EDA365:了解印刷电路板
什么是印刷电路板？
打开电子设备的任何人都可以看到印刷电路板，也称为PCB。它们是薄的，扁平的且通常是绿色的矩形基板，上面覆盖着迷宫的细铜线和银垫，是大多数电子设备的心脏和灵魂。了解电路板需要了解它们是什么，存在的不同类型的电路板，这些电路板上使用的组件以及PCB制造方法或过程。起点是了解印刷电路板如何演变。
1950年代，印刷电路板取代了大多数电子产品中的点对点结构。点对点结构是将电线**到端子排，印有金属环的板上。在点对点*作的设备中，小型电子元件及其电线直接**到端子上，大型设备（例如变压器）的电线也直接**到端子上。就像您想象的那样，该**涉及混乱的电线缠结。由于每条电线和零件都必须套圈并**到端子板上的正确零件上，因此也很难用于批量生产。
1960年代流行的另一种电路板制造方法是绕线。电子组件安装在绝缘板上，并通过导线相互连接，导线围绕导线或插座引脚缠绕数次。
进入PCB，该PCB几乎消除了点对点构造和绕线中使用的所有布线，从而促进了批量生产。PCB制造过程可以在很大程度上实现自动化，从而降低了可能导致原型故障或电路板故障的工程**风险。PCB制造商可以将规格输入软件，该软件可以进行广泛的设计检查，以确保甚至在制造电路板之前都能获得**性能。自动化生产还意味着比其他施工方法更低的成本。
本文研究了印刷电路板的类型，板上使用的组件，不同的PCB制造方法以及PCB制造的注意事项。
批量生产的印刷电路板。
图片来源：DMSU / Shutterstock.com
PCB类型
今天有几种类型的电路板在使用。印刷电路板的特征在于其构造方法，包括单面，双面和多层板配置。
单面PCB
单面PCB仅具有一层基板。基板的一侧覆盖有一层金属薄层。通常，由于铜的高导电性而使用铜。该层为各种电子组件之间的电源和信号创建导电路径。接下来是保护性阻焊层，可以在最后一层添加丝网印刷涂层以标记电路板的各个部分。单面PCB用于简单的电子产品，并且比其他类型的PCB成本更低。
双面印刷电路板
双面印刷电路板比单面印刷电路板更常用，因为双面电路板允许引入更复杂的电路。像单面PCB一样，它们只有一层基板，但是两面都覆盖有导电金属和电路组件。然后使用通孔安装或表面安装来连接组件。
通孔技术有时被称为“通孔”，它使用称为引线的细线，这些细线穿过电路板上的孔以连接组件。引线的每一端都**到确切的组件或电路上。这可以手动完成，也可以通过自动**式安装机完成。通孔安装继续用于必须承受更大压力的电路，因为穿过电路板的引线和**的组合可建立更牢固的连接。通孔PCB通常用于军事和航空航天产品。
表面安装不需要在板上钻洞。组件直接安装在PCB上。此方法使用较小的引线或根本不使用引线。表面贴装印刷电路板比通孔更受欢迎，因为处理和加工成本要低得多。组件可以批量或手工**到板上。
多层PCB
多层PCB具有多层基板，绝缘材料将各层隔开。它们使用与双面PCB相同的技术，通过通孔或表面安装连接多层板上的组件。多层板通常有四到十层，但如果产品需要，可以增加更多层。它们通常用于计算机，服务器，并经常用于专门用途，例如医疗规格PCB。
**技术
**技术可以包括手工**，该手工**使用铁，焊料，焊芯和助焊剂来加热低熔点温度的合金（通常是锡或铅合金），该合金用于将组件机械连接到电路板上，同时还提供组件的引脚或引线与电路板上的电路焊盘或走线之间的导电路径。 波峰焊是批量**过程。在电路板的底面涂上一层焊剂，然后将其缓慢预热以防止热冲击。然后将PCB通过一锅熔融焊料。锅中的泵在板上清洗焊料，以将所有组件熔合到板上。选择性**与波峰焊相似，但助焊剂仅应用于需要**的某些组件。而不是然后在板上漂洗一波焊料，而是使用一个小气泡或焊锡来融合特定的组件。
PCB元件
