印制电路板(电子产品的重要部件之一)

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印制电路板（外文名：Printed Circuit Board，简写PCB），又称印制线路板，是电子产品的重要部件之一，也是一种提供元器件连接的平台。主要由绝缘基板、印制导线和焊盘组成。印制电路板具有高密度化、高可靠性、可设计性、可生产性、可测试性、可组装性和可维护性等特点，还具备系统小型化、轻量化以及信号传输高速化等优势。

1903年，德国发明家阿尔伯特·汉森申请英国专利，其设计的改进电话交换机设备采用多层箔导体层压于绝缘板上，含简单通孔结构及两侧导体，虽与现代PCB不同，但为后续发展奠定基础。1925年，美国发明家查尔斯·杜卡斯通过将导电材料模板印刷在木板上并使用墨水导电，获得了首个电路板设计专利，这是与PCB相关的首次实际应用。1936年，奥地利发明家保罗·艾斯勒基于杜卡斯的电路设计，开发出首块用于无线电系统的PCB。1948年，美国陆军公开此技术，标志着印刷电路板技术的正式起步。1956年，美国专利及商标局向代表美国陆军的科学家团队授予了“组装电路的过程”专利。次年，首个制定PCB制造标准的组织——印制电路协会成立。1960年开始设计多层PCB。70年代，多层PCB快速发展，但设计仍依赖人工完成。进入80年代，随着计算机和电子设计自动化（saber仿真软件）软件的出现，制造商迅速转向数字设计。2000年后，PCB变得更小、更轻、层数更多且更复杂，多层和柔性电路PCB设计愈发普遍。在中国，PCB的发展大致经历了以下几个阶段：50年代中期，中国开始研制单面印制板，并首先用于半导体收音机。60年代，自主开发覆箔板基材，铜蚀刻法成主导工艺，实现单面板大批量、双面板小批量生产。70年代，推广图形电镀蚀刻法，但受历史条件限制，专用材料和设备滞后，整体技术水平落后其他国家。80年代，改革开放引进先进生产线，大幅提升生产技术。2002年，中国成世界第三大PCB产出国。2006年，取代日本成为全球最大PCB生产基地和技术最活跃国家。

印制电路板可按层数、软硬程度及其他维度分类。按层数分，有单面、双面、多层和平面印制电路板。按软硬程度，有刚性、柔性（FPC）和软硬结合板。此外，还可按材质、表面工艺、过孔导通状态等分类。印制电路板应用领域广泛，涵盖计算机、通信设备、汽车、电子产品、工业控制、仪器仪表、医疗机械及航空航天等多个方面。

定义

印制电路板（PCB，Printed Circuit Board）是电子产品的重要部件之一。几乎每种电子设备，小到电子手表、计算器，大到计算机、通讯电子设备、军用航空武器系统，都要使用印制电路板。其设计是整机工艺设计中重要的一环。在大型的电子产品研制过程中，最基本的成功因素是该产品的印制电路板的设计和制造。印制电路板的设计和制造质量直接影响到整个产品的质量和成本，甚至决定商业竞争的成败。

在中国的国家标准CB2036-1994中，对印制电路板的解释是：“印制电路板或印制线路板成品板统称印制板。它包括刚性、挠性和刚挠结合的印制板。”具体来讲，一个完整的电路板应当包括一些具有特定电气功能的元器件和建立起这些元器件电气连接的铜箔、焊盘及过孔等导电图件。

印制电路板从单层发展到双面、多层，不断地向高精度、高密度和高可靠性方向发展，不断缩小体积、减轻成本、提高性能，使得印制电路板在未来电子设备的发展过程中仍然保持强大的生命力。国内外对未来印制电路板生产制造技术发展动向的论述基本是一致的，即向高密度、高精度、细孔径、细导线、细间距、高可靠、多层化、高速传输、轻量、薄型方向发展，在生产上同时向提高生产率、降低成本、减少污染、适应多品种、小批量生产方向发展。印制电路板的技术发展水平，一般以印制电路板上的线宽、孔径、板厚/孔径比值为代表。印制板技术水平的标志，对于孔金属化的双面和多层印制板而言，即以大批量生产的双面金属化印制板，在2.50mm或2.54mm标准网格交点上的两个焊盘之间，能布设导线的根数作为标志。对于多层板来说，还应以孔径大小、层数多少作为综合衡量标志。

