印刷電路板(PCB)基礎

2022-04-21 08:45:03

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電路設計的過程可以從開發(fā)一個小玩具到開發(fā)一個大型空間站。其他應用還可能包括娛樂、國防、通信、醫(yī)療、汽車、自動化等，涉及邏輯、記憶、控制和決策。設計者必須簡單地識別輸入和所需的輸出。
解決各種問題和需求需要明確電路設計的基本要求。設計一個復雜的電路從投資過程開始，識別產(chǎn)品開發(fā)的挑戰(zhàn)和設計生命周期，并考慮投資回報。
設計一個復雜的電路是挑戰(zhàn)的一個方面，而將電路設計轉(zhuǎn)化為 PCB 設計則是另一個方面。這種設計必須很好地轉(zhuǎn)化為物理形式，以便所需的電路形成。一個完美的 PCB 設計總是制造過程中成功的關鍵，而一個設計不當?shù)?PCB 導致時間和精力的浪費，返工和產(chǎn)品失敗。更糟糕的是，它可能最終毫無用處，而且其結果與現(xiàn)實世界的場景并不相關。
因此，一個 PCB 設計師除了要具備成百上千的元件和符合物理和電氣要求的痕跡的定位知識之外，還必須具備制造過程的良好知識。
PCB 設計師在設計 PCB 時，必須遵循面向組裝的設計(DFA)相關標準。這些標準是指該產(chǎn)品的成本和效率，并提供的風險，清晰度和簡化。對于獲得 DFA 的總體情況來說，甚至匯編器能力也很重要。

基板材料 fr4通常用于創(chuàng)建正常和復雜的 PCB 設計，而聚酰胺材料用于高速射頻能力設計。在決定基板材料的選擇時，設計師必須對 PCB 組件能夠承受的環(huán)境條件有深刻的理解。
復雜的 PCB 設計可能有一些特殊的裝配要求，如機械部件組裝，壓配件，粘合劑，線束，外殼組件，線束和測試點。因此，設計師必須考慮所有這些因素，以便能夠相應地組織元件的放置細節(jié)。
復雜的 PCB 設計需要一些額外的復雜工藝，包括插入焊盤(Via-in-Pad)、引線焊接、波峰焊接、板載 IC 編程、敷形涂料、表面處理等。這些要求不適用于一般的 PCB 設計。

所有 PCB 設計過程的設計概念都是相同的，但對于高速射頻能力而言，它們有所不同，因為這些設計必須考慮電阻、電感和電容，以及影響信號增加次數(shù)和阻抗從而限制上限頻率的跡線和介質(zhì)。
同樣，波峰焊接工藝的 PCB 設計規(guī)則在元器件方向和焊盤形狀的設計上也有所不同。獲得正確的墊形狀是主要關注細間距表面貼裝零件，而陰影是主要關注的零件定位。
產(chǎn)生雙面印刷電路板的原因是因為復雜元件如 BGA，CSP，QFP，DFN POP 在頂部的放置不會直接接觸到波。如果不可避免，那么包裹應該相對于波的傳播方向旋轉(zhuǎn)45度。
關于多氯聯(lián)苯設計性能和可及性的標準和規(guī)范包括 IPC-2221、 ipc-6011和 IPC-6012。許多 PCB 設計軟件應用程序(PCB 布局 SW)可以作為基于 windows 的軟件包，如 CAD SOFT、 Eagle PCB、 Novarm 的 DipTrace 等。
引言
雖然”印制電路板”是最常用的術語，但也可稱為”印制電路板”或”印制電路卡”。第一個 PCB 設計zhuanli開發(fā)于1903年。直到1946年，單面和雙面板作為非鍍通孔板繼續(xù)應用。此外，在1947年，開發(fā)了雙面通孔板，并從1960年起開發(fā)了多層工藝。
在印刷電路板出現(xiàn)之前，電路是通過點對點布線的艱苦過程來構建的。這導致了頻繁的故障，在線路接頭和短路時，線絕緣開始老化和裂紋。

一個顯著的進步是金屬絲纏繞的發(fā)展，一個小規(guī)格的金屬絲纏繞在每個連接點上，創(chuàng)造一個氣密連接，這是非常耐用和容易變化的。這項技術是唯一的選擇之前，印刷電路板出生。

