第 11 章印制电路的设计与制作

第11章印制电路的设计与制作 11.1 覆铜板一、覆铜板的结构 • 覆铜板是把一定厚度的铜箔通过粘接剂热压在一定厚度的绝缘基板上而构成。它通常分为单面板和双面板两种（在目前使用的表面安装元器件中，覆铜板可有多种形式，如单层板和多层板等）。

1．铜箔 （1）选用铜箔的依据 • 当金属箔用于印制线路板时，必须具有较高的导电率、良好的焊接性能和延展性能、以及与绝缘基板牢固的附着力等。 • 铜在所有金属中是比较符合要求的。铝虽然价格便宜，且易贴附到绝缘基板上，但焊接非常困难，故不能采用。纯镍或铜镍合金，虽然焊接性能较好，但电气性能较差（特别是导电性和电阻方面）。镍一铁一铝材料虽焊接性能和附着力均好（镍帮助焊接，铁起热转换作用，铝为结合层），但成本太高，腐蚀困难。因此，也不能采用。

（2）铜箔的类型 • 印制板所采用的铜箔一般有压延铜箔和电解铜箔两种。 • 压延铜箔是将铜板碾压而成，其规格为： • 外观：连续成卷，表面不得有砂眼、凹隙、轧皱等。 • 厚度：0.050.005mm • 纯度：不小于99.7 • 电解铜箔是通过电解法制造。即将一光亮不锈钢的鼓形电极置于硫酸铜电解槽中滚动，铜便会在鼓形电极上电解析出。铜箔和鼓形极接触的一面很光亮，其反而较粗糙。其规格为： • 外观：连续成卷，表面光洁，不得有明显的氧化斑迹，磨迹及刻印等。 • 厚度：0.050.005mm • 电阻率：不大0.02Ωmm2/m • 纯度：不小于99.9% • 强度：抗拉强度不小于15kg/cm2 • 长度：一般不小于100m

（3）铜箔的厚度 • 铜箔的厚度要适中。铜箔越厚，抗剥能力越强，即越可靠。但给铜箔的腐蚀和打眼造成一定困难。部分国家关于铜箔厚度的规定见表11-1。 • 表11-1 铜箔厚度的规定

2、粘接剂 • 粘接剂采用聚乙烯醇缩醛胶（如JSF-4胶），用乙醇作溶剂。该胶用聚乙烯醇缩丁醛加入酒精和酚醛树脂组成。粘合力强，冲击性能好，能耐大气腐蚀，但耐热性不高，适用于粘合各种材料，如金属、玻璃、塑料等。 • 在制作环氧酚醛覆铜板时，铜箔一面涂上JSF-4胶，然后同绝缘基板一起加热加压成型。 • 在制作酚醛纸质覆铜板时，铜箔两面都不涂胶，而在铜箔和基板材料间放一张浸渍了JSF-4胶的玻璃丝布（半固化），然后再一起加热加压，铜箔和酚醛板材即可粘合在一起。

3．绝缘基板 • （1）绝缘基板的组成 • 绝缘基板由两部分组成，一部分是高分子合成树脂，它是基板的主要成份，决定电气性能。另一部分是增强材料，主要用于提高机械性能。 • （2）增强材料的类型 • 增强材料主要分为布质（编织物）增强材料和纸质增强材料。纸质增强材料包括牛皮纸、亚硫酸盐纸、α纤维素纸和棉花（废布）纸。

（3）合成树脂的类型 • 合成树脂主要分为热固性合成树脂和热塑性树脂两种。 • 热固性合成树脂包括酚醛树脂、环氧树脂、三氯氰胺树脂和有机硅树脂。 • 热塑性树脂包括聚乙烯、线链型聚酯树脂和氟树脂。 • 酚醛树脂纸质绝缘基板价格低廉，机械性能和电气性能均可，主要用于民用设备。缺点是易吸水，吸水后电气性能降低，工作温度不超过100℃，在恶劣环境中不适宜采用。 • 环氧树脂绝缘基板对各种材料有良好的粘合性，硬化收缩小，能耐化学药品、溶济和油类，电气绝缘性能好，是印制电路绝缘基板中的优质材料，一般用于军品或高靠性场合。 • 三氯氰胺绝缘基板抗热性能、电气性能均较好，但较脆。国外常用来作平面印制电路板的材料。表面很硬，耐磨性很好，介质损耗小，适用于军工或特殊电子仪器。 • 有机硅树脂绝缘基板抗热性能特别好，介质损耗小，但铜箔和基板的附着力不大。

