印刷电路板设计基础和焊接工艺习.ppt
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1、第4章 印刷电路板设计基础和焊接工艺,4.1 印刷电路板设计基础,印制电路板工艺设计流程制造流程电子元器件排版布局的要求元器件的安装与排列方式 印制导线的要求,一、印制电路板介绍,印刷电路板(Printedcircuitboard,PCB)主要功能是提供各零件的相互电气连接固定各种小零件裸板结构印刷线路板 PrintedWiringBoard(PWB)。板子本身的基板是由绝缘隔热、并不易弯曲的材质所制作成。导线(conductorpattern)或称布线铜箔覆盖在整个板子上的,而在制造过程中部份被蚀刻处理掉,留下来的部份就变成网状的细小线路,用来提供PCB上零件的电路连接。PCB的正反面分别被
2、称为零件面(ComponentSide)与焊接面(SolderSide)在最基本的PCB(单面板)上,零件都集中在其中一面,导线则都集中在另一面。需要在板子上打洞,这样接脚才能穿过板子到另一面,所 以零件的接脚是焊在另一面上的。,一、印制电路板介绍,阻焊漆(soldermask)PCB 上的绿色或是棕色。这层是绝缘的防护层,可以保护铜线,也可以防止零件被焊到不正确的地方。丝网印刷面(silkscreen)在阻焊层上另外会印刷上一层文字与符号(大多是白色的),以标示出各零件在板子上的位置。丝网印刷面也被称作图标面(legend)。,一、印制电路板介绍,电路板分类单面板(Single-SidedB
3、oards)最基本的PCB上,零件集中在其中一 面,导线则集中在另一面上。因为单面板在设计线路上有许多严 格的限制(因为只有一面,布线间不能交叉而必须绕独自的路径),所以只有早期的电路才使用这类的板子。双面板(Double-SidedBoards)电路板的两面都有布线。在两面间有适当的电路连接。这种电路间的桥梁叫做导孔(via)。导孔是在PCB上,充满 或涂上金属的小洞,它可以与两面的导线相连接。因为双面板的面积比单面板大了一倍,而且因为布线可以互相交错(可以绕到另一面),它更适合用在比单面板更复杂的电路上。,一、印制电路板介绍,多层板(Multi-LayerBoards)为了增加可以布线的面
4、积,多层板用上了更多单或双面的布线板。多层板使用数片双面板,并在每层板间放进一层绝缘层后黏牢(压合)。板子的层数就代表了有几层独立的布线层,通常层数都是偶数,并且包含最外侧的两层。大部分的主机板都是4到8层的结构,不过技术上可以做到近100层的PCB板。导孔(via),埋孔(Buriedvias)和盲孔(Blindvias)。盲孔是将几层内 部PCB与表面PCB连接,不须穿透整个板子。埋孔则只连接内部的PCB大型的超 级计算机大多使用相当多层的主机板,不过因为这类计算机已经可以用许多普通计算机的集群代替,超多层板已经渐渐不被使用了。,一、印制电路板介绍,零件封装技术插入式封装技术(Throug
5、hHoleTechnology,THT)将零件安置在板子的一面,并将接脚焊在另一面上。零 件占用大量空间,并且要为每只接脚钻一个洞。所以它们的接脚其实占掉两面的空间,而且焊点也比较大。耐压力,通常都是THT封装。表面黏贴式封装(SurfaceMountedTechnology,SMT)接脚是焊在与零件同一面。甚至还能在两面都焊上。SMT也比THT的零件要小。和使用THT零件的PCB比起来,使用SMT技术的PCB板上零件要密集很多。SMT封装零件也比THT的要便宜。所以现今的PCB上大部分都是SMT,自然不足为奇。,二、设计流程,系统规格首先要先规划出该电子设备的各项系统规格。包含了系统功能,成
