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解說印制電路板的設計基礎

發表時間：2016-08-24 11:30:26

解說印制電路板的設計基礎

1．印制電路的設計說明印制電路基材、結構尺寸、電氣、機電元件的實際位置及尺寸，印制導線的寬度、間距、焊接盤及通孔的直徑，印制接觸片的分配，互連電氣元器件的布線要求及為制定文件、制備照明底圖所提供的各種數據等各項工作統稱為印制電路設計。
2．印制電路板的特點和類型印制電路是指在絕緣基板的表面上按預定設計并用印制的方法所形成的印制導線和印制元器件系統。具有印制電路的絕緣基板（底板）稱之為印制電路板（簡稱印制板）。
目前，在電子設備中廣泛應用的印制電路板只有印制導線而很少有印制元器件。若在印制板上連接有元器件和某些機械結構件，且安裝、焊接和涂覆等裝配工序均已完成，則該印制電路板即稱之為印制裝配板。
當前，電子設備中廣泛應用小型元器件、晶體管和集成電路等都必須安裝在印制板上。特別是表面安裝元器件的應用更和印制電路板密不可分。
使用陜西印制電路板的電子設備可靠性高、一致性好和穩定性好；機械強度高、抗振動、抗沖擊性強；設備的體積小、重量輕；便于標準化、便于維修等。缺點是制造工藝較復雜，小批量生產經濟性差。

