PCB设计概述(ppt 72页).ppt

PCB设计 长安大学电子与控制工程学院自动化系李登峰手机mail dfli 主要内容 第一节认识PCB第二节PCB制作工艺第三节PCB设计流程第四节PCB中的各种对象第五节AltiumDesigner概述 第一章PCB设计概述 第一节认识PCB 一 什么是PCB Printedcircuitboard 简写 PCB中文 印制电路板印制板也称为印制线路板或印制电路板 通过印制板上的印制导线 焊盘及金属化过孔实现元器件引脚之间的电气连接 由于印制板上的导电图形 如元件引脚焊盘 印制连线 过孔等 以及说明性文字 如元件轮廓 序号 型号 等均通过印制方法实现 因此称为印制电路板 二 PCB的作用 通过一定的工艺 在绝缘性能很高的基材上覆盖一层导电性能良好的铜薄膜 就构成了生产印制电路板所必需的材料 覆铜板 按电路要求 在覆铜板上刻蚀出导电图形 并钻出元件引脚安装孔 实现电气互连的过孔以及固定整个电路板所需的螺丝孔 就获得了电子产品所需的印制电路板 PCB是为完成第一层次的元件和其它电子电路零件接合提供的一个组装基地 组装成一个具特定功能的模块或产品 PCB在整个电子产品中 扮演了连接所有功能的角色 电子产品的功能出现故障时 最先被怀疑往往就是PCB 所以PCB的生产控制尤为严格和重要 三 PCB板材料 覆以铜箔的绝缘层压板称为覆铜箔层压板 简称覆铜板 它是用腐蚀铜箔法制作电路板的主要材料 1 覆铜板 2 覆铜板的种类按基材的品种可分为纸基板和玻璃布板 按黏结树脂来分有酚醛 环氧酚醛 聚四氟乙烯等 1 酚醛纸基覆铜板它是用浸渍过酚醛树脂的绝缘纸或纤维板作为基板 两面加无碱玻璃布 并在一面或两面覆以电解紫铜箔 经热压而成的板状制品 这类层压板价格低廉 但机械强度低 易吸水 耐高温性能差 一般不超过100 主要用于低频和一般民用产品中 标准厚度有1 0mm 1 5mm 2 0mm三种 一般应优先选用1 5mm和2 0mm厚的层压板 2 环氧酚醛玻璃布覆铜板这是用浸渍过环氧树脂的无碱玻璃布板作为基板 一面或两面覆以电解紫铜箔经热压而成的层压制品 这类层压板的电气和机械性能良好 加工方便 可用于恶劣环境和超高频电路中 3 环氧玻璃布覆铜板这类层压板由浸渍双氰胺固化剂的环氧树脂的玻璃布板作为基板 一面或两面覆以电解紫铜箔经热压而成 这类层板基材的透明度良好 与环氧酚醛覆铜板相比 具有较好的机械加工性能 防潮性良好 工作温度较高 4 聚四氟乙烯玻璃布覆铜板这是以无碱玻璃布浸渍聚四氟乙烯分散乳液为基材 覆以经氧化处理的电解紫铜箔 经热压而成的层压板 是一种耐高温和高绝缘的新型材料 具有较宽的耐温范围 23 260 在200 下可长期工作 在300 下间断工作 它主要用在高频和超高频电路中 此外 还有聚苯乙烯覆铜板 软性聚酯覆铜板等 1 抗弯强度抗弯强度表示材料能承受弯曲 冲击 振动的能力 以单位面积受的力来计算 单位为kg cm2 英美国家为磅 平方英寸 2 抗剥强度抗剥强度是指在覆铜板上 剥开1cm宽度的铜箔所需要的力 用kg cm来表示 它用来衡量铜箔与基板之间的结合力 3 耐热性能耐热性能是指材料能够长期工作 而不引起性能降低所承受的的最高温度 4 吸水性吸水性主要用来考虑潮湿环境对敷铜板电气性能的影响 3 覆铜板的性能参数 5 翘曲度翘曲度用来衡量板材的翘曲程度 双面印制电路板的翘曲度比单面的好 厚的比薄的好 6 介电常数当双面板的两面各印制出一定面积的铜箔时 利用中间的绝缘基板作为介质就组成了一个电容器 介电常数不同 电容量不同 7 损耗因素损耗因素表示绝缘板材作为印制电容器的介质时 或者在覆铜板上所印制线圈时 在绝缘介质上的功率损耗 8 表面电阻和体积电阻表面电阻与体积电阻用于衡量绝缘基板的绝缘性能 随着温湿度的升高 材料的绝缘电阻降低 9 