印刷電路板
它是電子、電氣和機械部件的物理支撐和布線的基座。部件的機械支撐由板基提供，板基通過導電痕跡和焊盤電氣連接。這種電路板由帶有銅軌的基板組成，這些銅軌就像連接元件的導線一樣。這些組件是焊接到 PCB 上，以便他們是強烈的舉行。電路板上的絕緣層和銅層含有供電和接地的信號痕跡。

傳統(tǒng)上，元件安裝在最上層的孔中，這樣就可以穿過所有的層。這些后來被稱為通孔組件。隨著近乎普遍采用表面貼裝元件，一般可以發(fā)現(xiàn)組件安裝在兩個印刷電路板的頂部和底部層。
多氯聯(lián)苯分類
印刷電路板可按制造工序及基板材料分類，例如:

基于層即與層的數(shù)量相關

制造基材的種類，即有機或無機的

物理結構或設計，即剛性、柔性或半剛性

基于應用的導體圖案設計

無機堿、離散布線、添加劑、多線和線包等屬性隨著技術的全面進步而被完全淘汰。
在進入 PCB 分類的細節(jié)之前，讓我們先理解 PCB 術語。
多氯聯(lián)苯的結構和術語
將應用設計轉(zhuǎn)化為印刷電路板是一個復雜的工藝過程。在設計 PCB 的同時保持通孔、墊板和防護墊、接地和痕跡的標準是另一個復雜的工藝過程。印刷電路板的結構應該符合設計師的建議，如印刷電路板的尺寸，可能的軌道寬度，軌道之間間隙等。

任何制造作業(yè)訂單應提供關于墊板尺寸要求、通過要求、填充要求和原始尺寸的指導方針，以便這些技術規(guī)格得到考慮。例如，如果需要一個150密耳的軌道，一個100密耳的軌道和一個55密耳的軌道可以并排放置，并有5密耳的重疊，以獲得一個150密耳的軌道。
它們之間的痕跡和間距
痕跡是一條銅線，在 PCB 上的兩個或多個點之間進行電氣連接。微量攜帶電流。在 PCB 上放置痕跡的過程可以在基板表面進行電鍍或蝕刻以創(chuàng)建所需的圖案。蝕刻的方法在電子工業(yè)中最為常見。
PCB 上銅的厚度以盎司(盎司)/平方英尺為單位。一般來說，1盎司和1盎司銅是最常用的。較厚的銅多達6盎司是用于高電流和可靠性設計。
印刷電路板(PCB)版圖中的痕跡寬度、痕跡厚度、痕跡間距、信號痕跡布局、功率和地面痕跡以及布線等的設計都是基于設計計算和設計規(guī)則標準。那么，為什么會有這樣的計算呢？
軌跡寬度設計是基于單獨的載流能力和溫度電阻。對電流的阻力產(chǎn)生熱量，熱量被痕跡消散，這取決于表面積、氣流和焊料掩膜厚度。較寬的痕跡產(chǎn)生的熱量較少，容易散失。
道之間的間距，換句話說，電氣間隙是非常重要的。建議盡可能多地留出空間。軌跡間距和上跡寬的大小取決于流經(jīng)軌跡的電流和軌跡的溫升。
IPC 根據(jù)環(huán)境條件(不包括電壓)有一套關于間隙和間距的標準。通常情況下，信號跟蹤保持寬度，而功率跟蹤和地面跟蹤寬度較大，它們的間距可以在40μm-60μm 之間。邊緣間距部分對去膠工藝非常重要(建議間距為125密耳)。
防護墊
焊盤是小面積的銅片，用于連接零件的插腳。反墊意味著預先確定的形狀是從銅去除。
一般來說，在通孔周圍使用反焊盤將其與不需要連接的電源平面隔離開來。
接地
需要焊盤來焊接印刷電路板頂層或底層的元件，該印刷電路板被稱為接地。
墊的大小、形狀和尺寸取決于:
1. 正在使用的組件包的類型。
2. 用于裝配紙板的制造工藝。
根據(jù)工控機標準和設計規(guī)則，定義了 SMT 襯墊-導線長徑比、 THT 孔-導線長徑比、 THT 環(huán)形圈、封裝尺寸和節(jié)距。有時候制造商會定義他們的選擇。例如，BGA 焊盤的大小取決于表面光潔度。對于 HASL 表面光潔度，BGA 襯墊尺寸為12密耳(1密耳 = 0.001英寸)直徑，對于其他表面光潔度，10密耳直徑將保持不變。
通孔
通孔是連接 PCB 不同層的金屬片。它通過板上的孔將板的一邊連接到另一邊。PTH (電鍍通孔) ，微通孔和通孔在墊都屬于通孔類別。

