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1、第5章 印制电路板设计基础,5.1 印制电路板的种类5.2 PCB设计的基本概念5.3 常用元器件封装5.4 印制电路板的基本组成5.5 印制电路板的制作过程5.6 印制电路板设计的基本流程,5.1 印制电路板的种类,印制电路板的种类可以根据元件导电层面的多少分为单面板、双面板、多层板三种。,1单面板 单面板所用的绝缘基板上只有一面覆铜，在这一覆铜面中包含有焊盘和铜箔导线，因此该面被称之为焊接面。而另一面上只包含没有电气特性的元件型号和参数等，以便于元器件的安装、调试和维修，因此这一面被称为元件面。,图5-1 单面板,2双面板 双面板绝缘基板的上、下二面均有覆铜层，都可制作铜箔导线。双面板底层
2、和单面板作用相同，而在顶层上除了印制元件的型号和参数外，和底层一样也可以制作成铜箔导线，元件通常仍安装在顶层，因此顶层又被称为“元件面”，底层称为“焊锡面”。,图5-2 双面板,3多层板 多层板结构复杂，它由电气导电层和绝缘材料层交替粘合而成，成本较高，导电层数目一般为偶数，层间的电气连接同样利用层间的金属化过孔实现。,6,3多层板 多层板结构复杂，它由电气导电层和绝缘材料层交替粘合而成，成本较高，导电层数目一般为偶数。多层印制板是由交替的导电图形层及绝缘材料层层压粘合而成的一块印制板，导电图形的层数在两层以上，层间的电气连接同样利用层间的金属化过孔实现。多层印制板的连接线短而直，便于屏蔽，但
3、印制板的工艺复杂，由于使用金属化孔，可靠性下降。它常用于计算机的板卡中。,5.2 PCB设计的基本概念,5.2.1 电路板的工作层面 Protel DXP提供了74个不同类型的工作层面，主要包括：32个信号层(Signal Layers)、16个内部电源/接地层(Internal Planes)、16个机械层(Mechanical Layers)、4个防护层(Masks Layers)（包括2个阻焊层(Solder Mask Layers)和2个焊锡膏层（Paste Mask Layers)、2个丝印层(Silkscreen Layers)、4个其他层(other Layers)(包括1个禁止
4、布线层（Keep Out Layer）、2个钻孔层(Drill Layers）和1个多层(Multi Layer)。,1.信号层(Signal Layers)信号层(Signal Layers)包括顶层、底层和中间信号层，共32层。顶层：主要用在双面板、多层板中制作顶层铜箔导线，在实际电路板中又称为元件面，元件管脚安插在本层面焊孔中，焊接在底面焊盘上。底层：又称为焊锡面，主要用于制作底层铜箔导线，它是单面板唯一的布线层，也是双面板和多面板的主要布线层。中间信号层：在一般电路板中较少采用，一般只有在5层以上较为复杂的电路板中才采用。,2.内电层（Internal Plane）内电层（Intern
5、al Plane）主要用于放置电源/地线，Protel DXP PCB编辑器可以支持16个内部电源/接地层。因为在各种电路中，电源和地线所接的元件管脚数是最多的，所以在多层板中，可充分利用内部电源/接地层将大量的接电源（或接地）的元件管脚通过元件焊盘或过孔直接与电源（或地线）相连，从而极大地减少顶层和底层电源/地线的连线长度。,3.机械层（Mechanical Layer）Protel DXP PCB编辑器可以支持16个机械层。机械层没有电气特性，在实际电路板中也没有实际的对象与其对应，是PCB编辑器便于电路板厂家规划尺寸制板而设置，属于逻辑层（即在实际电路板中不存在实际的物理层与其相对应），
6、主要为电路板厂家制作电路板时提供所需的加工尺寸信息。,4.防护层(Masks Layers)防护层包括阻焊层和焊锡膏层，主要用于保护铜线以及防止元件被焊接到不正确的地方。阻焊层主要为一些不需要焊锡的铜箔部分（如导线、填充区、覆铜区等）涂上一层阻焊漆（一般为绿色），用于阻止进行波峰焊接时，焊盘以外的导线、覆铜区粘上不必要的焊锡而设置，从而避免相邻导线波峰焊接时短路，还可防止电路板在恶劣的环境中长期使用时氧化腐蚀。因此它和信号层相对应出现，也分为顶部（Top Solder Mask）、底部（Bottom Solder Mask）两层。,焊锡膏层，有时也称做助焊层，用来提高焊盘的可焊性能，在PCB上