覆铜板的厚度 1 板材的确定常用的覆铜板有酚醛纸板 酚醛玻璃布板 环氧玻璃布板等 不同的板材 其机械性能与电气性能有很大差别 故应仔细选择 选择板材的依据是整机的性能要求 使用尺寸 整机价格等 选择时要统筹考虑 既要了解覆铜板的性能指标 又要熟悉电子产品的特点 以获得良好的性能价格比 2 印制电路板形状的选择印制电路板的形状通常由整机的外形确定 一般采用长宽比例不太悬殊的长方形 它可以大大简化成形加工 节省板材 在一些批量生产中 为了降低线路板的制作成本 提高线路板的自动装焊率 常把两 三块面积小的印制电路板和主印制电路板共同设计成一个整矩形 待装焊后沿工艺孔掰开 分别装在整机的不同部位上 4 覆铜板的选用 3 印制电路板的尺寸的选择选择印制电路板的尺寸选择要考虑整机的内部结构及印制电路板上元器件的数量及尺寸 板上元器件排列彼此间要留有一定的间隔 特别是在高压电路中 更要注意留有足够的间距 在考虑元器件所占面积的同时 还要考虑发热元器件所需散热片的尺寸 在确定了板的面积后 四周还应留出5 10mm 单边 以便于印制电路板在整机中的固定 4 板厚的确定根据国标GB2473 84规定 覆铜板的标称厚度有0 2 0 5 0 8 1 0 1 2 1 6 2 0 2 4 3 2 6 4 0 7 1 5mm等多种 在确定板厚时 主要考虑以下因素 1 当印制板对外通过直接式插座连接时 过厚插不进去 过薄接触不良 一般应选1 5mm左右 2 要考虑板的尺寸 板上元器件的体积 重量等 板的尺寸及元器件重量过大 都应适当增加板厚 否则容易产生翘曲 四 PCB的种类及结构印制板种类很多 根据导电层数目的不同 可以将印制板分为 单面电路板 简称单面板 双面电路板 简称双面板 多层电路板根据覆铜板基底材料的不同 又可将印制板分为 纸质覆铜箔层压板玻璃布覆铜箔层压板 单面板所用的覆铜板只有一面敷铜箔 另一面空白 因而也只能在敷铜箔面上制作导电图形 单面板上的导电图形主要包括固定 连接元件引脚的焊盘和实现元件引脚互连的印制导线 该面称为 焊锡面 没有铜膜的一面用于安放元件 因此该面称为 元件面 双面板基板的上下两面均覆盖铜箔 因此 上 下两面都含有导电图形 导电图形中除了焊盘 印制导线外 还有用于使上 下两面印制导线相连的金属化过孔 在双面板中 元件也只安装在其中的一个面上 该面同样称为 元件面 另一面称为 焊锡面 在双面板中 需要制作连接上 下面印制导线的金属化过孔 生产工艺流程比单面板多 成本高 多层板随着集成电路技术的不断发展 元器件集成度越来越高 引脚数目迅速增加 电路图中元器件连接关系越来越复杂 此外 器件工作频率也越来越高 双面板已不能满足布线和电磁屏蔽要求 于是就出现了多层板 在多层板中导电层的数目一般为4 6 8 10等 例如在四层板中 上 下面 层 是信号层 信号线布线层 在上 下两层之间还有电源层和地线层 在多层板中 可充分利用电路板的多层结构解决电磁干扰问题 提高了电路系统的可靠性 由于可布线层数多 走线方便 布通率高 连线短 印制板面积也较小 印制导线占用面积小 目前计算机设备 如主机板 内存条 显示卡等均采用4或6层印制电路板 多层板结构示意图 第二节PCB制作工艺 一 内层线路流程介绍 DES为显影 蚀刻 去膜连线简称 1 开料 BOARDCUT 目的依制前设计所规划要求 将基板材料裁切成工作所需尺寸主要生产物料 覆铜板注意事项 避免板边毛刺影响品质 裁切后进行磨边 圆角处理 考虑涨缩影响 裁切板送下制程前进行烘烤 裁切须注意经纬方向与工程指示一致 以避免翘曲等问题 2 前处理 PRETREAT 目的 去除铜面上的污染物 增加铜面粗糙度 以利于后续的压膜制作过程 3 压膜 LAMINATION 目的 将经处理之基板铜面透过热压方式贴上抗蚀干膜主要生产物料 干膜 DryFilm 