EDA技术基础(2)--第7章 PCB设计基础.ppt
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1、EDA技术基础(第2版)2021/9/171第第7 7章章 PCBPCB设计基础设计基础 本章要点本章要点7.1 7.1 印制电路板概述印制电路板概述 7.2 7.2 Protel99SEProtel99SE印制板编辑器印制板编辑器 7.3 7.3 印制电路板的工作层面印制电路板的工作层面2021/9/172本章要点本章要点 印制板的作用、种类、概念印制板的作用、种类、概念 印制板的结构与相关组件印制板的结构与相关组件 PCB99SE的基本操作和设置的基本操作和设置返回2021/9/1737.1 7.1 印制电路板概述印制电路板概述 印印制制电电路路板板(也也称称印印制制线线路路板板,简简称称
2、印印制制板板)是是指指以以绝绝缘缘基基板板为为基基础础材材料料加加工工成成一一定定尺尺寸寸的的板板,在在其其上上面面至至少少有有一一个个导导电电图图形形及及所所有有设设计计好好的的孔孔(如如元元件件孔孔、机机械械安安装装孔孔及及金金属属化化孔孔等等),以以实现元器件之间的电气互连。实现元器件之间的电气互连。7.1.1 7.1.1 印制电路板的发展印制电路板的发展 在在十十九九世世纪纪,由由于于不不存存在在复复杂杂的的电电子子装装置置和和电电气气机机械械,只只是是大大量量需需要要无无源源元元件件,如如:电电阻阻、线线圈圈等等,因因此此没没有有大大量量生生产产印印制制电路板的问题。电路板的问题。经
3、经过过几几十十年年的的实实践践,英英国国Paul Paul EislerEisler博博士士提提出出印印制制电电路路板板概念,并奠定了光蚀刻工艺的基础。概念,并奠定了光蚀刻工艺的基础。随随着着电电子子元元器器件件的的出出现现和和发发展展,特特别别是是19481948年年出出现现晶晶体体管管,电电子子仪仪器器和和电电子子设设备备大大量量增增加加并并趋趋向向复复杂杂化化,印印制制板板的的发发展展进进入入一个新阶段。一个新阶段。2021/9/174 五十年代中期,随着大面积的高粘合强度覆铜板的研制,为五十年代中期,随着大面积的高粘合强度覆铜板的研制,为大量生产印制板提供了材料基础。大量生产印制板提供
4、了材料基础。19541954年,美国通用电气公司采年,美国通用电气公司采用了图形电镀蚀刻法制板。用了图形电镀蚀刻法制板。六十年代,印制板得到广泛应用,并日益成为电子设备中必六十年代,印制板得到广泛应用,并日益成为电子设备中必不可少的重要部件。在生产上除大量采用丝网漏印法和图形电镀不可少的重要部件。在生产上除大量采用丝网漏印法和图形电镀蚀刻法(即减成法)等工艺外,还应用了加成法工艺,使印制蚀刻法(即减成法)等工艺外,还应用了加成法工艺,使印制导线密度更高。目前高层数的多层印制板、挠性印制电路、金属导线密度更高。目前高层数的多层印制板、挠性印制电路、金属芯印制电路、功能化印制电路都得到了长足的发展
5、。芯印制电路、功能化印制电路都得到了长足的发展。我国在印制电路技术的发展较为缓慢,五十年代中期试制出我国在印制电路技术的发展较为缓慢,五十年代中期试制出单面板和双面板,六十年代中期,试制出金属化双面印制板和多单面板和双面板,六十年代中期,试制出金属化双面印制板和多层板样品,层板样品,19771977年左右开始采用图形电镀年左右开始采用图形电镀-蚀刻法工艺制造印制蚀刻法工艺制造印制板。板。19781978年试制出加成法材料年试制出加成法材料-覆铝箔板,并采用半加成法生产覆铝箔板,并采用半加成法生产印制板。八十年代初研制出挠性印制电路和金属芯印制板。印制板。八十年代初研制出挠性印制电路和金属芯印制
