第4章 PCB设计基础

第4章印制电路板设计基础【学习要求】知识目标1.了解印刷电路板的种类、作用和发展。2.理解印刷电路板的设计流程。3.掌握印刷电路板的布局布线原则。4.熟练掌握印刷电路板的基本组件。技能目标1.掌握印刷电路板的布局布线原则。2.掌握印刷电路板的基本组件。印刷电路板，又称印制电路板，印刷线路板，常使用英文缩写PCB（Printedcircuitboard）或写PWB（Printedwireboard），是重要的电子部件，是电子元件的支撑体，是电子元器件线路连接的提供者。传统的电路板，采用印刷蚀刻阻剂的工法，做出电路的线路及图面，因此被称为印刷电路板或印刷线路板。由于电子产品不断微小化和精细化，目前大多数的电路板都是采用贴附蚀刻阻剂(压膜或涂布)，经过曝光显影后，再以蚀刻做出电路板。从PCB板的结构来看，印刷PCB板就是在绝缘板上，放置电路电气连接关系的铜模导线。而绝缘板材料，有早期的电木和现在的玻璃纤维。其厚度越来越簿，韧性却越来越强。一片铜膜贴在一片玻璃纤维上，为单面板；如果上下各有一层铜膜就是双面板，或叫两面层；多层板就像夹心饼干一样，一层铜膜加一层玻璃纤维、再一层铜膜加一层玻璃纤维。在板子的顶层和底层都可以放置元件，用焊锡把元件焊接在PCB板上。4.1印制电路板概述4.1印制电路板概述4.1.1印制电路板的发展20世纪60年代末，电子消费品领域迅猛发展，使得电路板生产以及裸板组装板测试的自动化成为了必要。70年代，印制电路板已牢牢占据了电子消费品、科研设备、医疗设备、航空航天和国防，以及计算机行业等几乎一切电子产品领域。一系列新技术也相继研发应用，如感光膜、干膜及湿膜阻剂、阻焊剂、标识字符印制及计算机数控(ComputerNumericalControl，CNC)钻孔等。随着使用埋/盲镀通孔连接与湿式制程技术的多基板与刚/柔性板的生产，印制电路板的体积大大减小。组装技术，尤其是表面安装技术的新发展带来了印制电路板材料与制作领域的革新。今天，多种因素仍然推动着印制电路板技术的不断发展。随着集成电路(IntegratedCircuit，IC)封装的输入、输出引脚数的增加，集成电路组件的性能越来越高，这就导致了对高品质印制电路板需求的增加，推动了高密度互连结构(HighDensityInterconnectStructures，HDIS)的产生。目前，多家公司都已开始生产高密度互连产品了。高频电子系统由于运行速度高，需要电损耗(衰减)更低的印制电路板。此外，更高的工作电压要求印制电路板具有更高的阻抗，以防电压击穿、高压电痕化(tracking)与电晕放电。在电子产品领域，印制电路板具有非常重要的战略地位。在未来十年间，印制电路板技术仍将是电子产业的主导因素，并将通过更加严格的成本控制来提高其性能、密度与可靠性，同时降低成本。可以预见，各种印制电路板(无论是现有的还是将要研发的)都将继续成为电子产品的重要组成部分，并在电子工业的某些领域占据更加重要的地位。4.1印制电路板概述4.1.2印制电路板的种类1．按电路板的结构划分PCB根据电路板的结构可以分为单面板（SingleLayer）PCB、双面板（DoubleLayer）PCB和多层板（MultiLayer）PCB三种。单面板也称单层板，即只有一个导电层，在这个层中包含焊盘及印制导线，这一层也称作焊接面，另外一面则称为元件面。单面板的成本较低，但由于所有导线集中在一个面中，所以很难满足复杂连接的布线要求。适用于线路简单及对成本敏感的场合，如果存在一些无法布通的网络，通常可以采用导线跨接（即跳线）的方法。双面板也叫双层板，是一种包括顶层（TopLayer）和底层（BottomLayer）的电路板，双面都有覆铜，都可以布线。通常情况下，元件一般处于顶层一侧，顶层和底层的电气连接通过焊盘或过孔实现，无论是焊盘还是过孔都进行了内壁的金属化处理。相对于单面板而言，两面布线极大提高了布线的灵活性和布通率，可以适应高度复杂的电气连接要求，双面板在目前应用最为广泛。