第1章 印制电路板认知与制作

1.1 认知印制电路板

图1-1所示为一块印制电路板实物图，从图上可以看到电阻、电容、电感、晶振、晶体管和集成电路等元器件及PCB走线、焊盘、金属化孔和元器件孔等。这种面上有焊盘、元器件孔、PCB走线等的板子即为印制电路板。

印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）简称为印制板，是指以绝缘基板为基础材料加工成一定尺寸的板，在其上面至少有一个导电图形及所有设计好的孔（如元器件孔、机械安装孔及金属化孔等），以实现元器件之间的电气互连。

在电子设备中，印制电路板通常起到3个作用。

1）为电路中的各种元器件提供必要的机械支撑。

2）提供电路的电气连接。

3）用标记符号将板上所安装的各个元器件标注出来，便于插装、检查及调试。

但是，更为重要的是，印制电路板有4大优点。

1）具有重复性。一旦印制电路板的布线经过验证，就不必再为制成的每一块板上的互连是否正确而逐个进行检验，所有板的连线与样板一致，这种方法适合于大规模工业化生产。

2）板的可预测性。通常，设计师按照“最坏情况”的设计原则来设计印制导线的长、宽、间距以及选择印制板的材料，以保证最终产品能通过试验条件。虽然此法不一定能准确地反映印制电路板及元器件使用的潜力，但可以保证最终产品测试的废品率很低，而且大大地简化了印制电路板的设计。

3）所有信号都可以沿导线任一点直接进行测试，不会因导线接触引起短路。

4）印制电路板的焊点可以在一次焊接过程中将大部分焊完。

在实际电路设计中，原理图的设计解决了电路中元器件的逻辑连接，而元器件之间的物理连接则是靠PCB上的铜箔实现的，最终需要将电路中的实际元器件安装并焊接在印制电路板上。

现代焊接方法主要有浸焊、波峰焊和回流焊，前两者主要用于通孔式元器件的焊接，后者主要用于表面贴片式元器件（SMD元器件）的焊接。现代焊接方法可以保证高速、高质量地完成焊接工作，减少了虚焊、漏焊，从而降低了电子设备的故障率。

正因为印制板有以上特点，所以从它面世的那天起，就得到了广泛的应用和发展，现代印制板已经朝着多层、精细线条的方向发展，特别是20世纪80年代开始推广的SMD（表面封装）技术是高精度印制板技术与VLSI（超大规模集成电路）技术的紧密结合，大大提高了系统安装密度与系统的可靠性，元器件安装朝着自动化、高密度方向发展，对印制电路板导电图形的布线密度、导线精度和可靠性要求越来越高。与此相适应，为了满足对印制电路板数量上和质量上的要求，印制电路板的生产也越来越专业化、标准化、机械化和自动化，如今已在电子工业领域中形成一门新兴的印制电路板制造工业。

1.1.1 印制电路板基本组成

印制电路板几乎会出现在每一种电子设备中，在其上安装有元器件，通过印制导线、焊盘及金属化孔等进行线路连接。为了便于读识，板上还印制丝网图，用于元器件标识和说明。

1．认知PCB上的元器件

PCB上的元器件如图1-2所示，PCB上的元器件主要有两大类，一类是通孔式，通常这种元器件体积较大，且电路板上必须钻孔才能插装；另一类是表面贴片式（SMD），这种元器件不必钻孔，利用钢模将半熔状锡膏倒入电路板上，再把SMD元器件放上去，通过回流焊将其焊接在印制电路板上。

2．认知PCB上的印制导线、过孔和焊盘

PCB上的印制导线也称为铜膜线，用于印制电路板上的线路连接，通常印制导线是两个焊盘（或过孔）间的连线，而大部分的焊盘就是元器件的引脚，当无法顺利连接两个焊盘时，往往通过跳线或过孔实现连接。过孔（也称为金属化孔）用于连接不同层之间的印制导线。

图1-3所示为印制导线的走线图，图中所示为双面板，两层之间印制导线通过过孔连接。

3．认知PCB上的阻焊与助焊

对于一个批量生产的印制电路板而言，通常在板上铺设一层阻焊，阻焊剂一般是绿色或棕色，所以成品PCB一般为绿色或棕色，这实际上是阻焊剂的颜色。

在PCB上，除了要焊接的地方外，其他地方根据PCB设计软件所产生的阻焊图来覆盖一层阻焊剂，这样可以进行快速焊接，并防止焊锡溢出引起短路；而对于要焊接的地方，通常是焊盘，则要涂上助焊剂，以便于焊接，PCB上的阻焊和助焊如图1-4所示。