6、板。在电子设备中,印制电路板通常起三个作用。在电子设备中,印制电路板通常起三个作用。为电路中的各种元器件提供必要的机械支撑。为电路中的各种元器件提供必要的机械支撑。2021/9/175 提供电路的电气连接。提供电路的电气连接。用用标标记记符符号号将将板板上上所所安安装装的的各各个个元元器器件件标标注注出出来来,便便于于插插装、检查及调试。装、检查及调试。但是,更但是,更为为重要的是,使用印制重要的是,使用印制电电路板有四大路板有四大优优点。点。具有重复性。具有重复性。板的可预测性。板的可预测性。所所有有信信号号都都可可以以沿沿导导线线任任一一点点直直接接进进行行测测试试,不不会会因因导导线线接
7、触引起短路。接触引起短路。印制板的焊点可以在一次焊接过程中将大部分焊完。印制板的焊点可以在一次焊接过程中将大部分焊完。正因为印制板有以上特点,所以从它面世的那天起,就得到正因为印制板有以上特点,所以从它面世的那天起,就得到了广泛的应用和发展,现代印制板已经朝着多层、精细线条的方了广泛的应用和发展,现代印制板已经朝着多层、精细线条的方向发展。特别是八十年代开始推广的向发展。特别是八十年代开始推广的SMDSMD(表面封装)技术是高表面封装)技术是高精度印制板技术与精度印制板技术与VLSIVLSI(超大规模集成电路)技术的紧密结合,超大规模集成电路)技术的紧密结合,大大提高了系统安装密度与系统的可靠
8、性大大提高了系统安装密度与系统的可靠性2021/9/1767.1.2 7.1.2 印制板种类印制板种类 目前的印制电路板一般以铜箔覆在绝缘板(基板)上,故亦目前的印制电路板一般以铜箔覆在绝缘板(基板)上,故亦称覆铜板。称覆铜板。1.1.根据根据PCBPCB导电板层划分导电板层划分 单面印制板(单面印制板(Single Sided Print BoardSingle Sided Print Board)。)。单面印制板单面印制板指仅一面有导电图形的印制板,板的厚度约在指仅一面有导电图形的印制板,板的厚度约在0.20.25.05.0mmmm,它是它是在一面敷有铜箔的绝缘基板上,通过印制和腐蚀的方法
9、在基板上在一面敷有铜箔的绝缘基板上,通过印制和腐蚀的方法在基板上形成印制电路。它适用于一般要求的电子设备。形成印制电路。它适用于一般要求的电子设备。双面印制板(双面印制板(Double Sided Print BoardDouble Sided Print Board)。)。双面印制板双面印制板指两面都有导电图形的印制板,板的厚度约为指两面都有导电图形的印制板,板的厚度约为0.20.25.05.0mmmm,它是它是在两面敷有铜箔的绝缘基板上,通过印制和腐蚀的方法在基板上在两面敷有铜箔的绝缘基板上,通过印制和腐蚀的方法在基板上形成印制电路,两面的电气互连通过金属化孔实现。它适用于要形成印制电路,
10、两面的电气互连通过金属化孔实现。它适用于要求较高的电子设备,由于双面印制板的布线密度较高,所以能减求较高的电子设备,由于双面印制板的布线密度较高,所以能减小设备的体积。小设备的体积。2021/9/177 多多层层印印制制板板(Multilayer Multilayer Print Print BoardBoard)。多多层层印印制制板板是是由由交交替替的的导导电电图图形形层层及及绝绝缘缘材材料料层层层层压压粘粘合合而而成成的的一一块块印印制制板板,导导电电图图形形的的层层数数在在两两层层以以上上,层层间间电电气气互互连连通通过过金金属属化化孔孔实实现现。多多层层印印制制板板的的连连接接线线短短