通孔通過 PTH 在各層之間傳遞信號或功率。通過的大小取決于跟蹤寬度。有一些微通孔用于層之間稱為埋藏通孔，和外層和內(nèi)層之間稱為盲通孔，這是用于當高密度內(nèi)部連接要求。
單面多氯聯(lián)苯
單面印刷電路板只含有一層導電材料，最適合低密度設計。部件布置在一側(cè)，電路布置在另一側(cè)。在電路設計方面，電路板是有限制的，因為導電只發(fā)生在一邊，不允許交叉(導電)。每一行都必須有自己的路徑。
單面印制電路板是印制電路技術最基本的起點和出發(fā)點。它確實是一項發(fā)明的起點，因為它在工業(yè)上對低成本、大批量生產(chǎn)簡單電路起著重要作用。

單層多氯聯(lián)苯具有相對廣泛的應用領域，從電源供應，繼電器，傳感器和 LED 的計算器，打印機，咖啡機和電子玩具。然而，單面印刷電路板也有一些性能限制。
雙面多氯聯(lián)苯
它是最常見和廣泛使用的板類。雙層多氯聯(lián)苯有兩個導電層和痕跡，是放置在一個基板兩側(cè)，因此是組成部分。由于組件的復雜性和密度的增加，許多 PCB 需要使用兩面。

雙面電鍍通孔(PTH) PCB 是電子工業(yè)的通用工具。在鍍通孔，銅連接通過連接孔的權利，以對面的董事會。這些 PTH 連接或者在 PCB 兩側(cè)形成簡單的電氣連接(通孔) ，或者為含鉛元件提供電氣連接和機械支撐。這使得雙面 PTH 印制電路板的物理上更加堅固的項目，提供了更多的靈活性，設計師，低成本和減少板大小(增加電路密度)。
由于這些好處，雙面印刷電路板已涵蓋了廣泛的應用，包括電源供應，工業(yè)控制，控制繼電器，轉(zhuǎn)換器，UPS 系統(tǒng)，LED 照明，硬盤驅(qū)動器，打印機，移動電話系統(tǒng)，電源監(jiān)測，測試設備，放大器和交通系統(tǒng)。
多層多氯聯(lián)苯
顧名思義，它是一塊多于兩層、四層、六層、八層、三十五層甚至更多層的 PCB 板。雙層多氯聯(lián)苯的許多共同特征是:

有導電痕跡的兩個以上的層，層與層之間由絕緣材料隔開。

導電痕跡之間的層連接通過與層壓所需的過孔。

多層電路板的優(yōu)點是采用多層導電線和高密度鉆孔，體積相對較小，重量相對較輕。高密度線減少了元器件的空間，這意味著更可靠。由于有更多的電路層，它是靈活的 PCB 設計/布局。
多層多氯聯(lián)苯的優(yōu)點是:

高密度和高柔韌性

減少板的尺寸和重量

能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能，更好地處理干擾允許設計師產(chǎn)生非常密集和高度復雜的設計。
這些設計中的額外層經(jīng)常被用作動力飛機，為電路提供電力，同時也減少了設計中發(fā)出的電磁干擾。
基于上述優(yōu)點，多層印刷電路板被應用于技術要求高、精度要求高或空間要求較高的產(chǎn)品，如衛(wèi)星、計算機、 GPS 技術、服務器、數(shù)據(jù)存儲、信號傳輸、 x 射線設備、手持設備等。
然而，擁有這樣的板的缺點是高成本和測試困難。
多氯聯(lián)苯的種類
它指的是那些其基礎材料是一種固體材料，不能彎曲，例如，玻璃纖維。典型的多氯聯(lián)苯可以歸類為剛性，因為他們占大多數(shù)。
剛性彈性印刷電路板
它指的是板材采用柔性和剛性的組合。通過消除需要連接器和電纜之間的個別剛性部分，董事會的大小和整體系統(tǒng)的重量可以減少。這種工藝適用于手機、軍事、衛(wèi)星、醫(yī)療和汽車等領域的板材設計。

