印制板設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，印制電路板（PCB） 目前還是主要裝配方式，它一方面是一個(gè)固定平臺(tái)，為電路元器件提供定位支撐，另一方面提供電路元器件的電氣連接。在開(kāi)始設(shè)計(jì)之前，我們先簡(jiǎn)單介紹一下印制電路板的一些基礎(chǔ)知識(shí)。

1.PCB的結(jié)構(gòu)與種類(lèi)

印制電路板常見(jiàn)的板層結(jié)構(gòu)包括單面板（也叫單層板 Single Layer PCB）、雙面板（也叫雙層板Double Layer PCB） 和多層板（Multi Layer PCB）。

單層板：即只有一面覆銅的電路板。通常元器件放置在沒(méi)有覆銅的一面，稱(chēng)為元件面，覆銅的一面主要用于布線和焊接，稱(chēng)為焊接面。這種印制板主要安裝針腳插接式元件。

雙層板：兩個(gè)面都覆銅的電路板，通常將其中一面稱(chēng)為頂層（Top Layer），另一面為底層（BottomLayer）。一般將頂層稱(chēng)為元件面，底層稱(chēng)為焊接面。

這種印制板可以安裝引腳式和表面貼裝元件。對(duì)于表面貼裝式元件，顯然，元件面和焊接面為同一面。

多層板：即包含多個(gè)電氣層的電路板，除了頂層和底層外還包含若干個(gè)中間導(dǎo)電層，層與層之間用絕緣材料絕緣。

圖1 為4 層印制板的典型結(jié)構(gòu)。圖示的印制板有4 個(gè)導(dǎo)電層，通常頂層和底層作為信號(hào)走線，兩個(gè)中間層用于電源和接地，有時(shí)也可用于信號(hào)走線。元器件在印制板上的安裝方式，一般分為直插式安裝和表面貼裝。直插式安裝是指將元器件的引腳插過(guò)焊盤(pán)中間的孔，然后在另一面進(jìn)行焊接；表面貼裝是指元器件的引腳與電路板表層的焊盤(pán)接觸并用焊錫予以連接固定。為了把不同層的印制導(dǎo)線連接起來(lái)，通常是通過(guò)導(dǎo)電孔（常稱(chēng)為過(guò)孔）來(lái)實(shí)現(xiàn)。導(dǎo)電孔是在印制板上鉆孔，然后在孔壁上鍍上金屬導(dǎo)電層，并與需要連接的各層金屬導(dǎo)線連通。

導(dǎo)電孔分為穿孔（通孔）、盲孔（Blind Via 盲導(dǎo)孔，應(yīng)用于表面層和一個(gè)或多個(gè)內(nèi)層的連通）和埋孔（Buried Via 埋導(dǎo)孔，內(nèi)層間的通孔，壓合后兩面都無(wú)法看到，所以不占用表層面積）。

圖1

　　2.幾個(gè)術(shù)語(yǔ)

（1）焊盤(pán)

焊盤(pán)是PCB 設(shè)計(jì)中最常接觸也是最重要的概念之一。如圖2 中各個(gè)焊接點(diǎn)就是元器件引腳與焊盤(pán)的連接處。初學(xué)者往往在設(shè)計(jì)中千篇一律地使用圓形焊盤(pán)。實(shí)際上，選擇元件的焊盤(pán)類(lèi)型要綜合考慮該元件的形狀、大小、布置形式、振動(dòng)和受熱情況、受力方向等因素。Protel 在封裝庫(kù)中給出了一系列不同大小和形狀的焊盤(pán)，如圓、方、八角、長(zhǎng)圓形和定位用焊盤(pán)等，但有時(shí)這還不夠用，需要自己編輯。