11、而而直直,便便于于屏屏蔽蔽,但但印印制制板板的的工工艺艺复复杂杂,由于使用金属化孔,可靠性稍差。它常用于计算机的板卡中。由于使用金属化孔,可靠性稍差。它常用于计算机的板卡中。对于电路板的制作而言,板的层数愈多,制作程序就愈多,对于电路板的制作而言,板的层数愈多,制作程序就愈多,失败率当然增加,成本也相对提高,所以只有在高级的电路中才失败率当然增加,成本也相对提高,所以只有在高级的电路中才会使用多层板。会使用多层板。图图7-17-1所示为四层板剖面图。通所示为四层板剖面图。通常在电路板上,元件放在顶层,所常在电路板上,元件放在顶层,所以一般顶层也称元件面,而底层一以一般顶层也称元件面,而底层一般
12、是焊接用的,所以又称焊接面。般是焊接用的,所以又称焊接面。对于对于SMDSMD元件,顶层和底层都可以放元件,顶层和底层都可以放元件。元件也分为两大类,插针式元件。元件也分为两大类,插针式元件和表面贴片式元件(元件和表面贴片式元件(SMDSMD)。)。2021/9/178 2.2.根据根据PCBPCB所用基板材料划分所用基板材料划分 刚刚性性印印制制板板(Rigid Rigid Print Print BoardBoard)。刚刚性性印印制制板板是是指指以以刚刚性性基基材材制制成成的的PCBPCB,常常见见的的PCBPCB一一般般是是刚刚性性PCBPCB,如如计计算算机机中中的的板板卡卡、家家电
13、电中中的的印印制制板板等等。常常用用刚刚性性PCBPCB有有:纸纸基基板板、玻玻璃璃布布板板和和合合成成纤纤维维板板,后后连连者者价价格格较较贵贵,性性能能较较好好,常常用用作作高高频频电电路路和和高高档档家家电电产产品品中中;当当频频率率高高于于数数百百兆兆赫赫时时,必必须须用用介介电电常常数数和和介介质质损损耗耗更更小的材料,如聚四氟乙烯和高频陶瓷作基板。小的材料,如聚四氟乙烯和高频陶瓷作基板。柔柔性性印印制制板板(Flexible Flexible Print Print BoardBoard,也也称称挠挠性性印印制制板板、软软印印制制板板)。柔柔性性印印制制板板是是以以软软性性绝绝缘缘
14、材材料料为为基基材材的的PCBPCB。由由于于它它能能进进行行折折叠叠、弯弯曲曲和和卷卷绕绕,因因此此可可以以节节约约60609090的的空空间间,为为电电子子产产品品小小型型化化、薄薄型型化化创创造造了了条条件件,它它在在计计算算机机、打打印印机机、自自动化仪表及通信设备中得到广泛应用。动化仪表及通信设备中得到广泛应用。刚刚-柔性印制板(柔性印制板(Flex-rigid Print BoardFlex-rigid Print Board)。)。刚刚-柔性印柔性印制板指利用柔性基材,并在不同区域与刚性基材结合制成的制板指利用柔性基材,并在不同区域与刚性基材结合制成的PCBPCB,主要用于印制电
15、路的接口部分。主要用于印制电路的接口部分。2021/9/1797 7.1.3 .1.3 PCBPCB设计中的基本组件设计中的基本组件 1.1.板层(板层(LayerLayer)板层分为敷铜层和非敷铜层,平常所说的几层板是指敷铜层板层分为敷铜层和非敷铜层,平常所说的几层板是指敷铜层的层数。一般敷铜层上放置焊盘、线条等完成电气连接;在非敷的层数。一般敷铜层上放置焊盘、线条等完成电气连接;在非敷铜层上放置元件描述字符或注释字符等;还有一些层面用来放置铜层上放置元件描述字符或注释字符等;还有一些层面用来放置一些特殊的图形来完成一些特殊的作用或指导生产。一些特殊的图形来完成一些特殊的作用或指导生产。敷敷