发展历程

1903年，德国发明家阿尔伯特·汉森（Albert Hanson）为一种改进电话交换机的设备申请了英国专利。该设备采用多层箔导体层压到绝缘板上的设计，包含简单的通孔结构和设备两侧的导体，如图3.1.1所示。尽管这与现代PCB有所不同，但汉森的创新为后续发展奠定了基础。

1925年，美国发明家查尔斯·杜卡斯（Charles Ducas）通过将导电材料模板印刷在木板上并使用墨水导电，获得了首个电路板设计专利，这是与PCB相关的首次实际应用，如图3.1.2所示。

1936年，奥地利发明家保罗·艾斯勒（Paul Eisler）基于杜卡斯的电路设计，开发出首块用于无线电系统的PCB。这项技术迅速被美国军方采纳，并在第二次世界大战期间应用于近炸引信。1948年，美国陆军公开此技术，标志着印刷电路板技术的正式起步。

1956年，美国专利及商标局向代表美国陆军的科学家团队授予了“组装电路的过程”专利。次年，首个制定PCB制造标准的组织——印制电路协会（Institute of Printed Circuits， IPC）成立。此后，PCB制造业蓬勃发展，1960年开始设计多层PCB。70年代，多层PCB快速发展，但设计仍依赖人工完成。

进入80年代，随着计算机和电子设计自动化（saber仿真软件）软件的出现，制造商迅速转向数字设计。EDA软件彻底改变了PCB的设计与制造方式，显著提高了效率。同时，表面贴装组件的引入进一步缩小了PCB的尺寸。90年代至今，PCB产业日益成熟，尺寸持续减小。2000年后，PCB变得更小、更轻、层数更多且更复杂，多层和柔性电路PCB设计愈发普遍。未来，印制电路板生产制造技术将朝着高密度、高精度、细孔径、细导线、小间距、高可靠、多层化、高速传输、轻量和薄型等方向发展。

中国于50年代中期开始研制单面印制板，并首先应用于半导体收音机。60年代，中国自主开发覆箔板基材，使铜蚀刻法成为主导工艺，实现了单面板的大批量生产和双面板的小批量生产。70年代，国内推广图形电镀蚀刻法工艺，但由于历史条件限制，专用材料和设备的发展滞后，整体生产技术水平落后于国外。80年代，改革开放政策的实施使我国引进了大量国外先进生产线，大幅提升了印制电路生产技术水平。2002年，中国成为世界第三大PCB产出国。2006年，中国取代日本成为全球最大的PCB生产基地和技术发展最活跃的国家。

特点

（1）高密度化。印制板的高密度能够随着集成电路集成度提高和安装技术进步而发展着。

（2）高可靠性。通过一系列检查、测试和老化试验等，可保证印制电路板长期而可靠地工作着。

（3）可设计性。对印制电路板的各种性能（电气、物理、化学、力学等）的要求，可以通过设计标准化、规范化等来实现印制板设计，时间短、效率高。

（4）可生产性。采用现代化管理，可进行标准化、规模化、自动化等生产，保证产品质量的一致性。

（5）可测试性。建立了比较完整的测试方法、测试标准、各种测试设备与仪器等，来检测并鉴定印制电路板产品的合格性和使用寿命。

（6）可组装性。印制电路板产品既便于对各种元件进行标准化组装，又可以进行自动化、规模化的批量生产，同时印制电路板和各种元件组装的部件还可组装形成更大的部件、系统，直至整机。

（7）可维护性。由于印制电路板产品和各种元件组装的部件是以标准化设计与规模化生产的，因而，这些部件也是标准化的。所以，一旦系统发生故障，可以快速、方便、灵活地进行更换，以便迅速恢复工作。

