印制板設(shè)計基礎(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，它一方面是一個固定平臺，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。在開始設(shè)計之前，我們先簡單介紹一下印制電路板的一些基礎(chǔ)知識。

1.PCB的結(jié)構(gòu)與種類

印制電路板常見的板層結(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有覆銅的一面，稱為元件面，覆銅的一面主要用于布線和焊接，稱為焊接面。這種印制板主要安裝針腳插接式元件。

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

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

多層板：即包含多個電氣層的電路板，除了頂層和底層外還包含若干個中間導(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 個導(dǎo)電層，通常頂層和底層作為信號走線，兩個中間層用于電源和接地，有時也可用于信號走線。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焊盤中間的孔，然后在另一面進行焊接；表面貼裝是指元器件的引腳與電路板表層的焊盤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，通常是通過導(dǎo)電孔（常稱為過孔）來實現(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)用于表面層和一個或多個內(nèi)層的連通）和埋孔（Buried Via 埋導(dǎo)孔，內(nèi)層間的通孔，壓合后兩面都無法看到，所以不占用表層面積）。

圖1

　　2.幾個術(shù)語

（1）焊盤

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

例如，對發(fā)熱且受力較大、電流較大的焊盤，或者是焊盤尺寸與出線寬度有較大差異時，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的設(shè)計中，不少廠家正是采用的這種形式。一般而言，自行編輯焊盤時除了以上所講的以外，還要考慮以下原則：一是形狀上長短不一致時要考慮連線寬度與焊盤特定邊長的大小差異不能過大；二是需要在元件引腳之間走線時選用長短不對稱的焊盤往往事半功倍；三是各元件焊盤孔的大小要按元件引腳粗細分別編輯確定，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公共孔，這就是過孔。工藝上在過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，而過孔的上下兩面做成普通的焊盤形狀，可直接與上下兩面的線路相通，也可不連。一般而言，設(shè)計線路時對過孔的處理有以下原則：一是盡量少用過孔，一旦選用了過孔，務(wù)必處理好它與周邊各實體的間隙，特別是容易被忽視的中間各層與過孔不相連的線及過孔的間隙，如果是自動布線，可在“過孔數(shù)量最小化”（ Via Minimization）子菜單里選擇“on”項來自動解決。二是需要的載流量越大，所需的過孔尺寸越大，如電源層和地層與其他層聯(lián)接所用的過孔就要大一些，或者使用多個過孔。

（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)志圖案和文字代號等，例如元件標(biāo)號和標(biāo)稱值、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)，用來在印制電路板上印制以上內(nèi)容的一個表面工藝層。不少初學(xué)者設(shè)計絲印層的有關(guān)內(nèi)容時，只注意文字符號放置得整齊美觀，忽略了實際制出的PCB效果。他們設(shè)計的印制板上，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)號打在相鄰元件上，如此種種的設(shè)計都將會給裝配和維修帶來很大不便。正確的絲印層字符布置原則是：“不出歧義，見縫插針，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起來，使得在焊接的過程中按照需要上錫，使印制板整潔美觀并避免焊錫粘連形成短路。

一般來講，對于單面板是在元件面布置絲印層，在焊接面布置阻焊層；對于雙面板或多層板，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)計領(lǐng)域，元件一詞所指較為寬泛，一般包括無源元件，如電阻器、電容器、電感器等；還包括常被稱為“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表示實際的元件。在原理圖中的元件是一些示意符號，表征具有某種電氣特性的電子元件，其“示意”

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

實際的電子元件種類繁多，千差萬別。元件是安放在印制板上的，印制電路板即提供元件的機械支撐和固定，同時提供電氣連接。在印制板圖上，用圖形表示出元件的實際外形和大小，以及各個引腳的形狀和位置，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。這種圖形稱為封裝圖。

它一方面表示元件的外形輪廓，即在印制板上實際占據(jù)的范圍，同時表示出元件引腳進行電氣連接的方式和相關(guān)尺寸（印制板上規(guī)劃的焊盤）。焊盤由印制板的銅箔構(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焊盤導(dǎo)孔，然后再進行焊接，參見圖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，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)需要對其大小形狀進行編輯，中間灰色部分是穿孔。

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

圖2

4.原理圖元件與封裝圖的對應(yīng)

根據(jù)不同應(yīng)用場合的需求，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)計階段，不但要指定使用的元器件的類型和型號，還要明確指定封裝圖。

在設(shè)計過程中，必須保證每個元件在原理圖和封裝圖中，每個引腳都有明確的序號，而且相互一一對應(yīng)。因為原理圖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 個引腳，封裝圖中卻只有14 個引腳，這是不允許的，設(shè)計軟件會給出錯誤報告。

5.PCB的“層”

我們接觸到的一些初學(xué)者，對印制電路板“層”

的概念感到困惑， 下面作一簡單介紹。

（1）設(shè)計層

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

Protel 提供了多個“機械層”供設(shè)計者使用，通常把“機械一層”作為印制板的輪廓線。有時，為了印制板結(jié)構(gòu)尺寸與相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計（如機殼）匹配，某些機械層實際上是結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙的部分，用以指示印制板設(shè)計過程中確定外形、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”，即實際存在的層。他們可以是印制板材料本身實實在在的各銅箔層，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)在的計算機主板所用的印制板導(dǎo)電銅箔材料多在4 層以上。這些層因加工相對較難而大多用于設(shè)置走線較為簡單的電源布線層（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孔（Via）來溝通。有了以上解釋，就不難理解“多層焊盤”和“布線層設(shè)置”的有關(guān)概念了。舉個簡單的例子，不少人布線完成，到打印出來時方才發(fā)現(xiàn)很多連線的終端都沒有焊盤，其實這是自己添加器件庫時忽略了“層”的概念，沒把自己繪制封裝的焊盤特性定義為“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)時還會用到各類膜（Mask） 。這些膜不僅是PCB 制作工藝過程中必不可少的，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。 顧名思義，助焊膜是涂于焊盤上，是提高可焊性能的一層膜，也就是在綠色板子上比焊盤略大的各淺色圓斑。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，要求板子上非焊盤處的銅箔不能粘錫，因此在焊盤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，這兩種膜是一種互補關(guān)系。由此討論，就不難確定菜單中類似“solder Mask En1argement”等項目的設(shè)置了。

(待續(xù))