例如，對(duì)發(fā)熱且受力較大、電流較大的焊盤(pán)，或者是焊盤(pán)尺寸與出線寬度有較大差異時(shí)，可加上“淚滴”。在大家熟悉的彩電PCB 的行輸出變壓器引腳焊盤(pán)的設(shè)計(jì)中，不少?gòu)S家正是采用的這種形式。一般而言，自行編輯焊盤(pán)時(shí)除了以上所講的以外，還要考慮以下原則：一是形狀上長(zhǎng)短不一致時(shí)要考慮連線寬度與焊盤(pán)特定邊長(zhǎng)的大小差異不能過(guò)大；二是需要在元件引腳之間走線時(shí)選用長(zhǎng)短不對(duì)稱(chēng)的焊盤(pán)往往事半功倍；三是各元件焊盤(pán)孔的大小要按元件引腳粗細(xì)分別編輯確定，粗略的原則是孔的尺寸比引腳直徑大0.2~0.4mm。

（2） 過(guò)孔

為連通各層之間的線路，在各層需要連通的導(dǎo)線的交匯處鉆上一個(gè)公共孔，這就是過(guò)孔。工藝上在過(guò)孔的孔壁圓柱面上用化學(xué)沉積的方法鍍上一層金屬，用以連通中間各層需要連通的銅箔，而過(guò)孔的上下兩面做成普通的焊盤(pán)形狀，可直接與上下兩面的線路相通，也可不連。一般而言，設(shè)計(jì)線路時(shí)對(duì)過(guò)孔的處理有以下原則：一是盡量少用過(guò)孔，一旦選用了過(guò)孔，務(wù)必處理好它與周邊各實(shí)體的間隙，特別是容易被忽視的中間各層與過(guò)孔不相連的線及過(guò)孔的間隙，如果是自動(dòng)布線，可在“過(guò)孔數(shù)量最小化”（ Via Minimization）子菜單里選擇“on”項(xiàng)來(lái)自動(dòng)解決。二是需要的載流量越大，所需的過(guò)孔尺寸越大，如電源層和地層與其他層聯(lián)接所用的過(guò)孔就要大一些，或者使用多個(gè)過(guò)孔。

（3） 絲印層

為方便電路的安裝和維修等，在印刷板的上下兩表面應(yīng)印刷上所需要的標(biāo)志圖案和文字代號(hào)等，例如元件標(biāo)號(hào)和標(biāo)稱(chēng)值、元件外輪廓形狀和廠家標(biāo)志、生產(chǎn)日期等。絲印層就是用于制作漏印絲網(wǎng)，用來(lái)在印制電路板上印制以上內(nèi)容的一個(gè)表面工藝層。不少初學(xué)者設(shè)計(jì)絲印層的有關(guān)內(nèi)容時(shí)，只注意文字符號(hào)放置得整齊美觀，忽略了實(shí)際制出的PCB效果。他們?cè)O(shè)計(jì)的印制板上，字符不是被元件擋住就是侵入了助焊區(qū)域被抹除，還有的把元件標(biāo)號(hào)打在相鄰元件上，如此種種的設(shè)計(jì)都將會(huì)給裝配和維修帶來(lái)很大不便。正確的絲印層字符布置原則是：“不出歧義，見(jiàn)縫插針，美觀大方”。

（4）阻焊層

阻焊層是很重要的表面工藝層。作用是涂覆在印制板表面，保證只把需要上錫的部分暴露在外面，而把其他部分都保護(hù)起來(lái)，使得在焊接的過(guò)程中按照需要上錫，使印制板整潔美觀并避免焊錫粘連形成短路。

一般來(lái)講，對(duì)于單面板是在元件面布置絲印層，在焊接面布置阻焊層；對(duì)于雙面板或多層板，在頂層和底層都布置阻焊層，絲印層則根據(jù)需要只在元件面（頂層）布置或兩面都布置。顯然，對(duì)于表面焊裝器件（SMD），由于是單面分布引腳，有關(guān)文字標(biāo)注只能隨元件所在面放置。

3.元件及封裝

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，元件一詞所指較為寬泛，一般包括無(wú)源元件，如電阻器、電容器、電感器等；還包括常被稱(chēng)為“器件”的有源元件，如晶體三極管、二極管和集成電路，以及各種接插件；甚至包括一些并無(wú)電氣特性的零件，如安裝結(jié)構(gòu)件，散熱器等。

