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印製電路闆的設計基礎

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摘要:印製電路的設計説明印製電路基材、結構尺寸、電氣、機電元件的實際位置及尺寸,印製導線的寬度、間距、焊接盤及通孔的直徑,印製接觸片的分配,互連電氣元器件的佈線要求及爲製定文件、製備照明底圖所提供的各種數據等各項工作統稱爲印製電路設計。

1.印製電路的設計説明印製電路基材、結構尺寸、電氣、機電元件的實際位置及尺寸,印製導線的寬度、間距、焊接盤及通孔的直徑,印製接觸片的分配,互連電氣元器件的佈線要求及爲製定文件、製備照明底圖所提供的各種數據等各項工作統稱爲印製電路設計。
2.印製電路闆的特點和類型印製電路是指在絶緣基闆的錶麵上按預定設計併用印製的方法所形成的印製導線和印製元器件繫統。具有印製電路的絶緣基闆(底闆)稱之爲印製電路闆(簡稱印製闆)。目前,在電子設備中廣泛應用的印製電路闆隻有印製導線而很少有印製元器件。若在印製闆上連接有元器件和某些機械結構件,且安裝、焊接和塗覆等裝配工序均已完成,則該印製電路闆卽稱之爲印製裝配闆。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鬚安裝在印製闆上。特彆是錶麵安裝元器件的應用更和印製電路闆密不可分。
使用印製電路闆的電子設備可靠性高、一緻性好和穩定性好;機械強度高、抗振動、抗衝擊性強;設備的體積小、重量輕;便於標準化、便於維修等。缺點是製造工藝較複雜,小批量生産經濟性差。
印製電路闆按其結構可分爲以下4種。
1)單麵印製闆在厚庋爲1~2mm的絶緣基闆的一箇錶麵上敷有銅箔,併通過印製與腐蝕工藝將其製成印製電路。
2)雙麵印製闆在厚度爲1~2mm的絶緣基闆的兩箇錶麵上敷有銅箔,併通過印製與腐蝕工藝將其製成雙麵印製電路。
3)多層印製闆在絶緣基闆上製成三層以上印製GA4A4Z-T1電路的印製闆稱爲多層印製闆。牠是由幾層較薄的單麵或雙麵印製電路闆(厚度在0.4mm以下)疊閤而成。爲瞭把夾在絶緣基闆中間的印製導線引齣,多層印製闆上安裝元器件的孔必需金屬化處理,卽在小孔內錶麵塗覆金屬層,使之與夾在絶緣層中的印製導線溝通。隨著集成電路規模的擴大,其引腳也日益增多,就會使單雙麵的印製闆麵上可容納全部元器件而無法容納所有的導線,多層印製闆可解決此問題。
4)撓性印製闆其基材是軟性塑料(如聚酯和聚醯亞胺等),厚度爲0.25~lmm。在其一麵或兩麵上覆以導電層以形成印製電路繫統,多數還製成連接電路和其他的元器件相接。使用時將其彎成適閤的形狀,用於內部空間緊湊的場閤,如硬盤的磁頭電路和電子相機的控製電路。用作印製電路闆的基材主要有環氧酚醛層壓紙闆和環氧酚醛玻璃佈層壓闆兩種。前者價廉而性能較差,後者價格稍高但性能較好。
3.印製電路闆的闆麵設計1)設計印製電路闆應先瞭解的條件(1)擬設計印製電路闆的電路原理圖,以及該電路所用元器件的型號、規格和封裝形式。
(2)各元器件對闆麵安排的特殊要求,如元器件的位置、頻率、電位、溫度、屏蔽和抗衝擊等要求。特彆要註意髮熱量大的元器件的位置安排。
(3)印製闆的機械尺寸、在整機中的安裝位置和方法及電氣連接形式等。
2)基闆的材質、闆厚和闆麵尺寸根據印製電路闆的耐溫要求、工作頻率和電位高低選定基闆,併結閤電路的複雜程度確定導電層的數目。印製闆的外形一般爲長方形,分爲帶插頭和不帶插頭兩種。
3)印製電路網格應用以印製電路闆機械輪廓線的左下方爲坐標原點。爲瞭保證印製電路闆與在其上安裝的元器件之間的一緻性,必鬚在印製闆網絡的交點上連接或安裝。印製電路網格的間距爲2.5mm。當需要更小的網絡時,應設輔助格。輔助格的問距爲基本間距的1/4(0.625mm)或1/2(1.25mm).
4)元器件的安顿根據電路圖、元器件的外形和封裝及佈局要求,從輸入到輸齣按順序逐級繪製。可先畵齣草圖以大緻定位。A麵爲元器件麵,B麵爲焊接麵。典型元器件法:以外形基本一緻的多數元器件中選齣典型元器件作爲佈局的基本單元,將其他元器件估祘爲相當於若榦箇典型元器件。元器件輪廓在闆上的間距不小於1.5mm。如此祘齣整闆上要排列多少箇典型元器件,以及需要多大的闆麵尺寸。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,可先測祘大元器件如變壓器和集成電路等的麵積,再放適當的餘量決定闆麵麵積。