16、铜铜层层包包括括顶顶层层(又又称称元元件件面面)、底底层层(又又称称焊焊接接面面)、中中间间层层、电电源源层层、地地线线层层等等;非非敷敷铜铜层层包包括括印印记记层层(又又称称丝丝网网层层)、板面层、禁止布线层、阻焊层、助焊层、钻孔层等。板面层、禁止布线层、阻焊层、助焊层、钻孔层等。对于一个批量生产的电路板而言,通常在印制板上铺设一层对于一个批量生产的电路板而言,通常在印制板上铺设一层阻焊剂,阻焊剂一般是绿色或棕色,除了要焊接的地方外,其它阻焊剂,阻焊剂一般是绿色或棕色,除了要焊接的地方外,其它地方根据电路设计软件所产生的阻焊图来覆盖一层阻焊剂,这样地方根据电路设计软件所产生的阻焊图来覆盖一层
17、阻焊剂,这样可以快速焊接,并防止焊锡溢出引起短路;而对于要焊接的地方,可以快速焊接,并防止焊锡溢出引起短路;而对于要焊接的地方,通常是焊盘,则要涂上助焊剂。通常是焊盘,则要涂上助焊剂。2021/9/1710 为了让电路板更具有可看性,便于为了让电路板更具有可看性,便于安装与维修,一般在顶层上要印一些文安装与维修,一般在顶层上要印一些文字或图案,如图字或图案,如图7-27-2中的中的R1R1、C1C1等,这等,这些文字或图案用于说明电路的,通常放些文字或图案用于说明电路的,通常放在丝网层上,在顶层的称为顶层丝网层在丝网层上,在顶层的称为顶层丝网层(Top OverlayTop Overlay),
18、),而在底层的则称为而在底层的则称为底层丝网层(底层丝网层(Bottom OverlayBottom Overlay)。)。顶层丝网层底层丝网层顶层连线底层连线图7-2 某电路局部印制板图 2.2.焊盘(焊盘(PadPad)焊盘用于固定元器件管脚或用于引出连线、测试线等,它焊盘用于固定元器件管脚或用于引出连线、测试线等,它有圆形、方形等多种形状。焊盘的参数有焊盘编号、有圆形、方形等多种形状。焊盘的参数有焊盘编号、X X方向尺寸、方向尺寸、Y Y方向尺寸、钻孔孔径尺寸等。方向尺寸、钻孔孔径尺寸等。焊盘分为插针式及表面贴片式两大类,其中插针式焊盘必焊盘分为插针式及表面贴片式两大类,其中插针式焊盘必
19、须钻孔,表面贴片式焊盘无须钻孔,图须钻孔,表面贴片式焊盘无须钻孔,图7-37-3所示为焊盘示意图。所示为焊盘示意图。2021/9/1711 3.3.元件的封装(元件的封装(Component PackageComponent Package)元件的封装是指实际元件焊接到电路板时所指示的外观和焊元件的封装是指实际元件焊接到电路板时所指示的外观和焊盘位置。不同的元件可以使用同一个元件封装,同种元件也可以盘位置。不同的元件可以使用同一个元件封装,同种元件也可以有不同的封装形式。有不同的封装形式。在进行电路设计时要分清楚原理图和印制板中的元件,原理在进行电路设计时要分清楚原理图和印制板中的元件,原理图
20、中的元件指的是单元电路功能模块,是电路图符号;图中的元件指的是单元电路功能模块,是电路图符号;PCBPCB设计设计中的元件则是指电路功能模块的物理尺寸,是元件的封装。中的元件则是指电路功能模块的物理尺寸,是元件的封装。元件的封装形式可以分为两大类:插针式元件封装(元件的封装形式可以分为两大类:插针式元件封装(THTTHT)和表面安装式封装(和表面安装式封装(SMTSMT),),图图7-47-4所示为双列所示为双列1414脚脚ICIC的封装图,的封装图,它们的区别主要在焊盘上。它们的区别主要在焊盘上。钻孔 插针式焊盘 表面贴片式焊盘图7-3 焊盘示意图2021/9/1712 元件封装的命名一般与
