初识PCB

浙江工业职业技术学院实习教案课题名称初识PCB课题号课题六授课班级授课日期目的与要求：通过完成PCB文件的新建与设置，掌握PCB板绘制一般过程，熟悉PCB板常用操作1.掌握PCB文件的新建过程2.掌握PCB板常用术语及基本概念3.掌握PCB板绘制常用的操作课时安排：12节明确课题任务，讲解知识点及操作关键点34节学生操作练习，老师巡回指导56节查检学生完成课题情况，课题上交，总结知识与技能点重点难点：1.板型、板层的定义2.设计规则的使用。3.设计关键注意点4.布局、布线的方法5.设计规则检验DRC教学方法与手段：在电子课程中体现“任务驱动”教学法，就是让学生在一个个典型的处理“任务”的驱动下展开教学活动，引导学生由简到繁、由易到难、循序渐进地完成一系列“任务”，从而得到清晰的思路、方法和知识的脉络。课题六初识PCB一、什么是PCB？PCB即PrintedCircuitBoard的简写，中文名称为印制电路板，又称印刷电路板、印刷线路板，是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的提供者。由于它是采用电子印刷术制作的，故被称为“印刷”电路板。1、PCB的历史印制电路板的发明者是奥地利人保罗·爱斯勒（PaulEisler），他于1936年在一个收音机装置内采用了印刷电路板。1943年，美国人将该技术大量使用于军用收音机内。1948年，美国正式认可这个发明用于商业用途。自20世纪50年代中期起，印刷电路版技术才开始被广泛采用。在印制电路板出现之前，电子元器件之间的互连都是依靠电线直接连接实现的。而现在，电路面包板只是作为有效的实验工具而存在；印刷电路板在电子工业中已经占据了绝对统治的地位。2、PCB绘制印制电路板的设计是以电路原理图为根据，实现电路设计者所需要的功能。印刷电路板的设计主要指版图设计，需要考虑外部连接的布局、内部电子元件的优化布局、金属连线和通孔的优化布局、电磁保护、热耗散等各种因素。优秀的版图设计可以节约生产成本，达到良好的电路性能和散热性能。简单的版图设计可以用手工实现，复杂的版图设计需要借助计算机辅助设计（CAD）实现。3、PCB的分类根据电路层数分类：分为单面板、双面板和多层板。常见的多层板一般为4层板或6层板，复杂的多层板可达十几层。根据软硬进行分类：分为普通电路板和柔性电路板。4、PCB制作首先：PCB（印刷电路板）的原料是什么呢？大家知道有种东西叫玻璃纤维吧，这种材料我们在日常生活中出处可见，比如防火布、防火毡的核心就是玻璃纤维，玻璃纤维很容易和树脂相结合，我们把结构紧密、强度高的玻纤布浸入树脂中，硬化就得到了隔热绝缘、不易弯曲的PCB基板了--如果把PCB板折断，边缘是发白分层，足以证明材质为树脂玻纤。然后呢？光是绝缘板我们可不能传递电信号，于是需要在表面覆铜。所以我们把PCB板也称之为覆铜基板。覆铜工艺很简单，一般可以用压延与电解的办法制造，所谓压延就是将高纯度（99.98％）的铜用碾压法贴在PCB基板上--因为环氧树脂与铜箔有极好的粘合性，铜箔的附着强度和工作温度较高，可以在260℃的熔锡中浸焊而无起泡。通常厂里对铜箔的厚度有很严格的要求，一般在0.3mil和3mil之间，有专用的铜箔厚度测试仪检验其品质。为什么要让铜箔这么薄呢？主要是基于两个理由：一个是均匀的铜箔可以有非常均匀的电阻温度系数，介电常数低，这样能让信号传输损失更小，这和电容要求不同，电容要求介电常数高，这样才能在有限体积下容纳更高的容量，电容为什么比铝电容个头要小，归根结底是介电常数高啊！其次，薄铜箔通过大电流情况下温升较小，这对于散热和元件寿命都是有很大好处的。那么这一步是如何完成的呢？好的，我们需要涉及一个概念：那就是线路底片或者称之为线路菲林，我们将板卡的线路设计用光刻机印成胶片，然后把一种主要成分对特定光谱敏感而发生化学反应的感光干膜覆盖在基板上，干膜分两种，光聚合型和光分解型，光聚合型干膜在特定光谱的光照射下会硬化，从水溶性物质变成水不溶性而光分解型则正好相反。