另外还有系统小型化、轻量化、信号传输高速化等特点。

功能

印制电路板在电子设备中具有如下功能。

（1）提供集成电路等各种电子元器件固定、装配的机械支承，实现集成电路等各种电子元器件之间的布线和电气连接或电绝缘，提供所要求的电气特性。

（2）为自动焊接提供阻焊图形，为元器件插装、查、维修提供识别字符和图形。

（3）电子设备采用印制板后，由于同类印制板的一致性，避免了人工接线的差错，并可实现电子元器件自动插装或贴装、自动焊锡、自动检测，保证了电子产品的质量，提高了劳动生产率、降低了成本，并便于维修。

（4）在高速或高频电路中为电路提供所需的电气特性、特性阻抗和电磁兼容特性。

（5）内部嵌人无源元器件的印制板，提供了一定的电气功能，简化了电子安装程序，提高了产品的可靠性。

（6）在大规模和超大规模的电子封装元器件中，为电子元器件小型化的芯片封装提供了有效的芯片载体。

组成

印制电路板主要由绝缘基板、印制导线和焊盘组成。

绝缘基板

用于制造印制板的基板材料品种很多，但大体上分为两大类：有机类基板材料和无机化合物类基板材料。

有机类基板材料

有机类基板材料是指用增强材料如玻璃纤维布（纤维纸、玻璃等），浸以没药树粘合剂，通过烘干成坯料，然后覆上铜箔，经高温高压而制成。这类基板称为覆铜层压板（CCL），俗称覆铜板，是制造PCB的主要材料。市场上常见的有机类电路基板分为环玻璃纤维电路基板和非ep的层板。环氧玻璃纤维电路基板由环氧树脂和玻璃纤维组成它结合了玻璃纤维强度好和环氧树脂韧性好的优点，具有良好的强度和延展性。用它既可以制作单面PCB，也可以制作双面和多层PCB。非环树脂的层板又可分为聚酰亚胺树脂玻璃纤维层板、F4玻璃纤维层板、PF纸基层板等。酚醛树脂纸基层板，只能冲孔不能钻孔，仅用于单面和双面印制电路板，而不能作为多层印制电路板的原材料，所以在民用电子产品中广泛将它们作为电路基板材料;聚四氟乙烯玻璃纤维层板可用于高频电路中；聚酰亚胺树脂玻璃纤维层板可作为刚性或柔性电路基板材料。

无机化合物类基板

无机类基板主要是陶瓷板和瓷釉包覆钢基板。陶瓷电路基板的基板材料是96%的氧化铝，陶瓷电路基板主要用于厚、薄膜混合集成电路和多芯片微组装电路中，它具有有机材料电路基板无法比拟的优点。陶瓷基板还具有耐高温、表面光洁度好、化学稳定性高的特点，是薄、厚膜混合电路和多芯片微组装电路的优选电路基板。瓷釉包覆钢基板克服了陶瓷基板存在的外形尺寸受限制和介电常数高的缺点，它介电常数较低，可作为高速电路的基板，应用于某些数码产品中。

印制导线

印制导线是根据电路原理图建立起来的、一种用以实现元器件间连接的、附着在基板上的铜箔导线。

焊盘

焊盘是用以实现元器件引脚与印制导线连接的结点。一个元器件的某个引脚通过焊盘与某段铜箔导线的一端连接，另一个元器件的某个引脚通过另一个焊盘与该段铜箔导线的另一端相连，这段铜箔导线就将两个元器件引脚连接起来。

设计

印制电路板的设计，是根据设计人员的意图，将模块的原理图转换成印制板图、确定电路板加工技术要求和定义电路板安装加工的可制造性工艺的过程。

因此从狭义来说，印制电路板的设计包括电路布局设计、地线/电源平面设计和走线设计3部分：而从广义来说，还包括电磁兼容性评估、可装配性检查、电路板本身加工的可制造性检查和电路板安装加工的可制造性检查几个部分。