6、本限制、大小、运作情形等等。系统功能区块图接下来必须要制作出系统的功能方块图。方块间的关系也必须要标示出来。将系统分割几个PCB将系统分割数个PCB的话,不仅在尺寸上可以缩小,也可以让系统具有升级与交换零件的能力。系统功能方块图就提供了我们分割的依据。像是计算机就可以分成主机板、显示卡、声卡、软盘驱动器和电源等等。决定使用封装方法,和各PCB的大小当各PCB使用的技术和电路数量都决定好了,接下来就是决定板子的大小了。如果设计的过大,那么封装技术就要改变,或是重新作分割。在选择技术时,也要将线路图的品质与速度都考虑进去。,二、设计流程,绘出所有PCB的电路概图概图中要表示出各零件间的相互连接细节
7、。所有系统中的PCB都必须要描出来,现今大多采用CAD(计算机辅助设计,ComputerAidedDesign)的方式。初步设计的仿真运作为了确保设计出来的电路图可以正常运作,这必须先用计算机软件来仿真一次。这类软件可以读取设计图,并且用许多方式显示电路运作的情况。这比起实际做出一块样本PCB,然后用手动测量要来的有效率多了。将零件放上PCB零件放置的方式,是根据它们之间如何相连来决定的。它们必须以最有效率的方式与路径相连接。所谓有效率的布线,就是牵线越短并且通过层数越少越好。现今的部份计算机软件,可以检查各零件摆设的位置是否可以正确连接,或是检查在高速运作下,这样是否可以正确运作。这项步骤称
8、为安排零件,如果电路设计有问题,在实地导出线路前,还可以重新安排零件的位置。,二、设计流程,导出PCB上线路在概图中的连接,现在将会实地作成布线的样子。这项步骤通常都是全自动的,不过一般来说还是需要手动更改某些部份。每一次的设计,都必须要符合一套规定,例如:线路间的最小保留空隙、最小线路宽度、和其它类似的实际限制等。这些规定依照电路的速度,传送信号的强 弱,电路对耗电与噪声的敏感度,以及材质品质与制造设备等因素而有不同。如果电流强度上升,那导线的粗细也必须要增加。为了减少PCB的成本,在减少层数 的同时,也必须要注意这些规定是否仍旧符合。如果需要超过2层的构造的话,那么通常会使用到电源层以及地
9、线层,来避免信号层上的传送信号受到影响,并且可 以当作信号层的防护罩。导线后电路测试为了确定线路在导线后能够正常运作,它必须要通过最后检测。这项检测也可以检查是否有不正确的连接,并且所有都照着概图走。建立制作档案因为目前有许多设计PCB的CAD工具,制造厂商必须有符合标准的档案,才能制造板子。标准规格有好几种,不过最常用的是Gerberfiles 规格。一组Gerberfiles包括各信号、电源以及地线层的平面图,阻焊层与网板印刷面的平面图,以及钻孔与取放等指定档案。,二、设计流程,电磁兼容问题没有照EMC(电磁兼容)规格设计的电子设备,很可能会散发出电磁能量,并且干扰附近的电器。EMC对电磁
10、干扰(EMI),电磁场(EMF)和射频 干扰(RFI)等都规定了最大的限制。这项规定可以确保该电器与附近其它电器的正常运作。EMC对一项设备,散射或传导到另一设备的能量有严格的限制,并 且设计时要减少对外来EMF、EMI、RFI等的磁化率。换言之,这项规定的目的就是要防止电磁能量进入或由装置散发出。这其实是一项很难解决的问题,一 般大多会使用电源和地线层,或是将PCB放进金属盒子当中以解决这些问题。电源和地线层可以防止信号层受干扰,金属盒的效用也差不多。电路的最大速度得看如何照EMC规定做了。内部的EMI,像是导体间的电流耗损,会随着频率上升而增强。如果两者之间的的电流差距过大,那么一定要 拉
11、长两者间的距离。这也告诉我们如何避免高压,以及让电路的电流消耗降到最低。布线的延迟率也很重要,所以长度自然越短越好。所以布线良好的小PCB,会 比大PCB更适合在高速下运作。,三、制造流程,PCB的制造过程由玻璃环氧树脂(GlassEpoxy)或类似材质制成的基板开始影像(成形导线制作)制作的第一步是建立出零件间联机的布线。我们采用负片转印(Subtractivetransfer)方式将工作底片表现在金属导体上。这项技巧 是将整个表面铺上一层薄薄的铜箔,并且把多余的部份给消除。如果制作的是双面板,那么PCB的基板两面都会铺上铜箔,如果制作的是多层板,接下来的步骤则会将这些板子黏在一起。,三、制
