任务2 印制电路设计基础知识

【任务要求】

1.课前，从教材、相关书籍、网上自己查找和学习印制电路设计基础知识。

2.独立完成印制电路设计相关任务。

1.2.1 印制电路的设计内容和要求

1.印制电路板

印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）也称为印刷电路板或印刷线路板，简称印制板。它由绝缘底板、印制导线和装配焊接电子元器件的焊盘组成，如图1.2.1所示。具有导电线路和绝缘底板的双重功能。印制电路板的特点是结构紧凑，可以代替复杂的布线，减少接线的工作量，简化了电子产品的装配、焊接及调试工作；减小了整机的体积，降低了产品的成本，提高了电子产品的可靠性；印制电路板还可以采用标准化设计，有利于实现机械化和自动化生产；印制板作为整机的一个独立功能部件，便于更换和维修。

制造印制电路板的主要材料是覆铜板。所谓覆铜板，就是经过粘接、热挤压工艺，使一定厚度的铜箔牢固地覆着在绝缘基板上，如图1.2.2所示。

覆铜板的分类如下。

（1）按其结构可分为单面、双面、多层覆铜板，以及软覆铜板和平面覆铜板等。

① 单面印制电路板。单面印制电路板是在厚度为0.2～0.5mm的绝缘基板上，一个表面敷有铜箔，通过印制和腐蚀的方法，在基板上形成印制电路。它适用于一般要求的电子产品，如收音机、电视机等。

② 双面印制电路板。在绝缘基板上（其为0.2～0.5mm）两面均敷有铜箔，可在基板上的两面制成印制电路。这适用于一般要求的电子设备，如电子计算机、电子仪器、仪表等。由于双面印制电路的布线密度较高，因此能减小产品的体积。

③ 多层印制电路板。在绝缘基板上制成三层以上印制电路的印制板称为多层印制电路板。它是由几层较薄的单面板或双层面板黏合而成，其厚度一般为1.2～2.5mm。为了把夹在绝缘基板中间的电路引出，多层印制板上安装元件的孔需要金属化，即在小孔内表面涂覆金属层，使之与夹在绝缘基板中间的印制电路接通。其特点是：与集成电路块配合使用，可以减小产品的体积与重量；有可能增设屏蔽层，以提高电路的电气性能。

④ 软印制板。基材是软的层状塑料或其他质软膜性材料，如聚酯或聚亚胺的绝缘材料。其厚度为0.25～1mm。它也有单层、双层及多层之分，它自身在空间可以端接、排接到任意规定的位置。因此被广泛用于电子计算机、通信、仪表等电子产品上。

⑤ 平面印制电路板。印制电路板的印制导线嵌入绝缘基板，与基板表面平齐，一般情况下在印制导线上都电镀一层耐磨金属。通常用于转换开关、电子计算机的键盘等。

（2）按增强材料类别、黏合剂类别或板材特性分类。

① 酚醛纸基覆铜箔板（又称为纸铜箔板）。它是由纸浸以酚醛树脂，两面衬以无碱玻璃布，在一面或两面覆以电解铜箔，经热压而成的。这种板的缺点是机械强度低，易吸水及耐高温较差，但价格便宜。

② 环氧酚醛玻璃布覆铜箔板。它是由无碱玻璃布浸以酚醛树脂，并覆以电解紫铜，经热压而成的。由于用了环氧树脂故黏结力强，电气及机械性能好，既耐化学溶剂又耐高温潮湿，但价格较贵。

③ 环氧玻璃布覆铜箔板。它是由玻璃浸以双氰胺固化剂的环氧树脂，覆以电解紫铜箔经热压而成的。它的电气及机械性能好，耐高温潮湿，且板基透明。

④ 聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔板。它是由无碱玻璃布浸渍聚四氟乙烯分散乳液，覆以经氧化处理的电解紫铜箔，经热压而成的。它具有优良的价电性能和化学稳定性，是一种耐高温、高绝缘的新型材料。