在電原理圖和印制板圖中，分別采用不同的示意圖來(lái)表示實(shí)際的元件。在原理圖中的元件是一些示意符號(hào)，表征具有某種電氣特性的電子元件，其“示意”

的重點(diǎn)在于電氣特性。在印制板圖中的元件，則是各種實(shí)際元件的外形輪廓的正投影，還包括不同類(lèi)型的引腳，表征的重點(diǎn)在于外型尺寸和電氣連接的方式和結(jié)構(gòu)。電路圖中，同一個(gè)符號(hào)表示的是具有同一種電氣特性的，實(shí)際上外觀卻可能相去甚遠(yuǎn)的各種不同元件。

實(shí)際的電子元件種類(lèi)繁多，千差萬(wàn)別。元件是安放在印制板上的，印制電路板即提供元件的機(jī)械支撐和固定，同時(shí)提供電氣連接。在印制板圖上，用圖形表示出元件的實(shí)際外形和大小，以及各個(gè)引腳的形狀和位置，使得制作完成的印制電路板能夠合適地放置和焊接這些元件。這種圖形稱(chēng)為封裝圖。

它一方面表示元件的外形輪廓，即在印制板上實(shí)際占據(jù)的范圍，同時(shí)表示出元件引腳進(jìn)行電氣連接的方式和相關(guān)尺寸（印制板上規(guī)劃的焊盤(pán)）。焊盤(pán)由印制板的銅箔構(gòu)成，元件的焊接一般分為表面貼裝式焊接和直插式焊接。表貼式封裝是指元器件的引腳與電路板表層的焊盤(pán)直接接觸并予以焊接，直插式封裝則是將元器件的引腳穿過(guò)焊盤(pán)導(dǎo)孔，然后再進(jìn)行焊接，參見(jiàn)圖1。

圖2 為幾種元件的表面貼裝和直插式焊接形式的封裝圖。由圖2 可見(jiàn)，U1 是直插式封裝，黑色部分是銅箔，它在每一層都存在，只是可以根據(jù)需要對(duì)其大小形狀進(jìn)行編輯，中間灰色部分是穿孔。

U3 是表貼式封裝，焊盤(pán)只在表面存在。要注意的是，實(shí)際的印制板上，焊盤(pán)是由銅箔（直插式的還包括孔壁金屬化的過(guò)孔）構(gòu)成，而圖中所畫(huà)出的元件輪廓和標(biāo)識(shí)符（U1、U2）以及型號(hào)都是一種“標(biāo)注”，是通過(guò)“絲印”印上去的油墨，是不能導(dǎo)電的，在設(shè)計(jì)時(shí)，由“絲印層”（Over Layer）描述。

圖2

4.原理圖元件與封裝圖的對(duì)應(yīng)

根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合的需求，相同的元器件可以有多種不同的封裝，不同的元器件也可以有相同的封裝。在原理圖設(shè)計(jì)階段，不但要指定使用的元器件的類(lèi)型和型號(hào)，還要明確指定封裝圖。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須保證每個(gè)元件在原理圖和封裝圖中，每個(gè)引腳都有明確的序號(hào)，而且相互一一對(duì)應(yīng)。因?yàn)樵韴D與印制版圖之間的重要聯(lián)系信息之一就是引腳的定義以及它們之間的連接方式。

例如，原理圖中某元件定義為16 個(gè)引腳，封裝圖中卻只有14 個(gè)引腳，這是不允許的，設(shè)計(jì)軟件會(huì)給出錯(cuò)誤報(bào)告。

5.PCB的“層”

我們接觸到的一些初學(xué)者，對(duì)印制電路板“層”

