印刷电路板设计基础.ppt
第6章 印刷电路板设计基础,了解电路板设计的基本常识和基本规则掌握PCB板的设计流程正确设置电路板工作层掌握规划电路板物理边界、外形和电气边界的方法掌握使用PCB Board Wizard创建规则PCB板的方法掌握调整原理图中元件封装的方法掌握装入集成库和PCB封装库的方法掌握在PCB文件中装入网格连接和元件封装的方法,PCB是英文(Printed Circuie Board)印制线路板的简称。通常把在绝缘材料上，按预定设计，制成印制线路、印制元件或两者组合而成的导电图形称为印制电路。而在绝缘基材上提供元器件之间电气连接的导电图形，称为印制线路。这样就把印制电路或印制线路的成品板称为印制线路板，亦称为印制板或印制电路板。PCB几乎我们所能见到的电子设备都离不开它，小到电子手表、计算器、通用电脑，大到计算机、通迅电子设备、航空、航天、军用武器系统，只要有集成电路等电子元器件，它们之间电气互连都要用到PCB。PCB它提供集成电路等各种电子元器件固定装配的机械支撑、实现集成电路等各种电子元器件之间的布线和电气连接或电绝缘、提供所要求的电气特性，如特性阻抗等。同时为自动锡焊提供阻焊图形；为元器件插装、粘装、检查、维修提供识别字符标记图形。PCB是如何制造出来的呢？我们打开通用电脑的健盘就能看到一张软性薄膜（挠性的绝缘基材），印上有银白色（银浆）的导电图形与健位图形。因为通用丝网漏印方法得到这种图形，所以我们称这种印制PCB为单面挠性银浆印制PCB。而我们去电脑城看到的各种电脑主机板、显卡、网卡、调制解调器、声卡及家用电器上的印制电路板就不同了。它所用的基材是由纸基（常用于单面）或玻璃布基（常用于双面及多层），预浸酚醛或环氧树脂，表层一面或两面粘上覆铜箔再层压固化而成。这种PCB覆铜箔板材，我们就称它为刚性板。再制成PCB，我们就称它为刚性PCB。单面有印制线路图形我们称单面PCB（现在的单面板有一定比例按健位是使用碳油或银油丝印得到，还有碳油或银油来干孔的双面板及多层板，这些板常称它为碳油板或银油板），双面有印制线路图形，再通过孔的金属化进行双面互连形成的PCB，我们就称其为双面板。如果用一块双面作内层、二块单面作外层或二块双面作内层、二块单面作外层的PCB，通过定位系统及绝缘粘结材料交替在一起且导电图形按设计要求进行互连的PCB就成为四层、六层PCB了，也称为多层PCB。现在已有超过100层的实用PCB了呢。,PCB入门知识,PCB通常分为单面、双面、多层，但随着挠性PCB产量比的不断增加及刚挠性PCB的应用与推广，现在比较常见在说PCB时加上挠性、刚性或刚挠性再说它是几层。为进一步认识PCB，我们有必要了解一下单面、双面及多层PCB的制作工艺流程，来加深PCB制作工艺的了解。从PCB工艺流程图可以看出多层板工艺是从双面孔金属化工艺基础上发展起来的。它除了继承了双面工艺外，还有几个独特内容：金属化孔内层互连、钻孔与去环氧钻污、定位系统、层压、专用材料。传动多层板常按互连结构工艺的不同来分类：贯通金属化孔、分层金属化孔、多重导线金属化孔。而现在的多层板企业又以能否生产高密度互连积层多层板为技术标致，积层多层板制造工艺类似半加成法，制造方法多种多样，在通常情况下，积层板是以传动工艺生产的PCB为芯板（双面或多层）并在其一面或二面的表面上形成更高密度互连一层至四层（随技术的进步今后肯定会增加）的多层板。高密度互连积层多层板工艺，是电子产品的轻、薄、短、小及多功能化发层的产物。有关资料报导，在技术指标上有些较为明确的介定：1）微导通孔（包括盲孔、埋孔）的孔径0.1毫米；孔环0.25毫米；2）微导通孔的孔密度600孔/平方英寸；导线宽间距0.10毫米；4）布线密度（设通道网格为0.05英寸）超过117英寸/平方英寸。