印制線路板的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

電子設(shè)計(jì)人員的電路設(shè)計(jì)思想最終要落實(shí)到實(shí)體，即做成印制線路板。印制線路板的基材及選用，組成電路各要素的物理特性，如過孔、槽、導(dǎo)線尺寸、焊盤、表面涂層等，是設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的要素，這是設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的印制線路板的基礎(chǔ)，也是印制線路板加工最關(guān)鍵的一環(huán)。

1 印制板用基材

1.1 剛性印制板用敷銅箔基材

⑴ 酚醛紙質(zhì)層壓板

酚醛紙質(zhì)層壓板可以分為不同等級(jí)。大多數(shù)等級(jí)能夠在高達(dá)70℃~105℃溫度下使用，長(zhǎng)期再高于這種范圍溫度下工作可能回導(dǎo)致一些性能的降低(但這仍取決與基材的等級(jí)和厚度)，而且過熱會(huì)引起炭化，在受影響的區(qū)域內(nèi)，絕緣電阻可能會(huì)降至很低值。這樣的熱源是發(fā)熱元件，在正常溫度范圍內(nèi)，基材可能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的變黑現(xiàn)象(陽光也能使基材變黑，但不會(huì)引起材料性能的改變)。在高濕度環(huán)境下放置會(huì)使基材的絕緣電阻大幅度減小，然而當(dāng)濕度降低時(shí)，絕緣電阻又會(huì)增加。

⑵ 環(huán)氧紙質(zhì)層壓板

與酚醛紙質(zhì)層壓板相比，環(huán)氧紙質(zhì)層壓板在電氣性能和非電氣性能方面都有較大的提高，有較好的機(jī)械加工性能和機(jī)械性能。根據(jù)材料的厚度，它的使用溫度可達(dá)90℃~110℃。

⑶ 聚酯玻璃氈層壓板

聚酯玻璃氈層壓板的機(jī)械性能低于玻璃布基材料，但高于紙基材料。然而它具有很好的抗沖擊性，并有好的電氣性能，能夠在很寬的頻率范圍內(nèi)應(yīng)用，即使在高濕度環(huán)境下，也能保持好的絕緣性能。它的使用溫度可達(dá)到100℃~105℃。

⑷ 環(huán)氧玻璃布層壓板

環(huán)氧玻璃布層壓板的機(jī)械性能高于紙基材料，特別是彎曲強(qiáng)度，耐沖擊性，翹曲度和耐焊接熱沖擊都比紙基材料好。這種材料的電氣性能也很好，使用溫度可達(dá)130℃，而且受惡環(huán)境(濕度)影響小。

1.2 撓性印制板用敷銅箔基材

⑴ 聚酯薄膜

最常用的特性是可撓性，它的特點(diǎn)是加熱時(shí)能夠形成可收縮式線圈。假如使用合適的粘合劑，這種材料可以在80℃~130℃范圍內(nèi)使用。焊接時(shí)應(yīng)特別注意，這種材料在焊接溫度下容易產(chǎn)生軟化和變形。它具有優(yōu)良的電氣性能，當(dāng)被暴露在高濕度環(huán)境下時(shí)，依然能保持其良好的電氣性能。

⑵ 聚酰亞胺薄膜

聚酰亞胺薄膜具有良好的可撓性，而且能夠通過預(yù)熱處理去除吸收的潮氣，保證安全焊接。一般黏結(jié)型聚酰亞胺薄膜能夠在高達(dá)150℃溫度下連續(xù)工作，用氟化乙丙烯作為中間膠膜的特殊容接型聚酰亞胺薄膜并在250℃下使用，作為特殊用途的沒有黏合劑的聚酰亞胺薄膜能夠在更高的溫度下使用。聚酰亞胺薄膜具有優(yōu)良的電氣性能，但可能會(huì)吸潮氣而影響性能。

⑶ 氟化乙丙烯薄膜

氟化乙丙烯薄膜通常和聚酰亞胺或玻璃布結(jié)合在一起制成層壓板，再不超過250℃的焊接溫度下，具有良好的可撓性和穩(wěn)定性。它也可以作為非支撐材料使用。氟化乙丙烯薄膜是熱塑性材料，其融化溫度為290℃左右。它具有良好的耐潮性、耐酸性、耐堿性和耐有機(jī)溶劑性。它主要的缺點(diǎn)是層壓時(shí)在層壓溫度下導(dǎo)電圖形易發(fā)生移動(dòng)。