二、覆铜板的类型 • 根据国际《印制电路用覆铜箔酚醛纸层压板》（GB4723-84）规定，覆铜板的型号及特性见表11-2。 • 表11-2 覆铜板型号及特性

三、覆铜板的性能参数 • 1．抗弯强度 • 抗弯强度表示材料能承受弯曲、冲击、振动的能力，以单位面积受的力来计算，单位为kg/cm2（英美国家为磅/ 平方英寸）。 • 2．抗剥强度 • 抗剥强度是指在覆铜板上，剥开1cm宽度的铜箔所需要的力，用kg/cm来表示。它用来衡量铜箔与基板之间的结合力。 • 3．耐热性能 • 耐热性能是指材料能够长期工作，而不引起性能降低所承受的的最高温度。

4．吸水性 • 吸水性主要用来考虑潮湿环境对敷铜板电气性能的影响。 • 5．翘曲度 • 翘曲度用来衡量板材的翘曲程度，双面印制电路板的翘曲度比单面的好，厚的比薄的好。 • 6．介电常数 • 当双面板的两面各印制出一定面积的铜箔时，利用中间的绝缘基板作为介质就组成了一个电容器。介电常数不同，电容量不同。 • 表11-3 绝缘基板的介电常数（腐蚀铜箔之后）

7．损耗因素 • 损耗因素表示绝缘板材作为印制电容器的介质时，或者在覆铜板上所印制线圈时，在绝缘介质上的功率损耗。一般用介质损耗角正切tgδ表示. • 8．表面电阻和体积电阻 • 表面电阻与体积电阻用于衡量绝缘基板的绝缘性能。随着温湿度的升高，材料的绝缘电阻降低。 • 国标（GB4723-84）给出了不同型号覆铜板的电气性能。分别见表11-4（a）和表11-4（b） • 表11-4（a）不同型号覆铜板的电性能

四、覆铜板的厚度 • 根据国标GB4723-84规定，覆铜板的厚度见表11-5所示。

五、覆铜板的大小 • 根据国际GB4723-84规定，覆铜板的推荐标称面积应符合表11-6的规定。

11.2 印制电路排版设计前的准备 • 印制电路设计的主要任务为排版设计。但排版前必须考虑如下内容：覆铜板的板材、规格、尺寸、形状、对外连接方式等，这些工作称为排版前的准备工作。

一、设计前的一般考虑 1．可靠性 • 印制电路板的可靠性是影响电子设备可靠性的一个重要因素。影响印制电路板可靠性的因素很多，有基材方面的，也有工艺方面的。单从设计角度考虑，则影响印制电路板可靠性的因素，首先是印制板的层数。长期使用印制电路板的经验证明，单面板和双面板能很好地满足电气性能的要求，可靠性较高。随着层数的增多，可靠性会降低。但在计算机系统中，从抗干扰方面考虑，增加一层地线层还是很有必要的（它既便于布线，又有层间屏蔽作用）。

2．工艺性 • 印制电路板的制造工艺尽可能简单。一般来说，制造层数少而强度高的印制电路板比制造层数较多而密度较低的印制电路板要困难得多。一般在金属孔互连工艺比较成熟的条件下，宁可设计层数较多、导线和间距较宽的印制电路板，而不要设计层数少、布线密度很高的印制电路板。这正和可靠性的要求是相矛盾的。 3．经济性 • 印制电路板的经济性与其制造工艺、方法直接相关。复杂的工艺必然增加制造费用。所以，在设计印制电路板时，应考虑和通用的制造工艺、方法相适应。此外，应尽可能采用标准的尺寸结构，选用合适的基板材料，运用巧妙的设计技术来降低成本。