12、造流程,正光阻剂(positivephotoresist)是由感光剂制成的,它在照明下会溶解(负光阻剂则是如果没有经过照明就会分解)。有很多方式 可以处理铜表面的光阻剂,不过最普遍的方式,是将它加热,并在含有光阻剂的表面上滚动(称作干膜光阻剂)。它也可以用液态的方式喷在上头,不过干膜式提供 比较高的分辨率,也可以制作出比较细的导线。遮光罩只是一个制造中PCB层的模板。在PCB板上的光阻剂经过UV光曝光之前,覆盖在上面的遮光罩可以防止部份区域的光阻剂不被曝光(假设用的是正光阻剂)。这些被光阻剂盖住的地方,将会变成布线。在光阻剂显影之后,要蚀刻的其它的裸铜部份。蚀刻过程可以将板子浸到蚀刻溶剂中,或
13、是将溶剂喷在板子上。一般用作蚀刻溶剂的有,氯化铁(FerricChloride),碱性氨(AlkalineAmmonia),硫酸加过氧化氢(SulfuricAcid+HydrogenPeroxide),和氯化铜(CupricChloride)等。蚀刻结束后将剩下的光阻剂去 除掉。这称作脱膜(Stripping)程序。,三、制造流程,钻孔与电镀如果制作的是多层PCB板,并且里头包含埋孔或是盲孔的话,每一层板子在黏合前必须要先钻孔与电镀。如果不经过这个步骤,那么就没办法互相连接了。在根据钻孔需求由机器设备钻孔之后,孔壁里头必须经过电镀(镀通孔技术,Plated-Through-Holetechno
14、logy,PTH)。在孔壁内部作金属处理后,可以让内部的各层线路能够彼此连接。在开始电镀之前,必须先清掉孔内的杂物。这是因为树脂环氧物在加热后会产生一些化学变化,而它会覆盖住内部PCB层,所以要先清掉。清除与电镀动作都会在化学制程中完成。,三、制造流程,测试测试PCB是否有短路或是断路的状况,可以使用光学或电子方式测试。光学方式采用扫描以找出各层的缺陷,电子测试则通常用飞针探测仪(Flying-Probe)来检查所有连接。电子测试在寻找短路或断路比较准确,不过光学测试可以更容易侦测到导体间不正确空隙的问题。,三、制造流程,零件安装与焊接 THT零件通常都用叫做波峰焊接(WaveSolderin
15、g)的方式来焊接。这可以让所有零件一次焊接上PCB。首先将接脚切割到靠近板子,并 且稍微弯曲以让零件能够固定。接着将PCB移到助溶剂的水波上,让底部接触到助溶剂,这样可以将底部金属上的氧化物给除去。在加热PCB后,这次则移到融 化的焊料上,在和底部接触后焊接就完成了。自动焊接SMT零件的方式则称为回流焊接(OverReflowSoldering)。里头含有助溶剂与焊料的糊状焊接物,在零件安装在PCB上后先处理一次,经过PCB加热后再处理一次。待PCB冷却之后焊接就完成了,接下来就是准备进行PCB的最终测试了,四、电子元器件排版布局的要求,通常按电路原理图,按照信号的流向,从左到右(左输入、右输
16、出)或从上到下(上输入,下输出)布局。以每个功能电路的核心元器件为中心,围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在印刷板上。布局时应先考虑信号线,再考虑电源线和地线。信号线应尽量短,减少干扰,而电源线和地线的长度可以不受限制。在设计数字逻辑印刷电路板时,要注意各种门电路多余端的处理,并按照正确的方法实现不同的逻辑门的组合转换。安装的元器件离印刷电路板的边缘至少应2mm。,四、电子元器件排版布局的要求,还应注意一些特殊元器件的处理,如尽可能缩短高频元器件之间的连线,减小相互间的干扰;输入部分与输出部分的元器件尽可能远离排列;电源线和地线紧紧布在一起,也可以减少电源线耦合所引起的干扰。较重
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