[印刷电路版(PCB)的设计]

第十一章印刷电路版(PCB)的设计（补充内容）,主要内容11.1印刷电路版的基本知识11.2原理图设计11.3印刷电路版(PCB)设计11.4印制电路技术,1印刷电路板的种类,11.1印刷电路版的基本知识,刚性与挠性印刷电路板单层、双层和多层印刷电路板,1印刷电路板的种类刚性与挠性印刷电路板单层、双层和多层印刷电路板印刷电路板的材料,11.1印刷电路版的基本知识,2元器件的封装形式元器件的封装形式与印刷电路板的排版设计密切相关，它关系到设计时如何设置焊盘、以何种方式将元器件固定在印刷电路板上等问题。元器件的基本封装形式很多，下面仅举几个例子进行说明。分离封装分离封装是一般分离元件的封装形式。分离元件种类繁多，管脚形式多样，同一种元件的管脚排列也不尽相同。例如，同是小功率三极管，有一字形排列的，也有三角形排列的。在排版设计时，必须查出或测出管脚的间距，调用CAD软件库中相应的焊盘类型。,11.1印刷电路版的基本知识,双列直插式封装(DIP)双列直插式封装，英文简称DIP(Dualln-linePackage)，如图所示。它们大多为中小规模集成器件，其相邻管脚的间距为254mm。常用的封装有：8、14、16、18、20、28、32、40脚，多于40脚一般采用其他封装形式。,11.1印刷电路版的基本知识,针阵式封装(PGP)针阵式封装(PGPPinGridPackage)是超大规模集成电路的一种封装形式，它有几十条管脚，管脚与管壳垂直按矩阵形式排列，如图所示。由于管脚数量多，排列密集，所以，一般要用多层印刷电路板，至少是双面板。,11.1印刷电路版的基本知识,表面贴装器件(SMD)在采用表面贴工艺的印刷电路板上，分离元件和集成元件都采用表面贴装器件(SMDSurfaceMountDevice)，封装形式多样，如图所示。,11.1印刷电路版的基本知识,PGA&PLCCPGA(Pin-GridArray)针栅阵列封装PLCC(PlasticLeadedChipCarrier)塑料引线片式载体封装,11.1印刷电路版的基本知识,HDPLD典型器件封装型式说明1BGA(BallGridArray)球状格栅阵列封装2CPGA(CeramicPinGridArray)陶瓷引脚格栅阵列封装3CQFP(CeramicQuadF1atPack)陶瓷四边有引线扁平封装4DIP(DualIn-LinePackage)双列直插式封装5JLCC(CeramicJ-LeadChipCarrier)陶瓷J型引线片式载体封装6MQFP(MetalQuadF1atPack)金属四边有引线扁平封装7PBGA(PlasticBallGridArray)塑料球状格栅阵列封装8PDIP(PlasticDualIn-LinePackage)塑料双列直插封装9PGA(Pin-GridArray)针栅阵列封装10PLCC(P1asticLeadedChipCarrier)塑料引线片式载体封装11PQFP(P1asticQuadF1atPack)塑料四边有引线扁平封装12RQFP(PowerQuadF1atPack)功率型四边有引线扁平封装13TQFP(Thin(1.4mm)QuadFlatPack)细型四边有引线扁平封装14VQFP(VeryThin(1.0mm)QuadFact)超细型四边有引线扁平封装,11.1印刷电路版的基本知识,器件封装实例,第十一章印刷电路版(PCB)的设计,PLCC,DIP,SMD,SMD,SIP,分离器件,器件封装实例,第十一章印刷电路版(PCB)的设计,BGA球状栅格阵列封装,SMD,金手指,SMD,3印刷电路板设计时的常用术语除了前面介绍的有关印刷电路板的术语外，下面再介绍一些设计中的常用术语：,11.1印刷电路版的基本知识,(1)元件面(ComponentSide)。大多数元件都安装在其上的那一面。(2)焊接面(SolderSide)。与元件面相对的那一面。(3)丝印层(Overlay，TopOverlay)。丝印层是印制在元件面上的一种不导电的图形(有时焊接面上也可印丝印层，即BottomOverlay)，这些图形是一些器件的符号和标号，用于标注元件的安装位置，一般通过丝印的方法，将绝缘的白色涂料印制在元件面上。(4)阻焊图。它是为了防止不需要焊接的印刷导线被焊接而绘制的一种图形。