二、板材、板厚、形状、尺寸的确定 1．板材的确定 • 常用的覆铜板有酚醛纸板、酚醛玻璃布板，环氧玻璃布板等。不同的板材，其机械性能与电气性能有很大差别，故应仔细选择。 • 选择板材的依据是整机的性能要求、使用尺寸、整机价格等。选择时要统筹考虑，既要了解覆铜板的性能指标，又要熟悉电子产品的特点，以获得良好的性能价格比 2．印制电路板形状的选择 • 印制电路板的形状通常由整机的外形确定，一般采用长宽比例不太悬殊的长方形。它可以大大简化成形加工，节省板材。在一些批量生产中，为了降低线路板的制作成本，提高线路板的自动装焊率，常把两、三块面积小的印制电路板和主印制电路板共同设计成一个整矩形。待装焊后沿工艺孔掰开，分别装在整机的不同部位上。

3．印制电路板的尺寸的选择 • 选择印制电路板的尺寸选择要考虑整机的内部结构及印制电路板上元器件的数量及尺寸。板上元器件排列彼此间要留有一定的间隔。特别是在高压电路中，更要注意留有足够的间距。在考虑元器件所占面积的同时，还要考虑发热元器件所需散热片的尺寸。在确定了板的面积后，四周还应留出5~10mm（单边），以便于印制电路板在整机中的固定。 • 4．板厚的确定 • 根据国标GB2473-84规定，覆铜板的标称厚度有0.2，0.5，0.8，1.0，1.2，1.6，2.0，2.4，3.2，6.4，0.7，1.5mm等多种。在确定板厚时，主要考虑以下因素。 • （1）当印制板对外通过直接式插座连接时，过厚插不进去，过薄接触不良。一般应选1.5mm左右。 • （2）要考虑板的尺寸、板上元器件的体积、重量等。板的尺寸及元器件重量过大，都应适当增加板厚，否则容易产生翘曲。

三、印制电路板对外连接方式的选择 • 1．导线焊接方式 • 导线焊接方式是指用导线将印制电路板上的对外连接点与板外元器件或其他部件直接焊接，不需要任何接插件。其优点是成本低、可靠性高，避免了因接触不良而造成的故障。缺点是维修不方便。常用于对外连接较少的场合。 • 采用导线焊接方式时，应注意以下几点： • （1）印制电路板的对外焊点应尽可能引至整板的边缘，并按一定尺寸排列，以利于焊接和维修。 • （2）引线应通过印制电路板上的穿线孔从电路板的元件面穿过，再进行焊接，避免将导线拽掉。 • （3）将导线排列或捆扎整齐，用线卡或其它紧固件将线与板固定，避免导线因移动而折断。

2．接插件连接方式 • 接插件连接是指通过插座将印制电路板上对外连接点与板外元器件进行连接。其优点是调试方便，缺点是因接触点多，可靠性较差。 • 接插件连接方式中。使用最多的是印制电路板插座形式，即把印制电路板的一端做成插头。插头部分按插座尺寸、接点数、接点距离、定位孔位置等进行设计。设计中应严格控制引线间的距离，保证与插座的引线间距一致。同时，引线部分需进行镀金处理，以提高耐磨性，减小接触电阻。其优点是装配简单，维修方便。缺点是可靠性差，常因插头部分氧化或插座簧片老化等，而接触不良。

11.3 印制板上的干扰及抑制 一、地线布置引起的干扰 • 任何电路都存在自身的接地点，接地点在电位的概念中表示零电位。但印制电路板上的地线并不能保证是绝对零电位，往往存在一定的值。虽然电位可能很小，但由于电路中的放大作用，这小小的电位就可能成为产生影响电路性能的干扰源。