1、电路布局设计：印制电路板上元器件的排列称为布局，在操作过程中根据电路原理图及元器件的特点，研究各元器件的布局排列，确定它们在印制电路板上的最佳位置。

2、地线/电源平面设计：在考虑不同的地线和电源的基础上确定策略，以保证设计初期有合理的地线策略和电源布局策略支持走线设计。

3、走线设计：在设计硬件电路板时需要遵循一些走线的基本原则，在后面将以图文结合的方式将一些检查的要点展示出来。

4、电磁兼容性评估：实际上是贯穿于元器件布局、地平线设计和走线设计几个部分之中的。

5、可装配性检查：根据模块外壳的限制以及实际安装的条件，分析模块的可装配性。

6、电路板本身加工的可制造性检查和电路板安装加工的可制造性检查，需要在前期以检查的形式完成，在11.3.2小节将详细介绍。

7、电路板完全设计完成以后，将会以GERBER的形式发送给电路板制造供应商由供应商的工艺工程师进行检查，确认电路板制程的可行性。当然较为复杂的电路板还要涉及专门的信号完整性问题，在这里主要就一些通用的规则进行探讨。

分类

按层数分类

单面印制电路板

单面印制电路板就是只有一面是印制电路板，另一面是元件面。单面印制电路板通常是用酚醛纸基单面覆铜板，通过印制和腐蚀的方法，在绝缘基板覆铜箔一面制成印制导线。它适用于对电性能要求不高的收音机、收录机、电视机、仪器和仪表等。

双面印制电路板

双面印制电路板是在两面都有印制导线的印制电路板。通常采用ep玻璃布铜箔板或环氧酚醛玻璃布铜箔板。由于两面都有印制导线，一般采用金属化孔连接两面印制导线。其布线密度比单面板更高，使用更为方便。它适用于对电性能要求较高的通信设备、计算机、仪器和仪表等。

多层印制电路板

多层印制电路板是在绝缘基板上制成三层以上印制导线的印制电路板。它由几层较薄的单面或双面印制电路板（每层厚度在0.4mm 以下）叠合压制而成。为了将夹在绝缘基板中的印制导线引出，多层印制电路板上安装元器件的孔需经金属化处理，使之与夹在绝缘基板中的印制导线沟通。目前，广泛使用的有四层、六层、八层，更多层的也有使用。

多层印制电路板的主要特点：与集成电路配合使用，有利于整机小型化及质量的减小；接线短、直，布线密度高：由于增设了屏蔽层，可以减小电路的信号失真：引入了接地散热层，可以减少局部过热，提高整机的稳定性。

平面印制电路板

将印制电路板的印制导线嵌入绝缘基板，使导线与基板表面平齐，就构成了平面印制电路板。在平面印制电路板的导线上都电镀一层耐磨的金属，通常用于转换开关、电子计算机的键盘等。

按软硬程度分类

根据成品的软硬程度进行分类，可以将PCB分为刚性电路板、柔性电路板和软硬结合板。刚性电路板比较常见，其具有一定的机械强度，使用时处于平展状态。一般电子设备使用的都是刚性电路板。柔性电路板又称为FPC（FlexiblePrintedCircuit），具有重量轻、厚度薄、可自由弯曲折叠等特点，可在三维空间内任意移动和伸缩从面达到元器件装配和导线连接一体化的效果，如图1.40（b）所示。软硬结合板就是柔性电路板和刚性电路板，经过压合等工序，按相关工艺要求结合在一起，形成具有FPC特性和PCB特性的线路板。

其他分类

PCB的分类还有很多，例如根据材质分类，可分为玻璃纤维板、铝基板和铜基板等；根据表面制作工艺分类，可分为喷锡板、沉金板和镀金板等，根据过孔的导通状态分类，可分为盲孔板、埋孔板和过孔板等。

PCB设计原则

原理图设计基本原则

（1）根据设计任务，规划设计层次，即设计的电路是单张图纸设计还是层次设计，以及采取何种层次来完成设计。

（2）以模块化和信号流向为原则摆放元件，使设计的原理图便于电路功能和原理分析。

（3）根据设计，编辑所需要的库元器件。

（4）同一模块中的元件尽量靠近，不同模块中的元件稍微远离。

（5）不要有过多的交叉线、过远的平行连线，充分利用总线、网络标号和电路端口等电气符号，使原理图清晰明了。

PCB 设计的一般原则

PCB设计的好坏直接影响电路板抗干扰能力的大小。因此在做PCB设计时，一定要遵循PCB设计的一般原则，以达到抗干扰设计的要求。其中，PCB板尺寸及板层的选用，元器件的布局、布线等设计都会影响电路板的抗干扰能力，下面简要介绍这些方面的一般原则。

