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PCB設計

2第9章印制電路板（PCB）基礎9.1 印制電路板基礎知識9.2 印制電路板的常用術語9.3 印制電路板的基本原則9.1印制電路板基礎知識1.印制電路板基本概念印制電路板（又稱印刷電路板），英文全稱為PrintedCircuitBoard，是用來機械支撐與電氣連接電子元件的物理載體。1936年，第一塊現代印制電路板才由英國Eisler博士采用首創的銅箔腐蝕工藝制造而成。經過多年的發展，印制電路板歷經了從單面板、雙面板、多層板，到積層法多層板、高密度互連電路板的發展。當前，電路板正朝著高密度、高精度、高性能、微孔化、薄形化、柔性化的方向發展，其應用范圍涵蓋了大型電子計算機、通信設備、電氣與自動化儀表、航空航天、汽車電子、移動終端、數碼產品等廣闊的領域。9.1印制電路板基礎知識2.印制電路板的分類按照不同的分類標準，印制電路板可以分為很多類型：（1）按照結構分類：單面板、雙面板和多層板。（2）按照硬度分類：剛性板（rigid）、柔性板（flex）、剛柔混合板（rigid-flex）。（3）按照孔的導通狀態分類：通孔板、埋孔板、盲孔板。（4）按照材質分類：有機材質板（包括酚醛樹脂、玻璃纖維/環氧樹脂、聚酰亞胺(Polyimide)等）、無機材質板（包括鋁、陶瓷等）。（5）按照表面工藝分類：HASL（熱風整平，俗稱噴錫）板、化學鍍鎳/沉金（ENIG）板、沉銀板、沉錫板、OSP（有機涂覆）板、電鍍鎳金板、金手指板等。印制電路板常用板材規格基板類型組成部分特征用途XPC紙基板紙+酚醛樹脂+銅箔經濟性可冷沖計算器、遙控器、電話機、鐘表XXXPC高電性可冷沖音響、收音機、黑白電視機FR-1經濟性、阻燃音響、彩色電視、顯示器FR-2高電性、阻燃音響、彩色電視、顯示器FR-4玻璃布基板玻璃布+環氧樹脂+銅箔高電性、阻燃，強度高通訊、電腦、儀器儀表、汽車電路等CEM-2復合基板紙（芯）+玻璃布（面）紙+玻璃布+環氧樹脂+銅箔非阻燃電玩、計算機、彩電等CEM-3復合基板玻璃氈（芯）+玻璃布（面）玻璃氈+玻璃布+環氧樹脂+銅箔高電性、阻燃，強度低于FR-4電玩、計算機、彩電等單面板、雙面板和多層板（1）單面板單面板是只有一面覆銅的電路板，如圖91所示。因為只有一面，布線間不能交叉，只有較為簡單的電路板才使用單面板。單面板、雙面板和多層板（2）雙面板雙面電路板的兩面都覆蓋有銅箔，如圖所示，因此兩面都可以用來刻蝕線路。上下兩層的線路通過貫穿電路板的金屬化過孔（Via）進行電氣連接。單面板、雙面板和多層板（3）多層板多層電路板是在雙面電路板的基礎上發展起來的，一般將銅箔層的層數作為電路板的層數。除了表面的覆銅層外（TopLayer和BottomLayer），內部還包含了多個覆銅層。內部覆銅層又可以分為內部信號層和內部平面層兩類，前者用來放置普通的信號走線，后者則用來連接電源網絡。9.2 印制電路板的常用術語9.2.1 封裝（Package）9.2.2 焊盤（Pad）9.2.3 過孔（Via）9.2.4 走線（Track）9.2.5 預拉線（Ratsnest）9.2.6 板層（Layer）9.2.1 封裝（Package）封裝就是對芯片內部電路進行安裝、固定、密封和保護的外殼。外殼常用的材料有金屬、陶瓷、塑料等。外殼上裝有金屬引腳，芯片內部電路的信號通過bonding的方式連接到引腳上，形成到外部電路的通路。bondingBonding（幫定或者邦定）是指利用極細的金屬絲（常用金線，摻入少量其它金屬），利用熱壓或者超聲振動，完成芯片內部電路與封裝引腳的連接封裝的分類（1）直插式元件（也稱為針腳式或通孔式元件）封裝的分類（2）表面貼片式元件（簡稱表貼式元件）

貼片式元件體積小、重量輕，實現了電子產品組裝的高密度、高可靠、小型化、低成本以及生產的自動化。現在先進的電子產品，特別是計算機及通信類電子產品，已普遍采用SMT技術。常用分立元件封裝不同元件可以使用同一個封裝，例如電阻、電容、電感都可以使用相同的貼片封裝同種元件也可以有不同的封裝，例如一個16引腳的芯片可以分別封裝成直插式或者貼片式。常用分立元件封裝直插式電阻 Axial-x.y形式，Axial表示軸向元件，元件本體一般為圓柱形，x.y表示元件兩個焊盤中心孔之間的距離，常用分立元件封裝直插式電容無極性電容的封裝以RAD-x.y表示，如RAD-0.1、RAD-0.2、RAD-0.3、RAD-0.4。后面兩個數字表示焊盤中心孔的間距，電解電容則用RB.x/.y標識，如RB.2/.4、RB.3/.6、RB.4/.8、RB.5/1.0，符號中前面數字表示焊盤中心孔間距，后面數字表示圓形輪廓線直徑。