好，这里我们就用光聚合型感光干膜先盖在基板上，上面再盖一层线路胶片让其曝光，曝光的地方呈黑色不透光，反之则是透明的（线路部分）。光线通过胶片照射到感光干膜上--结果怎么样了？凡是胶片上透明通光的地方干膜颜色变深开始硬化，紧紧包裹住基板表面的铜箔，就像把线路图印在基板上一样，接下来我们经过显影步骤(使用碳酸钠溶液洗去未硬化干膜)，让不需要干膜保护的铜箔露出来，这称作脱膜。接下来我们再使用蚀铜液(腐蚀铜的化学药品)对基板进行蚀刻，没有干膜保护的铜全军覆没，硬化干膜下的线路图就这么在基板上呈现出来。这整个过程有个叫法叫影像转移，它在PCB制造过程中占非常重要的地位。二、PCB板由那些东西组成？印制电路板（PCB）的常见结构可以分为单层板（singleLayerPCB）、双层板（DoubleLayerPCB）和多层板（MultiLayerPCB）三种。1、单层板singleLayerPCB单层板（singleLayerPCB）是只有一个面敷铜，另一面没有敷铜的电路板。元器件一般情况是放置在没有敷铜的一面，敷铜的一面用于布线和元件焊接，如图所示。单层板singleLayerPCB结构示意图2、双层板DoubleLayerPCB双层板（DoubleLayerPCB）是一种双面敷铜的电路板，两个敷铜层通常被称为顶层（TopLayer）和底层（BottomLayer），两个敷铜面都可以布线，顶层一般为放置元件面，底层一般为元件焊接面，如图所示。双层板DoubleLayerPCB结构示意图3、多层板MultiLayerPCB多层板（MultiLayerPCB）就是包括多个工作层面的电路板，除了有顶层（TopLayer）和底层（BottomLayer）之外还有中间层，顶层和底层与双层面板一样，中间层可以是导线层、信号层、电源层或接地层，层与层之间是相互绝缘的，层与层之间的连接往往是通过孔来实现的。以四层板为例，如图234所示。这个四层板除了具有顶层和底层之外，内部还具有一个地层和一个图234四层板结构四层板PCB结构示示意图尽管ProtelDXP支持72层板的设计，但在实际的应用中，一般六层板已经能够满足电路设计的要求，不必将电路板设计成更多层结构。三、PCB元件封装ProtelDXP是Altium公司(前身是Protel公司)于2002年推出的最新版本的电路和电路板软件开发平台，它提供了比较丰富的PCB（元件封装）库。ProtelDXP中的基本PCB库：ProtelDXP的PCB库的确比较丰富，与以前的版本不同的是：ProtelDXP中的原理图元件库和PCB板封装库使用了不同的扩展名以视区分，原理图元件库的扩展名是.SchLib，PCB板封装库的扩展名.PcbLib，它们是在软件安装路径的“\Library\...”目录下面的一些封装库中。根据元件的不同封装我们将其封装分为二大类：一类是分立元件的封装，一类是集成电路元件的封装，下面我们简单分别介绍最基本的和最常用的几种封装形式：1、分立元件类：电容：电容分普通电容和贴片电容：普通电容在MiscellaneousDevices.IntLib库中找到，它的种类比较多，总的可以分为二类，一类是电解电容，一类是无极性电容，电解电容由于容量和耐压不同其封装也不一样，电解电容的名称是“RB.*/.*”，其中.*/.*表示的是焊盘间距/外形直径，其单位是英寸。无极性电容的名称是“RAD-***”，其中***表示的是焊盘间距，其单位是英寸。贴片电容在\Library\PCB\ChipCapacitor-2Contacts.PcbLib中，它的封装比较多，可根据不同的元件选择不同的封装，这些封装可根据厂家提供的封装外形尺寸选择，它的命名方法一般是CC****-****，其中“-”后面的“****”分成二部分，前面二个**是表示焊盘间的距离，后面二个**表示焊盘的宽度，它们的单位都是10mil，“-”前面的“****”是对应的公制尺寸。