原创 印制线路板的设计基础

印制线路板的设计基础

　　电子设计人员的电路设计思想最终要落实到实体，即做成印制线路板。印制线路板的基材及选用，组成电路各要素的物理特性，如过孔、槽、导线尺寸、焊盘、表面涂层等，是设计人员设计时要考虑的要素，这是设计出高质量的印制线路板的基础，也是印制线路板加工最关键的一环。

　　1 印制电路板用基材

　　1.1 刚性印制电路板用敷铜箔基材

　　⑴ 酚醛纸质层压板

　　酚醛纸质层压板可以分为不同等级。大多数等级能够在高达70℃~105℃温度下使用，长期再高于这种范围温度下工作可能回导致一些性能的降低(但这仍取决与基材的等级和厚度)，而且过热会引起炭化，在受影响的区域内，绝缘电阻可能会降至很低值。这样的热源是发热元件，在正常温度范围内，基材可能会发生严重的变黑现象(阳光也能使基材变黑，但不会引起材料性能的改变)。在高湿度环境下放置会使基材的绝缘电阻大幅度减小，然而当湿度降低时，绝缘电阻又会增加。

　　⑵ 环氧纸质层压板

　　与酚醛纸质层压板相比，环氧纸质层压板在电气性能和非电气性能方面都有较大的提高，有较好的机械加工性能和机械性能。根据材料的厚度，它的使用温度可达90℃~110℃。

　　⑶ 聚酯玻璃毡层压板

　　聚酯玻璃毡层压板的机械性能低于玻璃布基材料，但高于纸基材料。然而它具有很好的抗冲击性，并有好的电气性能，能够在很宽的频率范围内应用，即使在高湿度环境下，也能保持好的绝缘性能。它的使用温度可达到100℃~105℃。

　　⑷ 环氧玻璃布层压板

　　环氧玻璃布层压板的机械性能高于纸基材料，特别是弯曲强度，耐冲击性，翘曲度和耐焊接热冲击都比纸基材料好。这种材料的电气性能也很好，使用温度可达130℃，而且受恶环境(湿度)影响小。

　　1.2 挠性印制电路板用敷铜箔基材

　　⑴ 聚酯薄膜

      最常用的特性是可挠性，它的特点是加热时能够形成可收缩式线圈。假如使用合适的粘合剂，这种材料可以在80℃~130℃范围内使用。焊接时应特别注意，这种材料在焊接温度下容易产生软化和变形。它具有优良的电气性能，当被暴露在高湿度环境下时，依然能保持其良好的电气性能。

　　⑵ 聚酰亚胺薄膜

　　聚酰亚胺薄膜具有良好的可挠性，而且能够通过预热处理去除吸收的潮气，保证安全焊接。一般黏结型聚酰亚胺薄膜能够在高达150℃温度下连续工作，用氟化乙丙烯作为中间胶膜的特殊容接型聚酰亚胺薄膜并在250℃下使用，作为特殊用途的没有黏合剂的聚酰亚胺薄膜能够在更高的温度下使用。聚酰亚胺薄膜具有优良的电气性能，但可能会吸潮气而影响性能。

　　⑶ 氟化乙丙烯薄膜

　　氟化乙丙烯薄膜通常和聚酰亚胺或玻璃布结合在一起制成层压板，再不超过250℃的焊接温度下，具有良好的可挠性和稳定性。它也可以作为非支撑材料使用。氟化乙丙烯薄膜是热塑性材料，其融化温度为290℃左右。它具有良好的耐潮性、耐酸性、耐碱性和耐有机溶剂性。它主要的缺点是层压时在层压温度下导电图形易发生移动。

　　1.3 刚饶结合印制电路板

　　如果同一块印制电路板中即包括挠性部分又包括刚性部分，即刚性印制电路板使用的材料，挠性印制电路板使用的材料和多层印制电路板使用的材料可以结合在同一个结构中，但某些性能可能会因为所使用的黏合剂的不同发生显着改变。

　　2  过孔

　　板厚和孔经比最好应大于3:1，大的比值会使生产困难，成本增加。当过孔只用做贯穿连接或内层连接时，孔径公差，特别是最小孔径公差一般是不重要的，所以不用规定。由于导通孔内不插元件，所以它的孔径可以比元件空的孔径小。

