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PCB(印制电路板)

PCB( Printed Circuit Board),中文名称为印制电路板,又称印刷线路板,是重要的电子部件,是电子元器件的支撑体,是电子元器件电气连接的载体。由于它是采用电子印刷术制作的,故被称为“印刷”电路板。 [1]

PCB(printed circuit board)即印制线路板,简称印制板,是电子工业的重要部件之一。几乎每种电子设备,小到电子手表、计算器,大到计算机、通信电子设备、军用武器系统,只要有集成电路等电子元件,为了使各个元件之间的电气互连,都要使用印制板。印制线路板由绝缘底板、连接导线和装配焊接电子元件的焊盘组成,具有导电线路和绝缘底板的双重作用。它可以代替复杂的布线,实现电路中各元件之间的电气连接,不仅简化了电子产品的装配、焊接工作,减少传统方式下的接线工作量,大大减轻工人的劳动强度;而且缩小了整机体积,降低产品成本,提高电子设备的质量和可靠性。印制线路板具有良好的产品一致性,它可以采用标准化设计,有利于在生产过程中实现机械化和自动化。同时,整块经过装配调试的印制线路板可以作为一个独立的备件,便于整机产品的互换与维修。目前,印制线路板已经极其广泛地应用在电子产品的生产制造中。 [2]

印制线路板最早使用的是纸基覆铜印制板。自半导体晶体管于20世纪50年代出现以来,对印制板的需求量急剧上升。特别是集成电路的迅速发展及广泛应用,使电子设备的体积越来越小,电路布线密度和难度越来越大,这就要求印制板要不断更新。目前印制板的品种已从单面板发展到双面板、多层板和挠性板;结构和质量也已发展到超高密度、微型化和高可靠性程度;新的设计方法、设计用品和制板材料、制板工艺不断涌现。近年来,各种计算机辅助设计(CAD)印制线路板的应用软件已经在行业内普及与推广,在专门化的印制板生产厂家中,机械化、自动化生产已经完全取代了手工操作。 [2]

PCB的创造者是奥地利人保罗爱斯勒( Paul eisler),1936年,他首先在收音机里采用了印刷电路板。1943年,美国人多将该技术运用于军用收音机,1948年,美国正式认可此发明可用于商业用途。自20世纪50年代中期起,印刷线路板才开始被广泛运用。印刷电路板几乎会出现在每一种电子设备当中。如果在某样设备中有电子零件,那么它们也都是镶在大小各异的PCB上。PCB的主要功能是使各种电子零组件形成预定电路的连接,起中继传输的作用,是电子产品的关键电子互连件,有“电子产品之母”之称。 [3]

PCB之所以能受到越来越广泛的应用,是因为它有很多独特的优点,大致如下: [2]

多年来,印制板的高密度一直能够随着集成电路集成度的提高和安装技术的进步而相应发展。 [2]

通过一系列检查、测试和老化试验等技术手段,可以保证PCB长期(使用期一般为20年)而可靠地工作。 [2]

对PCB的各种性能(电气、物理、化学、机械等)的要求,可以通过设计标准化、规范化等来实现。这样设计时间短、效率高。 [2]

PCB采用现代化管理,可实现标准化、规模(量)化、自动化生产,从而保证产品质量的一致性。 [2]

建立了比较完整的测试方法、测试标准,可以通过各种测试设备与仪器等来检测并鉴定PCB产品的合格性和使用寿命。 [2]

PCB产品既便于各种元件进行标准化组装,又可以进行自动化、规模化的批量生产。另外,将PCB与其他各种元件进行整体组装,还可形成更大的部件、系统,直至整机。 [2]

由于PCB产品与各种元件整体组装的部件是以标准化设计与规模化生产的,因而,这些部件也是标准化的。所以,一旦系统发生故障,可以快速、方便、灵活地进行更换,迅速恢复系统的工作。 [2]

PCB还有其他的一些优点,如使系统小型化、轻量化,信号传输高速化等。 [2]

PCB在电子设备中具有如下功能。 [4]