多层板是在顶层和底层之间加上若干中间层构成，中间层包含电源层或信号层，各层间通过焊盘或过孔实现互连。多层板适用于制作复杂的或有特殊要求的电路板。多层板包括顶层（TopLayer）、底层（BottomLayer）、中间层（MidLayer）及电源/接地层（InternalPlane）等，层与层之间是绝缘层，绝缘层用于隔离电源层和布线层，绝缘层的材料要求有良好的绝缘性能、可挠性及耐热性等。4.1印制电路板概述2．按电路板的基板材料划分印制电路板按制作材料可分为刚性印制电路板、柔性印制电路板以及刚/柔性印制电路板。⑴刚性印制电路板是以刚性基材制成的印制板，常见的印制板一般是刚性印制板，如家电中的印制电路板。常用刚性印制板有以下几类：①酚醛纸质层压板：这种板价格低廉，性能较差，一般用于低频电路和要求不高的场合。②环氧纸质层压板：性能较酚醛纸质层压板有所提高。③聚酯玻璃毡层压板：性能较上述两种纸制层压板都要高。④环氧玻璃布层压板：这种板价格较贵，性能较好，常用于高频电路和高档家电产品。当频率高于数百兆赫时，必须采用介电常数和介质损耗更小的材料，如聚四氟乙烯和高频陶瓷作基板。⑵柔性印制电路板（软印制板）是以软性绝缘材料为基材的印制板。可以折叠、弯曲和卷绕，为电子产品的小型化、薄型化创造了条件。在计算机、打印机、自动化仪表及通信设备中得到广泛应用。具体材料有：聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜、氟化乙丙烯薄膜。⑶刚/柔性印制电路板利用柔性基材，并在不同区域与刚性基材结合制成的印制板，主要用于印制电路的接口部分。4.1.3印制电路板的作用4.1印制电路板概述印制电路板在电子设备中主要有以下作用：1．为电路中的各种元器件提供装配、固定的机械支撑。2．提供各元件间的布线，实现电路的电气连接。3．提供所要求的电气特性，如特性阻抗等。4．为自动焊锡提供阻焊图形。5．为元件插装、检查及调试提供识别字符或图形。4.1印制电路板概述4.1.4印制电路板的优点印制电路板具有以下优点：1．具有重复性。线路板的布线经过验证后，就不必再为制成的每一块板的互连是否正确而逐个进行检验，适合于大规模工业化生产。2．电路板的可预测性。通常，设计按照“最坏的情况”的设计原则来设计印制导线的长、宽、间距以及选择印制板的材料，以保证产品最终能通过试验条件，从而大大地简化印制电路板的设计。3．信号可以沿导线任一点直接进行测试，而不会因导线接触引起短路。4．电路板的焊点可以在一次焊接过程中大部分焊完。现代焊接方法主要使用的是浸焊、波峰焊和回流焊接技术，前两者适用插针式元器件的焊接，后者适用于表面贴片式元器件(SMD元器件)的焊接。这样可以保证高速、高质量地完成焊接工作，减少了虚焊、漏焊，从而降低了电子设备的故障率。4.1.5PCB的基本组件4.1印制电路板概述1．铜膜导线铜膜导线是覆铜板经过加工后在PCB上的铜膜走线，又简称为导线，处于所有的导电层，用于连接各个焊点，是PCB重要的组成部分。导线的主要属性为宽度，它取决于承载电流的大小和铜箔的厚度。2．焊盘焊盘用于焊接元件，实现电气连接并同时起到固定元件的作用。焊盘的基本属性有形状、所在层、外径及孔径。双层板及多层板的焊盘都经过了孔壁的金属化处理。对于插针式元件，Protel2004将其焊盘自动设置在MultiLayer层；对于贴片式元件，焊盘与元件处于同一层。Protel2004允许设计者将焊盘设置在任何一层，但只有设置在实际焊接面才是合理的。4.1印制电路板概述Protel2004中焊盘的标准形状有3种，即圆形（Round）、方形（Rechangle）和八角形（Octagonal），允许设计者根据需要进行自定义（Customize）或自行设计。主要有两个参数：孔径尺寸（HoleSize）和焊盘尺寸（X-尺寸，Y-尺寸），如图4-1所示。图4-1焊盘的形状和尺寸4.1印制电路板概述3．过孔过孔用于实现不同工作层间的电气连接，过孔内壁需要金属化处理。应该注意的是，过孔是提供不同层间的电气连接，与元件引脚的焊接及固件无关。