PCB印制板

PCB印制板（精选三篇）

PCB印制板 篇1

随着电子技术的飞速发展,电子元器件和设备的单位面积或体积功率密度日益提高,而其带来的发热问题,也是商家和研究者共同关注的焦点。相关研究显示[1],电子仪器和设备的主要故障是过热而导致的损坏,温度过高会造成55%以上的电子仪器和设备的失效;并且电子仪器和设备的失效率伴随着温度的升高成指数增长;更有甚者,一些器件还存在10℃法则,即环境温度每升高10℃,器件的失效率就会增大一倍以上[2]。另外,需要强调的是,电子仪器和设备在具体的使用过程中,所面临的工作环境,肯定要比试验测试条件下的环境要更加恶劣和多样多变,那再加上温度升高的影响,损坏率就会更高。

另一方面,由于CPU的高使用频率和电子仪器设备的高密度安装,如何进行有效的、立体的散热就成为了备受关注的问题,这不仅关系到上面提到的误差率和损坏率,更是影响到商品的价格,这也是电子仪器和设备投入生产所必须考虑的核心。[3]研究和实践均表明,散热器、风扇及箱体构造等办法都是比较有效的散热手段,但这些手段在小型便携终端的狭小空间内,尤其是安装在母板上的模组元件,更是经常无用武之地;面对这种状况,要求基板本身具备散热效果已经是大势所趋了。有鉴于此,本文对印制电路板(PCB)的散热方案进行了探讨,以期达到一个较好的散热优化效果。

1 某信号预处理模块PCB的基本参数

该PCB采用8层板,板的尺寸为180mm×140mm×1.6mm,板内层有1个地层、2个信号层、3个电源层。板顶层和底层厚2盎司,含铜量20%;两个信号层厚2盎司,含铜量10%;电源层和地层厚1盎司,含铜量都为80%。经过计算,整个板的总功耗为40.52W,其中为了增强器件的可靠性,各器件的功耗取器件正常工作的最大功耗或设计的最大值。如图1所示为板上主要功耗元器件的基本参数。

2 信号预处理模块PCB散热方案的优化设计

一般而言,根据环境条件和元器件功耗大小的不同,来综合考虑PCB中元器件的布局。该PCB采用的是简化模型,其中:编号为T开头的电源类元器件,封装为TO-263-3pin;U1、U2、U5、U6和U7的元器件,封装为PBGA。由于T开头的电源类元器件,功耗大、散热面积小,故是该PCB上的主要热源,采用详细热阻模型建模;而U1、U2、U5、U6和U7,不仅散热面积较大、且整体的散热性能相对较好,故采用二热阻网络模型建模。最后,根据散热的相关原则,运用热力导向优化算法,形成了PCB如图2所示的元器件布局。

在对PCB元器件进行了布局好后,接着运用三种散热方式,在板水平放置、热面朝上和器件布局优化的情况下,分别对器件的结点温度做了相关测试。

仔细观察图3-图5不难看出,在空气流速为0.5m/s,即所谓的自然对流条件下,T1-4的结点温度为140℃,T2-4的结点温度为139℃,二者均超过规定值125℃,而此时板对应的平均温度为102℃。而在空气流速为2m/s,即所谓的强制对流条件下,出现了所有器件的结点温度均限定于规定的范围之内的乐观现象,这便说明了强制对流散热方案可以很好地满足设计要求。器件T1-4和器件T2-4在热传导条件下,其结点温度分别是144℃和143℃,同样超过规定的温度值,此时102℃是板对应的平均温度。因此,倘若PCB散热性能没有得到适当改善,同时也没有适时地采用附加散热措施,设计者也将无从满足设计上的要求。假如设置相同的器件布局,采用自然对流方式对器件结点的温度造成的影响是区别于采用传导方式所可能带来的影响的,不过二者差别甚小,其主要原因可以归于热传导在散热过程中起主导作用。然而,倘若换种散热方式,采用强制对流散热,当强制对流在散热过程中起到主导作用时,散热效果就会愈加明显。

通过以上对三种散热方式下各器件结点温度的分别预测,最终可以确定,强制对流散热方式是整板最好的散热方式。然而问题在于,如何通过改善板的散热能力以实现在自然对流和传导条件下板也能正常工作的目的。就不同散热方式所面临的环境条件而言,传导散热方式较之自然对流散热方式更为恶劣,就摆放位置对散热效果的影响而言,水平放置较之竖直放置要恶劣。故此处仅对传导水平放置方式的情况进行讨论。