在制板过程中，可根据阻焊图的要求将不需要焊接的地方涂一层阻焊剂，只露出需要焊接的部位。使用CAD软件设计PCB时，当焊接面和元件面设计完成后，软件可自动生成阻焊图。(5)焊盘(Land或Pad)。用于连接和焊接元件的一种导电图形。(6)金属化孔(PlatedThroughHole)。金属化孔也称为通孔，孔壁沉积有金属的孔，主要用于层间导电图形的电气连接。(7)通孔(ViaHole)。通孔也称为中继孔，是用于导线转接的一种金属化孔。通孔一般只用于电气连接，不用于焊接元件。(8)坐标网格(Grid)。两组等距离平行正交而成的网格或称为格点)。它用于元器件在印刷电路板上的定位，一般要求元件的管脚必须位于网格的交点上，导线不一定按网格定位。,4印刷电路板设计常用标准印刷电路板的设计必须符合有关标准，下面列出几个最基本的标准。,11.1印刷电路版的基本知识,(1)网格尺寸一般分公制和英制两种标准。最基本的坐标网格间距为2.5mm，当需要更小的网格时，可采用1.25mm和0.625mm。国外生产的集成电路一般采用英制规范，例如，双列直插式(DIP)的管脚间距为2.54mm(十分之一英寸)，所以，在放置元件时一般可采用英制坐标网格。(2)孔径和焊盘尺寸标称孔径和最小焊盘直径如表所示。实际制作中，最小孔径受生产印刷电路板的厂家具有的工艺水平的限制，就目前而言，一般选0.8mm以上，焊盘尺寸一般也要比表中所列数据稍大些。,11.1印刷电路版的基本知识,(3)导线宽度导线宽度没有统一的要求，其最小值应能承受通过这条导线的最大电流值。一般应大于10密耳(mil，千分之一英寸)。考虑到美观整齐，导线宽度应尽量一致。但是，地线和电源线的宽度要尽量宽一些，一般可取2050密耳。(4)导线间距导线之间的距离没有统一的要求，但两条导线之间的最小距离应满足电气安全要求。考虑到工艺方便，导线间距应大于10密耳，在允许的条件下，导线间距应尽量宽一些，在集成块两管脚之间(100mil)一般只设计一根导线。当多条导线平行时，各导线之间的距离应均匀一致。(5)焊盘形状常用的焊盘形状有4种：方形、圆形、长圆形和椭圆形。最常用的是圆形焊盘。,11.1印刷电路版的基本知识,5印刷电路板布局设计印刷电路板布局是指安排元器件在板上的位置。印刷电路板布局是整个PCB设计中最重要的一环，对于模拟电路和高频电路尤为关键。印刷电路板布局的基本原则是：(1)保证电路的电气性能；(2)便于产品的生产、维护和使用；(3)导线尽可能短。,11.1印刷电路版的基本知识,下面先简要介绍一些在布局时要考虑的相关问题：,(1)合理选择印刷电路板的层数；(2)选择单元电路的位置；(3)元件的排列安排元件的位置是布局时最关键的一步，需要综合考虑很多因素，一般应考虑多种方案，反复权衡，取长补短。安排元件位置时要考虑的主要问题如下：尽量把元件设置在元件面上。这样有利于生产和维护。调节方便。一些需要调节的元件应安排在规定的位置或便于调节的地方。散热。对于大功率管、电源变压器等需要散热的器件，应考虑散热问题。,11.1印刷电路版的基本知识,管脚要顺。对于3个管脚以上的元件，必须按管脚顷序放置，避免管脚扭曲。对于集成块，要注意方向。排列整齐均匀，间距合理。元件之间的间距要合理，不要堆挤在一起，要考虑到器件外形的实际大小，留有余量。同类元件的间距要一致，布局应做到整齐、均匀、美观。在印刷电路板边缘要留有一定距离，一般不小于5mm。在印刷电路板的边缘板面空白处尽量布上地线。,结构稳定。对于较重的元件，要考虑结构的稳定问题。例如，在垂直放置的印刷电路板上，重的器件要安置在底部：在水平放置的印刷电路板上，重的元件应安排在靠近紧固点，还应考虑好该印刷电路板本身与其他部件的固定问题。,11.1印刷电路版的基本知识,6印刷电路板的布线设计布线设计是在布局基本完成后进行的，在布线设计时如果发现布局不合理(如布线困难)，还要调整布局。布线设计的基本考虑是如何使导线最短，同时要使导线的形状合理。布线设计时的考虑要点如下：(1)先设计公共通路的导线。(2)按信号流向布线。(3)保持良好的导线形状。,11.1印刷电路版的基本知识,(4)双面板布线要求。双面板的导线设计与单面板有较大的不同，一般要求是：同一层面上的导线方向尽量一致，或者都是水平方向布线或者都是垂直方向布线；元件面的导线与焊接面的导线相互垂直；两个层面上的导线连接必须通过通孔。