4 曝光 EXPOSURE 目的 经光线照射作用将原始底片上的图像转移到感光底板上 主要生产工具 底片 film 曝光前 曝光后 白色透光部分发生光聚合反应 黑色部分则因不透光 不发生反应 显影时发生反应的部分不能被溶解掉而保留在板面上 5 显影 DEVELOPING 目的 用碱液作用将未发生化学反应之干膜部分冲掉 显影后 显影前 工艺原理 使用将未发生聚合反应之干膜冲掉 而发生聚合反应之干膜则保留在板面上作为蚀刻时之抗蚀保护层 6 蚀刻 ETCHING 目的 利用药液将显影后露出的铜蚀掉 形成内层线路图形主要生产物料 蚀刻药液 蚀刻后 蚀刻前 7 退膜 STRIP 目的 利用强碱将保护铜面之抗蚀层剥掉 露出线路图形 去膜后 去膜前 8 冲孔 目的 利用CCD对位冲出定位孔及铆钉孔 9 内层检查工艺 AOI检验 全称为AutomaticOpticalInspection 自动光学检测 目的 通过光学反射原理将图像回馈至设备处理 与设定的逻辑判断原则或资料图形相比较 找出缺点位置 由于AOI所用的测试方式为逻辑比较 一定会存在一些误判的缺点 故需通过人工加以确认 二 层压钻孔流程 目的 层压 将铜箔 Copper 半固化片 Prepreg 与棕化处理后的内层线路板压合成多层板 钻孔 在板面上钻出层与层之间线路连接的导通孔 1 棕化 目的 1 粗化铜面 增加与树脂接触表面积 2 增加铜面对流动树脂的湿润性 3 使铜面钝化 避免发生不良反应注意事项 棕化膜很薄 极易发生擦花问题 2 铆合 目的 四层板不需铆钉 利用铆钉将多张内层板钉在一起 以避免后续加工时产生层间滑移主要生产物料 铆钉 半固化片 P P 3 叠板 目的 将预叠合好之板叠成待压多层板形式主要生产物料 铜箔 半固化片 2L 3L 4L 5L 4 压合 目的 通过热压方式将叠合板压成多层板主要生产辅料 牛皮纸 钢板 钢板 压力 牛皮纸 承载盘 热板 可叠很多层 5 后处理 目的 对层压后的板经过磨边 打靶 铣边等工序进行初步的外形处理以便后工序生产品质控制要求及提供后工序加工之工具孔 主要生产物料 钻头 铣刀 6 钻孔 目的 在板面上钻出层与层之间线路连接的导通孔主要原物料 钻头 盖板 垫板盖板 主要为铝片 在制程中起钻头定位 散热 减少毛头 防压力脚压伤作用垫板 主要为复合板 在制程中起保护钻机台面 防出口性毛头 降低钻针温度及清洁钻针沟槽胶渣作用 三 孔金属化工艺流程 去毛刺 Deburr 去胶渣 Desmear 化学铜 PTH 一次铜Panelplating 目的 使孔璧上的非导体部分之树脂及玻璃纤维进行金属化方便进行后面的电镀过程 提供足够导电及保护的金属孔璧 1 去毛刺除胶渣 毛刺形成原因 钻孔后孔边缘未切断的铜丝及未切断的玻璃布目的 去除孔边缘的毛刺 防止镀孔不良重要的原物料 磨刷胶渣形成原因 钻孔时造成的高温的过玻璃化转变温度 而形成融熔态 产生胶渣 去胶渣的目的 裸露出各层需互连的铜环 另膨松剂可改善孔壁结构 增强电镀铜附著力 重要的原物料 除胶剂 2 沉铜工艺 化学銅 PTH 化学铜目的 通過化学沉积的方式使表面沉积上厚度为20 40微英寸的化学铜 PTH 3 电镀工艺 电镀铜 一次铜一次铜目的 镀上200 500微英寸的厚度的铜以保护仅有20 40microinch厚度的化学铜不被后续制作过程破坏造成孔破 一次銅 四 外层干膜流程 流程介绍 前处理 压膜 曝光 显影 目的 经过钻孔及通孔电镀后 内外层已经连通 本制程制作外层干膜 为外层线路的制作提供图形 1 前处理 前处理 目的 去除铜面上的污染物 增加铜面粗糙度 以利于压膜制程重要原物料 磨刷 压膜 Lamination 目的 通过热压法使干膜紧密附著在铜面上 重要原物料 干膜 Dryfilm 2 曝光 曝光 Exposure 目的 