观察图1可知,器件T1-4的结点温度为144℃,T2-4的结点温度为143℃,二者功率密度均为2.19W/cm2,较之其他器件的结点温度来说,最大差值可达37℃,最小差值也为13℃,因此,整个热设计的重点和难点也就集中在了如何有效降低器件T1-4和器件T2-4的结点温度。

分析以上数据之后,制定散热方案如下:

1)从整体角度着手,提升板的散热能力。设计者在设计PCB结构时,可以通过适当增加地层和电源层的铜的含量以求达到提高板平面导热系数的目的;采用覆铜连接热过孔,并通过增加热过孔的个数,以使得板在厚度方向上的导热能力得以加强。

2)从局部角度着手,将导热垫或小块铜皮加载于器件T1-4和器件T2-4的底部与板之间以求减小热阻;或者也可以利用热线性叠加原理,减轻与器件T1-4和器件T2-4相邻器件之间的热耦合作用。

3)假如以上措施的采用仍不能将器件最高的结点温度限定于规定的范围值内,那么从系统级热设计角度来考虑,此时就需要增加附加散热措施,譬如采用金属夹心,或者采用铝质散热板,为达到加强板的散热能力之目的就需要使用边缘导轨将板边沿固定在散热器或机箱壁或冷板上来。

针对以上三种方案,还必须将设计成本以及器件之间连线最短的因素考虑在内,以力求减小干扰,实现方便维修。

3 结论

通过实例分析总功耗为40.52W的某信号预处理模块的PCB:热阻模型的选择需要以各器件的功耗大小为准。在布局各器件时运用热力导向优化算法以实现最大限度优化的目的,并针对优化布局的可行性分别在三种散热方式条件下进行仿真预测。就不同散热方式所面临的环境条件而言,传导散热方式较之自然对流散热方式更为恶劣,就摆放位置对散热效果的影响而言,水平放置较之竖直放置要恶劣。因此,将分析和验证的对象锁定在了传导散热方式上。基于上述基础,研究人员制定了三种散热优化方案并分别对其进行了仿真验证,结果显示:器件T1-4之结点温度由最初基本设置时的144℃降到了91.1℃,而器件T2-4之结点温度也由最初基本设置时的143℃降到了89℃,至于PCB的平均温度,其也由初始设置时的101.7℃降到了81.3℃,各项相关数据均达到了PCB初期设计时的基本要求,使得优化方案的可行性也得到了更好地验证。

参考文献

[1]谢德仁.电子设备热设计工作点评[J].电子机械工程,1999(01):26-28.

[2]于慈远.电子设备热分析、热设计及热测量技术的初步研究[J].微电子学,2000(05):3.

[3]张世欣,高进,石晓郁.印制电路板的热设计和热分析[J].现代电子技术,2007(18):189-192.

[4]PD IEC TR 62380:2004.Reliability data handbook-Universal model for reliability Prediction of electronics Components.PCBs and equipment.

[5]管美章.印制电路板的热设计及其实施[J].印制电路信息,2008(04):27-30.

[6]胡志勇.优化PCB组件热设计的热模拟[J].印制电路信息,2009(07):62-64,72.

[7]魏超,刘召军,李增耀等.极限热环境下大功率PCB散热改进研究[J].工程热物理学报,2010(01):100-102.

[8]王兴久,沈煜年.多芯片双面PCB的热应力分析[J].南京理工大学学报(自然科学版),2010(02):170-175.

PCB印制板 篇2

随着信息技术的高速发展和电子产品的升级换代，传统的手工PCB设计方式逐渐被计算机辅助设计所取代。Protel作为一款功能强大的EDA软件，在PCB设计中有着十分广泛的应用，在相关专业教学中引入基于Protel的PCB设计及制板方法，对于增强学生专业实践能力具有重要作用。

一、Protel设计PCB的原则

1.元件布局

元件布局主要遵循以下原则：

高频元件连接时，连线应尽可能短，以降低电磁干扰；相互之间容易产生干扰的元件应该尽量分开，不宜靠得太近；对于存在高电位差的元件，必须满足相应的安全标准；重量较大的元件尽量不要安装在电路板上，以免损坏PCB板体；对于容易发热的元件，不宜安装在热敏元件附近；可调节元件要安放到便于调节的位置，如果是机外调节，则必须安放到与外壳旋钮相对应的位置。