过孔分为三种：从顶层贯穿至底层的称为穿透式过孔；只实现顶层或底层与中间层连接的过孔称为盲孔；只实现中间层连接，而没有穿透顶层或底层的过孔称为埋孔。过孔可以根据需要设置在任意导电层之间，但过孔的起始层和结束层不能相同。过孔只有圆形，主要有两个参数：即孔径大小（HoleSize）和过孔直径（Diameter），如图4-2所示。图4-2过孔的形状和尺寸4.1印制电路板概述4．元件的图形符号及封装元件的图形符号反映了元件外形轮廓的形状及尺寸，与元件的引脚布局一起构成元件的封装形式。印制元件图形符号作用是显示元件在PCB上的布局信息，为装配、调试及检修提供方便。在Protel2004中，元件的图形符号被设置在丝印层。元件封装是指实际的电子元件或集成电路的外形尺寸、引脚的直径及引脚的距离等，它是使元件引脚与PCB上焊盘一致的保证。元件封装只是元件的外观和焊盘的位置，纯粹的元件封装只是一个空间的概念，不同的元件可以有相同的封装，同一个元件也可以有不同的封装。所以在取用焊接元件时，不仅要知道元件的名称，还要知道元件的封装。4.1印制电路板概述⑴元件封装的分类元件的封装可以分为插针式封装和贴片式封装（SMT）封装两大类。插针式封装是管脚类元件的封装，焊接时要先将元件管脚插入焊盘导孔中，然后再焊锡。由于焊点焊孔贯穿整个电路板，所以在其焊盘的属性对话框中，Layer板层属性必须为MultiLayer。插针式元件封装如图4-3所示。图4-3插针式元件封装图4-4贴片式元件封装贴片式封装的焊盘只限于表面板层，即顶层或底层。在其焊盘的属性对话框中，Layer板层属性必须为单一表面，贴片式封装如图4-4所示。4.1印制电路板概述⑵元件封装的编号元件封装的编号原则为：元件类型+焊盘距离（焊盘数）+元件外形尺寸。可以根据元件的编号来判断元件封装的规格，例如电阻的封装为AXIAL-0.4，表示此元件封装为轴状，两焊盘间的距离为400mil（100mil=2.54mm）；RB.2/.4表示极性电容类元件封装，引脚间距为200mil，元件直径为400mil；DIP-24表示双列直插式元件封装，24个焊盘引脚。4.1印制电路板概述4.2印制电路板的基本设计原则4.2.1印制电路板尺寸及板层选取原则进行电路板的设计，首先需要规划电路板的大小以及确定电路板的层数。电路板尺寸过大，一方面成本增加，另一方面会使印制导线长度加长，导致阻抗加大，抗噪声能力降低；电路板尺寸过小，一方面会增加安装难度，另一方面会导致散热不好，相互影响加大。确定合理的电路板尺寸是很必要的。对于电路板的制作而言，板的层数越多，制作程序就越复杂，成品率就降低，成本也相对提高。所以在满足电气功能要求的前提下，应尽可能选用层数较少的电路板。4.2.2印制电路板元件布局原则4.2印制电路板的基本设计原则1．元件布局一般性原则⑴为便于自动焊接，每边要留出3.5mm的传送边。如不够，可考虑加工艺传送边。⑵在通常情况下，所有的元器件均应布置在印制板的顶层上。当顶层元件过密时，可考虑将一些高度有限并且发热量小的器件，如贴片电阻、电容等放在底层。⑶元器件在整个板面上应紧凑的分布，尽量缩短元件间的布线长度。⑷将可调元件布置在易调节的位置。⑸某些元器件或导线之间可能存在较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电击穿引起意外短路。⑹带高压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。⑺在保证电气性能的前提下，元器件在整个板面上应均匀、整齐排列，疏密一致，以求美观。4.2印制电路板的基本设计原则2．元件布局其他原则⑴信号流向布局原则①按照信号的流向放置电路各个功能单元的位置。②元件的布局应便于信号流通，使信号尽可能保持一致的方向。⑵抑制热干扰原则①发热元件应安排在有利于散热的位置，必要时可以单独设置散热器，以降低温度和减少对邻近元器件的影响。②将发热较高的元件分散开来，使单位面积热量减小。在空气流动的方向上，将热敏感元件排