从技术指标说明实现PCB高密度化，采用微导通孔技术是一条切实可行的技术途径。所以其分类也常按照微导通孔形成工艺来分：1）光致法成孔积层多层板工艺。2)等离子体蚀孔制造积层多层板工艺 3）射流喷砂法成孔积层多层板工艺 4）激光成孔积层多层板工艺,PCB入门知识,高密度互连积层多层板还有另外三种常用分类叫法，一是按积电层多层板的介质材料种类分：1）用感光性材料制造积层多层板、2）用非感光性材料制造积层多层板。二是按电气互连方法分类：1）电镀法的微导通孔互连的积层多层板、2）导电胶法的微导通孔互连的积层多层板。三是按芯板分类：1）有芯板结构、2）无芯板结构（无芯板结构是在半固化片上用特种工艺技术制造高密度互连积层多层板）。高密度互连积层多层板，是1991年日本IBM公司首次发表经几年研制的表面薄层电路多层板制造技术研究成果，并首先开始应用于笔记本电脑中。现在的移动电话及笔记本电脑上的应用已经很普及了。我们从PCB的分类名称叫法上进行组合，是比较容易了解到PCB的基本技术及其基本工艺过程。就目前来说电脑城是比较直观且全开放能见到PCB及其应用的地方，我们常见的电脑板卡基本上是环氧树脂玻璃布基印制线路板（因为笔记本电脑是整机，所以较难见到高密度互连积层多层板），其中有一面是插装元件另一面为元件脚焊接面，能看出焊点很有规则，这些焊点的元件脚分立焊接面我们就叫它为焊盘。为什么其它铜导线图形不上锡呢。因为除了需要锡焊的焊盘等部分外，其余部分的表面有一层耐波峰焊的阻焊膜。其表面阻焊膜多数为绿色，有少数采用黄色、黑色、蓝色等，所以在PCB行业常把阻焊油叫成绿油。其作用是，防止波焊时产生桥接现象，提高焊接质量和节约焊料等作用。它也是印制板的永久性保护层，能起到防潮、防腐蚀、防霉和机械擦伤等作用。从外观看，表面光滑明亮的绿色阻焊膜，为菲林对板感光热固化绿油。其不但外观比较好看，便重要的是其焊盘精确度较高，从而提高了焊点的其质量可靠性。相反网印阻焊油就比较差。我们从电脑板卡可以看出，元件的安装有三种方式。一种为传动的插入式安装工艺，将电子元件插入印制线路板的导通孔里。这样就容易看出双面印制线路板的导通孔有如下几种：一是单纯的元件插装孔；二是元件插装与双面互连导通孔；三是单纯的双面导通孔；四是基板安装与定位孔。另二种安装方式就是表面安装与芯片直接安装。其实芯片直接安装技术可以认为是表面安装技术的分支，它是将芯片直接粘在PCB上，再用线焊法或载带法、倒装法、梁式引线法等封装技术互联到PCB上。其焊接面就在元件面上。,PCB入门知识,表面安装技术有如下优点：1）由于印制板大量消除了大导通孔或埋孔互联技术，提高了印制板上的布线密度，减少了印制板面积（一般为插入式安装的三分阶之一），同时还可降低印制板的设计层数与成本。2）减轻了重量，提高了抗震性能，采用了胶状焊料及新的焊接技术，提高了产品质量和可靠性。3）由于布线密度提高和引线长度缩短，减少了寄生电容和寄生电感，更有利于提高PCB的电参数。4）比插装式安装更容易实现自动化，提高安装速度与劳动生产率，相应降低了组装成本。从以上的表面装联技术就可以看出，PCB技术的提高是隋芯片的封装技术与表面安装技术的提高而提高。现在我们看到的电脑板卡其表面安装率都不断地在上升。实际上这样的PCB再用传动的网印线路图形是无法满足技术要求的了。所以普通高精确度PCB，其线路图形及阻焊图形基本上采用感光线路与感光绿油制作工艺。也许过不多久人们该把印制线路板叫作感光线路板了。现在我们再来看成组芯片直接安装技术，多芯片模块（MCM）技术，它是将多块未封装的集成电路芯片高密度安装在同一基板上构成一个完整的部件的新思路，即现在人们普遍称之的多芯片模块，简称MCM是(Multi Chip Module的缩写)。