PCB板尺寸及板层的选用。

PCB设计主要考虑的是产品制造成本、元件与设备外形尺寸要求等各方面因素，因此要确定PCB板的大小和层数，PCB板尺寸及板层的选择一般遵循以下原则。

1、设计者需要根据实际的安装环境设置PCB板的尺寸。PCB板尺寸过大，一方面会使得印制导线线路变长，导致阻抗增加，致使电路的抗噪声能力下降，另一方面会使得制造成本增加;PCB板尺寸过小，一方面会使得安装难度增加，另一方面会导致PCB的散热不好且印制线路密集，造成相邻线路相互干扰加大。

2、一般情况下，选择单面板还是双面板必须满足最有效的成本利用。根据经验，带有镀通孔的双面印制板的造价是单面板的5~10倍之多。在成本要求较低的情况下通常使用单面板。在PCB设计时，有时需要元器件或使用跨接线来跳过电路板的走线。如果数量太多，就应考虑使用双面板。在双面板的设计中，元器件面的导线数量必须保持最少，以确保容易获得所需用材。出于经济和可靠性方面的考虑，孔的数量应保持在最低限度。

元器件的布局原则

1、信号流向布放原则。

把整个电路按照功能划分成若干个电路单元，按照电信号的流向，逐个依次安排各个功能电路单元在板上的位置，使布局便于信号流通，并使信号流尽可能保持一致的方向。在多数情况下，信号的流向安排成从左到右（左输入、右输出）或从上到下（上输人、下输出）。

2、就近原则。

与输入、输出直接相连的元器件应当放在靠近输入、输出接插件或连接器的地方。

3、布放顺序原则。

即先主后次，先大后小，先特殊，先集成后分立。先主后次就是先布设每个功能电路的核心元器件，然后围绕它对其他元器件来进行布局;先大后小就是先安放面积较大的元器件;先特殊就是在着手设计印制板的版面、决定整机电路布局的时候，应该分析电路原理优先确定特殊元器件的位置，然后再安排其他元器件，尽量避免可能产生干扰的因素，并采取措施，使印制板上可能产生的干扰得到最大限度的抵制，所谓特殊元器件，是指那些可能从电、磁、热、机械强度等几方面对整机性能产生影响，或者根据操作要求固定位置的元器件;先集成后分立就是先布设集成电路后布设分立元器件。

4、散热原则。

印制板布局应该有利于散热。常用元器件中，电源变压器、功率器件、大功率电阻等都是发热元器件（以下均称热源），而电解电容是典型怕热元件，几乎所有半导体器件都有不同程度的温度敏感性，设计时可采取预防措施。

5、增加机械强度的原则。

要注意整个电路板的重心平衡与稳定。对于那些又大又重、发热量较多的元器件（如电源变压器、大电解电容和带散热片的大功率品体管等），一般不要直接安装固定在印制电路板上。应当把它们固定在机箱底板上，使整机的重心靠下，容易稳定。否则，这些大型元器件不仅要大量占据印制板的有效面积和空间，而且在固定它们时，往往可能使印制板弯曲变形，导致其他元器件受机械损伤，还会引起对外连接的接插件接触不良。质量在15g以上的大型元器件，如果必须安装在电路板上，不能只靠焊盘固定，应采用支架或卡子等辅助固定措施。

当印制电路板的尺寸大于200mmx150mm时，考虑到电路板所承受重力和震动产生的机械应力，应该采取机械边框对它加固，以免变形。在板上留出固定支架、定位螺钉和连接插座所用的位置。

6、便于操作的原则

对于电位器、可变电容器或可调电感线圈等调节元件的布局，要考虑整机结构的安排。如果是机外调节，其位置与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应;如果是机内调节，则应当放在印制板上能够方便调节的地方。

为了保证调试、维修安全，特别要注意带高压的元器件（如显示器的阳极高压电路元件），尽量布置在操作时人手不易触及的地方。

PCB布线原则。

1、印制导线的宽度原则。

印制导线的最小宽度取决于导线的载流量和允许温升。覆铜板铜箔的厚度一般为0.02~0.05mm。印制板的工作温度不能超过85℃，导线长期受热后，铜会因粘贴强度差而脱落。在密度允许的情况下，尽可能用宽线，尤其是电源和地线。

