印制電路板的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

1．印制電路的設(shè)計(jì)說明印制電路基材、結(jié)構(gòu)尺寸、電氣、機(jī)電元件的實(shí)際位置及尺寸，印制導(dǎo)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(shù)據(jù)等各項(xiàng)工作統(tǒng)稱為印制電路設(shè)計(jì)。

2．印制電路板的特點(diǎn)和類型印制電路是指在絕緣基板的表面上按預(yù)定設(shè)計(jì)并用印制的方法所形成的印制導(dǎo)線和印制元器件系統(tǒng)。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(shè)備中廣泛應(yīng)用的印制電路板只有印制導(dǎo)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(jī)械結(jié)構(gòu)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(dāng)前，電子設(shè)備中廣泛應(yīng)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(yīng)用更和印制電路板密不可分。

使用印制電路板的電子設(shè)備可靠性高、一致性好和穩(wěn)定性好；機(jī)械強(qiáng)度高、抗振動(dòng)、抗沖擊性強(qiáng)；設(shè)備的體積小、重量輕；便于標(biāo)準(zhǔn)化、便于維修等。缺點(diǎn)是制造工藝較復(fù)雜，小批量生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性差。

印制電路板按其結(jié)構(gòu)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(gè)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(gè)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(dǎo)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(nèi)表面涂覆金屬層，使之與夾在絕緣層中的印制導(dǎo)線溝通。隨著集成電路規(guī)模的擴(kuò)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(dǎo)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(dǎo)電層以形成印制電路系統(tǒng)，多數(shù)還制成連接電路和其他的元器件相接。使用時(shí)將其彎成適合的形狀，用于內(nèi)部空間緊湊的場合，如硬盤的磁頭電路和電子相機(jī)的控制電路。用作印制電路板的基材主要有環(huán)氧酚醛層壓紙板和環(huán)氧酚醛玻璃布層壓板兩種。前者價(jià)廉而性能較差，后者價(jià)格稍高但性能較好。

3．印制電路板的板面設(shè)計(jì)1)設(shè)計(jì)印制電路板應(yīng)先了解的條件(1)擬設(shè)計(jì)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(guī)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(fā)熱量大的元器件的位置安排。

(3)印制板的機(jī)械尺寸、在整機(jī)中的安裝位置和方法及電氣連接形式等。

2)基板的材質(zhì)、板厚和板面尺寸根據(jù)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(jié)合電路的復(fù)雜程度確定導(dǎo)電層的數(shù)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(wǎng)格應(yīng)用以印制電路板機(jī)械輪廓線的左下方為坐標(biāo)原點(diǎn)。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(wǎng)絡(luò)的交點(diǎn)上連接或安裝。印制電路網(wǎng)格的間距為2.5mm。當(dāng)需要更小的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，應(yīng)設(shè)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(jù)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?？上犬嫵霾輬D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(shù)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(dāng)于若干個(gè)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(gè)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(dāng)?shù)挠嗔繘Q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(dǎo)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(yīng)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(shí)需要重疊，應(yīng)采用結(jié)杓件加以固定。元器件布局的要點(diǎn)：元器件盡可能有規(guī)則地排列，以得到均勻的組裝密度。大功率元器件周圍不應(yīng)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(yīng)安排在靠近印制電路板支承點(diǎn)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(dǎo)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(shí)，應(yīng)使每一塊印制板成為獨(dú)立的功能電路，以便于單獨(dú)調(diào)整、測試和維修。這時(shí)，應(yīng)使每一塊印制板的引出線最少。

為使印制板上元器件的相互影響和干擾最小，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(dǎo)線應(yīng)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(yīng)垂直于印制板面，以求對其他零件的干擾最小。

