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1、原理图与PCB设计,第一节 原理图设计,一般而言，设计电路板最基本的过程可以分为三大步骤：,(1)电路原理图的设计与绘制,(2)产生网络表,(3)印刷电路板的设计,原理图设计的主要任务,原理图绘制 元件库的编辑、修改与建立 确定元件的封装 产生网络表 报表文件的生成(零件报表、网络比较表、零件引脚表等)电气规则检查(ERC)网表文件的比较 原理图输出,一、什么是印刷(PCB)电路板？,PCB 即 Printed Circuit Board 的简写，中文名称为印刷电路板、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。,
2、PCB的历史：,在PCB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。,印制电路板的发明者是奥地利人保罗爱斯勒（Paul Eisler），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。,PCB板要解决的两个基本问题：,1、放置元器件,2、提供电路连接,第二节 印刷电路板的基本知识,二、元器件的封装形式,元器件的封装形式与印刷电路板的
3、排版设计密切相关，它关系到设计时如何设置焊盘、以何种方式将元器件固定在印刷电路板上等问题。元器件的基本封装形式很多，下面仅举几个例子进行说明。,1、分离封装 分离封装是一般分离元件的封装形式。分离元件种类繁多，管脚形式多样，同一种元件的管脚排列也不尽相同。例如，同是小功率三极管，有一字形排列的，也有三角形排列的。在排版设计时，必须查出或测出管脚的间距，调用CAD软件库中相应的焊盘类型。,2、双列直插式封装(DIP),双列直插式封装，英文简称DIP(Dual ln-line Package)，如图所示。它们大多为中小规模集成器件，其相邻管脚的间距为254mm。常用的封装有：8、14、16、18、
4、20、28、32、40脚，多于40脚一般采用其他封装形式。,3、针阵式封装(PGP),针阵式封装(PGPPin Grid Package)是超大规模集成电路的一种封装形式，它有几十条管脚，管脚与管壳垂直按矩阵形式排列，如图所示。由于管脚数量多，排列密集，所以，一般要用多层印刷电路板，至少是双面板。,4、表面贴装器件(SMD),5、PGA&PLCC PGA(Pin-Grid Array)针栅阵列封装 PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)塑料引线片式载体封装,6、BGA封装,PLD典型器件封装型式说明1BGA(Ball Grid Array)球状格栅阵列封装2CPGA
5、(Ceramic Pin Grid Array)陶瓷引脚格栅阵列封装3CQFP(Ceramic Quad F1at Pack)陶瓷四边有引线扁平封装4DIP(Dual In-Line Package)双列直插式封装5JLCC(Ceramic J-Lead Chip Carrier)陶瓷J型引线片式载体封装6MQFP(Metal Quad F1at Pack)金属四边有引线扁平封装7PBGA(Plastic Ball Grid Array)塑料球状格栅阵列封装8PDIP(Plastic Dual In-Line Package)塑料双列直插封装9PGA(Pin-Grid Array)针栅阵列封装