1.3 剛饒結(jié)合印制板

如果同一塊印制板中即包括撓性部分又包括剛性部分，即剛性印制板使用的材料，撓性印制板使用的材料和多層印制板使用的材料可以結(jié)合在同一個(gè)結(jié)構(gòu)中，但某些性能可能會(huì)因?yàn)樗褂玫酿ず蟿┑牟煌l(fā)生顯著改變。

2 過孔

板厚和孔經(jīng)比最好應(yīng)大于3:1，大的比值會(huì)使生產(chǎn)困難，成本增加。當(dāng)過孔只用做貫穿連接或內(nèi)層連接時(shí)，孔徑公差，特別是最小孔徑公差一般是不重要的，所以不用規(guī)定。由于導(dǎo)通孔內(nèi)不插元件，所以它的孔徑可以比元件空的孔徑小。

當(dāng)過孔作為元件孔時(shí)，過孔的最小孔徑要適應(yīng)元件或組裝件的引腳尺寸。設(shè)計(jì)者要采用給出的標(biāo)稱孔徑作為過孔的推薦值。過孔的最大孔徑取決于鍍層厚度和孔徑的公差。規(guī)定孔的最小鍍層厚度一般允許偏差(孔到孔)10%。推薦孔壁鍍銅層的平均厚度不小于25μm(0.001in)，其最小厚度為15μm(0.0006in)。

3 導(dǎo)線尺寸

3.1 導(dǎo)線寬度

對(duì)于專門的設(shè)計(jì)或?qū)щ妶D形的布局，通常導(dǎo)線寬度應(yīng)盡可能選擇寬一些，至少要寬到足以承受所期望的電流負(fù)荷。

印制板上可得到的導(dǎo)線寬度的精度取決于生產(chǎn)因數(shù)，例如生產(chǎn)底板的精度、生產(chǎn)工藝(印制法、加成或減成工藝的使用、鍍覆法、蝕刻質(zhì)量)和導(dǎo)線厚度的均勻性等。規(guī)定的導(dǎo)線寬度，即包括設(shè)計(jì)寬度和允許的偏差，也包括所規(guī)定的最小線寬。缺口、針孔或邊緣缺陷所造成的偏差，雖然不包括在這些偏差里，但也會(huì)出現(xiàn)。當(dāng)這些缺陷引起的導(dǎo)線寬度減少不超過有關(guān)規(guī)范的一定值時(shí)，通?？梢越邮?，這個(gè)值的范圍為20%至35%。如果所要求的載流量很高，這些缺陷就必須考慮進(jìn)去。

3.2 導(dǎo)線間距

相鄰導(dǎo)線之間的間距必須足夠?qū)?，以滿足電氣安全的要求，而且為了便于操作和生產(chǎn)，間距應(yīng)盡量寬些。選擇的最小間距應(yīng)適合所施加的電壓。這個(gè)電壓包括正常操作或發(fā)生故障時(shí)重復(fù)或偶爾產(chǎn)生的過電壓或峰值電壓。所以導(dǎo)線間距應(yīng)符合所要采用的或規(guī)定的安全要求。

如果有關(guān)規(guī)范允許導(dǎo)線之間存在金屬顆粒，則可能會(huì)減少有效的導(dǎo)線間距。在考慮電壓?jiǎn)栴}時(shí)，任何由于導(dǎo)線之間存在金屬顆粒而導(dǎo)致間距的減少都應(yīng)予以考慮。

如果導(dǎo)線間距超過一定值時(shí)，將有利操作和生產(chǎn)。在些情況下，只規(guī)定最低限制就很容易滿足實(shí)際要求。如果規(guī)定了導(dǎo)線寬度的最低限制，還要規(guī)定導(dǎo)線間距的最低限制。如導(dǎo)線間的金屬顆粒缺陷存在，應(yīng)增大規(guī)定的最小導(dǎo)線間距。所設(shè)計(jì)的內(nèi)層導(dǎo)線或焊盤應(yīng)距離板子邊緣2mm以上。