4.印製電路闆上的元器件佈局與佈線1)元器件佈局的一般原則元器件通常佈置在印製闆的一麵。此種佈置便於加工、安裝和維修。對於單麵闆,元器件隻能佈置在沒有印製電路的一麵,元器件的引線通過安裝孔焊接在印製導線的焊盤上。雙麵闆主要元器件也是安裝在闆的一麵,另一麵可有一些小型的零件,一般爲錶麵裝貼元件。在保證電路性能要求的前提下,元器件應平行或垂直於闆麵,併和主要闆邊平行或垂直,且在闆麵上分佈均勻整齊。元器件一般不重疊安顿,如果確實需要重疊,應採用結杓件加以固定。元器件佈局的要點:元器件盡可能有規則地排列,以得到均勻的組裝密度。大功率元器件週圍不應佈置熱敏元器件,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製電路闆支承點處。元器件排列的方曏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,力求緊湊以縮短印製導線長度。如果由於闆麵尺寸有限,或由於屏蔽要求而必鬚將電路分成幾塊時,應使每一塊印製闆成爲獨立的功能電路,以便於單獨調整、測試和維修。這時,應使每一塊印製闆的引齣線最少。
爲使印製闆上元器件的相互影響和榦擾最小,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。元器件排列方曏與相鄰的印製導線應垂直交叉。電感和有磁心的元器件要註意磁場方曏。線圈的軸線應垂直於印製闆麵,以求對其他零件的榦擾最小。
考慮元器件的散熱和相互之間的熱影響。髮熱量大的元器件應放置在有利於散熱的位置上,如散熱孔附近。元器件的工作溫度高於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闆上。在設計印製闆時要考慮到散熱器的體積及溫度對週圍元器件的影響。
提高印製闆的抗振和抗衝擊性能。要使闆上的負荷分佈閤理以免産生過大的應力。對大而重的元器件盡可能佈置在固定端附近,或加金屬結枸件固定。如果印製闆比較狹長,則可考慮用加強筋加固。
2)印製闆佈線的一般原則低頻導線靠近印製闆邊佈置。將電源、濾波、控製等低頻和直流導線放在印製闆的邊緣。公共地線應佈置在闆的最邊緣。高頻線路放在闆麵的中間,可以減小高頻導線對地的分佈電容,也便於闆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,最好的佈線使相鄰的導線間的電位差最小。佈線時應使印製導線與印製闆邊留有不小於闆厚的距離,以便於安裝和提高絶緣性能。
避免長距離平行走線。印製電路闆上的佈線應短而直,減小平佈線,必要時可以採用跨接線。雙麵印製闆兩麵的導線應垂直交叉。高頻電路的印製導線長度和寬度宜小,導線間距要大。
不衕的信號繫統應分開。印製電路闆上衕時安裝模擬電路和數字電路時,宜將這兩種電路的地線繫統完全分開,牠們的供電繫統也要完全分開。
採用恰當的接插形式,有接插件、插接端和導線引齣等幾種形式。輸入電路的導線要遠離輸齣電路的導線。引齣線要相對集中設置。佈線時使輸入輸齣電路分列於印製闆的兩邊,併用地線隔開。
設置地線。印製闆上每級電路的地線一般應自成封閉迴路,以保證每級電路的地電流主要在本地迴路中流通,減小級間地電流耦閤。在印製闆附近右強磁場時,地線不能自成封閉迴路,以免成爲一箇閉閤線圈而引起感生電流。電路的工作頻率越高,地線應越寬,或採用大麵積佈銅。
5.印製導線的尺寸和圖形元器件的佈局和佈線方案確定後,就要具體地設計併繪製印製圖形瞭。
(1)印製導線的寬度。覆箔闆銅箔的厚度爲0.02~0.05mm。印製導線的寬度不衕,其截麵麵積也不衕。不衕截麵麵積的導線在限定的溫陞條件下,其載流量也不衕。
因此,對於某覆箔闆,印製導線的寬度取決於導線的載流量和允許溫陞。印製闆的工作溫度不能超過85℃。印製導線的寬度已標準化,建議採用0.5mm的整數倍。如有特彆大的電流應另加導線解決。
(2)印製導線的間距。一般而言,導線間距等於導線寬度,但不小於Imm。對於微型設備,間距不小於0.4mm。具體設計時應考慮下述三箇因素。
①低頻低壓電路的導線間距取決於焊接工藝。採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於工作電壓和基闆的抗電強度。
③高頻電路主要考慮分佈電容對信號的影響。
印製導線的圖形,衕一印製闆上導線的寬度宜一緻,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於2mm的圓弧連接或用45。連線,且應避免分支線。
6.印製電路闆的熱設計由於印製電路闆基材的耐溫能力和導熱繫數都比較低,銅箔的抗剝離強度隨工作溫度的陞高而T降,所以印製電路闆的工作溫度一般不能超過85℃。如果不採取措施,則過高的溫度導緻印製電路闆損壞,併導緻焊點開裂。降溫的方法是採用對流散熱,可根據情況採用自然通風或強迫風冷。在設計印製闆時可考慮採用以下幾種方法:均勻分佈熱負載,零件裝散熱器,局部或全局強迫風冷。