柔性多氯聯(lián)苯
這些電子電路是通過在柔性塑料基板上安裝電子器件而形成的。這些是理想的高和靈活的應用，如汽車，光盤驅(qū)動器，打印機等。然而，對于撓性電路來說，維修是不可能的。

鋁基印刷電路板

通常用于大功率應用，如大功率 LED 產(chǎn)品和開關電源，這些板提供最終解決方案的熱散熱和高水平的機械床墊。該設計保持大功率元件在重負荷下冷卻。

對 PCB 基板的基本認識
基底也稱為介電材料。它是一種夾在兩層 PCB 導電層之間的絕緣材料。當一個大于兩層的 PCB 被建造，一個樹脂浸漬布料材料，通常被稱為 PrePreg 被用作基板。

玻璃增強基板被稱為 FR4，它具有成本低、阻燃和防水的特點，是 PCB 制造商最常用的基板。

對于高頻電路板，即高速數(shù)字和無線電頻率設計，基板主要有三種類型:

氟-一種高成本的電介質(zhì)基板，用于頻率大于等于5千兆赫的產(chǎn)品。
聚苯乙烯樹脂
改性環(huán)氧樹脂-低價格，通常 fr4用于頻率范圍為1-10ghz 的產(chǎn)品。

聚酰亞胺是一種能夠在高溫環(huán)境中發(fā)揮作用的基材，具有很強的耐火性。這種基板是強烈推薦的航空航天應用，盡管其吸水性質(zhì)是一個缺點，這是不適合這種應用。
制作電路板
一個單面板是由一個剛性層壓板，組成的玻璃環(huán)氧基地材料與不同厚度的銅包一面。

雙面板是由同一類型的基礎材料與不同厚度的兩側(cè)包銅制成。預浸膠或預浸膠片作為“粘合劑”，把芯子粘在一起。我們可以使用許多種材料。我們使用 FR4——一種用環(huán)氧樹脂預浸的機織玻璃纖維布——在業(yè)界被稱為 b 級。

多層板是由相同的基礎材料與銅箔在頂部和底部和一個或多個“內(nèi)層”核心?！皩訑?shù)”對應的數(shù)量銅箔層。多層制造從選擇合適厚度的內(nèi)層芯或薄層材料開始。芯子的厚度可以從0.038“到0.005”不等，芯子的數(shù)量取決于板子的設計。

了解制作方法
銅膜-銅箔用于電路板通常是在片12盎司和1盎司每平方英尺的重量或0.0007和0.00134英寸名義厚度。

印刷電路板設計制造制作方法

第一步: 制作

步驟 # 2-剪切原料
工業(yè)標準0.059′厚度，兩側(cè)覆銅板，板材將被剪切以容納多塊板材。

步驟 # 3-鉆孔
通過使用數(shù)控機床和硬質(zhì)合金鉆頭，可以通過一堆面板(通常2至3高)打出各種尺寸的孔。位置是由董事會的設計師決定，以適應特定的組件。

步驟 # 4-化學鍍銅
一旦涂片被清除，一層薄的銅涂層就會以化學方式沉積在面板的所有外露表面，包括孔壁。這創(chuàng)建了一個金屬基地，為電鍍銅進入孔和表面?；瘜W鍍層的厚度在45-60微米英寸之間。

第五步-應用圖像
在面板上涂上感光干膜(平版抗蝕劑)。使用光源和膠片曝光面板。在膠片中清晰的區(qū)域允許光線通過并使板材抵抗變硬，從而創(chuàng)建電路圖案的圖像。

步驟 # 6-模板
采用電化學方法在孔中和微量區(qū)域沉積銅，表面鍍錫。

注意: 所有 PCB 表示板都是通過孔鍍。
步驟 # 7-剝離和蝕刻
顯影后的干膜抗蝕劑現(xiàn)在從面板上除去。鍍錫層不受影響。任何孔，所覆蓋的抵抗現(xiàn)在是開放的，將非鍍。這是常見短語“剝離-蝕刻-剝離”或“表面效應”過程中的第一步。