(5)地线的处理。在印刷电路板的排版设计中，地线的设计是十分重要的，有时可能关系到没计的成败。导线必然存在电阻，地线的电阻称为共阻。地线是所有信号电流的公共通路，各种信号电流都将在共阻上产生压降，这些压降又反作用于电路，形成共阻干扰。共阻干扰严重时将使电路指标无法满足要求。地线的设计要考虑众多因素，现将最基本的要求介绍如下：数字与模拟电路的地线要分别设置。在一块印刷电路板上同时有模拟电路和数字电路时，必须为它们分别设置地线，在地线的出口处再汇集在一起。如图是一种模拟与数字电路地线处理的方式，常称为菊花形地线。地线应尽量宽。为了减小地线共阻的干扰，地线和电源线应尽量宽一些，这是设计地线的最基本要求。,11.1印刷电路版的基本知识,大面积地线应设计成网状。当地线的面积较大，超过直径为25mm的圆的区域时，应开局部窗口，使地线成为网状。这是因为大面积的铜箔在焊接时，受热后容易产生膨胀造成脱落，也容易影响焊接质量。窗口的形式和要求如图所示。,第十一章印刷电路版(PCB)的设计,主要内容11.1印刷电路版的基本知识11.2原理图设计11.3印刷电路版(PCB)设计11.4印制电路技术,一般而言，设计电路板最基本的过程可以分为三大步骤：(1)电路原理图的设计与绘制。(2)产生网络表。(3)印刷电路板的设计。在完成上述基本操作的过程中，用户可进行创建项目元件库、编辑新元件、生成元件列表等操作。,11.2原理图设计,原理图设计的主要任务原理图绘制元件库的编辑、修改与建立确定元件的封装产生网络表报表文件的生成(零件报表、网络比较表、零件引脚表等)电气规则检查(ERC)网表文件的比较原理图输出,11.2原理图设计,第十章印刷电路版(PCB)的设计,主要内容10.1印刷电路版的基本知识10.2原理图设计10.3印刷电路版(PCB)设计10.4印制电路技术,1电路板工作层面电路板可分为单面板、双面板和多层板，除此之外还有可操作的层面。工作层面就是指在进行PCB设计时，进行操作的那个电路板层面。(1)信号层(SignalLayer)。Protel98提供了16种信号层，它们是TopLayer、BottomLayer、MidLayer1、MidLayer2MidLayer14。信号层主要用于放置与信号有关的电气元素，例如，TopLayer为顶层，用于放置元件面，BottomLayer为底层，用作焊锡面，MidLayer1MidLayer14为中间信号层。(2)内层电源/接地层(InternalPlane)。Protel98提供了4种内层电源接地层，分别称为Plane1、Plane2、Plane3和Plane4。这些层往往用作大面积的电源线或地线。(3)设置钻孔位置层(DrillLayer)。该层主要用于绘制钻孔图及表明孔的位置。共包括DrillGrid和DrillDrawing两项。(4)阻焊层和防锡膏层(SolderMask&PasteMask)。它们分别有Top和Bottom两种层面。例如，TopSolderMask为设置顶层阻焊层，BottomSolderMask为没置底层阻焊层，TopPasteMask为顶层防锡膏层。(5)丝印层(Silkscreen)。丝印层主要用于绘制元件的外形轮廓，包括顶层(Top)丝印层和底层(Bottom)丝印层两种。(6)其他工作层面(Others)。包括KeepOutLayer(禁止布线层)、Multi-Layer多层)等8种Others层。此外，还有4种机械层(MechanicalLayers)，也可用于文字标注等功能。注意：最常用的是顶层、底层、丝印层、禁止布线层,11.3印刷电路版(PCB)设计,2PCB设计流程(1)准备原理图及网络表(2)规划电路板(3)启动PCB程序并设置参数(4)装入网络表及元件封装(5)布局(6)自动布线与手工调整(7)PCB文件的存储及打印输出,11.3印刷电路版(PCB)设计,第十一章印刷电路版(PCB)的设计,主要内容10.1印刷电路版的基本知识10.2原理图设计10.3印刷电路版(PCB)设计10.4印制电路技术,1印刷电路的制造工艺从印刷电路制造工艺的发展来看，基本上遵循以下几个原则：(1)有利于精简生产工序，使生产过程便于实现机械化、自动化。