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第6章印刷电路板(PCB)的设计基础第6章印刷电路板(PCB)的设计基础6.1PCB设计的基础概念6.2印刷电路板的制作工艺6.3PCB文件编辑器的基本操作技巧6.4PCB板的工作层6.5PCB浏览器的使用习题第6章印刷电路板(PCB)的设计基础6.1PCB设计的基础概念6.1.1什么是印刷电路板将电子元器件及其之间复杂的连接关系，按预定设计，制成印刷线路、印制元件或由两者结合而成的导电图形，蚀刻在一块绝缘基材上，提供电子元器件在安装与互连时的主要支撑，称为印刷电路。在绝缘基材上，只提供元器件之间电气连接的导电图形，称为印制线路(PrintedWiring)，它不包括印制元件。印制电路或者印制线路的成品板称为印刷电路板，也称PCB(PrintedCircuitBoard)板。标准的PCB板如图6.1所示。第6章印刷电路板(PCB)的设计基础图6.1标准的PCB板图示第6章印刷电路板(PCB)的设计基础PCB板在各种电子设备中有如下功能：(1)提供集成电路等各种电子元器件固定、装配的机械支撑。(2)实现集成电路等各种电子元器件之间的布线、电气连接(信号传输)或电绝缘。(3)提供所要求的电气特性，如特性阻抗等。(4)为自动装配提供阻焊图形，为元器件插装、检查、维修提供识别字符和图形。第6章印刷电路板(PCB)的设计基础6.1.2印刷电路板的分类1.按绝缘基材分按照绝缘基材的不同，印刷电路板可分为刚性印刷电路板、挠性印刷电路板和刚挠结合印刷电路板。1)刚性印刷电路板刚性印刷电路板具有一定的机械强度，用它制成的部件具有一定的抗弯能力，在使用时处于平展状态。一般电子设备中使用的都是刚性印刷电路板。第6章印刷电路板(PCB)的设计基础2)挠性印刷电路板挠性印刷电路板又称软性电路板，是用挠性基材制成的电路板，即FPC。其主要特点是：可弯曲折叠，能方便地在三维空间装连，减小了电子整机设备的体积；质量轻，配线一致性好，使电子整机设备的可靠性得到提高。3)刚挠结合印刷电路板刚挠结合印刷电路板是利用挠性基材并在不同区域与刚性基材结合而制成的印刷电路板。挠性基材和刚性基材上的导电图形通常是互连的。使用挠性印刷电路板和刚挠结合印刷电路板可以连接不同平面内的电路，可以折叠、卷曲、弯曲，也可以连接活动部件，实现三维布线。第6章印刷电路板(PCB)的设计基础2.按布线层数分印刷电路板按布线层数可分为单面板、双面板和多层板三类。目前，单面板和双面板的应用最为广泛。1)单面板单面板即绝缘基板上仅一面具有导电图形的印刷电路板，如图6.2所示。这样用户只能在没有导电图形的另一面放置元器件。单面板适用于比较简单的电路，具有成本低、不用打过孔等优点，但是实际的线路设计工作往往比双面板和多层板困难。第6章印刷电路板(PCB)的设计基础图6.2单面板第6章印刷电路板(PCB)的设计基础2)双面板双面板是绝缘基板的两面都有导电图形的印刷电路板，如图6.3所示。由于两面都有导电图形，因此一般采用金属化孔使两面的布线连接起来。双面板是被广泛采用的一种电路结构，一般用于比较复杂的电路，使电路板的导线更加密集，体积也减小很多。图6.3双面板第6章印刷电路板(PCB)的设计基础3)多层板多层板即在绝缘基板上，印制三层或三层以上导电图形的印刷电路板。多层板使用数片双面板，并在每层板间放进一层绝缘层后黏牢(压合)。板子的层数代表了有几层独立的布线层，通常层数都是偶数，并且包含最外侧的两层。各层之间信号的连通是通过通孔、埋孔和盲孔技术实现的。多层板主要应用于导线很密集或体积很小的电路。它在双面板的基础上，增加了内部电源层、接地层和多个中间信号层。如果PCB板上的元器件需要不同的电源供应，则通常这类PCB会有两层以上的电源层与接地层。第6章印刷电路板(PCB)的设计基础6.1.3印刷电路板的组成要素1．