(1)提供集成电路等各种电子元器件固定、装配的机械支承,实现集成电路等各种电子元器件之间的布线和电气连接或电绝缘,提供所要求的电气特性。 [4]

(2)为自动焊接提供阻焊图形,为元器件插装、检查、维修提供识别字符和图形。 [4]

(3)电子设备采用印制板后,由于同类印制板的一致性,避免了人工接线的差错,并可实现电子元器件自动插装或贴装、自动焊锡、自动检测,保证了电子产品的质量,提高了劳动生产率、降低了成本,并便于维修。 [4]

(4)在高速或高频电路中为电路提供所需的电气特性、特性阻抗和电磁兼容特性。 [4]

(5)内部嵌入无源元器件的印制板,提供了一定的电气功能,简化了电子安装程序,提高了产品的可靠性。 [4]

(6)在大规模和超大规模的电子封装元器件中,为电子元器件小型化的芯片封装提供了有效的芯片载体。 [4]

根据电路层数分类:分为单面板、双面板和多层板。常见的多层板一般为4层板或6层板,复杂的多层板可达几十层。PCB板有以下三种主要的划分类型: [5]

单面板(Single-Sided Boards) 在最基本的PCB上,零件集中在其中一面,导线则集中在另一面上(有贴片元件时和导线为同一面,插件器件再另一面)。因为导线只出现在其中一面,所以这种PCB叫作单面板(Single-sided)。因为单面板在设计线路上有许多严格的限制(因为只有一面,布线间不能交叉而必须绕独自的路径),所以只有早期的电路才使用这类的板子。 [5]

双面板(Double-Sided Boards) 这种电路板的两面都有布线,不过要用上两面的导线,必须要在两面间有适当的电路连接才行。这种电路间的“桥梁”叫做导孔(via)。导孔是在PCB上,充满或涂上金属的小洞,它可以与两面的导线相连接。因为双面板的面积比单面板大了一倍,双面板解决了单面板中因为布线交错的难点(可以通过孔导通到另一面),它更适合用在比单面板更复杂的电路上。 [5]

多层板(Multi-Layer Boards) 为了增加可以布线的面积,多层板用上了更多单或双面的布线板。用一块双面作内层、二块单面作外层或二块双面作内层、二块单面作外层的印刷线路板,通过定位系统及绝缘粘结材料交替在一起且导电图形按设计要求进行互连的印刷线路板就成为四层、六层印刷电路板了,也称为多层印刷线路板。板子的层数并不代表有几层独立的布线层,在特殊情况下会加入空层来控制板厚,通常层数都是偶数,并且包含最外侧的两层。大部分的主机板都是4到8层的结构,不过技术上理论可以做到近100层的PCB板。大型的超级计算机大多使用相当多层的主机板,不过因为这类计算机已经可以用许多普通计算机的集群代替,超多层板已经渐渐不被使用了。因为PCB中的各层都紧密的结合,一般不太容易看出实际数目,不过如果仔细观察主机板,还是可以看出来。 [5]

分为刚性电路板和柔性电路板、软硬结合板。一般把下面第一幅图所示的PCB称为刚性(Rigid)PCB第二幅图图中的黄色连接线称为柔性(或扰性Flexible)PCB。刚性PCB与柔性PCB的直观上区别是柔性PCB是可以弯曲的。刚性PCB的常见厚度有0.2mm,0.4mm,0.6mm,0.8mm,1.0mm,1.2mm,1.6mm,2.0mm等。柔性PCB的常见厚度为0.2mm要焊零件的地方会在其背后加上加厚层加厚层的厚度0.2mm0.4mm不等。了解这些的目的是为了结构工师设计时提供给他们一个空间参考。刚性PCB的材料常见的包括酚醛纸质层压板环氧纸质层压板聚酯玻璃毡层压板环氧玻璃布层压板 柔性PCB的材料常见的包括聚酯薄膜聚酰亚胺薄膜氟化乙丙烯薄膜。 [6]

要使电子电路获得最佳性能,元器件的布局及导线的布设是很重要的。为了设计质量好、造价低的PCB.应遵循以下一般原则: [7]