7、比焊盘略大的各浅色圆斑即为所说的焊锡膏层。在进行波峰焊等焊接时，在焊盘上涂上助焊剂，可以提高PCB的焊接性能。,5.丝印层（Silkscreen Layer）丝印层主要通过丝印的方式将元件的外形、序号、参数等说明性文字印制在元件面（或焊锡面），以便于电路板装配过程中插件（即将元件插入焊盘孔中）、产品的调试、维修等。丝印层分为顶层（Top Overlayer）和底层（Bottom Overlayer）。,6.其它层（Other Layers）其他层(other Layers)包括1个禁止布线层（Keep Out Layer）、2个钻孔层(Drill Layers）和1个多层(Multi Laye
8、r)。,5.2.2 铜膜导线 铜膜导线是覆铜板经过蚀刻后形成的铜膜布线，又简称为导线。铜膜导线是电路板的实际走线，用于连接元件的各个焊盘，是印制电路板的重要组成部分。导线的主要属性是导线宽度，它取决于承载电流的大小和铜箔的厚度。,5.2.3 过孔 在印制电路板中，过孔的主要作用是用来连接不同板层间的导线。在工艺上，过孔的孔壁圆柱面上用化学沉积的方法镀上一层金属，用以连通中间各层需要连通的铜箔，而过孔的上下两面做成圆形焊盘形状。通常，过孔有三种类型，它们分别是从顶层到底层的穿透式过孔（通孔）、从顶层通到内层或从内层通到底层的盲过孔（盲孔）、内层间的深埋过孔（埋孔）。过孔的形状只有圆形，主要参数包
9、括过孔尺寸和孔径尺寸。,5.2.4 焊盘 焊盘是在电路板上为了固定元件引脚，并使元件引脚和导线导通而加工的具有固定形状的铜膜。焊盘形状一般有圆形“Round”、方形“Rectangle”和八角形“Octagonal”三种，一般用于固定穿孔安装式元件的焊盘有孔径尺寸和焊盘尺寸两个参数，表面粘贴式元件常采用方形焊盘。,5.2.5 元件封装 元器件封装是实际元器件焊接到电路板上时，在PCB电路板上所显示的外形和焊盘位置关系，因此元器件封装是实际元器件在PCB电路板上的外形和引脚分布关系图。纯粹的元件封装只是一个空间概念，没有具体的电气意义。元器件封装的两个要素是外形和焊盘。制作元器件封装时必须严格按
10、照实际元器件的尺寸和焊盘间距来制作，否则装配电路板时有可能因焊盘间距不正确而导致元器件不能装到电路板上，或者因为外形尺寸不正确，而使元器件之间发生干涉。,5.2.6 飞线飞线有以下两重含义：在PCB设计系统中导入元器件之后，在自动布线之前，元器件的相应管脚之间出现供观察用的类似橡皮筋的灰色网络连接线，这些灰色连线是系统根据规则自动生成的、用来指引布线的一种连线，一般俗称为飞线。有些厂商在设计电路板的布线时，由于技术实力原因往往会导致最后的PCB存在不足的地方。这时需要采用人工修补的方法来解决问题，就是用导线连通一些电气网络，有时候也称这种导线为“飞线”，这就是飞线的第二重含义。,5.2.7 安
11、全间距 在设计印制电路板的过程中，设计人员为了避免或者减小导线、过孔、焊盘以及元件之间的相互干扰现象，需要在这些对象之间留出适当的距离，这个距离一般称为安全间距。,5.3 常用元器件封装,5.3.1 元件封装的分类 按照元件安装方式，元件封装可以分为通孔直插式封装和表面粘贴式封装两大类。,通孔直插式元件及元件封装如图5-3 所示。,图5-3 通孔直插式元件及元件封装,表面粘贴式元件及元件封装如图5-4 所示。,图5-4 表面粘贴式元件及元件封装,5.3.2 常用元件封装的介绍 根据元件的不同封装，本节将封装分成两大类：一类为分立元件的封装，一类为集成电路元件的封装。,5.3.2.1 分立元件的
12、封装 1.电容：电容分普通电容和贴片电容。普通电容又分为极性电容和无极性电容。极性电容（如电解电容）根据容量和耐压的 不同，体积差别很大，如图5-5所示。极性电 容封装编号为RB*-*。,图5-5 电解电容元件、原理图符号和元件封装,无极性电容根据容量不同，体积外形也差别较大，如图5-6所示。无极性电容封装编号为RAD-*。,图5-6 无极性电容元件、原理图符号和元件封装,贴片电容的外形如图5-7所示，它们的体积与传统的直插式电容比较而言非常细小，有的只有芝麻般大小，已经没有元件管脚，二端白色的金属端直接通过锡膏与电路板的表面焊盘相接。贴片电容封装编号为CC*-*，如CC2012-0805。,