元件封装1)基本概念元件封装是电子元件在印刷电路板上的投影轮廓图，既描绘了元件的实际外观大小尺寸，又比较精确地描绘了元件引脚之间的相对位置。简要地说，就是表达元件的外形尺寸和焊盘位置坐标的图形。可见，元件封装是实际元件的空间的、物理上的概念。第6章印刷电路板(PCB)的设计基础用户在电路设计过程中，无论是绘制原理图还是设计PCB板，都需要表达元件的具体图形，由此可以清晰地表达各个元件之间的连接关系。编辑原理图时，使用的是原理图元件库中的元件符号；编辑PCB板时，所使用的是PCB元件封装库中的元件封装；而电路图与PCB板之间沟通的渠道就是网络表。第6章印刷电路板(PCB)的设计基础电路原理图中使用的元件符号着重于元件图的逻辑意义，而不太注重实际的尺寸与外观。其代表电气特性的部分，就是引脚。引脚名称(或引脚序号)及元件序号是延续该元件电气意义的主要数据。元件封装则着重于元件的实体，包括尺寸及相对位置，其承接电气特性的部分是焊盘名称(或焊盘序号)及元件序号。换言之，原理图中的引脚名称(或引脚序号)转移到PCB板中就是焊盘名称(或焊盘序号)，而原理图中的元件序号转移到PCB板中就是相同的元件序号，如图6.4所示。第6章印刷电路板(PCB)的设计基础图6.4电路原理图中的元件符号与PCB板中的元件封装第6章印刷电路板(PCB)的设计基础2)元件封装的分类元件的封装形式可以分成两大类，即插入式封装(THT,ThroughHoleTechnology)和表面贴片式封装(SMT，SurfaceMountedTechnology)。(1) THT封装。将元件安置在板子的一面，将引脚焊在另一面上，这种技术称为插入式(THT)封装技术。由于要为这种元件每个引脚钻一个孔，因此实质上占掉了PCB板两面的空间，并且焊盘也比较大。但是，THT元件和SMT元件相比较，它与PCB的连接性比较好。像插座这类元件需要承受一定的压力，所以通常它们都是THT封装的。图6.5所示是常见的THT封装元件外形图，它们分别是S(SingleIn-linePackage)、DIP(DualIn-linePackage)和三端调压器。第6章印刷电路板(PCB)的设计基础图6.5常见THT封装元件外形图第6章印刷电路板(PCB)的设计基础(2) SMT封装。使用表面贴片式封装技术的元件，引脚焊在元件的同一面。这种技术不用为焊接每一个引脚而在PCB上钻孔，并且SMT封装元件比THT封装元件要小，为PCB板节省了空间，因此使用SMT元件的PCB板，其上的元件相对要密集很多。另外，SMT元件要比THT元件便宜，所以现今的PCB上大部分都采用SMT封装的元件。图6.6所示是常见的SMT封装元件的外形图，它们是PLCC(PlasticLeadedChipCarrier)封装、SOP封装(SmallOutlinePackage)、PQFP(PlasticQuadFlatPackage)封装和BGA(BallGridArray)封装。第6章印刷电路板(PCB)的设计基础图6.6常见的SMT封装元件的外形图第6章印刷电路板(PCB)的设计基础3)元件封装的命名规则元件封装的命名规则一般为元件类型＋焊盘距离(或焊盘数)＋元件外形尺寸我们可以根据元件封装的命名规则来判别元件封装的规格。如：AXIAL0.3表示此元件封装为轴状，两焊盘间的距离为300mil(约等于0.3英寸)，如图6.7(a)所示；DIP10表示双排引脚的元件封装，两排共16个引脚；RB.2/.4表示极性电容类元件封装，其中“.2”表示焊盘间距为200mil，“.4”表示元件直径为400mil，如图6.7(b)所示。第6章印刷电路板(PCB)的设计基础图6.7封装命名举例第6章印刷电路板(PCB)的设计基础4)常用元件的封装形式为方便读者进行原理图设计和PCB板设计，表6.1列出了常用元件(以插入式为主)在原理图中的元件库名的搜索关键词，及其在PCB元件封装库中的封装搜索关键词。