其次，根据电路功能要求，在没有特别要求的情况下，应尽量根据原理图中的元件安排进行布局，让信号从左输入、从右输出；从上输入、从下输出。根据电路流程，合理布置各电路单元的方位，确保信号传输顺畅无阻，并避免出现信号方向上的冲突。

另外，元件布局应以各功能单元为核心，均匀、有序、紧凑地分布在核心电路附近；数字电路与模拟电路要彼此分开；元件和电路板边缘不宜靠得太近，一般应保持3mm以上。

2.导线布线

（1）线长。铜膜线越短越好，尤其是在高频电路中。铜膜线变向时，尽量采用圆角或斜角，而不宜出现尖角或直角，特别是布线密度较高时更要如此，否则会影响电气性能。对于双面板布线，要尽量使两面的导线彼此垂直或斜交，以防导线平行而出现寄生电容。

（2）线宽。铜膜线的宽度要满足两方面的要求，一是便于生产，二是达到相应的电气性能规定。通常而言，铜膜线的宽度以0.3mm为宜。

（3）间距。两条铜膜线之间要保持一定的安全距离，该间距至少应该能够承受线上的峰值电压。另外，出于生产方面的考虑，线的间距要尽可能的宽，特别是布线密度较低时，更要保持较大的间距。

（4）屏蔽及接地。公共地线要尽量设计到PCB板的边缘位置，同时，在电路板上要尽量多地留一些铜箔作为地线，以增强其屏蔽功能。此外，地线要尽可能设计成环形或网格形。

3.焊盘尺寸

确定焊盘内孔尺寸时，应从元件引线直径、公差尺寸、镀锡层厚度、孔径公差多个方面进行综合考虑。一般而言，可在金属引脚直径的基础上增加0.2mm作为焊盘孔径，并以该孔径加上1.2mm作为焊盘外径。当焊盘的孔径小于0.4mm时，应确保焊盘外径与焊盘孔径的比值在0.5～3之间；当焊盘孔径大于2mm时，应确保焊盘外径与焊盘孔径的比值在1.5～2之间。另外，特殊情况下也可以使用椭圆、方形等其他形状。

二、Protel设计PCB的实验室制板的方法

1.热转印法

热转印法需要使用美纹胶纸、覆铜板、剪刀、油性笔等工具和材料。制板前应输出并打印图形文件。

热转印法的工艺流程如下：下料、抛光、水洗、烘干、贴图、转印、冷却、取纸、腐蚀、水洗、烘干、钻孔、抛光、裁边、打磨边缘。

制板时，应注意以下操作细节：

（1）应参照PCB板尺寸，裁出大小合适的覆铜板；

（2）尽可能采用抗氧化性强的板材作为覆铜板；

（3）转印温度以175℃为宜，热转印前，要将板子过2～3遍；

（4）腐蚀液可以采用1：4的三氯化铁水溶液，也可以采用浓盐酸和过氧化氢的混合水溶液（HCl：H2O2：H2O=1：2：4）；

（5）采用手工钻孔时，必须挑选规格适宜的钻头，且尽可能将孔钻到焊盘中心。

2.感光板曝光法

感光板曝光法需要用到菲林底片、感光板、剪刀、油性笔、透明胶等工具和材料。制板前应输出图形文件并打印菲林底片。

感光板曝光法的工艺流程如下：裁板、贴图、曝光、显影、腐蚀、脱模、钻孔、抛光、钻孔、裁边、打磨边缘。

制板时，应注意以下操作细节：

（1）注意打印好正片和负片，以备曝光时使用；

（2）裁板要小心操作，以防感光膜从板上脱落；

（3）显影液的温度以45～55℃为宜，且显影粉：水=1：100；

（4）褪膜时应采用1：20的脱模液，温度以50～55℃为宜，没有脱模液时，也可用酒精等替代，经擦拭即可褪膜。

Protel是目前广泛采用的一种PCB设计软件，利用Protel设计PCB时，对于元件布局、导线布线、焊盘尺寸等方面都有一定的要求，学生在学习PCB设计时，要严格遵循这些原则，并熟练掌握热转印法和感光板曝光法这两种实验室常用制板方法，切实提高自身动手能力，为将来走向工作岗位奠定扎实基础。

参考文献：

[1]张辉.protel 99SE环境下的数字钟电路的设计[J].技术与市场，2015（5）.

[2]邹春妮.基于protel DXP 2004的pcb设计思想和方法的研究[J].中国科技纵横，2015（3）.

