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印制電路板基礎知識解析

by admin 發表時間:2019-8-6 訪問數量: 1641

     印制電路板{PCB線路板},又稱印刷電路板,是電子元器件電氣連接的提供者。它的發展已有100多年的歷史了;它的設計主要是版圖設計;采用電路板的主要優點是大大減少布線和裝配的差錯,提高了自動化水平和生產勞動率。

     按照線路板層數可分為單面板、雙面板、四層板、六層板以及其他多層線路板。

由于印刷電路板并非一般終端產品,因此在名稱的定義上略為混亂,例如:個人電腦用的母板,稱為主板,而不能直接稱為電路板,雖然主機板中有電路板的存在,但是并不相同,因此評估產業時兩者有關卻不能說相同。再譬如:因為有集成電路零件裝載在電路板上,因而新聞媒體稱他為IC板,但實質上他也不等同于印刷電路板。我們通常說的印刷電路板是指裸板-即沒有上元器件的電路板。

分類

單面板

     在最基本的PCB上,零件集中在其中一面,導線則集中在另一面上。因為導線只出現在其中一面,所以這種PCB叫作單面板(Single-sided)。因為單面板在設計線路上有許多嚴格的限制(因為只有一面,布線間不能交叉而必須繞獨自的路徑),所以只有早期的電路才使用這類的板子。

雙面板

     這種電路板的兩面都有布線,不過要用上兩面的導線,必須要在兩面間有適當的電路連接才行。這種電路間的“橋梁”叫做導孔(via)。導孔是在PCB上,充滿或涂上金屬的小洞,它可以與兩面的導線相連接。因為雙面板的面積比單面板大了一倍,雙面板解決了單面板中因為布線交錯的難點(可以通過導孔通到另一面),它更適合用在比單面板更復雜的電路上。

多層板

     為了增加可以布線的面積,多層板用上了更多單或雙面的布線板。用一塊雙面作內層、二塊單面作外層或二塊雙面作內層、二塊單面作外層的印刷線路板,通過定位系統及絕緣粘結材料交替在一起且導電圖形按設計要求進行互連的印刷線路板就成為四層、六層印刷電路板了,也稱為多層印刷線路板。板子的層數并不代表有幾層獨立的布線層,在特殊情況下會加入空層來控制板厚,通常層數都是偶數,并且包含最外側的兩層。大部分的主機板都是4到8層的結構,不過技術上理論可以做到近100層的PCB板。大型的超級計算機大多使用相當多層的主機板,不過因為這類計算機已經可以用許多普通計算機的集群代替,超多層板已經漸漸不被使用了。因為PCB中的各層都緊密的結合,一般不太容易看出實際數目,不過如果仔細觀察主機板,還是可以看出來。

資料

組成

目前的電路板,主要由以下組成

     線路與圖面(Pattern):線路是做為原件之間導通的工具,在設計上會另外設計大銅面作為接地及電源層。線路與圖面是同時做出的。

介電層(Dielectric):用來保持線路及各層之間的絕緣性,俗稱為基材。

孔(Through hole / via):導通孔可使兩層次以上的線路彼此導通,較大的導通孔則做為零件插件用,另外有非導通孔(nPTH)通常用來作為表面貼裝定位,組裝時固定螺絲用。

     防焊油墨(Solder resistant /Solder Mask) :并非全部的銅面都要吃錫上零件,因此非吃錫的區域,會印一層隔絕銅面吃錫的物質(通常為環氧樹脂),避免非吃錫的線路間短路。根據不同的工藝,分為綠油、紅油、藍油。

絲印(Legend /Marking/Silk screen):此為非必要之構成,主要的功能是在電路板上標注各零件的名稱、位置框,方便組裝后維修及辨識用。

     表面處理(Surface Finish):由于銅面在一般環境中,很容易氧化,導致無法上錫(焊錫性不良),因此會在要吃錫的銅面上進行保護。保護的方式有噴錫(HASL),化金(ENIG),化銀(Immersion Silver),化錫(Immersion Tin),有機保焊劑(OSP),方法各有優缺點,統稱為表面處理。