印制電路板按其結構可分為以下4種。
1)單面印制板在厚庋為1～2mm的絕緣基板的一個表面上敷有銅箔，并通過印制與腐蝕工藝將其制成印制電路。
2)雙面印制板在厚度為1～2mm的絕緣基板的兩個表面上敷有銅箔，并通過印制與腐蝕工藝將其制成雙面印制電路。
3)多層印制板在絕緣基板上制成三層以上印制GA4A4Z-T1電路的印制板稱為多層印制板。它是由幾層較薄的單面或雙面印制電路板（厚度在0.4mm以下）疊合而成。為了把夾在絕緣基板中間的印制導線引出，多層印制板上安裝元器件的孔必需金屬化處理，即在小孔內表面涂覆金屬層，使之與夾在絕緣層中的印制導線溝通。隨著集成電路規模的擴大，其引腳也日益增多，就會使單雙面的印制板面上可容納全部元器件而無法容納所有的導線，多層印制板可解決此問題。
4)撓性印制板其基材是軟性塑料（如聚酯和聚酰亞胺等），厚度為0.25～lmm。在其一面或兩面上覆以導電層以形成印制電路系統，多數還制成連接電路和其他的元器件相接。使用時將其彎成適合的形狀，用于內部空間緊湊的場合，如硬盤的磁頭電路和電子相機的控制電路。用作印制電路板的基材主要有環氧酚醛層壓紙板和環氧酚醛玻璃布層壓板兩種。前者價廉而性能較差，后者價格稍高但性能較好。
3．印制電路板的板面設計
1)設計印制電路板應先了解的條件
(1)擬設計印制電路板的電路原理圖，以及該電路所用元器件的型號、規格和封裝形式。
(2)各元器件對板面安排的特殊要求，如元器件的位置、頻率、電位、溫度、屏蔽和抗沖擊等要求。特別要注意發熱量大的元器件的位置安排。
(3)印制板的機械尺寸、在整機中的安裝位置和方法及電氣連接形式等。
2)基板的材質、板厚和板面尺寸根據印制電路板的耐溫要求、工作頻率和電位高低選定基板，并結合電路的復雜程度確定導電層的數目。印制板的外形一般為長方形，分為帶插頭和不帶插頭兩種。
3)印制電路網格應用以印制電路板機械輪廓線的左下方為坐標原點。為了保證印制電路板與在其上安裝的元器件之間的一致性，必須在印制板網絡的交點上連接或安裝。印制電路網格的間距為2.5mm。當需要更小的網絡時，應設輔助格。輔助格的問距為基本間距的1／4(0.625mm)或1／2(1.25mm).
4)元器件的安放根據電路圖、元器件的外形和封裝及布局要求，從輸入到輸出按順序逐級繪制。可先畫出草圖以大致定位。A面為元器件面，B面為焊接面。典型元器件法：以外形基本一致的多數元器件中選出典型元器件作為布局的基本單元，將其他元器件估算為相當于若干個典型元器件。元器件輪廓在板上的間距不小于1.5mm。如此算出整板上要排列多少個典型元器件，以及需要多大的板面尺寸。大元器件法：如電路原理圖中小電阻和小電容之類的元器件較少，可先測算大元器件如變壓器和集成電路等的面積，再放適當的余量決定板面面積。
4．印制電路板上的元器件布局與布線1)元器件布局的一般原則元器件通常布置在印制板的一面。此種布置便于加工、安裝和維修。對于單面板，元器件只能布置在沒有印制電路的一面，元器件的引線通過安裝孔焊接在印制導線的焊盤上。雙面板主要元器件也是安裝在板的一面，另一面可有一些小型的零件，一般為表面裝貼元件。在保證電路性能要求的前提下，元器件應平行或垂直于板面，并和主要板邊平行或垂直，且在板面上分布均勻整齊。
元器件一般不重疊安放，如果確實需要重疊，應采用結杓件加以固定。元器件布局的要點：元器件盡可能有規則地排列，以得到均勻的組裝密度。大功率元器件周圍不應布置熱敏元器件，和其他元器件要有足夠的距離。較重的元器件應安排在靠近印制電路板支承點處。
元器件排列的方向和疏密要有空氣對流。元器件宜按電路原理圖的順序成直線排列，力求緊湊以縮短印制導線長度。如果由于板面尺寸有限，或由于屏蔽要求而必須將電路分成幾塊時，應使每一塊印制板成為獨立的功能電路，以便于單獨調整、測試和維修。這時，應使每一塊印制板的引出線少。
為使印制板上元器件的相互影響和干擾小，高頻電路和低頻電路及高電位與低電位電路的元器件不能靠得太近。元器件排列方向與相鄰的印制導線應垂直交叉。電感和有磁心的元器件要注意磁場方向。線圈的軸線應垂直于印制板面，以求對其他零件的干擾小。
考慮元器件的散熱和相互之間的熱影響。發熱量大的元器件應放置在有利于散熱的位置上，如散熱孔附近。元器件的工作溫度高于40℃時應加散熱器。散熱器體積較小時可直接固定在元器件上，體積較大時應固定在底板上。在設計印制板時要考慮到散熱器的體積及溫度對周圍元器件的影響。
提高印制板的抗振和抗沖擊性能。要使板上的負荷分布合理以免產生過大的應力。對大而重的元器件盡可能布置在固定端附近，或加金屬結枸件固定。如果印制板比較狹長，則可考慮用加強筋加固。
2)印制板布線的一般原則低頻導線靠近印制板邊布置。將電源、濾波、控制等低頻和直流導線放在印制板的邊緣。公共地線應布置在板的邊緣。高頻線路放在板面的中間，可以減小高頻導線對地的分布電容，也便于板上的地線和機架相連。高電位導線和低電位導線應盡量遠離，好的布線使相鄰的導線間的電位差較小。布線時應使印制導線與印制板邊留有不小于板厚的距離，以便于安裝和提高絕緣性能。
避免長距離平行走線。印制電路板上的布線應短而直，減小平布線，必要時可以采用跨接線。雙面印制板兩面的導線應垂直交叉。高頻電路的印制導線長度和寬度宜小，導線間距要大。
不同的信號系統應分開。印制電路板上同時安裝模擬電路和數字電路時，宜將這兩種電路的地線系統完全分開，它們的供電系統也要完全分開。
采用恰當的接插形式，有接插件、插接端和導線引出等幾種形式。輸入電路的導線要遠離輸出電路的導線。引出線要相對集中設置。布線時使輸入輸出電路分列于印制板的兩邊，并用地線隔開。
設置地線。印制板上每級電路的地線一般應自成封閉回路，以保證每級電路的地電流主要在本地回路中流通，減小級間地電流耦合。在印制板附近右強磁場時，地線不能自成封閉回路，以免成為一個閉合線圈而引起感生電流。電路的工作頻率越高，地線應越寬，或采用大面積布銅。
5．印制導線的尺寸和圖形元器件的布局和布線方案確定后，就要具體地設計并繪制印制圖形了。
(1)印制導線的寬度。覆箔板銅箔的厚度為0.02～0.05mm。印制導線的寬度不同，其截面面積也不同。不同截面面積的導線在限定的溫升條件下，其載流量也不同。
因此，對于某覆箔板，印制導線的寬度取決于導線的載流量和允許溫升。印制板的工作溫度不能超過85℃。印制導線的寬度已標準化，建議采用0.5mm的整數倍。如有特別大的電流應另加導線解決。
(2)印制導線的間距。一般而言，導線間距等于導線寬度，但不小于Imm。對于微型設備，間距不小于0.4mm。具體設計時應考慮下述三個因素。
①低頻低壓電路的導線間距取決于焊接工藝。采用自動化焊接時間距要小些，手工操作時宜大些。
②高壓電路的導線間距取決于工作電壓和基板的抗電強度。
③高頻電路主要考慮分布電容對信號的影響。
印制導線的圖形，同一印制板上導線的寬度宜一致，地線可適當加。導線不應有急彎和尖角，轉彎和過渡部分宜用半徑不小于2mm的圓弧連接或用45。連線，且應避免分支線。
6．印制電路板的熱設計由于印制電路板基材的耐溫能力和導熱系數都比較低，銅箔的抗剝離強度隨工作溫度的升高而T降，所以印制電路板的工作溫度一般不能超過85℃。如果不采取措施，則過高的溫度導致印制電路板損壞，并導致焊點開裂。降溫的方法是采用對流散熱，可根據情況采用自然通風或強迫風冷。在設計印制板時可考慮采用以下幾種方法：均勻分布熱負載，零件裝散熱器，局部或全局強迫風冷。

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