随着MCM的兴起，使封装的概念发生了本质的变化，在年代以前，所有的封装都是面向器件的，而MCM可以说是面向部件的或者说是面向系统或整机的。MCM技术集先进印刷线路板技术、先进混合集成电路技术、先进表面安装技术、半导体集成电路技术于一体，是典型的垂直集成技术，对半导体器件来说，它是典型的柔性封装技术，是一种电路的集成。MCM的出现使电子系统实现小型化、模块化、低功耗、高可靠性提供了更有效的技术保障。其中 MCM-D型（Mulit Chip ModuleDeposited Thin Film）是采用薄膜技术将金属材料淀积到陶瓷或硅、铝基板上，光刻出信号线、电源线地线、并依次做成多层基板多达几十层。主要用在500Mhz以上的高性能产品中，线宽和间距可做到10-25，孔径在1050，因而，具有组装密度高，信号通道短，寄生效应小，噪声低等优点，可明显地改善系统的高频性能。,PCB入门知识,封装名称 国家现有集成电路封装名称及其代表字母 1、陶瓷扁平封装 F型；2、陶瓷熔封扁平封装 H型；3、陶瓷双列封装 D型；4、陶瓷熔封双列封装 J型；5、塑料双列封装 P型；6、金属圆形封装 T型；7、金属菱形封装 K型；8、塑料小外形封装 O型；9、塑料片式载体封装 E型；10、塑料四面引线扁平封装 N型；11、陶瓷片式载体封装 C型；12、陶瓷针栅阵形封装 G型；13、陶瓷四面引线扁平封装 Q型；14、陶瓷玻璃扁平封装 W型；15、金属双列封装 M型；16、金属四列封装 Ms型；17、金属扁平封装 Mb型；18、金属四边引线圆形封装 Ts型；19、单列敷形涂覆封装 Ft型；20、双列灌注封装 Gf型；注：(1)第14项陶瓷玻璃扁平封装未列入国家标准；(2)第1520项封装仅用于混合集成电路和膜集成电路。,PCB入门知识,三、封装代号 封装代号由四个或五个部分组成。第一部分为字母，表示封装材料及结构形式，即上述封装名称；第二部分为阿拉伯数字，表示引出端数（引线数小于10，应在个位前加0）；第三部分用字母或数字组成，表示同类产品封装主要尺寸或形状的差异；第四部分用数字组成，表示次要尺寸差异；第五部分用字母组成，表示结构上的差异。,PCB入门知识,PCB印刷电路板分为三大类：1.单面板：电路板一面敷铜，另一面没有敷铜，敷铜的一面用来布线及焊接，另一面放置元件。单面板成本低，但只适用于比较简单的电路设计。,PCB基础知识,2.双面板：电路板的两面都敷铜，所以两面都可以布线和放置元件，顶面和底面之间的电气连接是靠过孔实现的。由于两面都可以布线，所以双面板适合设计比较复杂的电路，应用也最为广泛。3.多层板：除了顶、底两个信号层外，增加了内部电源层、接地层及多个中间信号层。用多层板可以设计更加复杂的电路。,PCB基础知识,元件的封装技术分为两大类：1.插入式封装技术2.表面粘贴式封装技术,元件的封装类型,在电路板各层中，主要可划分为信号层、电源层接地层和丝印层。信号层主要用于放置信号线和电源线；电源层和接地层主要用于对信号线进行修正，并提供足够的电力供应。丝印层是为了方便电路的安装和维修。在印刷电路板的表面上印上所需的标志图案和文字代号等。,信号层、电源层与丝印层,1.焊盘：用于焊接元件的引脚。2.过孔：各层需要连通导线的交汇处钻的公共孔。过孔有3种：通孔：从顶层贯通到底层。盲孔：从顶层到内层或从内层到底层。埋孔：内层间的连接。3.金手指：两块PCB板相互连接的边接头。如声卡、网卡插入主板相应的插入相应的插槽部分。4.导线：铜膜导线。5.飞线：在PCB设计时，装入网格表但未布线的预拉线。,PCB设计中几个概念,一个印刷电路板的设计主要分成两部分：设计好原理图和网格表；进行PCB设计。进行PCB设计步骤：1.绘制原理图和生成网格表；2.规划电路板；3.设置各项参数；4.载入网格表和元器件封装；,PCB设计流程,5.