浅析印制电路板的制作和发展
摘要:为了满足实际电路的要求,印制电路板从材料选择、板子设计、抗干扰等性能的要求各方面都应要作出合理的选择和设计。文章针对PCB的选材和设计并针对其抗干扰性进行了简述。指出PCB的发展应向多层次、高密度、高可靠性、薄型化、小型化、功能化和绿色产品发展。
关键词:PCB;材料;布局安排;抗干扰
中图分类号:TN410文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)01-0026-02
印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)设计是电子产品设计中的一个重要环节。
电子产品的发展历程:从半导体收音机、黑白电视机发展到目前的巨型电子计算机、国防尖端科学、通信、高精医疗设备等尖端领域,我们清楚地看到了电子行业的高速发展。功能的改进是基于内部电子电路PCB的改进,从材料的选择、板子的设计、抗干扰等性能的要求PCB板都随之做了巨大的改进;随着人们生活水平的提高,PCB板生产过程中造成的排污处理也是生产厂家日益关注的问题。所以在要求设计PCB时,不但要考虑产品功能,而且要考虑电气性能、制造工艺技术要求、经济性、PCB的易制造性等问题,从而缩短新PCB的试制周期。
一、PCB材料的选择
(一)性能要求
高耐热性、高耐湿性、低介电常数、低线膨胀率、绿色(环保型)化。
(二)PCB配套用材料
1.增强材料。玻璃纤维布是用量最大的刚性基板用材料;芳香族聚酰胺纤维作为一种新型增强纤维具有质轻、低热膨胀洗漱、低介电常数、表面平滑性好、易于CO2激光蚀孔等特性更适合于高性能电路的要求;此外纸类纤维用量也很大。
2.绝缘胶粘材料。目前刚性基板材料中用量最大为环氧类,其次为酚醛类。环氧类有好的机械强度、耐热性、粘接性、电气绝缘性、易加工、易改进并且成本低,所以广泛采用。
3.UV光固化材料。UV光固化材料具有能耗低、无溶剂排放、固化速度快、生产效率高等特点,安全无污染,设备体积小,投资低,适于PCB生产。
4.新型环保型材料。PCB板材料中若需阻燃等特殊功能,需在环氧树脂中加入含溴成分,但是该材料燃烧时会产生大量有毒烟雾,因而使用受到很大限制。目前多用一种高度热稳定性的新型ATM产品。此外,纳米技术已被世界各国广泛认同、研究、使用。
5.PCB材料发展。轻、薄、短、小为发展必然趋势。纳米材料的应用开发,新型机板材料的研发,新型光致抗蚀剂、液态感光成像阻焊剂,新型感光绝缘层用树脂,新型环保型材料等是PCB材料的主攻方向。
二、PCB的设计
随着电子技术的发展,设计、制造自动化等已成为电子行业的发展趋势,电子产品设计更加复杂化,但其产品的生命周期却越来越短。电路原理图的设计是PCB板制作的前提,PCB板的设计是电路原理实现的一个重要环节,而印制电路板设计效果的好坏将直接影响到产品的质量。下面针对PCB板的排版布局、草图设计、制作和安装调试等问题进行一下介绍。
(一)印制电路板的排版布局
印制线路板的布局是设计中非常重要的一个环节,能否合理布局是PCB设计的前提。通常布局方式有交互式和自动布局两种。在具体操作时,一般将这两种布局配合使用,即自动布局的基础上配合交互式布局。
1.布局要求。(1)首先要保证电路功能与性能指标(符合原理图);(2)在此基础上,满足技术性、工艺性(生产工艺)、检测、维修方面的要求;(3)适当兼顾美观性(元件排列整齐、疏密得当)。
2.布局一般原则。(1)信号流向原则;(2)就近原则(连线及相连元件的距离);(3)元件安置顺序原则(先主后次、先大后小、先特殊、先集成后分立元件);(4)散热原则;(5)增强机械强度原则;(6)便于操作原则。
3.元件布局与安装。
(1)元件排列方式。1)不规则排列(一般高频电路);2)规则排列;3)栅(网)格排列(自动化焊接)。
(2)元件安装固定方式。
1)立式安装,如图1所示:
2)卧式安装,如图2所示:
a.贴板安装;b.悬空安装。
元件引线成形的基本要求:元件引线弯曲处,离元件端面的最小距离不小于2mm;弯曲半径不应小于引线直径的2倍;成形后元件标称值便于查看。
3)元件安装尺寸。立式安装和不规则排列尺寸不受限制;规则排列尤其是栅格排列,安装尺寸要求正交在栅格交点上。国标2.5mm,国际标准2.54mm;对焊盘间距要求不严格,称为软引线元件;对安装尺寸有严格要求,称为硬引线元件。如大功率三极管、继电器、电位器、集成块等。
4.印制电路板设计。