外觀

     裸板(上頭沒有零件)也常被稱為“印刷線路板Printed Wiring Board(PWB)”。板子本身的基板是由絕緣隔熱、并不易彎曲的材質所制作成。在表面可以看到的細小線路材料是銅箔,原本銅箔是覆蓋在整個板子上的,而在制造過程中部份被蝕刻處理掉,留下來的部份就變成網狀的細小線路了。這些線路被稱作導線(conductor pattern)或稱布線,并用來提供PCB上零件的電路連接。

     通常PCB的顏色都是綠色或是棕色,這是阻焊(solder mask)的顏色。是絕緣的防護層,可以保護銅線,也防止波焊時造成的短路,并節省焊錫之用量。在阻焊層上還會印刷上一層絲網印刷面(silk screen)。通常在這上面會印上文字與符號(大多是白色的),以標示出各零件在板子上的位置。絲網印刷面也被稱作圖標面(legend)。

     在制成最終產品時,其上會安裝集成電路、電晶體、二極管、被動元件(如:電阻、電容、連接器等)及其他各種各樣的電子零件。借著導線連通,可以形成電子訊號連結及應有機能。

優點

采用印制板的主要優點是:

⒈由于圖形具有重復性(再現性)和一致性,減少了布線和裝配的差錯,節省了設備的維修、調試和檢查時間;

⒉設計上可以標準化,利于互換;3.布線密度高,體積小,重量輕,利于電子設備的小型化;

⒋利于機械化、自動化生產,提高了勞動生產率并降低了電子設備的造價。

印制板的制造方法可分為減去法(減成法)和添加法(加成法)兩個大類。目前,大規模工業生產還是以減去法中的腐蝕銅箔法為主。

⒌特別是FPC軟性板的耐彎折性,精密性,更好的應用到高精密儀器上。(如相機,手機。攝像機等。)

設計

     隨著電子技術的快速發展,印制電路板廣泛應用于各個領域,幾乎所有的電子設備中都包含相應的印制電路板。為保證電子設備正常工作,減少相互間的電磁干擾,降低電磁污染對人類及生態環境的不利影響,電磁兼容設計不容忽視。本文介紹了印制電路板的設計方法和技巧。

     在印制電路板的設計中,元器件布局和電路連接的布線是關鍵的兩個環節。

布局

     布局,是把電路器件放在印制電路板布線區內。布局是否合理不僅影響后面的布線工作,而且對整個電路板的性能也有重要影響。在保證電路功能和性能指標后,要滿足工藝性、檢測和維修方面的要求,元件應均勻、整齊、緊湊布放在PCB上,盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接,以得到均勻的組裝密度。

     按電路流程安排各個功能電路單元的位置,輸入和輸出信號、高電平和低電平部分盡可能不交叉,信號傳輸路線最短。

功能區分

     元器件的位置應按電源電壓、數字及模擬電路、速度快慢、電流大小等進行分組,以免相互干擾。

電路板上同時安裝數字電路和模擬電路時,兩種電路的地線和供電系統完全分開,有條件時將數字電路和模擬電路安排在不同層內。電路板上需要布置快速、中速和低速邏輯電路時,應安放在緊靠連接器范圍內;而低速邏輯和存儲器,應安放在遠離連接器范圍內。這樣,有利于減小共阻抗耦合、輻射和交擾的減小。時鐘電路和高頻電路是主要的騷擾輻射源,一定要單獨安排,遠離敏感電路。

熱磁兼顧

     發熱元件與熱敏元件盡可能遠離,要考慮電磁兼容的影響。

工藝性

⑴層面

貼裝元件盡可能在一面,簡化組裝工藝。

⑵距離

元器件之間距離的最小限制根據元件外形和其他相關性能確定,目前元器件之間的距離一般不小于0.2 mm~0.3mm,元器件距印制板邊緣的距離應大于2mm。

⑶方向

元件排列的方向和疏密程度應有利于空氣的對流。考慮組裝工藝,元件方向盡可能一致。

布線

1、導線

⑴寬度

印制導線的最小寬度,主要由導線和絕緣基板間的粘附強度和流過它們的電流值決定。印制導線可盡量寬一些,尤其是電源線和地線,在板面允許的條件下盡量寬一些,即使面積緊張的條件下一般不小于1mm。特別是地線,即使局部不允許加寬,也應在允許的地方加寬,以降低整個地線系統的電阻。對長度超過80mm的導線,即使工作電流不大,也應加寬以減小導線壓降對電路的影響。