步驟 # 8-焊錫屏蔽
應用光敏環(huán)氧基油墨，將面板完全涂覆，然后干燥(但不固化)。使用與照片形成相同的方法，通過膠片工具將面板暴露在光源下。然后展開面板，暴露工藝品所定義的銅墊和孔。通常在烤箱中烘烤可以固化防焊膜。然而，一些制造商使用紅外線熱源。除焊盤外，在整塊電路板上涂上防焊膜。

步驟 # 9-焊料涂層: (HASL 完成)
將焊料浸入焊料槽中，將焊料涂在焊盤上。熱風刀從罐體中取出時使焊料水平。

步驟 # 10-命名法
應用白色字母標記使用絲網(wǎng)印刷工藝。

印刷電路板工藝表面光潔度類型
表面鍍層的設計是為了防止剩余裸露的銅的氧化，而焊接掩膜覆蓋了電路的大部分。
有幾種類型的表面處理廣為人知的熱空氣表面平整劑(HASL) ，無電鍍鎳浸金(ENIG) ，浸銀，有機可焊性防腐劑(OSP) ，電鍍金指，ENIG + OSP，ENIPIG 等。

撓性電路的組裝
磁通電路的制作有點像剛性印刷電路板與使用不同的基礎材料。彎曲 PCB 組裝只能發(fā)生在托盤的幫助下。對于 Flex 組裝制造過程，可以選擇以下選項。

聚酯軟釬焊(< 150 ° c)/聚酰胺軟釬焊(< 300 ° c)通常選擇在組裝前進行烘烤。
采用0.05 mm 銅18/18微米為基材的柔性電路結構，OSP、浸鎳、浸錫和浸銀是可選擇的焊接光潔劑。
為了防止翹曲和支持靈活的電路，在角落使用 Kapton 膠帶，壓敏低接觸磁帶，夾子和真空板是組裝過程的一般做法。
大會托盤和彎曲電路-熱救濟地區(qū)的基礎上托盤施加三角噸在回流。此外，如果使用蒸汽相導致自由回流，應考慮彎曲下的排水孔。
對于撓性電路存儲和烘焙，行業(yè)遵循 IPC 1601標準的指導方針。
電路板射頻技術
射頻/微波低頻帶使用的迅速發(fā)展迫使射頻/微波器件的密度增加，以實現(xiàn)更小、更快和更便宜的逐步升級的頻率。

射頻 PCB 是射頻技術的支柱，其設計十分復雜，需要綜合考慮各方面的因素。它驅(qū)動著衛(wèi)星通信系統(tǒng)、寬帶接入和光數(shù)據(jù)網(wǎng)絡。此外，越來越多的汽車、工業(yè)、軍事、國土安全、科學和醫(yī)療應用正在使用射頻技術來執(zhí)行檢測、測量和成像功能。
熱管理在射頻/微波電子器件的設計中起著非常重要的作用。在高頻應用中，特別是在放大高頻信號時，信號處理會產(chǎn)生大量熱量。射頻/微波器件的可靠性依賴于保持 PCB 的介電層的介電常數(shù)恒定。
邊緣電鍍
用電鍍封裝印刷電路板的邊緣可能需要提高高頻設計的電磁干擾屏蔽和改善電子系統(tǒng)的底盤接地

如果這個諧振腔是一個射頻/微波諧振腔，其頻率取決于諧振腔的大小，PCB 制造商必須嚴格控制諧振腔的 x、 y 和 z 尺寸。腔體設計可以應用于單個印刷電路板上不同深度的多個位置，也可以用于邊緣鍍層
摘要
影響精密電路性能的 PCB 效應包括泄漏電阻、痕量薄膜、通孔和接地面的紅外電壓降、雜散電容和介質(zhì)吸收等。另外，多氯聯(lián)苯有吸收大氣中水分的趨勢。一般來說，電路的靜態(tài)或直流操作，特別是在高頻率時。
另一個非常廣泛的 PCB 設計領域是接地的主題。接地是所有模擬和混合信號設計的一個問題區(qū)域。PCB 設計者從不將高頻、大電流電路與低頻、低電流敏感電路混合使用，并確保將地面分開。即使是模擬和數(shù)字部件也是物理和電氣上分開的，特別是它們的地面。
此外，優(yōu)異的性能，多氯聯(lián)苯必須具有熱穩(wěn)定性，抗氧化，酸，堿和其他化學試劑，如堿。它應該具有優(yōu)良的介電性能，不溶于水，焊接能力，可靠性和減少水分侵入的風險。