2.印制电路板的制板内容及要求

印制电路板的设计主要包括印制导线和印制焊盘两部分。设计的过程应根据电子产品的电路原理图及电子产品的技术指标来确定，其设计内容和要求如下。

（1）确定元器件的安放位置、是否需要安装散热片、散热面积的大小；哪些元器件需要独立的支架，元件是否需要加固等。

（2）找到可能产生电磁干扰的干扰源以及容易受外界干扰的元器件，确定排除干扰的方案。

（3）根据电气性能和机械性能，布设导线和组件，确定安装方式、位置和尺寸，确定印制导线的宽度、间距，焊盘的形状及尺寸等。

（4）确定印制电路板的尺寸、形状、材料、种类以及对外连接方式。对于主要由分立元器件构成的简单电路，一般采用单面印制板；对于集成电路较多的复杂电路，因元器件引线间距小，引脚数目多，单面布设不交叉的印制导线较难，可采用双面印制板。

（5）印制电路的设计一般分为以下3个阶段。

① 决定印制板的尺寸、形状、材料、外部连接和安装方法。

② 布设元器件，确定印制导线的宽度、间距和焊盘形状、尺寸。

③ 制作照相底图。

印制电路板设计通常有两种方式：一种是人工设计，另一种是计算机辅助设计（CAD）。无论采取哪种方式，都必须符合电原理图的电气连接和电气、机械性能要求。

在着手设计印制电路板时，设计人员应依据有关规则和原理、推荐标准、指导性技术文件进行设计。技术文件中说明了一系列电路板尺寸、层数、元件尺寸、坐标网格的间距、焊接元件的排列间隔、制作印制电路板图形的工艺等。

1.2.2 印制焊盘

焊盘也称为连接盘，是指印制导线在焊接孔周围的金属部分，供元件引线跨接线焊接用，如图1.2.3所示。

1.焊盘的尺寸

焊盘的尺寸取决于焊接孔的尺寸，焊接孔是指固定元件引线或跨接线面贯穿基板的孔。显然，焊接孔的直径应该稍大于焊接元件的引线直径。焊接孔径的大小与工艺有关，当焊接孔径大于或等于印制板厚度时，可用冲孔；当焊接孔径小于印制板厚度时，可用钻孔。一般焊接孔的规格不宜过大，可按表1.2.1来选用（表中有*者为优先选用）。

焊盘直径D应大于焊接孔内径d，D=(2～3)d。为了保证焊接及结合强度，建议参考表1.2.2的尺寸。

2.焊盘的形状

根据不同的要求选择不同形状的焊盘，圆形连接盘用得最多，因为圆焊盘在焊接时，焊锡将自然堆焊成光滑的圆锥形，结合牢固、美观。但有的时候，为了增加连接盘的黏附强度，也采用正方形、长方形、椭圆形和长圆形焊盘，如图1.2.4所示。

3.岛形焊盘

焊盘与焊盘间的连线合为一体，如同水上小岛，故称为岛形焊盘，如图1.2.5所示。岛形焊盘常用于元器件的不规则排列中，其优点是：有利于元器件密集固定，并可大量减少印制导线的长度与数量；焊盘与印制线合为一体后，铜箔面积加大，使焊盘和印制导线的抗剥强度增加。所以，多用在高频电路中，它可以减少连接点和印制导线电感，增大地线的屏蔽面积，以减少连接点间的寄生耦合。如果在条件允许的情况下，建议岛形焊盘尽量采用图1.2.6所示的圆形焊盘结构，因为圆形焊盘的焊点成光滑的圆锥形，结合牢固、美观。

4.灵活设计的焊盘

在印制电路的设计中，由于线条过于密集，焊盘与焊盘、焊盘与邻近导线有短路的危险。因此，焊盘的形状需要根据实际情况灵活变换，可以采取切掉一部分的方法，以确保安全，如图1.2.7所示。