电阻：电阻分普通电阻和贴片电阻：普通电阻在MiscellaneousDevices.IntLib库中找到，比较简单，它的名称是“AXIAL-***”，其中***表示的是焊盘间距，其单位是英寸。贴片电阻在MiscellaneousDevices.IntLib库中只有一个，它的名称是“R2012-0806”，其含义和贴片电容的含义基本相同。其余的可用贴片电容的封装套用。二极管：二极管分普通二极管和贴片二极管：普通二极管在MiscellaneousDevices.IntLib库中找到，它的名称是“DIODE-***”，其中***表示一个数据，其单位是英寸。贴片二极管可用贴片电容的封装套用。三极管：普通三极管在MiscellaneousDevices.IntLib库中找到，它的名称与Protel99SE的名称“TO-***”不同，在ProtelDXP中，三极管的名称是“BCY-W3/***”系列，可根据三极管功率的不同进行选择。连接件：连接件在MiscellaneousConnectorPCB.IntLib库中，可根据需要进行选择。其他分立封装元件大部分也在MiscellaneousDevices.IntLib库中，我们不再各个说明，但必须熟悉各元件的命名，这样在调用时就一目了然了。2、集成电路类：DIP：是传统的双列直插封装的集成电路；PLCC：是贴片封装的集成电路，由于焊接工艺要求高，不宜采用；PGA：是传统的栅格阵列封装的集成电路，有专门的PGA库；QUAD：是方形贴片封装的集成电路，焊接较方便；SOP：是小贴片封装的集成电路，和DIP封装对应；SPGA：是错列引脚栅格阵列封装的集成电路；BGA：是球形栅格阵列封装的集成电路；四、绘制一个简单的PCB板PCB绘制流程一般PCB基本设计流程如下：前期准备-PCB结构设计-PCB布局-布线-布线优化和丝印-网络和DRC检查和结构检查-制版。第一：前期准备。这包括准备元件库和原理图。“工欲善其事，必先利其器”，要做出一块好的板子，除了要设计好原理之外，还要画得好。在进行PCB设计之前，首先要准备好原理图SCH的元件库和PCB的元件库。元件库可以用peotel自带的库，但一般情况下很难找到合适的，最好是自己根据所选器件的标准尺寸资料自己做元件库。原则上先做PCB的元件库，再做SCH的元件库。PCB的元件库要求较高，它直接影响板子的安装；SCH的元件库要求相对比较松，只要注意定义好管脚属性和与PCB元件的对应关系就行。注意标准库中的隐藏管脚。之后就是原理图的设计，做好后就准备开始做PCB设计了。第二：PCB结构设计。这一步根据已经确定的电路板尺寸和各项机械定位，在PCB设计环境下绘制PCB板面，并按定位要求放置所需的接插件、按键/开关、螺丝孔、装配孔等等。并充分考虑和确定布线区域和非布线区域（如螺丝孔周围多大范围属于非布线区域）。第三：PCB布局。布局说白了就是在板子上放器件。这时如果前面讲到的准备工作都做好的话，就可以在原理图上生成网络表，之后在PCB图上导入网络表。就看见器件哗啦啦的全堆上去了，各管脚之间还有飞线提示连接。然后就可以对器件布局了。一般布局按如下原则进行：①．按电气性能合理分区，一般分为：数字电路区(即怕干扰、又产生干扰)、模拟电路区(怕干扰)、功率驱动区（干扰源）；②．完成同一功能的电路，应尽量靠近放置，并调整各元器件以保证连线最为简洁；同时，调整各功能块间的相对位置使功能块间的连线最简洁；③．对于质量大的元器件应考虑安装位置和安装强度；发热元件应与温度敏感元件分开放置，必要时还应考虑热对流措施；④．I/O驱动器件尽量靠近印刷板的边、靠近引出接插件；⑤．时钟产生器（如：晶振或钟振）要尽量靠近用到该时钟的器件；⑥．在每个集成电路的电源输入脚和地之间，需加一个去耦电容（一般采用高频性能好的独石电容）；电路板空间较密时，也可在几个集成电路周围加一个钽电容。⑦．继电器线圈处要加放电二极管（1N4148即可）；⑧．布局要求要