电路Ⅰ和电路Ⅱ共用地线AB段。从理论上讲，A、B点电位相同，均为零电位。但实际上，A、B两点间因有导线存在，故存在一定的阻抗。如印制导线AB长为10cm，宽为1.5mm，铜箔厚度为0.05cm，根据材料电阻的计算公式：电路Ⅰ和电路Ⅱ共用地线AB段。从理论上讲，A、B点电位相同，均为零电位。但实际上，A、B两点间因有导线存在，故存在一定的阻抗。如印制导线AB长为10cm，宽为1.5mm，铜箔厚度为0.05cm，根据材料电阻的计算公式： • 可求得该段铜箔的电阻为： I1 I2 电路Ⅰ 电路Ⅱ A I1+I2 B 图11-1 地线产生干扰

虽然此电阻较小，但当有大电流通过时，就会产生一定的压降，此电压经放大后便成为影响电路性能的干扰信号。 • 减小地线干扰的措施是尽量避免不同回路的电流同时流经某一段共用地线。特别是高频电路和大电流回路更要讲究地线的接法。在地线布设中，首先要处理好各级的内部接地，同级电路的几个接地点要尽量集中，称为一点接地。以避免其它回路的交流信号窜入本级，或本级的交流信号窜入其它回路中去。其次，要布好整个印制板上的地线，防止各级之间相互干扰，主要采取以下措施。

1．并联分路式 • 如图11-2所示，将印制板上各部分的地线分别通过各自的在实际设计时，印制电路的公共地线一般布设在印制电路板的四周，并比一般印制导线宽，各级电路采取就近并联接地。如果印制板上或附近有强磁场，则公共地线不能做成封闭回路，以免地线环路接受电磁感应。电路Ⅰ 电路Ⅱ 电路Ⅲ 图11-2 并联分路式接地

2．大面积覆盖接地 • 大面积覆盖接地是指尽量扩大印制电路板上的地线面积。这样，既可以有效地减小地线中的感抗，削弱在地线上产生的高频信号，又可以对电场干扰起到屏蔽作用。 • 3．模拟和数字电路的地线分开布设 • 在同一块印制电路板上，如果同时布设模拟电路和数字电路，两种电路的地线要完全分开，供电也要完全分开，以抑制它们间的相互干扰。

二、电源干扰 • 电子仪器的供电大多数是由交流电通过降压、整流、稳压后供给。供电电源的质量直接影响整机的性能指标。印制电路板设计不合理或工艺布线不合理，就会使交直流回路彼此相连，造成交流信号对直流产生干扰，使电源质量下降。

三、磁场干扰 • 印制电路板的特点是使元器件安装紧凑，连线密集。但若设计不当，则会给整机带来麻烦，如分布参数造成干扰，元器件间的磁场干扰等。 • 1．印制导线间的寄生耦合 • 两条相距很近的平行导线，它们间的分布参数可等效为相互耦合的电感和电容。当其中一条线中流过信号时，另一条线中便会产生出感应信号。感应信号的大小与原始信号的功率和频率有关，感应信号便是产生的干扰源。

消除感应信号的措施主要有以下几条： • （1）排版前应仔细分析电路原理图，区别强弱信号线。使弱信号线尽量短，并避免与其它信号线（尤其是强信号线）平行靠近。 • （2）不同回路的信号线要尽量避免相互平行。双面板上两面的印制导线要相互垂直，切不可相互平行。 • （3）当信号线密集、平行且无法摆脱较强信号的干扰时，可采用屏蔽线，将弱信号屏蔽，使其所受干扰得到抑制。 • （4）使用高频电缆直接传送信号时，电缆的屏蔽层应接地。

2．磁性元器件间的相互干扰 • 扬声器、电磁铁等磁性元件会产生恒定磁场，高频变压器、继电器等会产生交变磁场。这些磁场既干扰周围元器件，也影响周围的印制导线。因此，在排版设计时应注意以下几点 • （1）减少磁力线对印制导线的切割。 • （2）两个磁性元件间的相互位置应使两个磁场方向相互垂直，以减小彼此间的相互耦合。 • （3）对干扰源进行磁屏蔽，屏蔽盒应良好接地。

四、热干扰 • 晶体管（特别是锗材料半导体器件）为温度敏感器件。随着温度的改变，工作点发生漂移，影响整个电路性能。因此，在排版设计时，应尽量把发热元件安装在板上通风处或置于板外。当必须安装在印制电路板上时，切莫紧贴印制电路板安装，要加足够大的散热片，防止温度过高，对周围元器件产生热传导或热辐射。