注意：表6.1中原理图的元件库特指MiscellaneousDevices.ddb，载入路径是\ProgramFiles\DesignExplorer99SE\Library\Sch\MiscellaneousDevices.ddb；PCB图的封装库特指Advpcb.ddb，载入路径是\ProgramFiles\DesignExplorer99SE\Library\Pcb\GenericFootprint\Advpcb.ddb\PCBFootprint.lib。第6章印刷电路板(PCB)的设计基础表6.1常用元件的封装形式元件种类原理图元件库的搜索关键词PCB图封装库的封装搜索关键词对应的封装图形引脚式电阻*RES*AXIAL*AXIAL0.3-AXIAL1.0引脚式电解电容*CAP*RB*RB.2/.4-RB.5/1.0引脚式瓷片电容*CAP*RAD*RAD0.1-RAD0.4电感*INDUCTOR*AXIAL*电位器*POT*VR*二极管*DIODE*或*POLAR*DIODE*DIODE0.4、DIODE0.7三极管*NPN*或*PNP*TO*TO-126TO-129ATTO-129BTO-5,18,39,46,52TO-3,66TO-220第6章印刷电路板(PCB)的设计基础元件种类原理图元件库的搜索关键词PCB图封装库的封装搜索关键词对应的封装图形串行接口*DB9*DB9/F或DB9/M并行接口*DB25*DB25/F或DB25/M双列直插ICDIP*单排插针*CON*SIP*双排插针*HEADER*IDC*晶振*CRYSTAL*XTAL1桥堆*BRIDGE*POWER*BNC接口*BNC*BNC熔断器*FUSE*FUSE用AXIAL0.3-AXIAL1.0或RAD0.1-RAD0.4第6章印刷电路板(PCB)的设计基础2．铜膜导线(ConductorPattern)在印刷线路板(板上没有焊元器件，通常也称裸板)表面可以看到的细小线路，如图6.8所示，亦称之为铜膜导线或布线。原本铜箔是覆盖在整个板子上的，在根据导电图形生产PCB板过程中部分被蚀刻处理掉，留下来的部分就形成了细小线路，用于提供PCB上各元器件间的电路连接。第6章印刷电路板(PCB)的设计基础图6.8裸板上的铜膜导线第6章印刷电路板(PCB)的设计基础3．过孔(Via)过孔是双层板和多层板的重要组成部分，在各信号层有连接关系的导线的交汇处钻孔，并在钻孔后的基材上沉积金属以实现不同导电层之间的电气连接。从工艺流程来说，过孔又分为三类，即从顶层贯通到底层的穿透式导孔(又称通孔，ThroughVia)；从顶层通到内层或从内层通到底层而不贯通整板的盲导孔(又称盲孔，BlindVia)；以及连接内层之间而在成品板表层不可见的隐藏导孔(又称埋孔，BuriedVia)，如图6.9所示。过孔主要由中间的钻孔及其周围的焊盘区两个部分组成，即通孔直径和过孔直径这两部分尺寸决定了过孔的大小。见图示6.10。第6章印刷电路板(PCB)的设计基础图6.9过孔的三种类型第6章印刷电路板(PCB)的设计基础图6.10过孔的尺寸第6章印刷电路板(PCB)的设计基础在高速、高密度的PCB设计时，过孔越小越好，这样板上可以留有更多的布线空间。另外，过孔越小，其自身的寄生电容和寄生电感也越小，更适合于高速电路。但是要注意，孔越小，钻孔加工工艺越难，成本也越高。通常情况下，板厚和孔径比最好应不大于3:1。一般而言，设计线路时对过孔的处理有以下原则：(1)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。(2)需要的载流量越大，所需的过孔尺寸越大，如电源层、地层与其它层连接所用的过孔就要大一些。第6章印刷电路板(PCB)的设计基础4．焊盘(Pad)焊盘的作用是放置焊锡、连接导线和焊接元件的管脚。所有元件孔或引脚通过焊盘实现电气连接。为确保元器件与基板之间的牢固粘结，孔周围的焊盘应该尽可能大。焊盘的外径决定焊盘的大小，用D表示；焊盘的内径由元件引线直径、孔金属化电镀层厚度等方面决定，用d表示，一般不小于0.6mm，具