PCB印制板 篇3

手机单板的电源对于系统的稳定性至关重要。由于电源布线不合理,会造成手机使用过程中发热、发烫,甚至电池爆炸等事故。究其问题根源是由于手机PCB高度密集,在设计时对电源走线的电流承载能力、电源线上的温升、电源线上产生的压降和功耗等量化不够造成的。以下内容将从电源走线的直流特性入手,介绍手机刚性PCB电源布线可靠性设计方法。

2 电源走线的直流特性电阻

电流流过PCB印制线时,由于印制线直流电阻的存在,会引起电源电压跌落和线上的功耗。情况严重时可能引起供电电源的效率下降,系统过热,甚至引发系统故障。印制线的直流电阻与几何尺寸的关系见图 1。由公式可知,导体的电阻与长度和材料的电阻率成正比,与截面积成反比。导体的长度越长电阻越大,截面积越大电阻越小。

PCB上存在的两种形式的铜,即纯铜和电镀铜,PCB内层走线的铜可以看作是纯铜,PCB外层印制线为基铜(纯铜)加电镀铜,金属化孔为电镀铜。纯铜和电镀铜及其它PCB上常用表面处理材料金在25°C时电阻率见表 1。电镀铜的电阻率比纯铜高约3.5倍。

在电源的PCB走线中,还有一个不可忽略的内容是走线中的过孔。过孔的电阻的计算见图 2,厚度1.5mm的PCB,一个完成孔径为0.45mm/18mil,孔镀层为1mil的过孔的电阻为2.4毫欧姆。

压降

计算出了电源走线的直流电阻后,就很容易计算出走线上的电压,即电源电压跌落。

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举例1: 以一个芯片的core电源的电源走线为例,core电流为7A,core电源走线宽度设计为1mm,从电源管理芯片到射频芯片的线长度为30mm,铜厚度0.5OZ。

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如果Core电源是1.5V, 这样的设计会使将近0.2V的电压损耗在线上,到芯片时电压已经只有1.3V,低于芯片要求的1.5V±10%,芯片可能无法工作。

功耗

知道负载的工作电流,计算出了电源走线的直流电阻后,很容易计算出走线上功耗。

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接上面的例子,功耗W=(7A)2*28.3 mΩ=1386.7毫瓦=1.4瓦。

线上的功耗会转变为热能,使PCB印制线的温度升高。这个线上的温升高达70度。温升的计算在下节详细描述。

以上这个举例仅仅只考虑了电源线,其回路被认为是GND大平面,电阻是被忽略的。如果电源的回路1.5V_return与1.5V电源一样设计,则压降和功耗都要求加倍。

3 电源走线的载流能力与温升

设计PCB时,电源网络需要线宽多少,除了上一节提到的电阻、压降、功耗之外,另一个需要重点考虑的是电源线上的温升。温升的计算依据是IPC (Institute for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits) 标准或者美国军标。

对于刚性PCB,目前普遍采用的是IPC-2221 Generic Standards on Printed Board Design。计算方法,首先根据最大的工作电流Max_Current和允许的温升指标Temp_Rise,计算出要求导体的截面积Area,然后由截面积Area和印制线的铜厚Thickness,计算出印制线的宽度Width。印制线的铜厚,国内PCB厂家习惯用OZ来表示,OZ(盎司)是重量的单位,实际指的是每平方英尺铜的重量(oz数)。1盎司铜压延成一个平方英尺,那么铜的厚度是1.378mil(0.035mm)。两个计算公式如下,注意变量所使用的[单位]。

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IPC-2221中,公式中系数的取值如下:

PCB内层:k=0.024,b=0.44,c=0.725。

PCB外层:k=0.048,b=0.44,c=0.725。

4 电源走线的工程应用

根据电流的大小,铜箔的厚度与宽度,可以计算出导线的电阻值和功耗;反过来根据电流的要求,铜箔的发热要求,可以确定导线线宽。

工程师在设计数字电路的时候,很容易忽略走线宽度的问题,尤其是设计高密互连数字电路时,走线宽度不在考虑范围里面。通常情况下,都会尝试用最小的线宽去设计走线,这时,在大电流时,将会导致很严重的问题。上面的公式用于计算线宽与电流之间的关系,已经应用了几十年,通过这个公式可以很合理的去计算走线的宽度。在实际工程应用中,我们希望有更快捷的方法来确定电源导线的线宽。

