印刷电路板基础知识

熊根良电子线路CAD设计PADS2007原理图与PCB设计PADS(PersonalAutomatedDesignSystems)印刷电路板基础知识原理图的设计目标主要是进行后续的PCB设计，在学习原理图设计和PCB制作之前，我们现了解PCB的一些基础知识。1.印刷电路板概述1.1印刷电路板的结构一般来说，印刷电路板的分类如下：（1）单面板：单面板是一种一面有覆铜，另一面没有覆铜的电路板，用户只可以在覆铜的一面布线并放置元件。（2）双面板：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双面都可以覆铜，也可以布线。（3）多层板：多层板就是包含了多个工作层或电源层的电路板，一般指三层以上的电路板。除上面讲到的顶层、底层以外，还包括中间层、内部电源或接地层等。柔板柔硬板1.2元件封装如何保证元件的引脚与印刷电路板上的焊盘一致？这就要靠元件封装！元件封装是指元件焊接到电路板时所指的外观和焊盘位置。元件封装仅仅是空间的概念，因此，不同元件可以共用同一个元件封装；另外，同一元件也可以有不同的封装。例如电阻1.2.1元件封装的分类元件的封装形式可以分成两大类：即针脚式元件封装(直插式)和SMT(表面贴片技术)元件封装。1.2.2元件封装的编号元件的封装的编号一般为元件类型+焊盘距离(焊盘数)+元件外形尺寸。例如，RES1206表示此元件为SMT元件，两焊盘的几何尺寸为1206；DIP16表示双排引脚的元件封装，两排共16个引脚。1.3铜膜导线铜膜导线也称铜膜走线，简称导线，用于连接各个焊盘，是PCB最重要的部分。PCB设计都是围绕如何布置导线来进行的。与导线有关的另一种线，常称之为飞线。即预拉线，飞线是在引入网表后，系统根据规则生成的，用来指引布线的一种连线。1.4助焊膜和阻焊膜各类膜(Mask)不仅是PCB制作工艺过程中必不可少，而且更是元件焊装的必要条件。按膜所处的位置及其作用，膜可以分为元件面(或焊接面)助焊膜(Top或BottomSolder)和元件面(或焊接面)阻焊膜(Top或BottomMask)两类。助焊膜是涂于焊盘上提高可焊性能的一层膜，也就是在绿色板子上比焊盘略大的浅色圆。阻焊膜的情况正好相反，为了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个部位都要涂覆一层涂料，用于阻止这些部位上锡。1.5层PCB的层不是虚拟的，而是PCB材料本身实实在在的铜箔层。例如，现在的计算机主板所用的PCB材料大多数在4层以上，这些层因加工相对困难而大多用于设计走线较为简单的电源层和地层(Power和Ground)，并常用大面积填充(如Fill)的办法来布线。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。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。焊盘是PCB设计中最常接触也是最重要的概念。焊盘有圆、方、椭圆、矩形等形状。焊盘自行编辑的原则：1）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差异不能过大。2）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。3）各元件焊盘孔的大小要按元件引脚的粗细分别编辑确定，原则上是孔的尺寸比引脚直径大0.2~0.4mm.（2）过孔(Via)为连通各层之间的线路，在各层需要连通的导线的交汇处钻一个公共孔，这就是过孔。过孔有三种，即从顶层贯穿到地层的穿透式过孔、从顶层通到内层或从内层通到底层的盲过孔，以及内层间的隐藏过孔。过孔有两个尺寸，即通孔直径和过孔直径，如下图，通孔和过孔之间的孔壁，用于连接不同层的导线。过孔处理原则：1）尽量少用过孔，一旦选用过孔，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。2）需要的载流量越大，所需的过孔尺寸越大。1.7丝印层为了方便电路的安装和维修，在PCB的上下两表面印上所需要的标志图案和文字代号等，例如元件标号称值、元件外廓形状和厂家标志、生产日期等，称为丝印层(SilkscreenTop/Bottom)。1.8覆铜对于抗干扰要求比较高的PCB，常常需要在PCB上覆铜，覆铜可以有效的实现PCB的信号屏蔽作用，提高PCB信号的抗电磁干扰的能力。常用的覆铜有两种方式：一种是实心填充方式；一种是网格状的填充。2.PCB设计流程PCB板不但包含所需的电路，还应具有合适的元件选择、元件的信号速度、材料、温度范围饿、电源的电压范围等。因此PCB的设计要遵循一定的设计过程和规范。（1）产生设计要求和规范即设计要从系统的规范和功能开始，例如，一个电动机控制系统的开发项目，它设计的要求和规范可能包括控制点击的类型、电机的功率、电压、电流要求、控制的精度要求、通讯接口要求、应用环境等3.PCB设计的基本原则PCB设计的好坏对电路板抗干扰能力影响很大，因此为了设计出质量好、造价低的PCB，因遵循一些原则。3.1布局首先，要考虑PCB的尺寸大小，PCB尺寸过大，印刷电路长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；尺寸过小时，则散热不好，且邻近线易受干扰。（1）在确定特殊元件的位置时要遵循的原则1）尽可能缩短高频元件之间的连线，设法减小他们的分布参数和相互间的电磁干扰。2）某些元件或导线之间可能有较高的电位差，应加大他们之间的距离，以免放电引发意外短路。3）重量超过15g的元件，应当用支架固定，然后焊接。