21、管脚间距和管脚数有关,如电阻封元件封装的命名一般与管脚间距和管脚数有关,如电阻封装装AXIAL0.3AXIAL0.3中的中的0.30.3表示管脚间距为表示管脚间距为0.30.3英寸或英寸或300300milmil(1 1英寸英寸=1000=1000milmil););双列直插式双列直插式ICIC封装封装DIP8DIP8中的中的8 8表示集成块的管脚数表示集成块的管脚数为为8 8。元件封装中数值的意义如图。元件封装中数值的意义如图7-57-5所示。所示。2021/9/1713 常用元件的封装对照表如表常用元件的封装对照表如表7-17-1所示。所示。2021/9/1714 4.4.金属化孔(金属化
22、孔(ViaVia)金金属属化化孔孔也也称称过过孔孔,在在双双面面板板和和多多层层板板中中,为为连连通通各各层层之之间间的的印印制制导导线线,通通常常在在各各层层需需要要连连通通的的导导线线的的交交汇汇处处钻钻上上一一个个公公共共孔孔,即即过过孔孔,在在工工艺艺上上,过过孔孔的的孔孔壁壁圆圆柱柱面面上上用用化化学学沉沉积积的的方方法法镀镀上上一一层层金金属属,用用以以连连通通中中间间各各层层需需要要连连通通的的铜铜箔箔,而而过过孔孔的的上上下两面做成圆形焊盘形状。下两面做成圆形焊盘形状。过孔不仅可以是通孔,还可过孔不仅可以是通孔,还可以是掩埋式。所谓通孔式过孔是以是掩埋式。所谓通孔式过孔是指穿通
23、所有敷铜层的过孔;掩埋指穿通所有敷铜层的过孔;掩埋式过孔则仅穿通中间几个敷铜层式过孔则仅穿通中间几个敷铜层面,仿佛被其它敷铜层掩埋起来。面,仿佛被其它敷铜层掩埋起来。图图7-67-6为六层板的过孔剖面图,为六层板的过孔剖面图,包括顶层、电源层、中间包括顶层、电源层、中间1 1层、层、中间中间2 2层、地线层和底层。层、地线层和底层。2021/9/1715 5.5.连线(连线(TrackTrack、LineLine)连线是指有宽度、有位置方向(起点和终点)、有形状连线是指有宽度、有位置方向(起点和终点)、有形状(直线或弧线)的线条。在敷铜面上的线条一般用来完成电气(直线或弧线)的线条。在敷铜面上
24、的线条一般用来完成电气连接,称为印制导线或铜膜导线;在非敷铜面上的连线一般用连接,称为印制导线或铜膜导线;在非敷铜面上的连线一般用作元件描述或其它特殊用途。作元件描述或其它特殊用途。印制导线用于印制导线用于PCBPCB上的线路连上的线路连接,通常印制导线是两个焊盘(或接,通常印制导线是两个焊盘(或过孔)间的连线,而大部分的焊盘过孔)间的连线,而大部分的焊盘就是元件的管脚,当无法顺利连接就是元件的管脚,当无法顺利连接两个焊盘时,往往通过跳线或过孔两个焊盘时,往往通过跳线或过孔实现连接。图实现连接。图7-77-7所示为双面板印所示为双面板印制导线的走线图。采用垂直布线法,制导线的走线图。采用垂直布
25、线法,一层水平走线,另一层垂直走线,一层水平走线,另一层垂直走线,两层间印制导线的连接由过孔实现。两层间印制导线的连接由过孔实现。2021/9/1716 6.6.网络(网络(NetNet)和网络表(和网络表(NetlistNetlist)从从一一个个元元器器件件的的某某一一个个管管脚脚上上到到其其它它管管脚脚或或其其它它元元器器件件的的管管脚脚上上的的电电气气连连接接关关系系称称作作网网络络。每每一一个个网网络络均均有有唯唯一一的的网网络络名名称称,有有的的网网络络名名是是人人为为添添加加的的,有有的的是是系系统统自自动动生生成成的的,系系统自动生成的网络名由该网络内两个连接点的管脚名称构成。
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