考慮元器件的散熱和相互之間的熱影響。發(fā)熱量大的元器件應(yīng)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(shí)應(yīng)加散熱器。散熱器體積較小時(shí)可直接固定在元器件上，體積較大時(shí)應(yīng)固定在底板上。在設(shè)計(jì)印制板時(shí)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(fù)荷分布合理以免產(chǎn)生過大的應(yīng)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(jié)枸件固定。如果印制板比較狹長，則可考慮用加強(qiáng)筋加固。

2)印制板布線的一般原則低頻導(dǎo)線靠近印制板邊布置。將電源、濾波、控制等低頻和直流導(dǎo)線放在印制板的邊緣。公共地線應(yīng)布置在板的最邊緣。高頻線路放在板面的中間，可以減小高頻導(dǎo)線對地的分布電容，也便于板上的地線和機(jī)架相連。高電位導(dǎo)線和低電位導(dǎo)線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離，最好的布線使相鄰的導(dǎo)線間的電位差最小。布線時(shí)應(yīng)使印制導(dǎo)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(yīng)短而直，減小平布線，必要時(shí)可以采用跨接線。雙面印制板兩面的導(dǎo)線應(yīng)垂直交叉。高頻電路的印制導(dǎo)線長度和寬度宜小，導(dǎo)線間距要大。

不同的信號系統(tǒng)應(yīng)分開。印制電路板上同時(shí)安裝模擬電路和數(shù)字電路時(shí)，宜將這兩種電路的地線系統(tǒng)完全分開，它們的供電系統(tǒng)也要完全分開。

采用恰當(dāng)?shù)慕硬逍问?，有接插件、插接端和?dǎo)線引出等幾種形式。輸入電路的導(dǎo)線要遠(yuǎn)離輸出電路的導(dǎo)線。引出線要相對集中設(shè)置。布線時(shí)使輸入輸出電路分列于印制板的兩邊，并用地線隔開。

設(shè)置地線。印制板上每級電路的地線一般應(yīng)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(qiáng)磁場時(shí)，地線不能自成封閉回路，以免成為一個(gè)閉合線圈而引起感生電流。電路的工作頻率越高，地線應(yīng)越寬，或采用大面積布銅。

5．印制導(dǎo)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(shè)計(jì)并繪制印制圖形了。

(1)印制導(dǎo)線的寬度。覆箔板銅箔的厚度為0.02～0.05mm。印制導(dǎo)線的寬度不同，其截面面積也不同。不同截面面積的導(dǎo)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(dǎo)線的寬度取決于導(dǎo)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(dǎo)線的寬度已標(biāo)準(zhǔn)化，建議采用0.5mm的整數(shù)倍。如有特別大的電流應(yīng)另加導(dǎo)線解決。

(2)印制導(dǎo)線的間距。一般而言，導(dǎo)線間距等于導(dǎo)線寬度，但不小于Imm。對于微型設(shè)備，間距不小于0.4mm。具體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮下述三個(gè)因素。

①低頻低壓電路的導(dǎo)線間距取決于焊接工藝。采用自動(dòng)化焊接時(shí)間距要小些，手工操作時(shí)宜大些。

②高壓電路的導(dǎo)線間距取決于工作電壓和基板的抗電強(qiáng)度。

③高頻電路主要考慮分布電容對信號的影響。

印制導(dǎo)線的圖形，同一印制板上導(dǎo)線的寬度宜一致，地線可適當(dāng)加。導(dǎo)線不應(yīng)有急彎和尖角，轉(zhuǎn)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(yīng)避免分支線。

6．印制電路板的熱設(shè)計(jì)由于印制電路板基材的耐溫能力和導(dǎo)熱系數(shù)都比較低，銅箔的抗剝離強(qiáng)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(dǎo)致印制電路板損壞，并導(dǎo)致焊點(diǎn)開裂。降溫的方法是采用對流散熱，可根據(jù)情況采用自然通風(fēng)或強(qiáng)迫風(fēng)冷。在設(shè)計(jì)印制板時(shí)可考慮采用以下幾種方法：均勻分布熱負(fù)載，零件裝散熱器，局部或全局強(qiáng)迫風(fēng)冷。