印制电路板

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什么是印制电路板

  印制电路板亦称印制线路板,简称电路板,是指以绝缘基板为基础材料加工成一定尺寸的板,在其上面至少有一个导电图形及所有设计好的孔(如元器件孔、机械安装孔及金属化孔等),以实现元器件之间的电气互连。

电路板的作用

  (1)为电路中的各种元器件提供必要的机械支撑。

  (2)提供电路的电气连接。

  (3)用标记符号将板上所安装的各个元器件标注出来,便于插装、检查和调试。

电路板的优点

  (1)具有重复性。一旦电路板的布线经过验证,就不必再为制成的每一块板上的互连是否正确而逐个进行检验,所有板的连线与样板一致,这种方法适合于大规模工业化生产。

  (2)板的可预测性。通常,设计师按设计原则来设置印制导线的长、宽、间距以及选择印制板的材料,以保证最终产品能通过试验条件。这样可以保证最终产品测试的废品率很低,而且大大地简化了印制板的设计。

  (3)所有信号都可以沿导线任一点直接进行测试,不会因导线接触引起短路。

  (4)电路板的焊点可以在一次焊接过程中将大部分焊完。

  现代焊接方法主要有浸焊、波峰焊和载流焊接技术,前两者适用于插针式元器件的焊接,后者适用于表面贴片式元器件(SMD元器件)的焊接。现代焊接方法可以保证高速、高质量地完成焊接工作,减少了虚焊、漏焊,从而降低了电子设备的故障率。正因为印制板有以上优点,所以从它面世的那天起,就得到了广泛的应用和发展。现代印制板已经朝着多层、精细线条的方向发展。在一些高级电子设备中,印制板的层数已达几十层,线条可细达5/1000英寸。特别是20世纪80年代后开始推广的SMD(表面封装)技术是高精度印制板技术与VLSI(超大规模集成电路)技术的紧密结合,大大提高了系统安装密度与系统的可靠性。

电路板的结构

  电路板由绝缘板和覆盖在板上的导电铜膜组成,铜膜起连接导线的作用。下面从3个方面介绍电路板的基本结构。

  1.电路板材料

  早期的电路板基板的绝缘材料主要是胶木板,而现在以环氧树脂板材居多,发展趋势是板材厚度越来越薄,韧性越来越强,层数越来越多。

  2.电路板板层

  根据电路板布线层面的多少,一般可以将其分为3类:单层板、双层板和多层板。对于多层板而言,四层板的制造技术比较成熟,而六层板或更多层的电路板由于工艺制作复杂、造价高,所以只有在一些高级设备中才使用。

  (1)单层板

  单层板是指只在电路板的其中一个面(焊接面)上进行布线,而所有元器件、元器件标号以及文字标注等都在另一个面(元器件面)上放置的电路板。其最大的特点是价格低廉,制造工艺简单。但是由于只能在一个面上进行布线,布线比较困难,容易出现布不通的情况,所以只适用于一些比较简单的电路。单层板的结构如图所示。

  Image:图单层板结构示意图.jpg

  (2)双层板

  双层板是在绝缘板两面进行布线,其中一面作为【TopLayer】(顶层),另一面作为【Bot-tom Layer】(底层)。顶层和底层通过过孔进行电气连接。双层板上的元器件通常放置在顶层,但有时为了缩小电路板体积也可两层都放。双层板的特点是价格适中、布线容易,是目前普通电路板比较常用的类型。双层板的结构如图所示。

  Image:图双层板结构示意图.jpg

  (3)四层板

  四层板是在双层板的基础上增加电源层和地线层,其结构如图所示。随着电子设备越来越复杂,电路板上的线路和元器件越来越密集,多层板的应用也越来越广泛。

  Image:图四层板结构示意图.jpg

电路板的主要设计对象[1]

  (1)元器件封装

  通常设计者在电路板设计完成后,会将设计图拿到电路板制造企业去加工。在取回电路板后,要将元器件焊接上去。那么,如何保证元器件的引脚和电路板上的焊点一致呢?这就是元器件封装大显身手的时候了。

  所谓元器件封装是指表示实际元器件焊接到电路板的外观和焊点位置关系的组合图形。既然元器件封装只是零件的外观和焊点位置的指示,那么纯粹的元器件封装仅仅是空间的概念。因此,不同的元器件可以共用同一个元器件封装,但前提是它们的外形尺寸以及引脚阵列是相同的。另外,同类元器件也可以有不同的元器件封装,如电阻,它的封装形式有AXIAL0.3、AXIAL0.4直到AXIALl.0共8种。从图可以看出,对于电阻的多种封装形式,该怎样选取完全取决于实际元器件的外形尺寸。封装形式的后缀的数字代表了两个焊盘之间的间距,单位为英寸,如AXIAL0.4表示焊盘间距为0.4英寸。一般来说,后缀的数字越大,元器件的外形尺寸就越大。

  Image:图电阻的封装形式.jpg

  元器件封装可以在设计电路原理图的时候指定。在设计电路原理图的时候,设计者可以在元器件属性对话框中的【Footprint】(元器件封装)中指定。另外也可以在引用网络表的时候指定。元器件封装大致分为两大类,即直插式封装和表面贴片式封装。

  ①直插式封装

  所谓直插式就是元器件的引脚是一根根的长导线,为固定元器件一般从顶层穿下,在底层焊盘处焊接,焊盘的金属化孔贯穿整个电路板。制造直插式元器件的焊盘需要在电路板上钻孑L,元器件引脚的多余部分在焊接完成后还要根据需要剪掉,所以制造电路板的工序较多,另外就是直插式封装的元器件体积较大,因此选用直插式元器件会使电路板整体体积增大。直插式封装如图(a)所示。

  Image:元器件封装.jpg

  ②表面贴片式

  封装表面贴片式元器件是基于表面贴装技术而制作的一种元器件,它把元器件直接焊接在电路板的表面,元器件体积小,并且电路板不需要钻孔,其结构如图(b)所示。在电路板的元器件库中,表面贴片式元器件的引脚只限于表面板层,所以其焊点的属性对话框中的[Layer](板层)属性必须为单一表层,女l[TopLayer](顶层)或[BottomLayer](底层)。

  (2)焊盘

  焊盘是电路板和元器件的连接点。焊盘和元器件对应,也分为直插式焊盘和表面贴装式焊盘。直插式焊盘的中心处有金属化孔,它贯穿所有的板层。表面贴装式焊盘一般没有金属化孔,焊盘所在层既是元器件层,也是焊接层。

  直插式焊盘可以在任何一个层上对它进行编辑,而表面贴装式焊盘只有在当前层和它所在的层一致时才可以编辑。

  (3)铜膜导线

  铜膜导线用于连接各个焊盘、过孔,是具有实际电气连接意义的导线。

  (4)过孔

  双面板和多层板有两个以上的导电层,导电层之间相互绝缘,如果需要将某一层和另一层进行电气连接,可以通过过孔实现。过孔的制作方法为:在多层需要连接处钻一个孔,然后在孔的孔壁上沉积导电金属(又称电镀),这样就可以将不同的导电层连接起来。过孔主要有穿透式过孔和盲过孑L两种形式,如图(a)所示。穿透式过孔从顶层一直通到底层,而盲过孔可以从顶层通到内层,也可以从底层通到内层。

  Image:过孔的形式与参数.jpg

  过孔有内径和外径两个参数,如图(b)所示。过孔的内径和外径一般要比焊盘的内径和外径小。

参考文献

  1. 王卫兵.Protel 99 SE基础教程.北京邮电大学出版社,2008.8.
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