第1章印制电路板基础知识

第1章印制电路板基础知识朱骏Tel:13665218196Email:[e-mail]:物理楼412-414原理图电路板(1)PCB：PrintedCircuitBoard电路板(2)电路板(3)电路板(4)1.1印制电路板概述印制电路板简称为PCB(PrintedCircuitBoard)，又称印制版，是电子产品的重要部件之一。电路设计中，先完成原理图，再设计印制电路板图，最后由制板厂家依据用户所设计的印制电路板图制作出印制电路板。常用单位：1inch(英寸，in)=1000mil(毫英寸)=2.54cm10mil=0.254mm1mm=39.37mil1.1印制电路板概述1.1.1印制电路板结构印制电路板的结构有单面板、双面板和多层板三种。(1)单面板：一面敷铜，另一面没有敷铜的电路板，只可在敷铜的一面布线并放置元件。单面板成本低，不用打过孔。但是单面板走线只能在一面上进行，设计往往比双面板或多层板困难得多。(2)双面板：包括顶层(TopLayer)和底层(BottomLayer)两层，顶层一般为元件面，底层一般为焊锡层面，双面板的两面都可以敷铜和布线。双面板的电路一般比单面板的电路复杂，但布线比较容易，是制作电路板比较理想的选择。1.1印制电路板概述(3)多层板：多层板就是包含了多个工作层的电路板。除了上面讲到的顶层、底层以外，还包括中间层、内部电源或接地层等。随着电子技术的高速发展，电子产品越来越精密，电路板也越来越复杂，多层板的应用也越来越广泛。1.1.2元件封装元件的封装是印刷电路设计中很重要的概念。其作用是保证取用的元件的引脚和印刷电路板上的焊盘一致。元件的封装就是实际元件焊接到印刷电路板时的焊接位置与焊接形状，包括了实际元件的外型尺寸，所占空间位置，各管脚之间的间距，以及焊盘的大小，焊盘孔的大小等。元件封装仅仅是空间的概念，因此不同的元件可以共用同一个元件封装；另一方面，同种元件也可以有不同的封装。所以在取用焊接元件时，不仅要知道元件名称，还要知道元件的封装。元件的封装可以在设计电路图时指定，也可以在引进网络表时指定。1.元件封装的分类普通的元件封装有针脚式封装和表面粘贴式封装两大类。针脚式封装必须把相应的针脚插入焊盘过孔中，再进行焊接。因此所选用的焊盘必须为穿透式过孔，设计时焊盘板层的属性要设置成MultiLayer。表面粘贴式封装(SMT)元件的管脚焊点只限于表面层(TopLayer或BottomLayer)，焊点没有穿孔。设计的焊盘属性必须为单一层面。(1)DIP封装(DualIn-linePackage)(2)芯片载体封装陶瓷无引线芯片载体封装LCCC:LeadlessCeramicChipCarrier塑料有引线芯片载体封装PLCC:PlasticLeadedChipCarrier小尺寸封装SOP：SmallOutlinePackage塑料四边引出扁平装PQFP:PlasticQuadFlatPackage2.元件封装的编号元件封装的编号一般为：封装类型+焊盘距离(焊盘数)+元件外形尺寸如AXIAL-0.4：封装为轴状的，两焊盘间距为400milDIP-16：双排直列引脚的器件封装，两排共16个引脚。RB.2/.4：Radius,Boundary常用单位：1inch(英寸，in)=1000min(毫英寸)=2.54cm10min=0.254mm1mm=39.37mil常见元件的封装：(1)针脚式电阻：封装系列名为“AXIAL-xxx”“AXIAL”表示轴状的包装方式；“xxx”为0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,1.0，表示两个焊盘间距离，单位为inch。后缀数字主要与电阻功率有关，功率越大，数字越大。(2)扁平状电容：RAD-xxxRAD：Radial，径向。“xxx”：0.1,0.2,0.3,0.4，表示两焊盘间距。(3)筒状封装典型元件是极性电解电容器。发光二极管有时也用此封装。RBx-x：如RB5-10.5，RB7.6-15。两个数字分别表示焊盘之间距离和圆筒的直径，单位是mm。