通过图形转移技术在干膜上曝出所需的线路 重要的原物料 底片 3 显影 显影 Developing 目的 把尚未发生聚合反应的区域用显像液将之冲洗掉 已感光部分则因已发生聚合反应而洗不掉而留在铜面上成为蚀刻或电镀之阻剂膜 主要生产物料 弱碱 K2CO3 一次銅 乾膜 五 外层线路流程 流程介绍 二次镀铜 退膜 线路蚀刻 退锡 目的 将铜厚度镀至客户所需求的厚度 完成客户所需求的线路外形 镀锡 二次镀铜 目的 将显影后的裸露铜面的厚度加后 以达到客户所要求的铜厚重要原物料 铜球 乾膜 二次銅 1 电镀铜 镀锡 目的 在镀完二次铜的表面镀上一层锡保护 做为蚀刻时的保护剂 重要原物料 锡球 乾膜 二次銅 保護錫層 退膜 目的 将抗电镀用途之干膜以药水剥除重点生产物料 退膜液 NaOH 线路蚀刻 目的 将非导体部分的铜蚀掉重要生产物料 蚀刻液 氨水 二次銅 保護錫層 二次銅 保護錫層 底板 2 碱性蚀刻 退锡 目的 将导体部分的起保护作用之锡剥除重要生产物料 HNO3退锡液 二次銅 底板 3 退锡 六 丝印工艺流程 流程介绍 阻焊 字符 固化 目的 外层线路的保护层 以保证PCB的绝缘 护板 防焊的目的 制作字符标识 火山灰磨板 显影 1 阻焊 阻焊 SolderMask 阻焊 俗称 绿油 为了便于肉眼检查 故意在主漆中多加入对眼睛有帮助的绿色颜料 其实防焊漆了绿色之外尚有黄色 白色 黑色等颜色 目的A 防焊 留出板上待焊的通孔及其焊盘 将所有线路及铜面都覆盖住 防止波焊时造成的短路 并节省焊锡的用量 B 护板 防止湿气及各种电解质的侵害使线路氧化而危害电气性能 并防止外來的机械伤害以维持板面良好的绝缘 C 绝缘 由於板子愈来愈薄 线宽距愈来愈细 故导体间的绝缘问题日形突显 也增加防焊漆绝缘性能的重要性 阻焊工艺流程图 预烘烤 印刷第一面 前处理 曝光 显影 固化 S M 预烘烤 印刷第二面 2 字符工艺 印刷 印字符目的 利于维修和识别原理 丝网印刷的方式主要生产物料 文字油墨 烘烤 印一面文字 印另一面文字 S M 文字 文字 七 表面工艺的选择 常规的印刷电路板 PCB 在板上都有铜层 如果铜层未受保护将氧化和损坏 直接影响后续的焊接 有多种不同的保护层可以使用 最普遍的有 热风整平 HASL 有机涂覆 OSP 电镀镍金 platinggold 化学沉镍金 ENIG 金手指 沉银 IS 和沉锡 IT 等 热风整平 HASL 板子完全覆盖焊料后 接着经过高压热风将表面和孔内多余焊料吹掉 并且整平附着于焊盘和孔壁的焊料 分有铅喷锡和无铅喷锡两种 优势 成本低 在整个制造过程中保持可焊接性 有机涂覆 OSP 在PCB的铜表面上形成一层薄的 均匀一致的保护层 优点 在成本上与HASL具有可比性 好的共面性 无铅工艺 电镀镍金 platinggold 通过电镀的方式在铜面上电镀上镍和保护层金 优点 良好的可焊接性 平整的表面 长的储存寿命 可承受多次的回流焊 4 化学沉镍金 ENIG 通过化学反应在铜面上置换上镍磷层 再在镍层上置换一层金 5 金手指 通过电镀的方式在同面上电镀上镍和金 因为镀金中含有其他金属区别 3 6 沉银 IS 银沉浸在铜层上0 1到0 6微米的金属层 以保护铜面 优点 好的可焊接性 表面平整 HASL沉浸的自然替代 7 沉锡 IT 锡沉浸在铜层上0 到 um的金属层 以保护铜面 优点 良好的可焊接性 表面平整 相对低的成本 8 后工序工艺流程 流程介绍 外形 终检 实验室 目的 根据客户外形完成加工 根据电性能的要求进行裸板测试 出货前做最后的品质审核 电测 1 外形目的 让板子裁切成客户所需规格尺寸原理 数位机床机械切割主要生产物料 铣刀 2 电测工艺流程 目的 对PCB的电性能即开短路进行裸板测试 以满足客户要求 电测的种类 A 专用机 dedicated 测试优点 