　　当过孔作为元件孔时，过孔的最小孔径要适应元件或组装件的引脚尺寸。设计者要采用给出的标称孔径作为过孔的推荐值。过孔的最大孔径取决于镀层厚度和孔径的公差。规定孔的最小镀层厚度一般允许偏差(孔到孔)10%。推荐孔壁镀铜层的平均厚度不小于25μm(0.001in)，其最小厚度为15μm(0.0006in)。

　　3  导线尺寸

　　3.1 导线宽度

　　对于专门的设计或导电图形的布局，通常导线宽度应尽可能选择宽一些，至少要宽到足以承受所期望的电流负荷。

　　印制电路板上可得到的导线宽度的精度取决于生产因数，例如生产底板的精度、生产工艺(印制法、加成或减成工艺的使用、镀覆法、蚀刻质量)和导线厚度的均匀性等。规定的导线宽度，即包括设计宽度和允许的偏差，也包括所规定的最小线宽。缺口、针孔或边缘缺陷所造成的偏差，虽然不包括在这些偏差里，但也会出现。当这些缺陷引起的导线宽度减少不超过有关规范的一定值时，通常可以接受，这个值的范围为20%至35%。如果所要求的载流量很高，这些缺陷就必须考虑进去。

　　3.2 导线间距

　　相邻导线之间的间距必须足够宽，以满足电气安全的要求，而且为了便于操作和生产，间距应尽量宽些。选择的最小间距应适合所施加的电压。这个电压包括正常操作或发生故障时重复或偶尔产生的过电压或峰值电压。所以导线间距应符合所要采用的或规定的安全要求。

　　如果有关规范允许导线之间存在金属颗粒，则可能会减少有效的导线间距。在考虑电压问题时，任何由于导线之间存在金属颗粒而导致间距的减少都应予以考虑。

　　如果导线间距超过一定值时，将有利操作和生产。在些情况下，只规定最低限制就很容易满足实际要求。如果规定了导线宽度的最低限制，还要规定导线间距的最低限制。如导线间的金属颗粒缺陷存在，应增大规定的最小导线间距。所设计的内层导线或焊盘应距离板子边缘2mm以上。

　　4  焊盘尺寸

　　所有元件孔通过焊盘实现电气连接。为了便于维修，应确保与基板之间的牢固粘结，孔周围的焊盘应该尽可能大，并符合焊接要求。通常非过孔比过孔所要求的焊盘大。在有过孔的双面印制电路板上，每个导线端子的过孔应具有双面焊盘。当导通孔位于导线上时，在整体焊接过程中导通孔被焊料填充，因此不需要焊盘。设计工程师有责任即要确保孔周围的导线符合设计电流的要求，又要保证符合与生产有关的位置公差的工艺要求。当过孔位于导线上而无焊盘时，应向印制电路板生产方提供识别孔中心的方法。

　　为了便于进行整体焊接操作，应避免大面积的铜箔存在。并且要遵循设计原则，元件面和焊接面的焊盘最好对称式放置(相对于孔)。

　　5  金属镀(涂)覆层

　　金属镀(涂)覆层用以保护金属(铜)表面，保证其可焊性，还可以在一些加工过程中作为蚀刻液的抗蚀层(如在孔的加工过程)。金属镀(涂)覆层还可以作为连接器与印制电路板的接触面，或表面安装器件与印制电路板的接合层。

　　应根据印制电路板的用途选择一种适合导电图形使用的镀覆层。表面镀覆层的类型直接影响生产工艺、生产成本和印制电路板的性能。

　　6  印制接触片

　　在使用印制接触片时，应注意选用一种镀层，使其与匹配的对应触点上的镀层想适应。由于合适的镀层的选择与下面一些因数有关，但没有一般规律可循。印制金属片的接触表面应平滑，而且没有能够引起电气性能和机械性能等下降的缺陷。