4．认知PCB上的丝网

为了让印制电路板更具有可看性，便于安装与维修，一般在PCB上要印一些文字或图案，如图1-5中的R9、R10等，用于标示元器件的位置或进行说明电路，通常将其称为丝网。丝网所在层称为丝网层，在顶层的称为顶层丝网层（Top Overlay），而在底层的则称为底层丝网层（Bottom Overlay），PCB上的丝网如图1-5所示。

双面以上的板中丝网一般印制在阻焊层上。

1.1.2 印制电路板的种类

目前的印制电路板一般以铜箔覆在绝缘基板上，故通常称为覆铜板。

1．根据PCB导电板层划分

1）单面印制板（Single Sided Print Board）。单面印制板指仅一面有导电图形的印制板，板的厚度在0.2～5.0mm之间，它是在一面敷有铜箔的绝缘基板上，通过印制或腐蚀的方法在基板上形成印制电路，单面印制板样图如图1-6所示。它适用于一般要求的电子设备，如收音机、CRT电视机等。

2）双面印制板（Double Sided Print Board）。双面印制板指两面都有导电图形的印制板，板的厚度在0.2～5.0mm之间，它是在两面敷有铜箔的绝缘基板上，通过印制或腐蚀的方法在基板上形成印制电路，两面的电气互连通过金属化孔实现，双面印制板样图如图1-7所示。它适用于要求较高的电子设备，如计算机、电子仪表等，由于双面印制板的布线密度较高，所以可以减小设备的体积。

3）多层印制板（Multilayer Print Board）。多层印制板是由交替的导电图形层及绝缘材料层层压粘合而成的一块印制板，导电图形的层数在两层以上，层间电气互连通过金属化孔实现。多层印制板的连接线短而直，便于屏蔽，但印制板的工艺复杂，由于使用金属化孔，可靠性下降。多层板常用于计算机的板卡中，如图1-8所示，图1-9所示为多层板示意图。

对于电路板的制作而言，板的层数越多，制作程序就越多，失败率当然增加，成本也相对提高，所以只有在高级的电路中才会使用多层板。目前以两层板最容易，市面上所谓的四层板，就是顶层、底层，中间再加上两个电源层，技术已经很成熟；而六层板就是四层板再加上两层中间布线层，只有在高级的主机板或布线密度较高的场合才会用到；至于八层板以上，制作就比较困难了。

图1-10所示为四层板剖面图。通常在印制电路板上，元器件放在顶层，所以一般顶层也称为元件面，而底层一般是焊接用的，所以又称为焊接面。对于SMD元器件，顶层和底层都可以放置。图中的通孔式元器件通常体积较大，且印制电路板上必须钻孔才能插装；SMD元器件体积小，不必钻孔，通过回流焊将其焊接在板上。SMD元器件是目前商品化印制电路板的主要元器件，但这种技术需要依靠机器，采用手工插置、焊接元器件比较困难。

在多层板中，为减小信号线之间的相互干扰，通常将中间的一些层面独立布上电源线或地线，所以通常将多层板的板层按信号的不同分为信号层（Singal）、电源层（Power）和地线层（Ground）等。

2．根据PCB所用基板材料划分

1）刚性印制板（Rigid Print Board）。刚性印制板是指以刚性基材制成的PCB，常见的PCB一般是刚性PCB，如计算机中的板卡、家用电器中的印制电路板等，如图1-6～图1-8所示。常用刚性PCB有以下几类：

①纸基板。价格低廉，性能较差，一般用于低频电路和要求不高的场合。

②玻璃布板。价格较贵，性能较好，常用作高频电路和高档家用电器产品中。

③合成纤维板。价格较贵，性能较好，常用作高频电路和高档家用电器产品中。

④当频率高于数百兆赫时，必须用介电常数和介质损耗更小的材料，如聚四氟乙烯和高频陶瓷作基板。

2）挠性印制板（Flexible Print Board，也称为柔性印制板、软印制板）。挠性印制板是以聚四氟乙烯、聚酯等软性绝缘材料为基材的PCB。由于它能进行折叠、弯曲和卷绕，在三维空间里可实现立体布线，它的体积小、重量轻、装配方便，易按照电路要求成形，提高了装配密度和板面利用率，可以节约60%～90%的空间，为电子产品小型化、薄型化创造了条件，挠性印制板样图如图1-11所示。它在笔记本式计算机、打印机及通信终端设备中得到广泛应用。

3）刚-挠性印制板（Flex-rigid Print Board）。刚-挠性印制板指利用软性基材，并在不同区域与刚性基材结合制成的PCB，刚-挠性印制板样图如图1-12所示。它主要应用于印制电路板的接口部分。