4 焊盤尺寸

所有元件孔通過焊盤實(shí)現(xiàn)電氣連接。為了便于維修，應(yīng)確保與基板之間的牢固粘結(jié)，孔周圍的焊盤應(yīng)該盡可能大，并符合焊接要求。通常非過孔比過孔所要求的焊盤大。在有過孔的雙面印制板上，每個(gè)導(dǎo)線端子的過孔應(yīng)具有雙面焊盤。當(dāng)導(dǎo)通孔位于導(dǎo)線上時(shí)，在整體焊接過程中導(dǎo)通孔被焊料填充，因此不需要焊盤。設(shè)計(jì)工程師有責(zé)任即要確保孔周圍的導(dǎo)線符合設(shè)計(jì)電流的要求，又要保證符合與生產(chǎn)有關(guān)的位置公差的工藝要求。當(dāng)過孔位于導(dǎo)線上而無焊盤時(shí)，應(yīng)向印制板生產(chǎn)方提供識(shí)別孔中心的方法。

為了便于進(jìn)行整體焊接操作，應(yīng)避免大面積的銅箔存在。并且要遵循設(shè)計(jì)原則，元件面和焊接面的焊盤最好對(duì)稱式放置(相對(duì)于孔)。

5 金屬鍍(涂)覆層

金屬鍍(涂)覆層用以保護(hù)金屬(銅)表面，保證其可焊性，還可以在一些加工過程中作為蝕刻液的抗蝕層(如在孔的加工過程)。金屬鍍(涂)覆層還可以作為連接器與印制板的接觸面，或表面安裝器件與印制板的接合層。

應(yīng)根據(jù)印制板的用途選擇一種適合導(dǎo)電圖形使用的鍍覆層。表面鍍覆層的類型直接影響生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)成本和印制板的性能。

6 印制接觸片

在使用印制接觸片時(shí)，應(yīng)注意選用一種鍍層，使其與匹配的對(duì)應(yīng)觸點(diǎn)上的鍍層想適應(yīng)。由于合適的鍍層的選擇與下面一些因數(shù)有關(guān)，但沒有一般規(guī)律可循。印制金屬片的接觸表面應(yīng)平滑，而且沒有能夠引起電氣性能和機(jī)械性能等下降的缺陷。

7 非金屬涂覆層

7.1. 非金屬涂覆層

非金屬涂覆材料用來保護(hù)印制板，另外，阻焊接區(qū)用來防止非焊接區(qū)導(dǎo)體的焊料潤(rùn)濕。

當(dāng)涂覆過的組裝件暴露在高濕度條件下時(shí)，不正確的清洗可能導(dǎo)致附著力降低。由于附著力的降低，涂覆層與基本的界面下開始出現(xiàn)分離點(diǎn)或碎屑，并且剝落(“侵蝕”)。

在使用任何涂覆層之前，最重要的是正確清洗印制板。如果印制板帶有有機(jī)或無機(jī)污染，其絕緣電阻不能通過涂覆層得到提高。

如果不正確地選擇和使用涂覆層，可能導(dǎo)致在高頻下使用的印制板的阻燃性、絕緣電阻、電氣性能等參數(shù)降低。

7.2 暫時(shí)性保護(hù)涂覆層

暫時(shí)性涂覆層可以用來保護(hù)導(dǎo)電圖形的可焊性。通常，在那些不具有良好可焊性的金屬表面涂覆層覆蓋的導(dǎo)電圖形上使用暫時(shí)性保護(hù)涂覆層，使其在必要的時(shí)間內(nèi)保持良好的可焊性。

根據(jù)所使用的材料，暫時(shí)性保護(hù)涂覆層可以在焊接前去除，也可以作為焊劑。作為焊劑的暫時(shí)性保護(hù)涂覆層是樹脂型，它可溶于焊劑溶劑。

過分地干燥和(或)長(zhǎng)期存放，或過分加熱(例如，在印制板進(jìn)行氣相焊時(shí))，可能會(huì)導(dǎo)致某些樹脂型涂覆層在某點(diǎn)發(fā)生固化，這時(shí)在涂覆焊劑和進(jìn)行焊接之間的短暫時(shí)間里涂層不再充分溶解，從而降低焊接效果。

通常孔壁和焊盤交接處的樹脂型涂覆層最薄。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，過孔在此處的可焊性可能比其他區(qū)域下降得快。