互连设备
互连设备通常用于将一个印刷电路板连接到另一块印刷电路板，或者有时用于将该板连接到电子设备。它们还可以用于将集成电路芯片（一个小平板（或芯片）上的一组电子电路）连接到印刷电路板上。
边缘连接器用于PCB的边缘，并**设备的匹配插座中。边缘连接器的侧面或金属迹线可将电信号从PCB上的电路迹线传输到连接器插座。插座包含一个在一侧开口的塑料盒，并且在内部包含不同数量的引脚，这取决于电路的特定I / O需求。连接器通常是带键的，并且可能包含凸耳或凹口，以确保正确的极性并确保只能**正确的配对连接器。
D连接器（也称为D超微型）的名称来自其大致D形的金属**层。它们由两排或多排平行的插座或插针组成，并由D形金属**罩包围，该金属**罩支撑连接器和**电磁干扰的**层。与PCB一起使用时，这些引脚直接**到印刷电路板上，而不是导线上。D型连接器通常与PCB成直角安装，以便可以将电缆**PCB组件的边缘。
带状电缆连接器是扁平的细电缆，由多根彼此平行放置的较小电缆组成。这种多芯电缆布置使绝缘位移连接器（也称为IDC）易于通过一排尖锐的叉形触点连接到一端。端接通常在带状电缆连接器的两端进行，尽管有时只有一端是IDC端接的。
顾名思义，矩形连接器为矩形。它们通常由安装在PCB上的**连接器组成，可容纳母头插座或外壳。
IC插座用于集成电路芯片需要成为PCB的可拆卸部分的情况。通常，这些芯片被**到板上，但是对于诸如原型之类的应用，其中需要快速移除和重新编程芯片而无需拆焊和重新**的连接，则使用IC插座。几种IC插座是双列直插式插座，转销双列直插式插座和零**力插座。
电阻的一个例子。
图片来源：matej_z / Shutterstock.com
电路元件
印刷电路板上可以装有各种各样的电子和电气组件，用于实现所需的电路功能。从广义上讲，这些设备及其最终的电路板设计可分为模拟电路，数字电路或RF（射频）。下面列出的是一些常用组件。
电池是任何电路的基本组件。它们提供了在电源不工作的情况下电路起作用或维持电路中的电源所需的DC电压。所用电池的类型取决于PCB的应用和电路设计。
电阻是PCB的关键元素之一。它们是具有两个端子的小型电子设备，可用于调节电流或产生电压降。电阻器**电流流动，并且通常用条纹进行颜色编码，以识别其电阻和公差级别，或者在其上印刷欧姆值。
电容器类是本质上将能量存储为静电场的电子设备，由放置在两个导电板之间的绝缘材料组成。在PCB中，它们可以阻止直流电流动，同时允许交流电或时变电流流动。当将直流电压施加到电容器时，电荷由每个导电板存储。电流在电容器存储能量时流动—当电容器充满电时，电流停止流动。用作绝缘材料的材料（介电材料）的类型决定了电容器的类型。常见的绝缘体材料包括陶瓷，聚碳酸酯和银云母。在PCB中，电路板本身通常会创建一个电容器，并在金属导电区域，接地导体和电源导体的交替层之间形成一个稳定的电容器。在PCB中，可以找到电容器，这些电容器可用于减少或过滤噪声并通过将这种噪声路由通过电容器或将其并联到地面来提供隔离。
二极管是仅在一个方向上传输电流的电气设备，并且由两个端子之间的半导体材料组成（两端分别为p型和n型半导体材料）。二极管在一个方向上启用电流时，二极管在相反方向上阻止电流。LED是发光二极管。当电流流过时，它们会产生可见光。
晶体管是可以放大或切换电流的半导体器件。晶体管具有连接到电路的三个端子。施加到一对端子上的电流控制电流流过另一对端子的方式，可以切换其方向或对其进行放大。
