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印制电路板的设计基础

发布时间: 2012-08-09 16:24:36     来源: EDA中国

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  1.印制电路的设计说明印制电路基材、结构尺寸、电气、机电元件的实际位置及尺寸,印制导线的宽度、间距、焊接盘及通孔的直径,印制接触片的分配,互连电气元器件的布线要求及为制定文件、制备照明底图所提供的各种数据等各项工作统称为印制电路设计。

  2.印制电路板的特点和类型印制电路是指在绝缘基板的表面上按预定设计并用印制的方法所形成的印制导线和印制元器件系统。具有印制电路的绝缘基板(底板)称之为印制电路板(简称印制板)。目前,在电子设备中广泛应用的印制电路板只有印制导线而很少有印制元器件。若在印制板上连接有元器件和某些机械结构件,且安装、焊接和涂覆等装配工序均已完成,则该印制电路板即称之为印制装配板。当前,电子设备中广泛应用小型元器件、晶体管和集成电路等都必须安装在印制板上。特别是表面安装元器件的应用更和印制电路板密不可分。

  使用印制电路板的电子设备可靠性高、一致性好和稳定性好;机械强度高、抗振动、抗冲击性强;设备的体积小、重量轻;便于标准化、便于维修等。缺点是制造工艺较复杂,小批量生产经济性差。

  印制电路板按其结构可分为以下4种。

  1)单面印制板在厚庋为1~2mm的绝缘基板的一个表面上敷有铜箔,并通过印制与腐蚀工艺将其制成印制电路。

  2)双面印制板在厚度为1~2mm的绝缘基板的两个表面上敷有铜箔,并通过印制与腐蚀工艺将其制成双面印制电路。

  3)多层印制板在绝缘基板上制成三层以上印制GA4A4Z-T1电路的印制板称为多层印制板。它是由几层较薄的单面或双面印制电路板(厚度在0.4mm以下)叠合而成。为了把夹在绝缘基板中间的印制导线引出,多层印制板上安装元器件的孔必需金属化处理,即在小孔内表面涂覆金属层,使之与夹在绝缘层中的印制导线沟通。随着集成电路规模的扩大,其引脚也日益增多,就会使单双面的印制板面上可容纳全部元器件而无法容纳所有的导线,多层印制板可解决此问题。

  4)挠性印制板其基材是软性塑料(如聚酯和聚酰亚胺等),厚度为0.25~lmm。在其一面或两面上覆以导电层以形成印制电路系统,多数还制成连接电路和其他的元器件相接。使用时将其弯成适合的形状,用于内部空间紧凑的场合,如硬盘的磁头电路和电子相机的控制电路。用作印制电路板的基材主要有环氧酚醛层压纸板和环氧酚醛玻璃布层压板两种。前者价廉而性能较差,后者价格稍高但性能较好。

  3.印制电路板的板面设计1)设计印制电路板应先了解的条件(1)拟设计印制电路板的电路原理图,以及该电路所用元器件的型号、规格和封装形式。

  (2)各元器件对板面安排的特殊要求,如元器件的位置、频率、电位、温度、屏蔽和抗冲击等要求。特别要注意发热量大的元器件的位置安排。

  (3)印制板的机械尺寸、在整机中的安装位置和方法及电气连接形式等。

  2)基板的材质、板厚和板面尺寸根据印制电路板的耐温要求、工作频率和电位高低选定基板,并结合电路的复杂程度确定导电层的数目。印制板的外形一般为长方形,分为带插头和不带插头两种。

  3)印制电路网格应用以印制电路板机械轮廓线的左下方为坐标原点。为了保证印制电路板与在其上安装的元器件之间的一致性,必须在印制板网络的交点上连接或安装。印制电路网格的间距为2.5mm。当需要更小的网络时,应设辅助格。辅助格的问距为基本间距的1/4(0.625mm)或1/2(1.25mm).

  4)元器件的安放根据电路图、元器件的外形和封装及布局要求,从输入到输出按顺序逐级绘制。可先画出草图以大致定位。A面为元器件面,B面为焊接面。典型元器件法:以外形基本一致的多数元器件中选出典型元器件作为布局的基本单元,将其他元器件估算为相当于若干个典型元器件。元器件轮廓在板上的间距不小于1.5mm。如此算出整板上要排列多少个典型元器件,以及需要多大的板面尺寸。大元器件法:如电路原理图中小电阻和小电容之类的元器件较少,可先测算大元器件如变压器和集成电路等的面积,再放适当的余量决定板面面积。