4）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5）应留出PCB的定位孔和固定支架所占的位置（2）根据电路的功能单元对电路的全部元件进行布局，要遵循的原则：1）按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通。2）以每个功能电路的核心元件为中心，围绕他进行布局。3）在高频下工作的电路，要考虑元件之间的分布参数。4）位于PCB边缘的元件，离电路板边缘一般不小于2mm。3.2布线一般布线要遵循以下几个原则。(1)输入和输出的导线应避免相邻平行，最好添加线间地线，以免发生耦合。(2)PCB的导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的黏附强度和流过他们的电流值决定。(3)对于PCB导线拐弯，一般取圆弧型或45°拐角，而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。4）PCB导线间距，相邻导线必须满足电气安全要求。3.3焊盘大小焊盘的直径和内孔尺寸：通常以金属引脚直径加0.2mm作为焊盘内孔直径。(1)当焊盘直径为1.5mm时，为了增加焊盘的抗剥强度，可以采用长小于1.5mm，宽为1.5mm和长圆形焊盘。1）直径小于0.4mm的孔：D/d=0.5~32）直径大于2mm的孔：D/d=1.5~2D---焊盘直径d----内孔直径(2)有关焊盘的其他注意事项。1)焊盘内孔边缘到PCB边的距离要大于1mm。2)焊盘开口。3)焊盘补泪滴。当与焊盘链接的走线较细时，要将焊盘与走线之间的链接设计成泪滴状。4)相邻的焊盘要避免成锐角或大面积的铜箔，成锐角会造成波峰焊困难，而且有桥连的危险，大面积的铜箔因散热过快导致不易焊接。3.4PCB电路的抗干扰措施(1)电源线设计根据PCB电流大小，尽量加粗电源线宽度，减小环路电阻。(2)地线设计地线设计原则是1)数字地与模拟地分开。2)接地线应尽量加粗。3)接地线构成闭环路。(3)大面积覆铜3.5去耦电容配置PCB设计的常规做法之一是在印刷电路板的各个关键部位配置适当的去耦电容，原则：(1)电源输入端跨接一个10~100uf的点解电容。(2)原则上每一个集成电路芯片都应布置一个0.01pf的瓷片电容。如遇PCB空间不够，可以每4~8个芯片布置一个1~10pf的钽电容。(3)对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的元件，如RAM,ROM存储元件，应在芯片的电源和地之间直接接入去耦电容。(4)电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线3.6各元件之间的连线(1)印刷电路板中不允许有交叉电路，对于肯能交叉的线路。可以钻、绕来解决。(2)电阻、二极管、管装电容等元件一般有立式和卧式两种安装方式。(3)同一级电路的接地点应尽量靠近，并且本级电路的电源滤波电容也应接在该级接地点上。(4)总线必须严格按高频—中频—低频逐级按弱电到强电的顺序排列原则(5)强电流引线应尽可能宽一些(6)阻抗高的走线尽量短，阻抗低的走线可以长一些(7)电位器安装位置应当满足整机结构安装及面板布局的要求，尽可能放在PCB的边缘。(8)IC座，设计PCB图样时，在使用IC座的场合下，一定特别注意IC座上定位槽的放置的方位是否正确。(9)在对进出接线端布置时，相关联的两条引线端的距离不要太大。(10)在保证电路性能要求的前提下，设计时应力求合理走线。(11)设计应按一定顺序方向进行。4.PCB制造材料PCB的信号传导层通常都是使用铜箔，通过加热和压力作用下粘接在衬底层上。最常用的绝缘层材料为环氧树脂玻璃和酚醛纸。一些特殊的PCB，比如柔性PCB，基材可以采用聚酯或聚酯酰亚胺。FR4材料是指美国NEMA规范的环氧树脂玻璃材料。5.PCB的结构一块普通的PCB由镀铜的树脂玻璃材料或一层铜箔与树脂材料粘接在一起构成。如下图对于一块多层板(含有两铜层以上的板)，在铜核心层之间有一层介电绝缘填充材料，如下图所示5.1铜箔铜箔就是一薄层的铜，放置在介电填充材料之间并且和介电填充材料粘接在一起。其厚度如下：5.2铜镀层铜镀层主要用于PCB的外层，并且当对PCB上的钻孔的孔壁进行镀铜时，也为PCB上的铜提供额外的铜层。5.3焊锡流焊锡流是将焊锡铺在PCB上的裸露铜表面的工艺。5.4阻焊层阻焊层可以防止焊锡附着在上面，如下图所示，但可以保护铜层，以防止被氧化。5.5走线PCB上的走线实际上就是信号线，他提供了相同的传输信号的功能，他的两端一般与PCB上的元件的引脚相连。5.6焊盘最常见的两种焊盘类型为表贴元件安装的镀锡焊盘和通孔镀锡焊盘。5.7焊锡的通孔通孔结构包含有一个焊盘，通孔通过焊盘而成为一个通孔。镀锡通孔的只要作用如下：1)增强外层焊盘的强度，从而可以使用较小尺寸的焊盘。2)焊接时可以散热，从而焊盘可以较小3)连接顶层和底层的信号4)从顶层到底层铺上焊锡流，从而不用在两侧进行焊接5.8不镀层的通孔不镀层的通孔也就是指在孔中没有镀锡。5.9板边PCB板的板边也有一些特殊的要求。板边是PCB的裸露的界面，他必须可以和外界有绝缘安全距离6.PCB的叠层设计PCB板的叠层设计常常是由PCB的目标成本、制造技术和所要求的布线通道数所决定。6.1多层板以下一12层板为例说明多层板的结构和布局，下图是一块流行的12层PCB结构，其分层结构为T-P-S-P-S-P-S-P-S-S-P-B，T为顶层，P为参考平面层，S为信号层，B为底层。6.2六层板6.3四层板6.4叠层设计布局快速参考7.PCB设计和电磁兼容7.1导线和PCB走线7.2电阻7.3电容7.4电感7.5变压器7.6PCB元件布局与电磁兼容8.PCB设计常用术语再见！