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(guò)孔、槽、導(dǎo)線尺寸、焊盤(pán)、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(guò)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(yáng)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(guò)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(méi)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)孔作為元件孔時(shí)，過(guò)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(chēng)孔徑作為過(guò)孔的推薦值。過(guò)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(zhuān)門(mén)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(guò)有關(guān)規(guī)范的一定值時(shí)，通?？梢越邮埽@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(guò)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(guò)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(pán)應(yīng)距離板子邊緣2mm以上。

4 焊盤(pán)尺寸

所有元件孔通過(guò)焊盤(pán)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?chē)暮副P(pán)應(yīng)該盡可能大，并符合焊接要求。通常非過(guò)孔比過(guò)孔所要求的焊盤(pán)大。在有過(guò)孔的雙面印制板上，每個(gè)導(dǎo)線端子的過(guò)孔應(yīng)具有雙面焊盤(pán)。當(dāng)導(dǎo)通孔位于導(dǎo)線上時(shí)，在整體焊接過(guò)程中導(dǎo)通孔被焊料填充，因此不需要焊盤(pán)。設(shè)計(jì)工程師有責(zé)任即要確?？字?chē)膶?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(guò)孔位于導(dǎo)線上而無(wú)焊盤(pán)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(pán)最好對(duì)稱(chēng)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(guò)程中作為蝕刻液的抗蝕層(如在孔的加工過(guò)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(lèi)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(méi)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(méi)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(lái)保護(hù)印制板，另外，阻焊接區(qū)用來(lái)防止非焊接區(qū)導(dǎo)體的焊料潤(rùn)濕。

當(dāng)涂覆過(guò)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(kāi)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(wú)機(jī)污染，其絕緣電阻不能通過(guò)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(lái)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(shù)脂型，它可溶于焊劑溶劑。

過(guò)分地干燥和(或)長(zhǎng)期存放，或過(guò)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(shù)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?？妆诤秃副P(pán)交接處的樹(shù)脂型涂覆層最薄。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，過(guò)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(guò)程和存放過(guò)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(lèi)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(guò)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(guò)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(shù)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(shù)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(guò)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?chē)臉?shù)脂邊緣。

③ 有機(jī)敷形涂層樹(shù)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(shù)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(lái)提高電氣性能的敷形涂層樹(shù)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(shù)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(guò)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(zhuān)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(guò)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(guò)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(chēng)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(lèi)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)。