低廉,.过氧化氢-硫酸（H2O2-H2SO4)特点：蚀刻速度快、溶铜量大、铜的回收方便、无需废水处理,浸入式泡沫式泼溅式喷淋式,（2）蚀刻方式,（3）腐蚀后的清洗,.流水冲洗法：流水中清洗30分钟，采用冷水-热水-冷水-热水循环过程冲洗.中和清洗法：流水冲洗一下，放入82、10%的草酸溶液中处理，再用热水-冷水冲洗,4、孔金属化与金属涂覆,（1）孔金属化 利用化学镀技术，即用氧化-还原反应产生金属镀层。用于双层板、多层印制板的生产基本步骤：钻孔 孔壁处理化学沉铜电镀铜加厚,检验内容：外 观：孔壁金属层应该完整、光滑、无空穴、无堵塞电性能：金属化孔镀层与焊盘的短路与断路；孔 与导线间的孔线电阻值机械强度：孔壁与焊盘的结合力应超过一定的值,（2）金属涂覆 在印制板图形铜箔上涂覆一层金属，如：金、银、锡、铅锡合金等。目的是提高印制板的导电、可焊性、耐磨、寿命等性能,涂覆方法：电镀或化学镀,5、助焊剂与阻焊剂的使用,（1）助焊剂 保护镀层不氧化，又可提高可焊性基本要求：在常温下稳定，表面张力小 腐蚀性小，绝缘性能好 容易清除焊接后的残留物不产生刺激性气味和有害气体材料来源丰富，成本低，配制简便,（2）阻焊剂 作用：限定焊接区域，防止焊接时搭焊、桥连造成的短路；改善焊接的准确性，减少虚焊；防止潮湿的气体和有害气体对印制板的侵蚀,二、印制电路板的生产工艺,1、单面板的生产流程,2、双面板的生产流程,堵孔法的工艺流程,三、印制电路板的检验,1、目视检验,外形尺寸与厚度是否在要求的范围内。导电图形是否完整、清晰，有无短路和断路、毛刺。表面质量有无凹痕、划伤、针孔及表面粗糙。焊盘孔及其他孔的位置及孔径有无漏打或打偏。镀层质量：镀层平整光亮，无凸起缺损。涂层质量：阻焊剂均匀牢固，位置准确，助焊剂均匀。板面平整无明显翘曲。字符标记清晰、干净、无渗透、划伤、断线。,2、电气性能检验（1）连通性能（测试针床）（2）绝缘性能（按印制板的标准进行）,3、工艺性能检验（1）可焊性（2）镀层附着力,四、手工自制印制电路板,1、漆图法,下料,描漆图,腐蚀,打孔,去漆膜,清洗,漆图法的自制印制电路板的主要步骤,拓图,涂助焊剂,FeCl3腐蚀工艺过程和要求,将FeCl3溶液放入搪瓷盘内，然后放入需求腐蚀的印制板，FeCl3溶液应浸过印制板的板面。这时FeCl3溶液与未保护部分的铜箔表面接触，产生铜离子溶于溶液中，逐渐去除铜箔，最终留下精确线路、图形。FeCl3溶液浓度在28%42%，而温度在3854 时，腐蚀效果最佳。在腐蚀过程中，腐蚀剂要不停搅动，可加快腐蚀。当腐蚀成型后，必须将印制板进行水洗和清洁处理。,2、贴图法,贴图法与描图法的工艺流程基本相同，不同之处在于：描图法自制电路板的过程中，图形靠描漆或其它抗蚀涂料描绘而成，贴图法是用具有抗腐蚀能力的、薄膜厚度只有几微米的薄膜图形，按设计要求贴在覆铜板上完成贴图任务的。,3、铜箔粘贴法,将各种所需的焊盘及一定宽度的导线粘贴在绝缘基板上，就可得到一块印制电路板。具体方法与图形贴膜法很类似，只不过所用的贴膜不是抗蚀薄膜，而是用铜箔制成的各种电路图形。铜箔背面涂有压敏胶，由于价格较高，使用并不广泛。,4、刀刻法,刀刻法是把设计好的印制板图用复写纸复写到印制板的铜箔面上，然后用小刀刻去不需要的铜箔即可。刀刻法一般用于制作极少量、电路比较简单、线条较少的印制板。刀刻法制板不适合高频电路。,