CAPPR5-5x5，CAPPR5-4x5，CAPPR7.5-16x35CAP指电容；PR分别为Polar，Radial，三个数字分别代表焊盘间距，圆筒直径，高度，单位是mm。CAP指电容；PA分别为Polar，Axial，三个数字分别代表焊盘间距，圆筒长度，直径，单位是mm。电解电容的外形大小与其容量、耐压、材料等有关。(4)二极管类元件常用封装为DIODE-0.4，DIODE-0.7，表示焊盘间距为0.4、0.7inch。(5)三极管类元件常用封装系列名称为“TO-xxx”，其中“xxx”表示三极管类型。(6)其它元件整流桥宽度约10mm17mmLED接插件1.1.3铜膜导线铜膜导线：也称铜膜走线，简称导线，是电路板制作时用铜膜制成导线(Track)，用于连接焊点。是印制电路板最重要的部分，实际上，PCB设计都是围绕如何布置导线进行的。飞线，即预拉线。是在引入网络表后，系统根据规则生成，用来指引布线的一种连线。区别：飞线只是表示两点在电气上的相连关系，但没有实际连接。导线是根据飞线指示的焊盘间的连接关系而布置的，是具有电气连接意义的连接线路。1.1.4助焊膜和阻焊膜助焊膜(Solder)：涂于焊盘上，提高可焊性能的一层膜，就是在电路板为焊盘略大的浅色圆。阻焊膜(TOPorBottomPasteMask)：为使制成的板子适应波峰焊等焊接形式，要求板子上非焊盘处的铜箔不能粘锡，因此在焊盘以外的各部位都要涂覆一层涂料，用于阻止这些部位上锡。它是一种特殊的化学物质，通常为绿色，不粘焊锡，防止在焊接时相邻焊接点的多余焊锡短路，并且防焊层将铜膜导线覆盖住，防止铜膜过快在空气中氧化。1.1.5层AltiumDesigner的“层”不是虚拟的，而是印制电路板材料本身实实在在的铜箔层。由于电子线路的元件密集安装、抗干扰和布线等特殊要求，一些较新的电子产品中所用的印制电路板不仅上下两面可供走线，在板的中间还设有能被特殊加工的夹层铜箔。现在的计算机主板所用的印制电路板材料大多在4层以上。这些层因加工相对较难而大多用于设置走线较为简单的电源布线层(GroundDever和PowerDever)，并常用大面积填充的办法来布线(如Fill)。上下位置的表面层与中间各层需要连通的地方用“过孔(Via)”来沟通。一旦选定了所用印制电路板的层数，就务必关闭那些未被使用的层，以免布线出现差错。1.1.6焊盘和过孔(1)焊盘(Pad)焊盘的作用是放置焊锡、连接导线和元件引脚。选择元件的焊盘类型要综合考虑该元件的形状、大小、布置形式、振动和受热情况、受力方向等因素。Designer在封装库中给出了一系列不同大小和形状的焊盘，如圆形、方形、八角形、圆方形和定位用焊盘等，也可按需要自己编辑。对发热且受力较大、电流较大的焊盘，可自行设计成“泪滴状”。编辑焊盘时还要考虑以下原则：形状上长短不一致时，要考虑连线宽度与焊盘特定边长的大小其差异不能过大。需要在元件引脚之间走线时，选用长短不对称的焊盘往往事半功倍。各元件焊盘孔的大小要按元件引脚粗细分别编辑确定，原则是孔的尺寸比引脚直径大0.2～0.4mm。(2)过孔(Via)过孔就是用于连接不同板层之间的导线。过孔内侧一般都由焊锡连通。过孔分为3种：从顶层直接通到底层的过孔称为穿透式过孔(Thruhold)；只从顶层通到某一层里层，并没有穿透所有层，或者从里层穿透出来的到底层的过孔称为盲过孔(Blind)；只在内部两个里层之间相互连接，没有穿透底层或顶层的过孔就称为隐藏式过孔(Buried)。设计线路时对过孔的处理有以下原则：尽量少用过孔，一旦选用了过孔，务必处理好它与周边各实体的间隙，特别是容易被忽视的中间各层与过孔不相连的线与过孔的间隙。需要的载流量越大，所需的过孔尺寸越大，如电源层和地层与其它层联接所用的过孔就要大一些。过孔的形状一般为圆形。过孔有两个尺寸，即HoleSize(通孔直径)和钻孔加上焊盘后的总的Diameter(过孔直径)。通孔和过孔之间的孔壁，由与导线相同的材料构成，用于连接不同层的导线。1.1.7丝印层为方便电路的安装和维修，在印制电路板的上下两表面印上所需要的标志图案和文字代号等，例如元件标号和标称值、元件外廓形状和厂家标志、生产日期等，这层就称为丝印层(SilkscreenTop/BottomOverlay)。