　　7 非金属涂覆层

　　7.1. 非金属涂覆层

　　非金属涂覆材料用来保护印制电路板，另外，阻焊接区用来防止非焊接区导体的焊料润湿。

　　当涂覆过的组装件暴露在高湿度条件下时，不正确的清洗可能导致附着力降低。由于附着力的降低，涂覆层与基本的界面下开始出现分离点或碎屑，并且剥落(“侵蚀”)。

　　在使用任何涂覆层之前，最重要的是正确清洗印制电路板。如果印制电路板带有有机或无机污染，其绝缘电阻不能通过涂覆层得到提高。

　　如果不正确地选择和使用涂覆层，可能导致在高频下使用的印制电路板的阻燃性、绝缘电阻、电气性能等参数降低。

　　7.2 暂时性保护涂覆层

　　暂时性涂覆层可以用来保护导电图形的可焊性。通常，在那些不具有良好可焊性的金属表面涂覆层覆盖的导电图形上使用暂时性保护涂覆层，使其在必要的时间内保持良好的可焊性。

　　根据所使用的材料，暂时性保护涂覆层可以在焊接前去除，也可以作为焊剂。作为焊剂的暂时性保护涂覆层是树脂型，它可溶于焊剂溶剂。

　　过分地干燥和(或)长期存放，或过分加热(例如，在印制电路板进行气相焊时)，可能会导致某些树脂型涂覆层在某点发生固化，这时在涂覆焊剂和进行焊接之间的短暂时间里涂层不再充分溶解，从而降低焊接效果。

　　通常孔壁和焊盘交接处的树脂型涂覆层最薄。随着时间的延长，过孔在此处的可焊性可能比其他区域下降得快。

　　基于上述原因，涂覆层应与所实施的工艺相适应。例如对于干燥、涂焊剂、焊接和热熔方法，必须认真考虑。

　　7.3 暂时性阻焊剂

　　使用暂时性阻焊剂的涂覆层通常在焊接之前用网印涂覆。覆盖印制电路板的规定区域，以防止该区域导电图形的焊料润湿。例如：暂时性阻焊剂涂覆在有贵重金属的电路区，作为表面涂覆层。另外，这种涂覆层还可以保护涂覆区域在生产过程和存放过程中不受破坏。

　　在完成保护任务后，应去除暂时性阻焊剂，可以根据所使用的阻焊剂的类型，用剥离或用合适的溶剂浸泡。应该注意的是必须彻底去除暂时性涂覆层。

　　8  永久性保护涂覆层

　　永久性保护涂覆层可以提高或保持印制电路板的电气性能，例如印制电路板表面导线间的绝缘电阻和击穿电压。它们通常包含坚固的耐刻划材料，从而保护版面不受损坏。在正常的使用中，永久地保留在印制电路板上。

　　永久性保护涂覆层可以通过以下方式提高或保持印制电路板的电气性能：

　　⑴ 阻止潮气进入基材；

　　⑵ 防止导线间沉积污物(例如吸潮的污物)；

　　⑶ 作为导线间的绝缘材料；

　　⑷ 作为不需要焊接的过孔(导通孔)的孔内或表面的保护层。

　　这种涂层在焊接操作之前涂覆，用于覆盖印制电路板的规定区域，防止该区域的导电图形的焊料润湿。它与剥离型或冲洗型暂时性涂覆层不同，焊接操作后，永久性阻焊剂不能被去除，而是作为一种永久性保护涂层。当作为一种阻焊剂使用时，它应该具有除上述电气性能以外的充分的保护性能。

　　9  敷形涂层

　　敷形涂层是涂覆在印制电路板上或印制电路板组装件上的一种电绝缘材料，作为保护阻挡层阻挡环境中有害物质的影响。如果选择正确，使用恰当，敷形涂层将帮助保护组装件免受以下危害：潮气、灰尘和污物、空气中的杂质(如烟、化学气体)、导电颗粒(如金属片、金属屑)、跌落的工具、紧固件造成的偶然短路、磨损破坏、指纹、震动和冲击(达到某种程度)、霉菌增长。