11.4 印制电路设计的一般原则 • 印制电路的设计原则是装焊方便，整齐美观，牢固可靠，无自身干扰。目前，虽无固定模式，但也应遵循一定的原则进行设计，以求得最佳效果。

一、元器件的安装与布局 1．安装方式 • 元器件在印制电路板上的安装方式一般分为立式安装和卧式安装两种。 • 立式安装是指元器件的轴线方向与印制电路板垂直。 • 卧式安装是指元器件的轴线方向与印制电路板平行，

2．元器件排列方式 • 元器件在印制电路板上的排列方式分为不规则排列和规则排列两种。 • 不规则排列是指元器件轴线方向不一致，在板上的排列顺序无规则。其优点是印制导线短而少，减小了印制电路板间的分布参数，抑制了干扰。尤其是对于高频电路有利。但看起来杂乱无章，不太美观。 • 规则排列是指元器件轴线方向排列一致，并与印制电路板的四周垂直或平行。其优点是元器件排列规范，板面美观整齐，安装、调试、维修方便。但导线布设较为复杂，印制导线相应增多。

3．元器件布设原则 • （1）元器件在整个板面应布设均匀，疏密一致。 • （2）元器件不要占满板面四周，一般每边应留有5~10mm。 • （3）元器件布设在板的一面，每个元器件的引出脚单独占用一个焊盘。 • （4）元器件间应留有一定的间距。间隙安全电压为200V/mm。 • （5）元器件的布设不可上下交叉。 • （6）元器件安装高度应一致，且尽量矮，一般引线不超过5mm，过高则稳定性变差，易倒伏或与相邻元件碰接。 • （7）规则排列的元器件其轴线方向在整机中处于竖立状态。 • （8）元器件两端的跨距应稍大于元器件的轴向尺寸，弯脚时不要齐跟弯，应留有一定距离（至少2mm），以免损坏元件。

二、焊盘与印制导线 1．焊盘 • 焊盘也叫做连接盘，是指元器件的每个引出脚都要在印制电路板上单独占据一个孔位，通过焊锡固定在板上，此孔及周围的铜箔称为焊盘。 • （1）焊盘的尺寸 • （2）焊盘的形状

2．印制导线 （1）印制导线的形状 • 印制导线是印制电路板上连接元器件，电流流通的导线。其布设应遵循以下原则： • a．印制导线以短为佳，能走捷径，决不绕远。 • b．走向以平滑自然为佳，避免急拐弯和尖角。 • c．公共地线应尽量增大铜箔面积。 • d．根据安装需要，可设置多种工艺线。其目的只是为增加抗剥强度，不担负导电作用。

（2）印制导线的宽度 • 印制导线的宽度与通过的电流有关，应宽窄适度，与板面焊盘谐调，一般在0.3~1.5mm之间。印制导线的载流量可按20A/mm2计算，即当铜箔厚度为0.05mm时，1mm宽的印制导线允许通过1A的电流，即线宽的毫米数就是载流量的安培数。

（3）印制导线间的间距 • 印制导线间应保持一定的间距，导线间的间隙安全电压为200V/mm。表11-8给出了导线间距与安全电压之间的关系。在一般情况下，导线间的最小间隙不要小于0.3mm，以消除相邻导线间的电压击穿及飞弧。在板面允许情况下，导线间隙一般不小于1mm。

11.5 印制电路的排版设计 • 印制电路排版设计的任务是既要将元器件通过印制电路彼此按原理图连接起来，又要采取一定的抗干扰措施，遵循一定的设计原则，按原理图合理布局，使整机能够稳定、可靠地工作。排版设计主要是印制电路草图的设计。 • 草图是指制作黑白图（亦称墨图，用于照像制版）的依据，要求图中的焊盘位置，焊盘间距、焊盘间的相互连接、印制导线的走向及形状、整图外形尺寸等均应按印制板的实际尺寸（或按一定比例）绘制出来，以作为生产印制电路板的依据。草图设计的步骤有以下几条。