6、10PLCC(P1astic Leaded Chip Carrier)塑料引线片式载体封装11PQFP(P1astic Quad F1at Pack)塑料四边有引线扁平封装12RQFP(Power Quad F1at Pack)功率型四边有引线扁平封装13TQFP(Thin(1.4mm)Quad Flat Pack)细型四边有引线扁平封装14VQFP(Very Thin(1.0mm)Quad Fact)超细型四边有引线扁平封装,在PCB设计中，针对具体的元器件及其封装需要做的事情,确定元器件的尺寸以及引脚(焊盘)的尺寸和间距,看器件资料,自己测量,PLCC,DIP,SMD,SMD,SIP,分离
7、器件,器件封装实例,BGA球状栅格阵列封装,SMD,金手指,SMD,三、印刷电路板设计时的常用术语,1、元件面(ComponentSide)：大多数元件都安装在其上的那一面,2、焊接面(SolderSide)：与元件面相对的那一面,3、丝印层(Overlay，Top Overlay)：是印制板面上的一种不导电的图形，这些图形是一些器件的符号和标号，一般通过丝印的方法，将绝缘的白色涂料印制在元件面上,4、阻焊图(层)：它是为了防止不需要焊接的印刷导线被焊接而绘制的一种图形。在制板过程中，可根据阻焊图的要求将不需要焊接的地方涂上一层阻焊剂，只露出需要焊接的部位。使用CAD软件设计PCB时，当焊接面
8、和元件面设计完成后，软件可自动生成阻焊图,5、焊盘(Land或Pad)：用于连接和焊接元件的一种导电图形,6、金属化孔(PlatedThroughHole)：金属化孔也称为通孔，孔壁沉积有金属的孔，主要用于层间导电图形的电气连接,7、通孔(Via Hole)：通孔也称为中继孔，是用于导线转接的一种金属化孔。通孔一般只用于电气连接，不用于焊接元件,8、坐标网格(Grid)：两组等距离平行正交而成的网格或称为格点)。它用于元器件在印刷电路板上的定位，一般要求元件的管脚必须位于网格的交点上，导线不一定按网格定位。,四、印刷电路板设计常用标准,印刷电路板的设计必须符合有关标准，下面列出几个最基本的标准
9、。,1、网格尺寸 一般分公制和英制两种标准。最基本的坐标网格间距为2.5mm，当需要更小的网格时，可采用1.25mm和0.625mm。国外生产的集成电路一般采用英制规范，例如，双列直插式(DIP)的管脚间距为2.54mm(十分之一英寸)，所以，在放置元件时一般可采用英制坐标网格。,2、孔径和焊盘尺寸 标称孔径和最小焊盘直径如表所示。实际制作中，最小孔径受生产印刷电路板的厂家具有的工艺水平的限制，就目前而言，一般选0.8mm以上，焊盘尺寸一般也要比表中所列数据稍大些。,3、导线宽度 导线宽度没有统一的要求，其最小值应能承受通过这条导线的最大电流值。考虑到美观整齐，导线宽度应尽量一致。但是，地线和
10、电源线的宽度要尽量宽一些，一般可取2050密耳,4、导线间距 导线之间的距离没有统一的要求，但两条导线之间的最小距离应满足电气安全要求。在允许的条件下，导线间距应尽量宽一些，在集成块两管脚之间(100mil)一般只设计一根导线。当多条导线平行时，各导线之间的距离应均匀一致,5、焊盘形状 常用的焊盘形状有4种：方形、圆形、长圆形和椭圆形。最常用的是圆形焊盘。,五、印刷电路板布局设计,印刷电路板布局是指安排元器件在板上的位置。印刷电路板布局是整个PCB设计中最重要的一环，对于模拟电路和高频电路尤为关键。印刷电路板布局的基本原则是：,(1)保证电路的电气性能；,(2)便于产品的生产、维护和使用；,(
11、3)导线尽可能短,下面简要介绍一些在布局时要考虑的相关问题：,(1)合理选择印刷电路板的层数；,(2)选择单元电路的位置；,(3)元件的排列,安排元件的位置是布局时最关键的一步，需要综合考虑很多因素，一般应考虑多种方案，反复权衡，取长补短。安排元件位置时要考虑的主要问题如下：,尽量把元件设置在元件面上：这样有利于生产和维护,调节方便：一些需要调节的元件应安排在规定的位置或便于调节的地方。,散热：对于大功率管、电源变压器等需要散热的器件，应考虑散热问题。,管脚要顺：对于3个管脚以上的元件，必须按管脚顺序放置，避免管脚扭曲。对于集成块，要注意方向。,结构稳定：对于较重的元件，要考虑结构的稳定问题。