的概念感到困惑， 下面作一簡(jiǎn)單介紹。

（1）設(shè)計(jì)層

類(lèi)似許多圖文處理軟件中為實(shí)現(xiàn)圖、文、色彩等的嵌套與合成而引入的“層”的概念，Protel 設(shè)計(jì)軟件也提供了分層設(shè)計(jì)的手段，把不同屬性的設(shè)計(jì)內(nèi)容分別歸屬不同的“層”，這樣可以根據(jù)需要對(duì)他們分別修改編輯，進(jìn)行分拆或組合，使設(shè)計(jì)過(guò)程具有較大的靈活性。設(shè)計(jì)層包含了所有設(shè)計(jì)內(nèi)容，但是實(shí)際生產(chǎn)的印制板上并不完全表現(xiàn)出來(lái)。例如，“禁止布線層”作為一個(gè)獨(dú)立的“層”，實(shí)際上是給出布線的范圍限制，實(shí)際的印制板上找不到這個(gè)層。

Protel 提供了多個(gè)“機(jī)械層”供設(shè)計(jì)者使用，通常把“機(jī)械一層”作為印制板的輪廓線。有時(shí)，為了印制板結(jié)構(gòu)尺寸與相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如機(jī)殼）匹配，某些機(jī)械層實(shí)際上是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙的部分，用以指示印制板設(shè)計(jì)過(guò)程中確定外形、固定螺釘位置、接插件方位等。

（2）工藝層

工藝層也可理解為“物理層”，即實(shí)際存在的層。他們可以是印制板材料本身實(shí)實(shí)在在的各銅箔層，也可能是為了生產(chǎn)需要涂覆上去的助焊劑、阻焊劑、印刷符號(hào)等。

現(xiàn)今，由于電子線路的元件密集安裝，防干擾和布線等特殊要求，許多電子產(chǎn)品中所用的印刷板不僅有上下兩面供走線，在板的中間還設(shè)有能被特殊加工的夾層銅箔。例如，現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)主板所用的印制板導(dǎo)電銅箔材料多在4 層以上。這些層因加工相對(duì)較難而大多用于設(shè)置走線較為簡(jiǎn)單的電源布線層（如軟件中的Ground Layer 和PowerLayer），并常用大面積填充的辦法來(lái)布線（如軟件中的Polygon Plane 和Fill）。上下位置的表面層與中間各層需要連通的地方用過(guò)孔（Via）來(lái)溝通。有了以上解釋?zhuān)筒浑y理解“多層焊盤(pán)”和“布線層設(shè)置”的有關(guān)概念了。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，不少人布線完成，到打印出來(lái)時(shí)方才發(fā)現(xiàn)很多連線的終端都沒(méi)有焊盤(pán)，其實(shí)這是自己添加器件庫(kù)時(shí)忽略了“層”的概念，沒(méi)把自己繪制封裝的焊盤(pán)特性定義為“多層”（Multi-Layer） 的緣故。要提醒的是，一旦選定了所用印制板的層數(shù)，務(wù)必關(guān)閉那些未被使用的層，免得惹是生非走彎路。

除了各導(dǎo)電層與絕緣層外，印制板生產(chǎn)時(shí)還會(huì)用到各類(lèi)膜（Mask） 。這些膜不僅是PCB 制作工藝過(guò)程中必不可少的，而且更是元件焊裝的必要條件。

按“膜”所處的位置及其作用，“膜”可分為元件面（或焊接面）助焊膜（Top or Bottom Solder）和元件面（或焊接面）阻焊膜（Top or Bottom PasteMask）兩類(lèi)。 顧名思義，助焊膜是涂于焊盤(pán)上，是提高可焊性能的一層膜，也就是在綠色板子上比焊盤(pán)略大的各淺色圓斑。阻焊膜的情況正好相反，為了使制成的板子適應(yīng)波峰焊等焊接形式，要求板子上非焊盤(pán)處的銅箔不能粘錫，因此在焊盤(pán)以外的各部位都要涂覆一層涂料，用于阻止這些部位上錫。

可見(jiàn)，這兩種膜是一種互補(bǔ)關(guān)系。由此討論，就不難確定菜單中類(lèi)似“solder Mask En1argement”等項(xiàng)目的設(shè)置了。

(待續(xù))