正确的丝印层字符布置原则是：“不出歧义，见缝插针，美观大方”。1.1.8敷铜对于抗干扰要求比较高的电路板，常常需要在PCB上敷铜。敷铜可以有效地实现电路板的信号屏蔽，提高电路板信号的抗电磁干扰能力。敷铜有两种方式：实心填充方式和网格状的填充方式。尽量避免使用大面积铜箔，否则长时间受热，易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用大面积铜箔时，最好用栅格状。这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。1.2印制电路板设计流程印制电路板设计的一般步骤如下：1)绘制原理图。2)规划电路板。3)设置参数。4)装入网络表及元件封装。5)元件的布局。6)手动预布线。7)锁定手动预布的线，然后进行自动布线。8)手工调整。9)文件保存及输出。1.3印制电路板设计的基本原则PCB：质量好(抗干扰性好)、造价低1.3.1布局(1)确定PCB的尺寸。PCB尺寸过大时，印制线路长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。(2)确定特殊元件的位置。(3)根据电路的功能单元，对电路的全部元件进行布局。1.电路板形状与尺寸PCB的最佳形状为矩形，长宽比为3:2或4:3。电路板面尺寸大于200mm×150mm时，应考虑电路板所受的机械强度。板厚也可以按照推荐指定。如对于FR4材料来说，一般标准的板厚为0.062(1.575mm)。其他典型的板厚有0.010(0.254mm)、0.020(0.508mm)、0.031(0.787mm)和0.092(2.337mm)。2.确定特殊元件的位置时要遵循以下原则：尽可能缩短高频元件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。某些元件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。带强电的元件应尽量布置在调试时手不易触及的位置。重量超过15g的元件，应当用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、发热量多的元件，不宜装在印制电路板上，而应装在整机的机箱底板上，且应考虑散热问题。热敏元件应远离发热元件。对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局，应考虑整机的结构要求。若是机内调节，应放在印制电路板上方便于调节的位置；若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。应留出印制电路板的定位孔和固定支架所占用的位置。重量超过15g的元件，应当用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、发热量多的元件，不宜装在印制电路板上，而应装在整机的机箱底板上，且应考虑散热问题。热敏元件应远离发热元件。对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局，应考虑整机的结构要求。若是机内调节，应放在印制电路板上方便于调节的位置；若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。应留出印制电路板的定位孔和固定支架所占用的位置。3、根据电路的功能单元布局时，要符合以下原则：按照电路的组成安排各个功能单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上，尽量减少和缩短各元件之间的引线和连接。在高频下工作的电路，要考虑元件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元件平行排列。这样不但美观，而且焊接容易，易于批量生产。位于电路板边缘的元件，离电路板边缘一般不小于2mm。1.3.2布线1.输入和输出端的导线应避免相邻平行。最好添加