基于上述原因，涂覆層應(yīng)與所實(shí)施的工藝相適應(yīng)。例如對(duì)于干燥、涂焊劑、焊接和熱熔方法，必須認(rèn)真考慮。

7.3 暫時(shí)性阻焊劑

使用暫時(shí)性阻焊劑的涂覆層通常在焊接之前用網(wǎng)印涂覆。覆蓋印制板的規(guī)定區(qū)域，以防止該區(qū)域?qū)щ妶D形的焊料潤(rùn)濕。例如：暫時(shí)性阻焊劑涂覆在有貴重金屬的電路區(qū)，作為表面涂覆層。另外，這種涂覆層還可以保護(hù)涂覆區(qū)域在生產(chǎn)過程和存放過程中不受破壞。

在完成保護(hù)任務(wù)后，應(yīng)去除暫時(shí)性阻焊劑，可以根據(jù)所使用的阻焊劑的類型，用剝離或用合適的溶劑浸泡。應(yīng)該注意的是必須徹底去除暫時(shí)性涂覆層。

8 永久性保護(hù)涂覆層

永久性保護(hù)涂覆層可以提高或保持印制板的電氣性能，例如印制板表面導(dǎo)線間的絕緣電阻和擊穿電壓。它們通常包含堅(jiān)固的耐刻劃材料，從而保護(hù)版面不受損壞。在正常的使用中，永久地保留在印制板上。

永久性保護(hù)涂覆層可以通過以下方式提高或保持印制板的電氣性能：

⑴ 阻止潮氣進(jìn)入基材;

⑵ 防止導(dǎo)線間沉積污物(例如吸潮的污物);

⑶ 作為導(dǎo)線間的絕緣材料;

⑷ 作為不需要焊接的過孔(導(dǎo)通孔)的孔內(nèi)或表面的保護(hù)層。

這種涂層在焊接操作之前涂覆，用于覆蓋印制板的規(guī)定區(qū)域，防止該區(qū)域的導(dǎo)電圖形的焊料潤(rùn)濕。它與剝離型或沖洗型暫時(shí)性涂覆層不同，焊接操作后，永久性阻焊劑不能被去除，而是作為一種永久性保護(hù)涂層。當(dāng)作為一種阻焊劑使用時(shí)，它應(yīng)該具有除上述電氣性能以外的充分的保護(hù)性能。

9 敷形涂層

敷形涂層是涂覆在印制板上或印制板組裝件上的一種電絕緣材料，作為保護(hù)阻擋層阻擋環(huán)境中有害物質(zhì)的影響。如果選擇正確，使用恰當(dāng)，敷形涂層將幫助保護(hù)組裝件免受以下危害：潮氣、灰塵和污物、空氣中的雜質(zhì)(如煙、化學(xué)氣體)、導(dǎo)電顆粒(如金屬片、金屬屑)、跌落的工具、緊固件造成的偶然短路、磨損破壞、指紋、震動(dòng)和沖擊(達(dá)到某種程度)、霉菌增長(zhǎng)。

所選擇的敷形涂層樹脂應(yīng)滿足以上要求和一些其他的次要要求，如透明度(涂覆后應(yīng)可以辨認(rèn)元件的值)和撓性(防止元件在高低溫循環(huán)中被損壞)。

在一些情況下，某些漆用做永久性保護(hù)涂層。這種漆在焊接后涂覆，且通常只涂覆在焊接面上。

敷形涂層除具有保護(hù)性能外，還具有其他特殊的性能。例如，它們具有熒光性，有利于對(duì)覆蓋范圍進(jìn)行目檢。

使用敷形涂層樹脂的一些局限性是：

① 敷形涂層膜對(duì)水蒸氣具有可滲透性，不含防蝕填料(如鉻酸鹽)的配方將不能防止腐蝕，這種腐蝕是由于在涂覆過程中零件上涂覆了起電解作用的鹽或零件表面俘獲了鹽而引起的。