常用分立元件封裝直插式電感：常使用和直插式電阻一樣的Axial-x.y封裝。表貼式電阻、電容、電感：小功率的電阻、電容以及小感量小功率的電感經常采用貼片封裝形式，如圖所示，其規格尺寸可以采用英制和公制單位。二極管封裝二極管包括直插式和貼片式兩種封裝，直插式二極管常使用的封裝為Diodex.y，例如Diode0.4，它表示兩個焊盤中心距為400mil三極管/場效應管常用集成電路封裝DIP（DualInlinePackage，雙列直插式封裝）SIP（SingleInlinePackage，單列直插式封裝）常用集成電路封裝SOP封裝（雙列小型貼片封裝，也叫SOIC）常用集成電路封裝SOJ（SmallOutlinePackage-JLeads，J形引腳小外形封裝）常用集成電路封裝PLCC（PlasticLeadedChipCarrier，帶引腳的塑料芯片載體封裝）可以直接焊接在電路板表面，也可以安裝在配套的插座上。插座是直插式的，焊接在電路板上。PLCC適用于需要經常插拔芯片的場合，如可編程的邏輯芯片。常用集成電路封裝QFP型（QuadFlatPackage，方型扁平封裝）常用集成電路封裝PGA（PinGridArray，引腳柵格陣列封裝）常用集成電路封裝BGA（BallGridArray，球形柵格陣列封裝）9.2.2 焊盤（Pad)焊盤主要用于焊接時固定元件引腳，同時完成元件引腳和銅箔導線之間的電氣連接。選擇元件的焊盤類型要綜合考慮元件的形狀、大小、安裝形式、振動、受熱情況、受力方向等。焊盤分為貼片式焊盤和通孔式焊盤。9.2.3 過孔（Via）過孔是內壁鍍銅、用于連接不同板層間銅箔走線的金屬化孔通常過孔直徑比焊盤直徑要小，這樣不僅可以減小過孔的寄生參數，而且可以節省布線空間。過孔的大小也對電路產生影響。過孔越小．其自身的寄生電容也越小，更適合用于高速布線。但孔徑尺寸縮小的同時帶來了成本的增加，而且過孔的尺寸不可能無限制減少，它受到鉆孔（Drill）和電鍍（Plating）等工藝技術的限制。孔徑越小，鉆孔需花費的時間越長，也越容易偏離中心位置。且當孔的深度超過鉆孔直徑6倍時，就無法保證孔壁能均勻鍍銅9.2.4 走線（Track）銅箔走線用來連接焊盤，是印制電路板最重要的部分，也是PCB設計成功與否的關鍵所在。印制走線的最小寬度受限于走線的載流量和允許溫升印制走線的寬度還受到蝕刻工藝的限制，太細的走線在生產上可能無法實現，即使勉強進行蝕刻，生產出來的電路板也容易發生故障，難以穩定工作。因此在進行PCB設計時，除非萬不得已，否則線寬不要小于5mil。走線間還需要保持安全間距，以防止信號間的串擾以及電壓擊穿，并保證電路板的可加工性。9.2.5 預拉線（Ratsnest）預拉線（又稱飛線）是用來指示焊盤間存在連接關系的一種連線，通常為白色的細線9.2.6 板層（Layer）在AltiumDesigner中涉及到的板層分為三類：電氣板層：AD10最多支持32個信號層和16個內部平面層機械層：AD10最多支持16個機械層特殊層：包括頂層和底層絲印層、頂層和底層阻焊層、底層和底層助焊層、鉆孔層、禁止布線層、多層（Mulit-Layer）、DRC錯誤層、鉆孔位置層（鉆孔導引層與鉆孔圖層）。各層的詳細說明請見教材9.2.6節例9-1元件封裝的分層拆解9.3印制電路板的基本原則前期準備準備正確的原理圖確定電路板尺寸形狀、板層數量元器件選型布局原則詳見9.3.2節布線原則詳見9.3.3節焊盤與鉆孔的大小及間距通孔式焊盤直徑通常是內徑的1.5—2.0倍之間，且兩者之差最好不小于18mil。焊盤內徑=元件引腳直徑（或對角線）+（0.2-0.6mm）焊盤直徑≥焊盤內徑+18mil例如，焊盤/孔徑為1.52mm/0.76mm（60mil/30mil）。具體應用中，應根據元件的實際尺寸來定。有條件時，可適當加大焊盤尺寸。焊盤與鉆孔的大小及間距過孔焊盤的計算方法為：過孔直徑通常是內徑的1.5—3.0倍之間，且兩者之差最好不小于12mil。過孔直徑≥過孔內徑+0.3mm（12mil）例如，過孔直徑/過孔內徑為1.27mm/0.7mm（50mil/28mil）。當布線密度較高時，過孔尺寸可適當減小，但不宜過小，可考慮采用1.0mm/0.6mm（40mil/24mil）。工藝參數板層數：1層、2—20層（取其中的偶數）；板子厚度：0.2—4.0mm(以0.2mm為單位遞增)；銅箔厚度：1oz—10oz（1oz代表銅箔厚度約為35um）。線寬/安全間距：≥5mil/5mil（0.125mm）；目前有廠商能提供細至3mil/3mil的工藝。過孔：多層板過孔內徑≥8mil（0.2mm），過孔外徑≥16mil（0.4mm）；單、