12、例如，在垂直放置的印刷电路板上，重的器件要安置在底部：在水平放置的印刷电路板上，重的元件应安排在靠近紧固点，还应考虑好该印刷电路板本身与其他部件的固定问题。,排列整齐均匀，间距合理：元件之间的间距要合理，不要堆挤在一起，要考虑到器件外形的实际大小，留有余量。同类元件的间距要一致，布局应做到整齐、均匀、美观。在印刷电路板边缘要留有一定距离，一般不小于5mm。,在印刷电路板的边缘板面空白处尽量布上地线,布线设计是在布局基本完成后进行的，在布线设计时如果发现布局不合理(如布线困难)，还要调整布局。布线设计的基本考虑是如何使导线最短，同时要使导线的形状合理。布线设计时的考虑要点如下：,六、印刷电路板的
13、布线设计,1、先设计公共通路的导线2、按信号流向布线3、保持良好的导线形状,4、双面板布线要求：双面板的导线设计与单面板有较大的不同，一般要求是：同一层面上的导线方向尽量一致，或者都是水平方向布线或者都是垂直方向布线；元件面的导线与焊接面的导线相互垂直；两个层面上的导线连接必须通过通孔。,5、地线的处理：在印刷电路板的排版设计中，地线的设计是十分重要的，有时可能关系到没计的成败。导线必然存在电阻，地线的电阻称为共阻。地线是所有信号电流的公共通路，各种信号电流都将在共阻上产生压降，这些压降又反作用于电路，形成共阻干扰。共阻干扰严重时将使电路指标无法满足要求。地线的设计要考虑众多因素，现将最基本的
14、要求介绍如下：,（1）数字与模拟电路的地线要分别设置：在一块印刷电路板上同时有模拟电路和数字电路时，必须为它们分别设置地线，在地线的出口处再汇集在一起。如图是一种模拟与数字电路地线处理的方式，常称为菊花形地线。,（2）地线应尽量宽：为了减小地线共阻的干扰，地线和电源线应尽量宽一些，这是设计地线的最基本要求。,（3）大面积地线应设计成网状。当地线的面积较大，超过直径为25mm的圆的区域时，应开局部窗口，使地线成为网状。这是因为大面积的铜箔在焊接时，受热后容易产生膨胀造成脱落，也容易影响焊接质量。窗口的形式和要求如图所示。,第三节 印刷电路板的设计,1、电路板工作层面,电路板可分为单面板、双面板和
15、多层板，除此之外还有可操作的层面。工作层面就是指在进行PCB设计时，正在进行操作的那个电路板层面。,(1)信号层(Signal Layer)：Protel98提供了16种信号层，它们是Top Layer、Bottom Layer、Mid Layer1、Mid Layer2Mid Layer14。信号层主要用于放置与信号有关的电气元素，例如，Top Layer为顶层，用于放置元件面，BottomLayer为底层，用作焊锡面，Mid Layer1Mid Layer14为中间信号层。,(2)内层电源/接地层(Internal Plane)：Protel98提供了4种内层电源接地层，分别称为Plane
16、1、Plane2、Plane 3和Plane4。这些层往往用作大面积的电源线或地线。,(3)设置钻孔位置层(Drill Layer)：该层主要用于绘制钻孔图及表明孔的位置。共包括Drill Grid和Drill Drawing两项。,(4)阻焊层和防锡膏层(Solder Mask&Paste Mask)：它们分别有Top和Bottom两种层面。例如，Top Solder Mask为设置顶层阻焊层，Bottom Solder Mask为没置底层阻焊层，Top Paste Mask为顶层防锡膏层。,(5)丝印层(Silk screen)：丝印层主要用于绘制元件的外形轮廓，包括顶层(Top)丝印层和