电感器的一个例子。
图片来源：MPS Industries
电感器（也称为线圈，扼流圈或电抗器）由通常由铁磁材料芯包裹的线圈组成。电流通过导线并产生磁场，该磁场然后存储能量并阻止电流的任何变化。它们用于抵抗交流电流的变化，而直流电流则流过它们。
开关是允许电流流过还是阻止电流，具体取决于它们是断开还是闭合。
电路元件封装样式
有许多不同的集成电路封装类型，使用的类型取决于IC和PCB的类型。它们与众不同的主要方式之一是通过通孔，表面安装或插座将它们安装到PCB的方式。这些是一些较常见的类型：
双列直插式封装（DIP）是最常见的IC通孔封装，但也可以与插座一起使用。它们具有两排平行的电气连接销，这些销连接到矩形外壳上。
单列直插式封装（SIP）具有一排连接引脚。它们不如DIP常见，但通常用于RAM芯片和具有共享引脚的多个电阻器。
表面贴装封装或SMD / SMT封装 有许多不同的品种。三种较流行的类型是小外形IC封装，方形扁平封装和小型栅格阵列。小外形IC（SOIC）封装就像较小的DIP，其引脚向外弯曲。它们被认为是最容易**的。四方扁平封装的IC引脚的四个侧面都向外张开，通常用于封装微处理器，传感器和其他现代IC。球栅阵列是复杂的封装，其中焊料球以网格图案排列在IC的底部。
PCB制造方法
虽然PCB的设计和制造通常是外包的，但了解制造方法可能有助于选择制造商。尽管电路板制造是一个不断发展的过程，但PCB制造通常依赖于一组基本技术，包括机械加工，成像，电镀，蚀刻和层压。这些方法中的每一种都有其自身的优点和局限性，并且它们的功能有些重叠。
设计
印刷电路板组件制造起来相对便宜，特别是在长时间生产中。如您所料，PCB最昂贵和最具挑战性的部分不是其制造，而是PCB设计。迷宫式设计*作（PCB工程）有许多因素。必须正确映射组件，保持铜板比例，甚至可以减少浪费和防止翘曲，走线与组件之间的距离要避免串扰或耦合，走线宽度必须与信号频率和电流相符。换句话说，PCB工程是高度专业化的功能，电路板布局通常是PCB生产中最昂贵的方面。当电路板设计涉及RF（射频）组件时，
加工
印刷电路板制造的加工阶段围绕精确地大批量钻孔的能力展开，直径的测量单位为百分之一和千分之一英寸。如此小的尺寸以前由于孔壁破裂或变形的风险而阻止了多个板的堆叠，但是当前的技术允许在不损坏的情况下同时钻多个堆叠的板。在小于约0.0135英寸直径的比例尺上，钻头往往更昂贵且抗*作磨损性更差。另外，当板厚度与孔直径的比率增加时，镀覆可靠性可能受到负面影响。通常使用机械或激光钻孔来打孔，而较薄的板往往更容易钻孔至严格的公差。激光切割电路板更受欢迎。
关闭PCB组件。
图片来源：Benson HE / Shutterstock.com
影像学
丝网印刷是为电路板成像开发的首批技术之一，由于其对材料的要求低，相对较低的资本投资成本以及大批量生产的能力而一直在使用。但是，在较小的空间和线条尺寸下，其效率会降低，需要使用专用的丝网来处理较短的线条宽度和更密集的间距**。对于多层和细线电路应用而言，光成像技术是一种更为普遍的技术，它涉及通过液体辊涂，浸涂或旋涂，热辊层压和电泳生产薄膜。这是用于将电路图像对准到板上的高精度过程，并且由于相同的工具**负责成像和孔至引脚对齐，因此简化了该过程。尽管有优势，
•应力松弛，可能发生在内层中，从而导致设备面板内部以及各个面板之间意外移动。
•如果工具**因重复使用而磨损，则会发生工具磨损。破旧的工具可能会形成过大的**，从而导致零件松动，从而威胁电路板的完整性。