2、印制导线的间距原则。

导线的最小间距主要由最恶劣情况下的导线间绝缘电阻和击穿电压决定。一般导线间距等于导线宽度，但不小于1mm。对于微型设备，不小于0.4mm。表面贴装板的间距为0.12~0.2mm，甚至达到0.08mm。对于集成电路，尤其是数字电路，只要工艺允许可使间距很小。

3、布线优先次序原则。

密度疏松原则：从印制板上连接关系简单的器件着手布线，从连线最疏松的区域开始布线，以调节个人状态。

核心优先原则：例如DDR、RAM等核心部分应优先布线，类似信号传输线应提供专层电源、地回路。其他次要信号要顾全整体，不可以和关键信号相抵触。

关键信号线优先：电源、模拟小信号、高速信号、时钟信号和同步信号等关键信号优先布线，在布线规则中设置布线优先级，0为最低级，100为最高级。

应用领域

印制电路板备大规模应用与电子产品之中是20世纪40年代，印制电路板在电子设备中具有如下功能。

①提供集成电路等各种电子元器件固定、装配的机械支撑，实现集成电路等各种电子元器件之间的布线和电气连接或电绝缘，提供所要求的电气特性。

②为自动焊接提供阻焊图形，为元件插装、检查、维修提供识别字符和图形。

③电子设备采用印制板后，由于同类印制板的一致性，避免了人工接线的差错，并可实现电子元器件自动插装或贴装、自动焊锡、自动检测，保证了电子产品的质量，提高了劳动生产率、降低了成本，并便于维修。

经过半个多世纪的发展，印制电路板已经从原来的单面板发展到今天的双面板、多层板和特种板多种类项。始于20世纪70年代的刚挠结合印制板更是成为当今印制电路技术发展的一个重要发展方向。刚挠结合印制板是一种特殊的互连技术，最大的优点是省去电线电缆的连接安装，减少或不用接插件与端点焊接，缩小空间与重量，减少或避免电气干扰而提高电性能，完全满足了电子设备（产品）向着轻、薄短、小且多功能化方向发展的需要。刚挠结合电路板作为一种具有薄、轻、可挠曲等特点的可满足三维组装需求的互连技术，在电子及通信行业得到日趋广泛的应用和重视。随着电子技术的发展，其应用会越来越广。印制电路板应用领域主要如下。

①计算机：主板、网卡、游戏卡、磁盘驱动器、传输线带、打印机等计算机辅助设备等。

②通信：多功能电话、手机、可视电话、传真机等。

③汽车：控制仪表板、排气罩控制器、防护板电路、断路开关系统等。

④消费类电子产品：照相机、摄像机、录像机、VCD、DVD、微型录音机、拾音器、计算器、健身监视器等。

⑤工业控制：激光测控仪、传感器、加热线圈、复印机、电子衡器等。

⑥仪器仪表：核磁分析仪、X光射线装置、红外线分析仪等。

⑦医疗机械：理疗仪、心脏起搏器、内窥镜、超声波探测仪等。

⑧航空航天：人造卫星、雷达系统、陀螺仪、无线电通信、黑匣子、导弹等。

产业链

按产业链上下游来分类，可以分为原材料、覆铜板、印刷电路板、电子产品应用等，其关系简单如下：

玻纤布：玻纤布是覆铜板的原材料之一，由玻纤纱纺织而成，约占覆铜板成本的40%（厚板）或 25%（薄板）。玻纤纱由硅砂等原料在窑中煅烧成液态，通过极细小的合金喷嘴拉成极细玻纤，再将几百根玻纤缠绞成玻纤纱。窑的建设投资巨大，一般需上亿资金，且一旦点火就必须 24小时不间断生产，进入退出成本巨大。

铜箔：铜箔是占覆铜板成本比重最大的原材料，约占覆铜板成本的30%（厚板）或50%（薄板），因此铜的涨价是覆铜板涨价的主要驱动力。

覆铜板：覆铜板是以ep等为融合剂将玻纤布和铜箔压合在一起的产物，是印刷电路板的直接原材料，在经过刻蚀、电镀、多层板压合之后制成印刷电路板。

定义