② 敷形涂層膜對(duì)水具有可滲透性，隨著膜的厚度的增加，絕緣電阻將減少。特別是元器件(例如集成電路)周圍的樹脂邊緣。

③ 有機(jī)敷形涂層樹脂用以填充導(dǎo)線間的間隙，會(huì)導(dǎo)致線間電容的顯著改變。

④ 透明而具有可撓性的敷形涂層樹脂，具有高的熱膨脹系數(shù)，所以對(duì)某些元件可能產(chǎn)生提升力，導(dǎo)致焊點(diǎn)失效。

⑤ 用來提高電氣性能的敷形涂層樹脂，不含提高黏結(jié)力的黏結(jié)配方(如磷酸鹽)，所以它們不能提供額外的與金屬的黏結(jié)力，特別是與焊料的黏結(jié)力。

除了二甲苯涂層外，大多數(shù)敷形涂層樹脂與有機(jī)涂料相似，在尖銳點(diǎn)上，元件邊緣和導(dǎo)線邊緣會(huì)出現(xiàn)針孔和薄點(diǎn)。

10 印制線路板的尺寸

注意避免不必要的過嚴(yán)的尺寸公差，否則會(huì)使生產(chǎn)困難，使成本增加。為了生產(chǎn)或檢驗(yàn)，建議使用參考基準(zhǔn)確定尺寸和定位圖形的尺寸。如果印制板包括1個(gè)以上的圖形，所有圖形應(yīng)使用相同的參考基準(zhǔn)。參考基準(zhǔn)最好由設(shè)計(jì)者規(guī)定。常用的方法是采用兩條正交的線。

在某些情況下，各加工要素的位置可以要求使用1個(gè)以上的參考基準(zhǔn)。這種情況可能會(huì)發(fā)生在非常大的板子上或具有兩個(gè)或多個(gè)剛性區(qū)域的剛撓印制板上。參考基準(zhǔn)之間的尺寸和公差取決于所使用的材料和成品板的尺寸要求。

10.1 制板的外形尺寸

原則上，印制板的外形可以為任意形狀，但簡(jiǎn)單的形狀更利于生產(chǎn)。

除非加工的數(shù)量證明一些專用生產(chǎn)方法是合算的，通常印制板的尺寸受生產(chǎn)設(shè)備和穩(wěn)定性要求的限制。

印制板可達(dá)到的外形尺寸的公差通常與層壓材料可達(dá)到的尺寸公差相同，因?yàn)樗没墓钕嗨啤?/p>

10.2 制板的厚度

基材厚度、印制板厚度或印制板總厚度的要求應(yīng)限于印制板規(guī)定的厚度控制區(qū)域。介質(zhì)厚度定義為相鄰導(dǎo)電層之間的測(cè)量最小距離。

當(dāng)附加鍍層、涂覆層、覆蓋層或使用黏合劑時(shí)，總板厚會(huì)偏離覆金屬箔基材的厚度要求，所有尺寸公差應(yīng)盡可能寬松。

10.3 孔的尺寸

從經(jīng)濟(jì)角度考慮，在任何設(shè)計(jì)中，不同尺寸孔的數(shù)量應(yīng)保持最少。

10.4 撓性印制板的彎曲

應(yīng)使彎曲的區(qū)域盡量少。過孔和安裝元件的區(qū)域不應(yīng)設(shè)置在彎曲區(qū)。導(dǎo)線材料是軋制的且不能改變彎折線的方向，彎曲區(qū)的導(dǎo)線應(yīng)垂直或斜向穿過彎折線。

彎曲半徑應(yīng)盡量大。允許的彎曲半徑取決于導(dǎo)線厚度、基材厚度和撓性印制板成品的厚度。

導(dǎo)線應(yīng)盡可能一撓性印制板結(jié)構(gòu)的中心軸為對(duì)稱線。

印制板的翹曲度與所用的材料、生產(chǎn)工藝、孔圖、導(dǎo)電圖形分布的均勻程度、印制板的尺寸和類型等有關(guān)。

11 印制線路板基板的選擇

基板的作用，除了提供組裝所需的架構(gòu)外，也提供電源和電信號(hào)所需的引線和散熱的功能。所以對(duì)于一個(gè)好的基板，要有以下功能：

① 足夠的機(jī)械強(qiáng)度(附扭曲、振動(dòng)和撞擊等);

② 能夠承受組裝工藝中的熱處理和沖擊;

③ 足夠的平整度以適合自動(dòng)化的組裝工藝;

④ 能承受多次的返修(焊接)工作;

⑤ 適合PCB的制造工藝;

⑥ 良好的電氣性能(如阻抗、介質(zhì)常數(shù)等)。