元器件布局；6.自动布线和手工布线；7.DRC校验；8.打印输出和加工制作,PCB设计流程,进入PCB环境的两种方法：1.新建一个PCB文件。执行菜单命令：File|New|PCB命令2.打开一个已存在的PCB文件。模板的使用：模板是预先定义好图纸设置的文件。使用PCB模板的方法如下：1.打开文件Files面板，单击New from template 栏中的PCB template 选项；2.单击PCB template 选项，从对话框中选择要打开的模板。,PCB编辑环境,3.在“文件类型”下拉列表中选择PCB files(*.PCBDOC|*PCB)可显示所有的PCB 模板。选择目标模板，单击“打开”。Protel提供丰富的PCB模板。1.各种图纸模板2.各种标准模板,PCB编辑环境,使用向导创建PCB文件新建一个PCB文件，可以使用Protel DXP 的向导功能，创建符合要求的PCB文件。PCB编辑环境介绍1.菜单栏。4.工作区2.标准工具栏。5.层标栏。3.图件放置工具栏。6.坐标栏。,PCB编辑环境,设置环境参数，执行菜单命令：Design|Option出现设置参数对话框，在对话框中设置环境参数。,PCB编辑环境,1.信号层(Signal layers)信号层主要是用来放置元件(顶层和底层)和导线。2.内部电源/接地层(Internal plane layers)内部电源/接地层主要用来放置电源线和地线。3.机械层(Mechanical layers)机械层一般用于放置有关制板和装配方法的信息。4.阻焊层(Solder mask layers)阻焊层有2个Top Solder Mask(顶层阻焊层)和Bottom Solder(底层阻焊层)，用于在设计过程中匹配焊盘，并且是自动产生的。,层面的种类,5.锡膏防护层(Paste mask layers)锡膏防护层的作用与阻焊层相似，但在使用“hot re-flow”(热对流)技术安装SMD元件时，锡膏防护层用来建立阻焊层的丝印。6.丝印层(Silkscreen layers)丝印层主要用于绘制元件的轮廓、放置元件的编号或其他文本信息。7.钻孔层(Drill layer)钻孔层主要是为制造电路板提供钻孔信息，该层是自动计算的。Protel DXP提供Drill guide和Drill drawing两个钻孔层,层面的种类,8.禁止布线层(Keep Out Layer)禁止布线层用于定义放置元件和布线区域的。9.多层（Multi layers）多层代表信号层，任何放置在多层上的元件会自动添加到所在信号层上，所以可以通过多层，将焊盘或穿透式过孔快速地放置到所有的信号层上。,层面的种类,所谓规划电路板，就是根据电路的规模以及公司或制造商的要求，具体确定所需制作电路板的物理外形尺寸和电气边界。电路板规划的原则是在满足公司或制造商的要求的前提下，尽量美观且便于后面的布线工作。大多数的情况下，在第1机械层放置电路板的物理边界，在其他机械层放置尺寸、对齐标志等。设置物理边界步骤：设置电路板形，选择 Design|Board Shape菜单。Redefine Board Shape：重定义PCB板外形。Move Board Vertices：移动PCB板外形顶点。鼠标单击并拖动边框上的控制框。,规划电路板,Move Board Shape：移动PCB板外形在图纸上 的位置。Define From Select objects：选中PCB对象 定义PCB板的外形。Auto-Position Sheet：启动定位图纸。,规划电路板,通过设置电路板电气边界可控制电路板中用来放置元件和布线的有效区域。在Protel DXP中，电气边界必须设置在Keep-Out Layer(禁止布线)层。,设置电路板电气边界,