13、图5-7 贴片电容元件及元件封装,2.电阻：电阻分普通电阻和贴片电阻。普通电阻是电路中使用最多的元件之一，如图5-8所示，根据功率不同，电阻体积差别很大。,图5-8 普通电阻元件、原理图符号和封装,贴片电阻和贴片电容在外形上非常相似，所以它们可以采用相同的封装，贴片电阻的外形如图5-9所示。贴片电阻封装编号为R*-*，如R2012-0805。,图5-9 贴片电阻元件及元件封装,图5-10 普通二极管元件、普通二极管的原理图符号和封装,3.二极管：二极管分普通二极管和贴片二极管。普通二极管根据功率不同，体积和外形也差别很大，常用的封装如图5-10所示。贴片二极管可用贴片电容的封装套用。,4.三极
14、管：三极管分普通三极管和贴片三极管。普通三极管根据功率不同，体积和外形差别较大，常用的封装如图5-11 所示，以封装编号为“BCY-W*/E*”为例，如“BCY-W3/E4”。贴片三极管封装如图5-12 所示，以封装编号为“SO-G*/C*”为例，如“SO-G3/C2.5”。,图5-11 普通三极管元件、原理图符号和封装,图5-12 贴片三极管元件及封装,图5-13 电位器元件、原理图符号和元件封装,5.电位器 电位器即可调电阻，在电阻参数需要调节的电器中广泛采用，根据材料和精度不同，在体积外形上也差别很大，如图5-13所示。常用的封装为VR系列，从VR2VR5。,图5-14 单排直插元件及元
15、件封装,6.单排直插元件 单排直插元件如用于不同电路板之间电信号连接的单排插座，单排集成块等。一般在原理图库元件中单排插座的常用名称为“Header”系列，它们常用的封装一般采用“HDR”系列，如图5-14所示为封装HDR19。,图5-15 DIP元件及元件封装,5.3.2.2 集成电路元件的封装 1.DIP封装 DIP（Dual In-line Package）封装，即双列直插式封装。元件外形和封装如图5-15所示，这种封装的外形呈长方形，引脚从封装两侧引出，引脚数量少，一般不超过100个，绝大多数中小规模集成电路芯片(IC)均采用这种封装形式。DIP封装编号为“DIP*”，如“DIP14”
16、，后缀数字表示引脚数目。,2.PLCC封装 PLCC（Plastic Leaded Chip Carrier）封装，即塑料有引线芯片载体封装。如图5-16所示，其引脚从封装的四个侧面引出，管脚向芯片底部弯曲，呈J字形。,图5-16 PLCC元件及元件封装,3.SOP封装 SOP（Small Outline Package）封装，即小外形封装。如图5-17所示，其引脚从封装两侧引出呈海鸥翼状(L字形)，它是最普及的表面贴片封装。,图5-17 SOP元件及元件封装,4.PQFP封装 塑料方形扁平式封装PQFP（Plastic Quad Flat Package）的元件外形和封装图如图5-18所示，
17、该封装的元件四边都有管脚，管脚向外张开，该封装在大规模或超大规模集成电路封装中经常被采用，因为它四周都有管脚，所以管脚数目较多，而且管脚距离也很短。,图5-18 PQFP元件及元件封装,5.BGA封装 BGA(Ball Grid Array)封装，即球状栅格阵列封装。元件外形和封装如图5-19 所示，该封装表面无管脚，其管脚成球状矩阵式排列于元件底部。该封装管脚数多，集成度高。,图5-19 BGA元件及元件封装,6.PGA封装 PGA（Pin Grid Array）封装，即管脚网格阵列封装。元件外形和封装图如图5-20所示，该封装结构和BGA封装很相似，不同的是其管脚引出元件底部并矩阵式排列，
18、它是目前CPU的主要封装形式。,图5-20 PGA元件外形和封装图,5.4 印制电路板的基本组成,PCB板是包含一系列元器件，由印制电路板材料支撑，通过印制板材料中的铜箔层进行电气连接的电路板，在电路板表面上还有对PCB板起注释作用的丝印层。一般来说，PCB包括以下四个基本组成部分：1.元器件：用于实现电路功能的各种元器件，如芯片、电阻、电容等。每一个元器件都包含若干个引脚，通过这些引脚，电信号被引入元器件内部进行处理，从而完成相应的功能。,2.铜箔：在电路板上表现为导线、焊盘、过孔和覆铜等。为了实现元器件的安装和管脚连接，必须在电路板上按元件管脚的距离和大小钻孔，同时还必须在钻孔的周围留出焊接管脚的焊盘，为了实现元件管脚的电气连接，在有电气连接管脚的焊盘之间还必须覆盖一层导电能力较强的铜箔膜导线，同时为了防止铜箔膜导线在长期的恶劣环境中使用而氧化，减少焊接、调试时短路的可能性，在铜箔导线上还要涂抹了一层绿色阻焊漆。3.丝印层：采用绝缘材料制成，可以在丝印层上标注文字以及对电路板上的元器件进行注释。4.绝缘基板：采用绝缘材料制成，用于支撑整个电路板。,图5-21 印制电路板样板,5.6 印制电路板设计的基本流程,图5-23 PCB板设计流程,
