PCB设计基础---凯利讯半导体

　　本文将讨论PCB设计流程中的主要步骤，从基本术语到在示意图，布局和制造阶段移动示例设计所需的主要步骤。

　　了解术语

　　原理图捕获和仿真工具 - 原理图捕获程序允许用户以图形方式绘制代表电子元件符号的文件以及它们之间的相互连接。在生成一个PCB之前，这些符号被映射到组件覆盖区，符号互连被转换成一个网表，该网表指定了布局过程中组件覆盖区之间的连接。允许用户利用用于布局的相同电路图表示进行交互式电路仿真的示意工具是有利的。一旦完成，电路仿真对于初始设计分析和设计测试(即验证测试和故障排除)都是有用的。

　　PCB布局工具 - PCB布局程序从网表中生成PCB的机械和布线连接结构。布局程序允许将布线连接结构放置在多个层上，一旦完成，允许用户生成制造PCB所需的计算机辅助设计(CAD)文件。

　　Gerber文件 - 需要发送给PCB制造商以便构建PCB层结构的CAD文件称为Gerber文件。RS-274X是最普遍支持的Gerber文件格式。

　　NC钻孔文件 - 数控(NC)钻孔文件指示用于未镀制孔，镀通孔或用于过孔的孔的尺寸和位置。一些快速转动的PCB制造商只能选择可用的孔尺寸。

　　印刷电路板(PCB) - 界定电路的机械和铜线结构的晶圆板。(印刷电路板有时称为PWB)。

　　PCB结构和细节

　　PCB可以被认为是分层结构，通常具有多个铜和绝缘层。主要部分是通常由玻璃纤维和环氧树脂制成的非导电(绝缘)材料(基板)。用于分离层的衬底材料具有不同的厚度，从0.005“到0.038”。导电层由在用户不希望连接发生的特定区域蚀刻掉的铜(Cu)箔组成。单层印制电路板的顶部有一层铜箔(见图1)。

　　

　　图1：单层PCB

　　双层PCB(见图2)有两层铜箔(一个在顶部，一个在底部)。

　　

　　图2：双层PCB

　　如果由于PCB的复杂性增加而需要两层以上，则可以建立其他铜层或将其添加到上面所示的层(通常成对)。例如，一个4层PCB可以由两层双层PCB(夹在中间)和一个芯层材料夹在中间组成。该芯层由环氧树脂/纤维制成，被称为预浸料(pre-impregnated)，并将其它层结构绝缘并支撑。中等复杂的电路板通常具有6,8或10层(制造成本增加)。一些高度复杂的PCB有多达32层或更多的迹线和铜面(见图3)。

　　

　　图3：多层PCB

　　基材的高度通常是一层或多层层压材料的厚度，通常远小于芯层预浸材料层的高度。

　　多层印制电路板 - 带有多层铜箔层的印制电路板。这些层最好在设计工具中根据用户的需要重新命名为独特的名称(例如电源或地线)。

　　层堆叠 - 多层PCB的铜组织，意图在某些层上具有特定的信号层和接地层，以实现路由方便和电磁屏蔽的目的。四层板通常具有以下层结构，其中顶层和底层被保留用于信号路由，并且内层被保留用于接地层和电源层：

　　•铜顶部

　　•内部1

　　•内部2

　　•铜底部

　　成品PCB高度 - 标准成品PCB厚度通常如图所示 - 该厚度包括所有的铜，基板和预浸层：

　　•.031“(也是.039”是常见的)

　　•.062“(最常用的尺寸)

　　•.093”

　　•.125“

　　图4显示了一个更为真实的四层PCB叠层，显示了典型PCB制造商的层结构的各种厚度，产生了共同的0.062“成品PCB高度。

　　

　　图4：四层PCB

　　裸PCB - 没有电子部件和其他组件(未装配或未装配)的成品PCB。

　　装配图 - 具有工程标志的机械和示意图，规定了PCB需要如何(以及以何种顺序)组装和封装。对于自动装配，装配图也包含有关焊膏和其他信息元件人口和其他板制造目的的信息。一些基本的机械装配信息可以在PCB布局工具内完成; 然而，复杂的机械装配信息通常需要在外部CAD软件包中完成。

　　跟踪 - 从点A到点B的信号连接(网络)的蚀刻过程之后，保留在PCB上的铜箔的一部分。网络的痕迹可以具有不同的宽度，这需要根据期望穿过的最大电流痕迹。

　　平面 - 保留在PCB上的大部分铜箔用于连接许多组件的信号连接。这是一个很少铜被蚀刻掉的层。电源和接地信号通常连接到一个平面，因为电源和接地需要路由到PCB上的许多组件。由于飞机有很多的铜，而且飞机覆盖面积很大，因此可以将走线从与飞机的连接点以有效的较低的电阻和电感路由到飞机。当元件传导电源和接地电流时，这将产生较小的电压降(与放置离散的走线相比)，从而将产生具有较低功耗的设计。另外，具有电源和地平面的电路将不太可能辐射电磁(EM)能量，并且不易受到EM能量的影响(如50/60 Hz AC线路噪声)。图5是具有电源和接地层的四层PCB的示例：