　　所选择的敷形涂层树脂应满足以上要求和一些其他的次要要求，如透明度(涂覆后应可以辨认元件的值)和挠性(防止元件在高低温循环中被损坏)。

　　在一些情况下，某些漆用做永久性保护涂层。这种漆在焊接后涂覆，且通常只涂覆在焊接面上。

　　敷形涂层除具有保护性能外，还具有其他特殊的性能。例如，它们具有荧光性，有利于对覆盖范围进行目检。

　　使用敷形涂层树脂的一些局限性是：

　　① 敷形涂层膜对水蒸气具有可渗透性，不含防蚀填料(如铬酸盐)的配方将不能防止腐蚀，这种腐蚀是由于在涂覆过程中零件上涂覆了起电解作用的盐或零件表面俘获了盐而引起的。

　　② 敷形涂层膜对水具有可渗透性，随着膜的厚度的增加，绝缘电阻将减少。特别是元器件(例如集成电路)周围的树脂边缘。

　　③ 有机敷形涂层树脂用以填充导线间的间隙，会导致线间电容的显着改变。

　　④ 透明而具有可挠性的敷形涂层树脂，具有高的热膨胀系数，所以对某些元件可能产生提升力，导致焊点失效。

　　⑤ 用来提高电气性能的敷形涂层树脂，不含提高黏结力的黏结配方(如磷酸盐)，所以它们不能提供额外的与金属的黏结力，特别是与焊料的黏结力。

　　除了二甲苯涂层外，大多数敷形涂层树脂与有机涂料相似，在尖锐点上，元件边缘和导线边缘会出现针孔和薄点。

　　10 印制线路板的尺寸

　　注意避免不必要的过严的尺寸公差，否则会使生产困难，使成本增加。为了生产或检验，建议使用参考基准确定尺寸和定位图形的尺寸。如果印制电路板包括1个以上的图形，所有图形应使用相同的参考基准。参考基准最好由设计者规定。常用的方法是采用两条正交的线。

　　在某些情况下，各加工要素的位置可以要求使用1个以上的参考基准。这种情况可能会发生在非常大的板子上或具有两个或多个刚性区域的刚挠印制电路板上。参考基准之间的尺寸和公差取决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

　　原则上，印制电路板的外形可以为任意形状，但简单的形状更利于生产。

　　除非加工的数量证明一些专用生产方法是合算的，通常印制电路板的尺寸受生产设备和稳定性要求的限制。

　　印制电路板可达到的外形尺寸的公差通常与层压材料可达到的尺寸公差相同，因为所用基材公差相似。

　　10.2 制板的厚度

　　基材厚度、印制电路板厚度或印制电路板总厚度的要求应限于印制电路板规定的厚度控制区域。介质厚度定义为相邻导电层之间的测量最小距离。

　　当附加镀层、涂覆层、覆盖层或使用黏合剂时，总板厚会偏离覆金属箔基材的厚度要求，所有尺寸公差应尽可能宽松。

　　10.3 孔的尺寸

　　从经济角度考虑，在任何设计中，不同尺寸孔的数量应保持最少。

　　10.4 挠性印制电路板的弯曲

　　应使弯曲的区域尽量少。过孔和安装元件的区域不应设置在弯曲区。导线材料是轧制的且不能改变弯折线的方向，弯曲区的导线应垂直或斜向穿过弯折线。

　　弯曲半径应尽量大。允许的弯曲半径取决于导线厚度、基材厚度和挠性印制电路板成品的厚度。

　　导线应尽可能一挠性印制电路板结构的中心轴为对称线。

　　印制电路板的翘曲度与所用的材料、生产工艺、孔图、导电图形分布的均匀程度、印制电路板的尺寸和类型等有关。

　　11 印制线路板基板的选择

　　基板的作用，除了提供组装所需的架构外，也提供电源和电信号所需的引线和散热的功能。所以对于一个好的基板，要有以下功能：

　　① 足够的机械强度(附扭曲、振动和撞击等)；

　　② 能够承受组装工艺中的热处理和冲击；

　　③ 足够的平整度以适合自动化的组装工艺；

　　④ 能承受多次的返修(焊接)工作；

　　⑤ 适合PCB的制造工艺；

　　⑥ 良好的电气性能(如阻抗、介质常数等)。