(1)印制导线的设计(相当于试验中的连接导线)。“走通”是起码要求,“走好”是更高一层的要求。原则如下:1)以短为佳,能走捷径就不绕远;2)走线平滑为佳,避免急转弯和尖角;3)应尽量避免出现分支;4)公共地线应尽可能多保留铜箔;5)为增加焊盘的抗剥强度,可适当设置工艺线。
(2)焊盘与孔的设计。1)焊盘的设计。焊盘常见形状:圆形、方形、椭圆形、岛形。焊盘外径:D≥(d+1.5)mm。
2)孔的设计
引线孔:d=(d1+0.3)mm
安装孔:用于固定大元件和印制板。常用规格φ2.2,3.0,
3.5,4.0,4.5,5.0,6.0。
定位孔:印制板加工、检测定位用。可用安装孔代替,一般用三孔定位法(自动流水线)。
过孔:用于不同层间电气连接(多面板)。
(二)印制线路板草图设计步骤
1.不交叉单线图的绘制。(1)将原理图中应放置于板上的元件部分根据信号流向一次画到板面上,集成电路要画封装引脚图;(2)按图将各元件引脚连接,对导线交叉处应设法避免。从元件下面的空间跨越;专用跨越线跨越(越短越少越好)。
2.排版草图的绘制。确认并加粗单线图。要求:印制导线尽量短、少、疏。
3.正式排版草图的绘制。(1)按上一步的草图尺寸,再有一定余量的方格纸或坐标纸上绘制;(2)画出版面轮廓尺寸,并在边框的下面留出一定空间用于技术说明;(3)板面四周留出不设置焊盘与导线的一定空白,用于定位孔、安装孔及文字等;(4)按照不交叉单线图上元件的位置顺序,布置元件并画外形轮廓图,大小应与实物一致,避免元件上下交叉,元件之间保持一定距离;(5)确定焊盘位置;(每个引脚应占有一个独立的焊盘);(6)勾画印制导线;(7)整理确定印制导线;(8)表明焊盘尺寸及导线宽度。
(三)印制线路板制作与安装调试
1.按照正式排版草图将图样绘于敷铜板上。
2.检查无误后用油漆涂盖需要保留的部分。涂漆时注意从中心向边缘进行如油漆跑出了边缘不要急于修复,等油漆晾干时再修整边缘。
3.油漆晾干后将线路板放入FeCl3溶液中浸泡腐蚀,溶液浓度一般30%～40%,温度以40℃～50℃为宜。
4.蚀刻好的线路板用清水冲洗后,将油漆清除干净。清理油漆时用小刀从导线中间向两边清理,避免将铜箔撬下来。
5.按照元件管脚的实际位置标好焊盘及其它孔的位置并打孔,打孔时注意不要用力过猛,以免打偏。
6.打好孔后,将检测好的元件按照原理图焊装到线路板上。元件安装时应注意以下几点:(1)焊装时元件标志方向应按图纸要求,或标记向外易于辨认,并按从左到右、从下到上的顺序读出;(2)元器件的参数与极性不得装错;(3)安装高度应符合规定要求,同规格元件应尽量安装在同一高度上;(4)安装顺序一般为先低后高、先易后难、先一般器件后特殊器件;(5)元器件的分布应均匀、疏密一致、排列整齐美观,不允许斜排、立体交叉和重叠排列;(6)焊装好的线路板在检查无误后就可进行通电测试。
三、PCB设计的抗干扰问题
在绘制电路图时,除了要考虑到一般的设计原则,还要着重考虑其抗干扰性。引起印制电路板电磁兼容问题的原因包含外部原因和内部原因。针对不同原因应采用不同的方案。现在针对抗干扰主要从以下几方面进行简述:
(一)外部原因引起的电磁干扰
针对外部电磁辐射和电源、接地线的传导引起的电磁兼容问题可采用以下方法:接地处理;采用双绞线和屏蔽线;配以合适的其他方法。
(二)内部原因引起的电磁干扰
1.合理布局、布线是关键。减少信号线上过孔,远离易受干扰的信号源,必要时采用地线隔离措施。
2.合理设置电源和接地线或接地层,必要时将电源和接地线分割并防止高频信号线的跨越。
3.高速信号传输线路尽量减少过孔设计。
4.去耦电容尽量靠近接地线,且越短越好。
5.对数字或模拟信号从电器上和布局布线上都要采用隔离技术。
6.合理选择边沿速率较低的器件。
四、结语
未来的电子产品向少、轻、快、更精密方向发展,不管是板材还是PCB板本身的一系列参数、性能都会随之作出迈进。PCB板抗干扰性能的设置尤为重要,以及其生产工艺的要求,其产污和清洁生产也应作出同步的改进。PCB的发展方向大体为:向多层次、高密度、高可靠性、薄型化、小型化、功能化和绿色产品发展。
参考文献
[1]李晗.印制线路板设计中的注意事项[J].机械与电子,2007,(31).
[2]姜培安.印制电路板的可制造性设计[M].中国电力出版社,2007.
[3]宋艳芳,等.印刷电路板的电磁兼容性设计[J].电脑开发与应用,2007,(12).
[4]张仲义.印刷线路板产污环节分析和清洁生产——第二部分[J].电镀与涂饰,2008,(4).
[5]潘雁冰.印制电路板所用材料的生产规模及发展趋势[J].艦船电子工程,2002,(5).
作者简介:邸彩芸(1981-),女,河北滦南人,保定电力职业技术学院助教,研究方向:电工电子技术。