　　

　　图5：具有电源和接地层的四层PCB

　　基材 - 非导电材料(基材)通常是玻璃纤维环氧树脂。称为FR-4的阻燃材料是北美最常用的PCB材料。对于专门的应用，可以使用其他材料(如G10)，但这些其他材料通常会表现出较低的阻燃性。其他基材(具有良好的介电性能)是可用的，并且有时材料因地理区域而异。

　　铜厚度(盎司重量) - 铜箔厚度不是以线性尺寸测量的，而是以倒入1平方英尺的铜片的重量来衡量的。例如，一个普通的铜厚度(重量)是1盎司。这意味着1盎司。的铜每平方英尺。2盎司。重量将显示2盎司。每平方英尺。一些常见的铜重量如下：

　　•¼盎司(不常见，因为它很薄，可以用烙铁蒸发)

　　•½盎司(普通)，铜厚度为0.7密耳。

　　•1盎司(最常见)，铜厚度为1.35至1.37密耳。

　　•2盎司(对于较高电流的电路板非常普遍)

　　•3盎司(除了高电流应用，因为它作为散热片，所以不常见，因为它会排出烙铁的热量，所以难以焊接)

　　设计PCB时需要考虑铜的重量和宽度。在决定所使用的铜重量时，考虑迹线中的电流相对于更高铜重量的附加成本。有关应用的具体信息，用户可以参考IPC-2221“印刷电路板设计通用标准”(http://www.ipc.org/toc/ipc-2221a.pdf)中的表格查找定量设计标准。

　　PCB样式 - 大多数现代PCB通常具有表面安装和通孔部分的组合，然而PCB通常可以被组织成两类，即镀通孔和表面安装技术。

　　镀通孔(PTH或也表示为TH) - 在这种类型的PCB中，大部分组件将具有从被插入到镀铜用于焊接的PCB的孔中的部分延伸的导线引线。

　　图6是具有四个PTH的双层板的横截面。还显示了电路板上的两条铜线。图6(底部)将两个PTH连接在一起。

　　

　　

　　图6(顶部和底部)：双层板的横截面。

　　• 表面贴装技术(SMT) - 在这种类型的PCB中，大部分零件没有通过PCB的引线。这些部件通常具有焊接到电路板表面的焊盘或引线。这些组件被称为表面贴装器件(SMD)。

　　以下是带有四个SMT焊盘的SMT PCB(见图7)。显示一个电阻焊接到板上。有了SMT，设计师可以选择将部件放在电路板的底部(因为在SMD附近没有PTH来阻碍SMD的放置)。SMD通常可以制造得比它们的通孔等效物小，因此使用SMT通常会导致PCB内部件密度的显着增加。

　　

　　图7：带有四个SMT焊盘的SMT PCB

　　当考虑PCB的PTH或SMT技术时，请注意为应用选择正确的技术和组件。PTH或更大型的SMD元件通常可以使原型制作更好; 然而较大的技术可能无法满足最终生产设计的最终尺寸或密度限制。相反，SMT样式的PCB可以非常紧密地包装在一起，通常可以通过自动装配产生更低的制造成本(每个板子在更大的体积中)。但是，手工焊接小型SMD或带有球栅阵列(BGA)技术的组件对于那些拥有非常有经验的焊接技能的人来说都是非常棘手的。在选择元器件和设计PCB时考虑这些重要的折衷。有些元件可以采用通孔和SMD样式，

　　阻焊层 - 这是一个屏蔽或绝缘层(这也是使常见的PCB绿色)，安装在顶层和底层覆盖铜迹线。该层通常不安装在焊盘的顶部，因为这暴露了要焊接的铜区域。这层保护这些被覆盖的导体，以便在将附近的部件连接到焊盘或通孔连接时，焊料不会无意中粘附到它们(造成短路)。

　　丝网印刷(也称为丝网印刷) - 这是应用在顶部阻焊层上的最后一层，也是底部阻焊层(如果需要的话)，以显示板上的部件轮廓和参考指示符信息。除了显示部件轮廓和参考指示信息之外，丝印还可以显示方向信息(如阳极/阴极方向)以及用户希望在板上显示的任何其他符号或文本信息(如内部板型编号，标识，PCB修订编号和其他制造或标准标记)。

　　脚印 - 零件的机械和电气模式。包含在零件中的信息通常包括铜的土地模式，机械轮廓和任何重要的尺寸信息，如身体信息，身高和体型。部件的印迹通常包括丝印层，其显示部件轮廓和方向信息以及与部件相关联的铜焊盘或孔(焊盘图案)。与连接器一样，零件的占位面积可能会超出电路板轮廓，因此占用空间的细节应该为设计者提供部件放置，方向和铜连接的足够信息。

　　焊盘图案 - 这是电路板上的焊盘或孔的图案，有时包括零件本体信息。来自IPC(全球贸易协会)的标准通常用于精确指定所需的铜尺寸和形状，以确保元件的焊盘或电线与PCB之间的正确粘合和粘合。焊盘图案可以包括非电气焊盘信息，例如可能需要的散热片或散热器图案。