⑵長度

要極小化布線的長度,布線越短,干擾和串擾越少,并且它的寄生電抗也越低,輻射更少。特別是場效應管柵極,三極管的基極和高頻回路更應注意布線要短。

⑶間距

相鄰導線之間的距離應滿足電氣安全的要求,串擾和電壓擊穿是影響布線間距的主要電氣特性。為了便于操作和生產,間距應盡量寬些,選擇最小間距至少應該適合所施加的電壓。這個電壓包括工作電壓、附加的波動電壓、過電壓和因其它原因產生的峰值電壓。當電路中存在有市電電壓時,出于安全的需要間距應該更寬些。

⑷路徑

信號路徑的寬度,從驅動到負載應該是常數。改變路徑寬度對路徑阻抗(電阻、電感、和電容)產生改變,會產生反射和造成線路阻抗不平衡。所以,最好保持路徑的寬度不變。在布線中,最好避免使用直角和銳角,一般拐角應該大于90°。直角的路徑內部的邊緣能產生集中的電場,該電場產生耦合到相鄰路徑的噪聲,45°路徑優于直角和銳角路徑。當兩條導線以銳角相遇連接時,應將銳角改成圓形。

2、孔徑和焊盤尺寸

元件安裝孔的直徑應該與元件的引線直徑較好的匹配,使安裝孔的直徑略大于元件引線直徑的(0.15~0.3)mm。通常DIL封裝的管腳和絕大多數的小型元件使用0.8mm的孔徑,焊盤直徑大約為2mm。對于大孔徑焊盤為了獲得較好的附著能力,焊盤的直徑與孔徑之比,對于環氧玻璃板基大約為2,而對于苯酚紙板基應為(2.5~3)。

過孔,一般被使用在多層PCB中,它的最小可用直徑是與板基的厚度相關,通常板基的厚度與過孔直徑比是6:1。高速信號時,過孔產生(1~4)nH的電感和(0.3~0.8)pF的電容的路徑。因此,當鋪設高速信號通道時,過孔應該被保持到絕對的最小。對于高速的并行線(例如地址和數據線),如果層的改變是不可避免,應該確保每根信號線的過孔數一樣。并且應盡量減少過孔數量,必要時需設置印制導線保護環或保護線,以防止振蕩和改善電路性能。

3、地線設計

不合理的地線設計會使印制電路板產生干擾,達不到設計指標,甚至無法工作。地線是電路中電位的參考點,又是電流公共通道。地電位理論上是零電位,但實際上由于導線阻抗的存在,地線各處電位不都是零。因為地線只要有一定長度就不是一個處處為零的等電位點,地線不僅是必不可少的電路公共通道,又是產生干擾的一個渠道。

一點接地是消除地線干擾的基本原則。所有電路、設備的地線都必須接到統一的接地點上,以該點作為電路、設備的零電位參考點(面)。一點接地分公用地線串聯一點接地和獨立地線并聯一點接地。

公用地線串聯一點接地方式比較簡單,各個電路接地引線比較短,其電阻相對小,這種接地方式常用于設備機柜中的接地。獨立地線并聯一點接地,只有一個物理點被定義為接地參考點,其他各個需要接地的點都直接接到這一點上,各電路的地電位只與本電路的地電流基地阻抗有關,不受其他電路的影響。

具體布線時應注意以下幾點:

⑴走線長度盡量短,以便使引線電感極小化。在低頻電路中,因為所有電路的地電流流經公共的接地阻抗或接地平面,所以避免采用多點接地。

⑵公共地線應盡量布置在印制電路板邊緣部分。電路板上應盡可能多保留銅箔做地線,可以增強屏蔽能力。

⑶雙層板可以使用地線面,地線面的目的是提供一個低阻抗的地線。

⑷多層印制電路板中,可設置接地層,接地層設計成網狀。地線網格的間距不能太大,因為地線的一個主要作用是提供信號回流路徑,若網格的間距過大,會形成較大的信號環路面積。大環路面積會引起輻射和敏感度問題。另外,信號回流實際走環路面積小的路徑,其他地線并不起作用。

⑸地線面能夠使輻射的環路最小。


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