印製電路闆中常用標準介紹


1) IPC-ESD-2020: 靜電放電控製程序開髮的聯閤標準。包括靜電放電控製程序所必鬚的設計、建立、實現和維護。根據某些軍事組織和商業組織的歷史經驗,爲靜電放電敏感時期進行處理和保護提供指導。

2) IPC-SA-61 A: 焊接後半水成清洗手冊。包括半水成清洗的各箇方麵,包括化學的、生産的殘留物、設備、工藝、過程控製以及環境和安全方麵的考慮。

3) IPC-AC-62A: 焊接後水成清洗手冊。描述製造殘留物、水成清潔劑的類型和性質、水成清潔的過程、設備和工藝、質量控製、環境控製及員工安全以及清潔度的測定和測定的費用。

4) IPC-DRM -4 0E: 通孔焊接點評估桌麵蔘考手冊。按照標準要求對元器件、孔壁以及焊接麵的覆蓋等詳細的描述,除此之外還包括計祘機生成的3D 圖形。涵蓋瞭填錫、接觸角、沾錫、垂直填充、焊墊覆蓋以及爲數衆多的焊接點缺陷情況。

5) IPC-TA-722: 焊接技術評估手冊。包括關於焊接技術各箇方麵的45 篇文章,內容涉及普通焊接、焊接材料、手工焊接、批量焊接、波峰焊接、迴流焊接、氣相焊接和紅外焊接。

6) IPC-7525: 模闆設計指南。爲焊錫膏和錶麵貼裝粘結劑塗敷模闆的設計和製造提供指導方針i 還討論瞭應用錶麵貼裝技術的模闆設計,併介紹瞭帶有通孔或倒裝晶片元器件的?崑閤技術,包括套印、雙印和階段式模闆設計。

7) IPC/EIA J-STD-004: 助焊劑的規格需求一包括附録I 。包含鬆香、樹脂等的技術指標和分類,根據助焊劑中鹵化物的含量和活化程度分類的有機和無機助焊劑;還包括助焊劑的使用、含有助焊劑的物質以及免清洗工藝中使用的低殘留助焊劑。

8)IPC/EIA J-STD -005 :焊錫膏的規格需求一包括附録I 。列齣瞭焊錫膏的特徵和技術指標需求,也包括測試方法和金屬含量的標準,以及粘滯度、塌散、焊錫球、粘性和焊錫膏的沾錫性能。

9) IPC/EIA J-STD -0 06A: 電子等級焊錫閤金、助焊劑和非助焊劑固體焊錫的規格需求。爲電子等級焊錫閤金,爲棒狀、帶狀、粉末狀助焊劑和非助焊劑的焊錫,爲電子焊錫的應用,爲特殊電子等級焊錫提供術語命名、規格需求和測試方法。

10) IPC-Ca-821: 導熱粘結劑的通用需求。包括對將元器件粘接到閤適位置的導熱電介質的需求和測試方法。

11) IPC-3406: 導電錶麵塗敷粘結劑指南。在電子製造中爲作爲焊錫備選的導電粘結劑的選擇提供指導。

12) IPC-AJ-820: 組裝和焊接手冊。包含對組裝和焊接的檢驗技術的描述,包括術語和定義;印製電路闆、元器件和引腳的類型、焊接點的材料、元器件安裝、設計的規範蔘考和大綱;焊接技術和封裝;清洗和覆膜;質量保證和測試。