(2)有利于提高印制板的布线密度、导线精度及其可靠性。(3)有利于降低成本、减少浪费及环境污染。单面印制板单面印制板一般用于民用产品，如收音机、电视机、电子仪器等。单面板图形比较简单，一般采用丝网漏印正像图形然后蚀刻出印制板，也可采用光化学生产，其工艺流程如下：黑白墨图照相制版敷铜箔板下料图像转移(丝网漏印光化学)蚀刻去除抗腐蚀印料孔加工外形加工检验印制阻焊涂料印制标记符号涂敷助焊剂成品注意：黑白墨图、照相制版和孔加工这3项工序一般由CAD控制来完成。,11.4印制电路技术,双面印制板双面印制板主要用于性能较高的通信电子设备、高级仪器仪表等场合。双面板的制造工艺一般分为工艺导线法、堵塞孔法、掩蔽法和图形电镀-蚀刻法。使用最多的是图形电镀-蚀刻法，其工艺流程如下：敷铜箔板下料数控钻孔孔金属化全板预镀铜(黑白墨图)照相制版光能干膜图像转移图形电镀铜图形电镀铅锡合金去膜蚀刻板边插头镀金(银)外形加工热熔检验印制阻焊层印制标记符号成品注意：黑白墨图、照相制版和孔加工这3项工序一般由CAD控制来完成。,11.4印制电路技术,多层印制板制作多层印制板，对设计电路者而言，利用任何PCB软件都可以比较方便地实现；但对制造厂家来说，当布线密度较大时，对工艺要求十分苛刻，如导线和金属化孔的定位，热压、粘合等工序要求的精度都很高，而电气性能的检测需用专门的CAD软件，因而整个过程周期较长，成本也很高。制造多层印制板的工艺流程如下：内层用敷铜箔板冲定位孔图像转移蚀刻去除抗蚀剂氧化层压数控钻孔清洁孔金属化图像转移图形电镀铜图形电镀铅锡合金去膜蚀刻板边插头镀金(银)外形加工热熔检验印制阻焊层印制标记符号成品注意：表面层用敷铜箔板和预浸环氧玻璃布经冲定位孔后加入上述工艺进行层压。由CAD控制照相制版、数控钻孔和图像转移等工序。,11.4印制电路技术,2照相底版照相底版的用途丝网漏印工艺中丝网模板的制作，例如线路图形、阻焊印料图形、标记符号图形感光照相饰刻工艺中感光掩膜图形，包括线路图形、阻焊干膜需要的照相底版。加成法工艺中选择化学镀铜用感光掩膜图形。胶印工艺中作印刷母版用照相底版。照相底版的制作制造照相底版的方法有很多，目前大致分为3类：人工描绘或贴制黑白工艺图，然后照相翻拍成照相底版。计算机系统的绘图仪绘制黑白工艺图，再照相成照相底版计算机系统的光绘图机(GERBER)直接制成照相底版。,11.4印制电路技术,3图像转移制好照相底版后，下一道工序一般是将底版上的电路图形转移到敷铜箔层压板上，也叫图像转移。图像转移大致可分为两种方法“印制-蚀刻”：即用保护性的抗饰材料在敷铜箔层压板上形成比较精确的图形(正相的)。那些未被抗蚀材料保护下的不需要铜箔，在随后的化学蚀刻工序中被去掉。蚀刻后去掉抗蚀层，就得到由铜箔构成的所需电路图像。“电镀-蚀刻”：即用电镀层进行负像图像转移，露出的铜表面是要求的图像，其他部分形成抗镀层，对这些露出的图像清洗处理后，电镀一层金属保护层，形成图形电镀(镀铜或铅锡)。蚀刻工序完成后再将抗镀层去掉，这里，电镀的金属(铅锡、金或锡镍)在蚀刻工序中起了抗蚀层的作用。注意：上述两种方法都要用到有机保护抗蚀剂。一般来说，常用的抗蚀剂及图像转移法有3类：液体光致抗蚀剂、干膜光致抗蚀剂和丝网漏印。前两类可用于工艺要求较高的场合。,11.4印制电路技术,4电镀和蚀刻平常意义上的电镀包括化学镀和电镀，其目的是为金属或非金属制品穿上一层“外衣”镀层。其应用主要有如下几个方面：金属化孔(孔金属化)抗蚀镀层电镀电接点(边缘插头)镀层电镀蚀刻是制造印刷电路板不可缺少的重要工艺，其目的是将不需要的金属腐蚀掉。无论采用哪种方法进行图像转移，最后都有要进行蚀刻，以便得到电路图像。5机械加工机械加工主要分孔加工和外形加工。一般圆形孔加工有冲和钻两种方法，异形孔有锉、冲、锐等方法。根据工具分类又有手工加工和数控加工两种。一般而言，双面板及多层板必须由CAD控制的(数控)钻床系统来完成。外形加工一般由冲床来进行。,11.4印制电路技术,第十一章印刷电路版(PCB)的设计,主要内容11.1印刷电路版的基本知识11.2原理图设计11.3印刷电路版(PCB)设计11.4印制电路技术,BGA(BallGridArray)球状格栅阵列封装,PGA引脚格栅阵列封装,QFP(QuadF1atPack)四边有引线扁平封装,侧引脚扁平封装。