4.1 PCB电源布线—大电流导线宽度快速查表法

4.2 PCB电源布线—大电流导线宽度快速查图法

4.3 PCB电源布线—大电流导线宽度快速计算法

除了上述查表和查图的方法,目前有将公式设计成图 4形式的Excel计算表,在相应的表格填入需求,即可得出内外层不同的线宽。

上述例子的条件采用正向设计,core电流2A,控制电源线上的温升为10度,选用铜厚0.5OZ得到的结果。内层走线线宽要求为160mil,压降为63mV,功耗为0.13W。外层线宽要求61mil,压降为163mV,功耗为0.33W。外层的散热条件好,同样的温升外层线宽可以窄很多,但注意它的压降和功耗比同样温升的内层高。当电源的走线较长时,我们有必要将温升控制得越低越好,这样线上的压降和功耗都低了。在布线空间允许,不影响其它高速信号线的特征阻抗,以及在能处理好信号的回流路径的情况下,电源线越宽越好。

5 电源走线的实例

关注电源通道上的瓶颈,用铜皮来实现电源的连接时,需要关注避让孔和线等给通道上造成的瓶颈。由于设备上电时的冲击电流比最大工作电流大,瓶颈处的温升过高会烧断铜皮,甚至烧焦板子,造成PCB板材碳化漏电引起火灾。图5中电源的主要通道宽度为250mil,但箭头所指的瓶颈处的宽度只有20mil。用的铜厚只有0.5OZ,当2A电流流过瓶颈处时,局部的温升大于270度。

瓶颈处的另一个风险可能来自PCB厂家,由于各厂家加工工艺不同,个别厂家可能会局部刮铜处理。所以在设计时就要尽量考虑各PCB厂家加工工艺,避免由于厂家为了适应大批量生产而采取的一些刮铜处理带来的质量风险。在一些关键网络上要求厂家严格按设计原稿制作,不能更改设计资料。

下面这个案例说明PCB厂家刮铜造成的后果。 PCB厂家在加工PCB时,对NPTH(非金属化孔)的基材圈为了保证有40mil的间距,而进行了刮铜处理,PCB设计并没有这样的要求。光绘文件原稿设计线宽68mil满足电源负载电流、功耗、温升等要求,供应商修改后的工程菲林线宽只有6.3mil,在对坏板磨片分析后发现有些电源线太细而烧断,造成断路,不能工作。

6 电源孔的可靠连接

在电源孔的连接设计时,需要特别注意:用图 2的公式计算通流能力时,由于形成孔壁的电镀铜的电阻率是纯铜的3.5倍,用孔的周长作为导体宽度来计算孔的工作电流时需要降额,最好是降额1/2(典型设计) ～ 2/3(保守设计)。

例如,2mm连接器的孔径是24mil,孔周长是75.4mil,按温升10度,这个孔计算的电流可达2安培,考虑降额,单层连接时最好只分配这个孔0.6～1安培。

表 3是一层1OZ铜线与过孔连接时过孔的电流承载能力参考,控制温升10°C,孔壁镀层1OZ。注意,这个电流承载能力不是指连接器针的,而是一层1OZ铜线与孔壁接头处的电流承载能力。过孔比导线要复杂些,但是计算机理是相同的,将孔等效地看成布线,将孔壁转开来。

电源孔连接的冗余设计有两种方式。当布线条件允许时,最好用两层以上的铜皮进行电源连接;当没有富裕的布线层,只有一层铜皮供电时,可以在电源孔处做局部的多层连接。另外就是防止电源过孔加工失效或者疲劳断裂,尽可能在电源多层连接处多打电源孔导通。

单板的电源对于系统的长期稳定性至关重要,PCB设计时应该量化电源线的电流承载能力,量化并控制好电源线上的温升、压降和功耗。特别注意避免电源通道上的瓶颈处的通流能力不足引起温升过高。对于关键部位的电源节点,如功放电源入口,要增加冗余设计,降低金属化孔疲劳裂纹给系统带来的风险。

参考文献

[1] Robert Kollman. Constructing Your Power Supply Layout Considerations[Z].Texas Instruments Incorporated,2005.

[2]Don Barker.Meeting at University of Maryland to discussmethod to develop the stress on copper versus temperaturecurve[Z].College Park,MD1,8 May 2005.

[3]Keith Rogers,Craig Hillman,and Michael Pecht.Con-ductive Filament Formation Failure in a Printed CircuitBoard[J].Circuit World,Vol.25(3),pp.6-8,1999.