首先,要考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过大,印制线条长,阻抗增加,抗噪声能力下降,成本也增加;过小,则散热不好,且邻近线条易受干扰。在确定PCB尺寸后,再确定特殊元件的位置。最后,根据电路的功能单元,对电路的全部元器件进行布局。 [7]

在确定特殊元件的位置时要遵守以下原则: [7]

①尽可能缩短高频元器件之间的连线,设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近,输入和输出元件应尽量远离。 [7]

②某些元器件或导线之间可能有较高的电位差,应加大它们之间的距离,以免放电引出意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。 [7]

③重量超过15 g的元器件、应当用支架加以固定,然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件,不宜装在印制板上,而应装在整机的机箱底板上,且应考虑散热问题。热敏元件应远离发热元件。 [7]

④对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。若是机内调节,应放在印制板上方便于调节的地方;若是机外调节,其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。 [7]

根据电路的功能单元,对电路的全部元器件进行布局时,要符合以下原则: [7]

①按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置,使布局便于信号流通,并使信号尽可能保持一致的方向。

②以每个功能电路的核心元件为中心,围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地拉剜在PCB上,尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。 [7]

③在高频下工作的电路,要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样,不但美观,而且装焊容易,易于批量生产。 [7]

④位于电路板边缘的元器件,离电路板边缘一般不小于2 mm。电路板的最佳形状为矩形。长宽比为3:2或4:3。电路板面尺寸大于200 mm150 mm时,应考虑电路板所受的机械强度。 [7]

其原则如下: [7]

①输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行。最好加线间地线,以免发生反馈耦合。 [7]

②印制板导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流过它们的电流值决定。 [7]

当铜箔厚度为0.05 mm、宽度为1~15 mm时,通过2 A的电流,温度不会高于3℃,因此导线宽度为1.5 mm可满足要求。对于集成电路,尤其是数字电路,通常选0.02~0.3 mm导线宽度。当然,只要允许,还是尽可能用宽线,尤其是电源线和地线。 [7]

导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。对于集成电路,尤其是数字电路,只要工艺允许,可使间距小至5~8 mm。 [7]

③印制导线拐弯处一般取圆弧形,而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。此外,尽量避免使用大面积铜箔,否则,长时间受热时,易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用大面积铜箔时,最好用栅格状,这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。 [7]

焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些。焊盘太大易形成虚焊。焊盘外径D一般不小于d+1.2 mm,其中d为引线孔径。对高密度的数字电路,焊盘最小直径可取d+1.0 mm。 [7]

常用的PCB设计软件的提供商有Altium、Cadence、Mentor等。其中Altium(前称Protel国际)公司先后推出的Protel 99 SE、Pi‘otel DXP、AltiumDesigner等在我国应用比较广泛,目前Altium Designer每年都有新版本发布,对于PCB设汁软件,学会使用一个,其余的学习起来就比较容易了,因为这类软件的功能都是很接近的。 [8]

按产业链上下游来分类,可以分为原材料、覆铜板、印刷电路板、电子产品应用等,其关系简单如下: [5]

玻纤布:玻纤布是覆铜板的原材料之一,由玻纤纱纺织而成,约占覆铜板成本的40%(厚板)或25%(薄板)。玻纤纱由硅砂等原料在窑中煅烧成液态,通过极细小的合金喷嘴拉成极细玻纤,再将几百根玻纤缠绞成玻纤纱。窑的建设投资巨大,一般需上亿资金,且一旦点火就必须24小时不间断生产,进入退出成本巨大。 [5]

铜箔:铜箔是占覆铜板成本比重最大的原材料,约占覆铜板成本的30%(厚板)或50%(薄板),因此铜的涨价是覆铜板涨价的主要驱动力。 [5]

覆铜板:覆铜板是以环氧树脂等为融合剂将玻纤布和铜箔压合在一起的产物,是印刷电路板的直接原材料,在经过刻蚀、电镀、多层板压合之后制成印刷电路板。 [5]


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