产速快缺点 测试针不能回收使用 治具成本高 B 通用机 UniversalonGrid 测试优点 a治具成本较低缺点 a设备成倍高C 飞针测试 Movingprobe 不需制做昂贵的治具 用两根探针做x y z的移动来逐一测试各线路的两端点 优点 成本低 缺点 效率低 包装发货了 PCB流程示意图 1 内层 2 压膜 3 曝光 4 显影 6 退膜 5 蚀刻 7 叠板 8 压合 9 钻孔 10 孔化 11 压膜 12 曝光 13 显影 14 镀铜锡 15 退膜 16 蚀刻 17 退锡 18 丝印 19 表面工艺 第三节PCB设计流程 第四节PCB中的各种对象 PCB中的各种对象铜膜导线焊盘过孔元件的图形符号其它辅助性说明信息 铜膜导线 Track 简称导线 是敷铜经腐蚀后形成的用于连接各个焊点的导线 印刷电路板的设计都是围绕如何布置导线来完成的 飞线 用来表示连接关系的线 它只表示焊盘之间有连接关系 是一种形式上的连接 并不具备实质性的电气连接关系 飞线在手工布线时可起引导作用 从而方便手工布线 飞线是在引入网络表后生成的 而飞线所指的焊盘间一旦完成实质性的电气连接 则飞线自动消失 当同一网络中 部分电气连接断开导致网络不能完全连通时 系统就又会自动产生飞线提示电路不通 利用飞线的这一特点 可以根据电路板中有无飞线来大致判断电路板是否已完成布线 焊盘 焊盘 Pad 的作用是放置 连接导线和元件引脚 过孔 过孔 Via 的主要作用是实现不同板层间的电气连接 过孔主要有3种 穿透式过孔 Through 从顶层一直打到底层的过孔 半盲孔 Blind 从顶层遇到某个中间层的过孔 或者是从某个中间层通到底层的过孔 盲孔 Buried 只在中间层之间导通 而没有穿透到顶层或底层的过孔 过孔有两个尺寸 即HoleSize 钻孔直径 和钻孔加上焊盘后的总的Diameter 过孔直径 5 字符 可以是元器件的标号 标注或其他需要标注的内容 不具有导电特性 6 阻焊剂 为防止焊接时焊锡溢出造成短路 需在铜膜导线上涂覆一层阻焊剂 阻焊剂只留出焊点的位置 而将铜膜导线覆盖住 不具有导电特性 安全间距 进行印刷电路板的设计时 为了避免导线 过孔 焊点及元件的相互干扰 必须使它们之间留出一定的距离 这个距离称之为安全间距 Clearance 第五节AltiumDesigner概述 一 Protel的发展史20世纪80年代末 Windows系统开始日益流行 许多应用软件也纷纷开始支持Windows操作系统 Protel也不例外 相继推出了ProtelForWindows1 0 ProtelForWindows1 5等版本 90年代中期 Windows95开始出现 Protel也紧跟潮流 推出了基于Windows95的3 X版本 3 X版本的Protel加入了新颖的主从式结构 但在自动布线方面却没有什么出众的表现 1998年 Protel公司推出了给人全新感觉的Protel98 Protel98以其出众的自动布线能力获得了业内人士的一致好评 1999年Protel公司推出了Protel99 Protel99既有原理图的逻辑功能验证的混合信号仿真 又有PCB信号完整性分析的板级仿真 从而构成了从电路设计到真实板分析的完整体系 2000年Protel公司推出了Protel99se 其性能进一步提高 可以对设计过程有更大的控制力 2001年8月Protel公司更名为Altium公司 2002年Altium公司推出了新产品ProtelDXP ProtelDXP集成了更多工具 使用更方便 功能更强大 2003年Altium公司推出的Protel2004对ProtelDXP进行了完善 2006年初 Altium公司推出了Protel系列的最新高端版本AltiumDesigner6 0 二 AltiumDesigner