一、分析电路原理图 • 1．找出线路中可能产生的干扰源，以及易受外界干扰的敏感器件。 • 2．熟悉原理图中出现的每个元器件，掌握每个元器件的外形尺寸、封装形式、引线方式、管脚排列顺序、各管脚功能及其形状等。确定哪些元件需要安装散热片，哪些元件安装在板上，哪些元件安装在板外。

一、分析电路原理图 • 3．确定印制电路板的种类：单面板或双面板 • 单面板：常用于分立元器件电路。因为分立元器件引线少，排列位置便于灵活改变。 • 双面板：多用于集成电路较多的电路，尤其是双列直插式封装器件。因为集成电路器件引线间距小，数目多（少则8脚，多则40脚或更多），单面板难于布设。 • 4．确定元器件的安装方式、排列方式及焊盘走线形式，一般对应关系为：元件卧式安装→规则排列→圆形焊盘;元件立式安装→不规则排列→岛形焊盘。 • 5．确定对外连接方式

二、单面板的排版设计 • 1．绘制单线不交叉草图 • 原理图的绘制一般是以信号流经过程及反映元器件在图中作用为原则，便于对线路的分析与阅读，而不考虑元器件的尺寸、形状以及引出线的排列顺序。原理图中走线交叉现象很多。 • 排版设计时，首先要绘制单线不交叉图，即通过重新排列元器件位置，使元器件在同一平面上彼此间的连线不交叉。如遇交叉，可通过重新排列元器件位置与方向来解决。 • 当为了解决两条引线不交叉而使一条拐弯抹角变得很长时，可采用“飞线”解决。飞线即短接线，是指在印制导线的交叉处，切断一根，从板的元件面用短接线连接。但应尽量少。

2．绘制排版草图 • 不交叉草图基本完稿后，可在坐标纸上绘制排版草图。排版草图要求元器件在版上的位置及尺寸固定，印制导线排定，并尽量做到短、少、疏。通常需要几经反复，多次调整，方能达到满意结果。

三、双面板的排版设计 • 双面板的排版设计还应考虑以下几点： • 1．元器件布在一面，主要印制导线布在另一面。两面印制导线应相互垂直，避免平行，以减小干扰。 • 2．绘制两面印制导线时，应在纸的两面绘制，若在一面绘制，应用不同颜色区分。 • 3．两面对应的焊盘要严格一一对应。 • 4．在绘制元件面印制导线时，要避开元件外壳或屏蔽罩等。 • 5．两面彼此间需互连的印制导线，采用金属化孔来实现。

四、正式排版草图的绘制 • 1．图纸要求 • 版面尺寸、焊盘位置、印制导线的连接与布设、版上各孔的尺寸及位置等均需与实际板相同并明确标出。同时，应在图中注明线路板的各项技术要求，图的比例可根据印制电路板图形的密度和精度要求而决定，可按1:1、2:1、4:1等不同比例进行设计。

2．草图绘制步骤 • （1）按草图尺寸取方格纸或坐标纸（有一定余量）。 • （2）画出版面轮廓尺寸，并在轮廓下留出一定空间，用于图纸技术要求的说明。 • （3）版面内四周留出一定空白间距（一般为5~10mm），不设置焊盘与导线，绘制板上各工艺孔（包括印制电路板及板上各元器件的固定孔等）。

2．草图绘制步骤 • （4）用铅笔先画出各元器件的外形轮廓（应按单线不交叉草图上元器件的位置顺序）。注意应使各元器件轮廓尺寸与实际对应，元器件的间距要均匀一致。使用较多的小型元器件可不画出轮廓图，如电阻、小电容、小功率晶体管，但要做到心中有数。 • （5）确定并标出各焊盘位置，有精度要求的焊盘要严格按尺寸标出，无尺寸要求的应尽量使元器件排列均匀、整齐，布设焊盘位置不要考虑焊盘间距是否整齐一致，而应根据元器件大小形状而定，最终保证元器件装配后间距均匀、整齐，疏密适中。

第 11 章 印制电路的设计与制作