17、底层(Bottom)丝印层两种。,(6)其他工作层面(Others)：包括Keep Out Layer(禁止布线层)、Multi-Layer多层)等8种Others层。,注意：最常用的是顶层、底层、丝印层、禁止布线层,2、PCB设计流程,(1)准备原理图及网络表(2)规划电路板(3)启动PCB程序并设置参数(4)装入网络表及元件封装(5)布局(6)自动布线与手工调整(7)PCB文件的存储及打印输出,第四节 印制电路技术,1、印刷电路的制造工艺,单面印制板 单面印制板一般用于民用产品，如收音机、电视机、电子仪器等。单面板图形比较简单，一般采用丝网漏印正像图形然后蚀刻出印制板，也可采用光化学生产，
18、其工艺流程如下：黑白墨图照相制版敷铜箔板下料图像转移(丝网漏印光化学)蚀刻去除抗腐蚀印料孔加工外形加工检验印制阻焊涂料 印制标记符号涂敷助焊剂成品,双面印制板 双面印制板主要用于性能较高的通信电子设备、高级仪器仪表等场合。双面板的制造工艺一般分为工艺导线法、堵塞孔法、掩蔽法和图形电镀-蚀刻法。使用最多的是图形电镀-蚀刻法，其工艺流程如下：敷铜箔板下料数控钻孔孔金属化全板预镀铜(黑白墨图)照相制版光能干膜图像转移图形电镀铜图形电镀铅锡合金 去膜蚀刻板边插头镀金(银)外形加工热熔检验 印制阻焊层印制标记符号成品,多层印制板 制作多层印制板，对设计电路者而言，利用任何PCB软件都可以比较方便地实现；
19、但对制造厂家来说，当布线密度较大时，对工艺要求十分苛刻，如导线和金属化孔的定位，热压、粘合等工序要求的精度都很高，而电气性能的检测需用专门的CAD软件，因而整个过程周期较长，成本也很高。制造多层印制板的工艺流程如下：内层用敷铜箔板冲定位孔图像转移蚀刻去除抗蚀剂 氧化层压数控钻孔清洁孔金属化图像转移图形电镀铜 图形电镀铅锡合金去膜蚀刻板边插头镀金(银)外形加工 热熔检验印制阻焊层印制标记符号成品,使用多层印制板的有很多的好处，比如将信号层与地层分开，地层的电阻可以做得很小，.,2 照相底版 照相底版的用途 丝网漏印工艺中丝网模板的制作，例如线路图形、阻焊印料图形、标记符号图形 感光照相饰刻工艺中
20、感光掩膜图形，包括线路图形、阻焊干膜需要的照相底版。加成法工艺中选择化学镀铜用感光掩膜图形。胶印工艺中作印刷母版用照相底版。照相底版的制作 制造照相底版的方法有很多，目前大致分为3类：人工描绘或贴制黑白工艺图，然后照相翻拍成照相底版。计算机系统的绘图仪绘制黑白工艺图，再照相成照相底版 计算机系统的光绘图机(GERBER)直接制成照相底版。,3 图像转移 制好照相底版后，下一道工序一般是将底版上的电路图形转移到敷铜箔层压板上，也叫图像转移。图像转移大致可分为两种方法“印制-蚀刻”：即用保护性的抗饰材料在敷铜箔层压板上形成比较精确的图形(正相的)。那些未被抗蚀材料保护下的不需要铜箔，在随后的化学蚀
21、刻工序中被去掉。蚀刻后去掉抗蚀层，就得到由铜箔构成的所需电路图像。“电镀-蚀刻”：即用电镀层进行负像图像转移，露出的铜表面是要求的图像，其他部分形成抗镀层，对这些露出的图像清洗处理后，电镀一层金属保护层，形成图形电镀(镀铜或铅锡)。蚀刻工序完成后再将抗镀层去掉，这里，电镀的金属(铅锡、金或锡镍)在蚀刻工序中起了抗蚀层的作用。注意：上述两种方法都要用到有机保护抗蚀剂。一般来说，常用的抗蚀剂及图像转移法有3类：液体光致抗蚀剂、干膜光致抗蚀剂和丝网漏印。前两类可用于工艺要求较高的场合。,4 电镀和蚀刻 平常意义上的电镀包括化学镀和电镀，其目的是为金属或非金属制品穿上一层“外衣”镀层。其应用主要有如下几个方面：金属化孔(孔金属化)抗蚀镀层电镀电接点(边缘插头)镀层电镀 蚀刻是制造印刷电路板不可缺少的重要工艺，其目的是将不需要的金属腐蚀掉。无论采用哪种方法进行图像转移，最后都有要进行蚀刻，以便得到电路图像。5 机械加工 机械加工主要分孔加工和外形加工。一般圆形孔加工有冲和钻两种方法，异形孔有锉、冲、锐等方法。根据工具分类又有手工加工和数控加工两种。一般而言，双面板及多层板必须由CAD控制的(数控)钻床系统来完成。外形加工一般由冲床来进行。,