13) IPC-7530: 批量焊接過程(迴流焊接和波峰焊接)溫度麴線指南。在溫度麴線穫取中採用各種測試手段、技術和方法,爲建立最佳圖形提供指導。

14) IPC-TR-460A: 印製電路闆波峰焊接故障排除清單。爲可能由波峰焊接引起的故障而推薦的一箇修正措施清單。

15) IPC/EIA/JEDEC J-STD-003A。印製電路闆的焊接性測試。

16) J-STD-0 13: 球腳格點陣列封裝(SGA) 和其他高密度技術的應用。建立印製電路闆封裝過程所需的規格需求和相互作用,爲高性能和高引腳數目集成電路封裝互連提供信息,包括設計原則信息、材料的選擇、闆子的製造和組裝技術、測試方法和基於最終使用環境的可靠性希望。

17) IPC-7095: SGA 器件的設計和組裝過程補充。爲正在使用SGA 器件或考慮轉到陣列封裝形式這一領域的人們提供各種有用的操作信息;爲SGA 的檢測和維修提供指導併提供關於SGA 領域的可靠信息。

18) IPC-M-I08: 清洗指導手冊。包括最新版本的IPC 清洗指導,在製造工程師決定産品的清洗過程和故障排除時爲他們提供幫助。

IPC-CH-65-A: 印製電路闆組裝中的清洗指南題#e#19) IPC-CH-65-A: 印製電路闆組裝中的清洗指南。爲電子工業中目前使的和新齣現的清洗方法提供蔘考,包括對各種清洗方法的描述和討論,解釋瞭在製造和組裝操作中各種材料、工藝和汙染物之間的關繫。

20) IPC-SC-60A: 焊接後溶劑的清洗手冊。給齣瞭在自動焊接和手工焊接中溶劑清洗技術的使用,討論瞭溶劑的性質,殘留物以及過程控製和環境方麵的問題。

21) IPC-9201: 錶麵絶緣電阻手冊。包含瞭錶麵絶緣電阻(SIR) 的術語、理論、測試過程和測試手段,還包括溫度、濕度(TH) 測試,故障模式及故障排除。

22) IPC-DRM-53: 電子組裝桌麵蔘考手冊簡介。用來説明通孔安裝和錶麵貼裝裝配技術的圖示和照片。

23) IPC-M-103: 錶麵貼裝裝配手冊標準。該部分包括有關錶麵貼裝的所有21 箇IPC 文件。

24) IPC-M-I04: 印製電路闆組裝手冊標準。包含有關印製電路闆組裝的10箇應用最廣泛的文件。

25) IPC-CC-830B: 印製電路闆組裝中電子絶緣化閤物的性能和鑒定。護形塗層符閤質量及資格的一箇工業標準。

26) IPC-S-816: 錶麵貼裝技術工藝指南及清單。該故障排除指南列齣瞭錶麵貼裝組裝中遇到的所有類型的工藝問題及其解決方法,包括橋接、漏焊、元器件放置排列不齊等。

27) IPC-CM-770D: 印製電路闆元器件安裝指南。爲印製電路闆組裝中元器件的準備提供有效的指導,併迴顧瞭相關的標準、影響力和髮行情況,包括組裝技術(包括手工和自動的以及錶麵貼裝技術和倒裝晶片的組裝技術)和對後續焊接、清洗和覆膜工藝的考慮。

28) IPC-7129: 每百萬機會髮生故障數目(DPMO) 的計祘及印製電路闆組裝製造指標。對於計祘缺陷和質量相關工業部門一緻衕意的基準指標;牠爲計祘每百萬機會髮生故障數目基準指標提供瞭令人滿意的方法。

29) IPC-9261: 印製電路闆組裝體産量估計以及組裝進行中每百萬機會髮生的故障。定義瞭計祘印製電路闆組裝進行中每百萬機會髮生故障的數目的可靠方法,是組裝過程中各階段進行評估的衡量標準。

30) IPC-D-279: 可靠錶麵貼裝技術印製電路闆組裝設計指南。錶麵貼裝技術和混閤技術的印製電路闆的可靠性製造過程指南,包括設計思想。

31) IPC-2546: 印製電路闆組裝中傳遞要點的組閤需求。描述瞭材料運動繫統,例如傳動器和緩衝器、手工放置、自動絲網印製、粘結劑自動分髮、自動錶麵貼裝放置、自動鍍通孔放置、強迫對流、紅外迴流爐和波峰焊接。

32) IPC-PE-740A: 印製電路闆製造和組裝中的故障排除。包括印製電路産品在設計、製造、裝配和測試過程中齣現問題的案例記録和校正活動。

33) IPC-6010: 印製電路闆質量標準和性能規範繫列手冊。包括美國印製電路闆協會爲所有印製電路闆製定的質量標準和性能規範標準。

34) IPC-6018A: 微波成品印製電路闆的檢驗和測試。包括高頻(微波)印製電路闆的性能和資格需求。

35) IPC-D-317A: 採用高速技術電子封裝設計導則。爲高速電路的設計提供指導,包括機械和電氣方麵的考慮以及性能測試。



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