•分层循环，其中高温和热循环会增加被蚀刻特征从板上指定区域拉出的风险。
•内层准备很重要，因为在机械擦洗过程中施加太大压力会导致层压板拉伸或膨胀。
• 聚酯成像胶片可能会根据生产环境的温度和湿度水平而膨胀或收缩。
可以采取措施减轻这些变量带来的风险。微观修饰可以扩大胶片的各个方面以改善成像配准，而胶片拉伸可以扩展打印的图像以补偿将来的收缩，这是保持打印精度的两种常用方法。此外，在洁净室环境中工作可以减少污染物影响成像质量的机会。
覆膜
层压方法既用于多层电路设计，又用于生产实际的电路板。液压热压层压是最初使用的最常用技术之一，但是由于其制造能力强，因此最近开发的替代方法（例如结合了热或冷过程和真空辅助功能的液压机变型）已被广泛应用。高层板。这些方法还可以更好地控制电路板材料的介电常数和阻抗。高压釜层压可提供计算机控制的精度，并且可以更好地控制层压树脂**中使用的热量，并且能够生产三维形状。
电镀
PCB电镀涉及将金属表面处理应用于印刷电路板上，有几种将金属固定到电路板基板上的常用方法，包括：
•电解电镀经常用于大批量的精加工项目，因为它提供了相对较快的运行速度。电解过程依靠电流从溶液中镀出金属，通常采用镀浴来完成沉积。
•化学镀使用催化剂和自还原镀液或原电池反应的组合，以在不依赖电源的情况下完成表面处理。它通常用于模制电路应用，尤其是在三维电路路径的金属化中。
•等离子镀（也称为干镀）通过部分真空沉积金属，采用惰性气体等离子体从带电靶材上去除金属颗粒，以将其重新沉积在基板上。该方法通常用于细线电路生产中，并且产生的废物相对较少。
刻蚀
蚀刻是从印刷电路板表面去除多余的金属以建立均匀性，这对于某些类型的电路设备（例如细线电路）至关重要。标准蚀刻方法的功能范围从浸渍罐到垂直和水平工艺，但大多数技术都适用于电路板生产中常见的印版蚀刻顺序。常见的蚀刻化学品包括硝酸，****和氯化铜，它们的特征尺寸受铜厚的**。可以使用诸如添加剂和粘合剂之类的技术来减少这些**并增强细线电路蚀刻。
保形涂层
保形涂层是保护PCB组件的薄膜。聚合物膜遵循电路板的轮廓，以防止灰尘，湿气，极端温度和其他**性。传统的保形涂料通常具有树脂基底并且是半渗透性的。它们的使用方式多种多样，包括刷涂，手动或自动喷涂和浸涂。涂层通常很薄，以免增加PCB的重量，并最大程度地减少热量滞留。
电路板维修。
图片来源：Science Photo / Shutterstock.com
制作注意事项
印刷电路板原型在PCB制造过程中非常有帮助，因为它们提供了一种在批量生产之前测试设计组件多个方面的方法。寻找具有原型能力的车间将有助于整体PCB组装。
选择PCB制造和组装的合同制造商时，请确保制造车间能够满足周转时间和技术要求。车间通常专门生产一种类型的PCB或一种类型的安装件，因此找到适合您的生产运行需求的车间很重要。
例如，在制造小尺寸PCB时，需要使用较小的钻头或激光技术。制造车间可能会提供其他PCB特殊程序，例如深度钻孔和顺序层压，但是如果需要特殊工艺，请务必事先检查。顺序层压需要将板一次层压两次，而不是一次大批量层压。当需要在不打穿电路板另一侧的情况下将孔钻到特定深度时，可以使用深度钻削。根据其应用，电路板可能还需要特殊的材料，因此找到可以获取这些材料的制造商非常重要。柔性和刚性-柔性PCB使用可弯曲和移动的材料（例如塑料）来减轻重量，以及用于航空航天和医疗应用的PCB。制造商还可以专门从事特定行业。
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