5.表面贴装器件用焊盘

表面贴装器件用焊盘目前已成标准形式，其示例如图1.2.8所示。在布线密度很高的印制板上，焊盘之间可通过一条甚至多条信号线。

6.孔的设计

孔的设计分为两类：定位孔和过孔。

（1）定位孔。作为印制电路板制板制作时的加工基准。根据定位精确度要求的不同，有不同的定位方法。印制电路板上的定位孔，要用专门图形符号予以表示。当要求不高时，也可采用印制线路板内较大的装配孔代替。图1.2.9给出了三种常用定位孔图形符号。

（2）金属化过孔。也称为连接孔，简称过孔，如图1.2.1所示。在双面板和多层板中起不同板层之间相互连接的作用。一般要求过孔直径为0.6～0.8mm，随着印制板密度的增大，过孔直径相应减小，如高密板可减小到0.4mm。

1.2.3 印制导线

在印制电路板中，电气连接是通过印制板上的印制导线来实现的，印制导线的布设是印制电路板设计的主要问题。

1.印制导线的宽度

印制导线的宽度主要与流过其电流大小有关。表1.2.3为厚0.05mm的导线宽度与允许电流量、电阻的关系。

在决定印制导线宽度时，除需要考虑载流量外，还应注意它在板上的剥离强度，以及与连接盘的协调，如图1.2.3所示，线宽b=(1/3～2/3)D。一般的导线宽度可在0.3～2.0 mm之间，建议优先采用0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm，其中0.5mm主要用于微型化设备。

手工制作时，印制导线应尽可能宽一些，这有利于承受电流和方便制作加工。

印制电路的电源线和接地线的载流量较大，因此设计时要适当加宽，一般取1.5～2.0mm。

印制导线具有一定电阻，电流通过时将产生热量和电压降。印制导线的电阻在一般情况下可不予考虑，但当作为公共地线时，为避免地线电位差而引起寄生回路时要适当考虑。当要求印制导线的电阻和电感小时，可采用较宽的信号线；当要求分布电容小时，可采用较窄的信号线。

2.印制导线间的间距

在条件允许的情况下，导线与导线之间的距离越宽越好，以减少其相互影响。如果条件不允许，一般也不小于1mm，否则浸焊就有困难。对微型化设备，导线的最小间距不能小于0.4mm。当导线间的电压超过300V时，其间距不应小于1.5mm，否则印制导线间易出现跳火、击穿现象，导致基板表面炭化或破裂。

印制导线的间距还与焊接工艺有关，采用浸焊或波峰焊时，间距设计应大些，手工焊接间距可小一些。

在高频电路中，导线之间的距离将影响分布电容的大小，从而影响着电路的损耗和稳定性。因此导线间距的选择要根据基板材料、工作环境、分布电容大小等因素来确定。

3.印制导线的形状

印制导线的形状可分为平直均匀形、斜线均匀形、曲线均匀形及曲线非均匀形四类，如图1.2.10所示。

印制导线的图形除要考虑机械因素、电气因素外，还要考虑美观。所以在设计印制导线的图形时，应遵循以下原则。

（1）同一印制板的导线宽度（除地线外）最好一样。

（2）印制导线应走向平直，不应有急剧的弯曲和出现尖角，所有弯曲与过渡部分均须用圆弧连接，如图1.2.11所示。

（3）印制导线应尽可能避免有分支（或树枝），如图1.2.12（a）所示。建议采用如图1.2.12 （b）所示的图形。

（4）当导线宽度较大（一般超过3mm）时，最好在导线中间开槽成两根并行的连接线，如图1.2.13所示。

（5）如果印制板面需要有大面积的铜箔，如电路中的接地部分，则整个区域应镂空成栅状或网格状，如图1.2.14所示。这样在浸焊时既能迅速加热保证涂锡均匀，又能防止印制板因受热而变形，防止铜箔翘起和剥脱。