  4.印制电路板上的元器件布局与布线1)元器件布局的一般原则元器件通常布置在印制板的一面。此种布置便于加工、安装和维修。对于单面板,元器件只能布置在没有印制电路的一面,元器件的引线通过安装孔焊接在印制导线的焊盘上。双面板主要元器件也是安装在板的一面,另一面可有一些小型的零件,一般为表面装贴元件。在保证电路性能要求的前提下,元器件应平行或垂直于板面,并和主要板边平行或垂直,且在板面上分布均匀整齐。元器件一般不重叠安放,如果确实需要重叠,应采用结杓件加以固定。元器件布局的要点:元器件尽可能有规则地排列,以得到均匀的组装密度。大功率元器件周围不应布置热敏元器件,和其他元器件要有足够的距离。较重的元器件应安排在靠近印制电路板支承点处。元器件排列的方向和疏密要有空气对流。元器件宜按电路原理图的顺序成直线排列,力求紧凑以缩短印制导线长度。如果由于板面尺寸有限,或由于屏蔽要求而必须将电路分成几块时,应使每一块印制板成为独立的功能电路,以便于单独调整、测试和维修。这时,应使每一块印制板的引出线最少。

  为使印制板上元器件的相互影响和干扰最小,高频电路和低频电路及高电位与低电位电路的元器件不能靠得太近。元器件排列方向与相邻的印制导线应垂直交叉。电感和有磁心的元器件要注意磁场方向。线圈的轴线应垂直于印制板面,以求对其他零件的干扰最小。

  考虑元器件的散热和相互之间的热影响。发热量大的元器件应放置在有利于散热的位置上,如散热孔附近。元器件的工作温度高于40℃时应加散热器。散热器体积较小时可直接固定在元器件上,体积较大时应固定在底板上。在设计印制板时要考虑到散热器的体积及温度对周围元器件的影响。

  提高印制板的抗振和抗冲击性能。要使板上的负荷分布合理以免产生过大的应力。对大而重的元器件尽可能布置在固定端附近,或加金属结枸件固定。如果印制板比较狭长,则可考虑用加强筋加固。

  2)印制板布线的一般原则低频导线靠近印制板边布置。将电源、滤波、控制等低频和直流导线放在印制板的边缘。公共地线应布置在板的最边缘。高频线路放在板面的中间,可以减小高频导线对地的分布电容,也便于板上的地线和机架相连。高电位导线和低电位导线应尽量远离,最好的布线使相邻的导线间的电位差最小。布线时应使印制导线与印制板边留有不小于板厚的距离,以便于安装和提高绝缘性能。

  避免长距离平行走线。印制电路板上的布线应短而直,减小平布线,必要时可以采用跨接线。双面印制板两面的导线应垂直交叉。高频电路的印制导线长度和宽度宜小,导线间距要大。

  不同的信号系统应分开。印制电路板上同时安装模拟电路和数字电路时,宜将这两种电路的地线系统完全分开,它们的供电系统也要完全分开。

  采用恰当的接插形式,有接插件、插接端和导线引出等几种形式。输入电路的导线要远离输出电路的导线。引出线要相对集中设置。布线时使输入输出电路分列于印制板的两边,并用地线隔开。

  设置地线。印制板上每级电路的地线一般应自成封闭回路,以保证每级电路的地电流主要在本地回路中流通,减小级间地电流耦合。在印制板附近右强磁场时,地线不能自成封闭回路,以免成为一个闭合线圈而引起感生电流。电路的工作频率越高,地线应越宽,或采用大面积布铜。

  5.印制导线的尺寸和图形元器件的布局和布线方案确定后,就要具体地设计并绘制印制图形了。

  (1)印制导线的宽度。覆箔板铜箔的厚度为0.02~0.05mm。印制导线的宽度不同,其截面面积也不同。不同截面面积的导线在限定的温升条件下,其载流量也不同。

  因此,对于某覆箔板,印制导线的宽度取决于导线的载流量和允许温升。印制板的工作温度不能超过85℃。印制导线的宽度已标准化,建议采用0.5mm的整数倍。如有特别大的电流应另加导线解决。

  (2)印制导线的间距。一般而言,导线间距等于导线宽度,但不小于Imm。对于微型设备,间距不小于0.4mm。具体设计时应考虑下述三个因素。

  ①低频低压电路的导线间距取决于焊接工艺。采用自动化焊接时间距要小些,手工操作时宜大些。

  ②高压电路的导线间距取决于工作电压和基板的抗电强度。

  ③高频电路主要考虑分布电容对信号的影响。

  印制导线的图形,同一印制板上导线的宽度宜一致,地线可适当加。导线不应有急弯和尖角,转弯和过渡部分宜用半径不小于2mm的圆弧连接或用45。连线,且应避免分支线。

  6.印制电路板的热设计由于印制电路板基材的耐温能力和导热系数都比较低,铜箔的抗剥离强度随工作温度的升高而T降,所以印制电路板的工作温度一般不能超过85℃。如果不采取措施,则过高的温度导致印制电路板损坏,并导致焊点开裂。降温的方法是采用对流散热,可根据情况采用自然通风或强迫风冷。在设计印制板时可考虑采用以下几种方法:均匀分布热负载,零件装散热器,局部或全局强迫风冷。

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