跟我学做印制板（5）

印制板设计基础

现代电子产品中，印制电路板（PCB） 目前还是主要装配方式，它一方面是一个固定平台，为电路元器件提供定位支撑，另一方面提供电路元器件的电气连接。在开始设计之前，我们先简单介绍一下印制电路板的一些基础知识。

1.PCB的结构与种类

印制电路板常见的板层结构包括单面板（也叫单层板 Single Layer PCB）、双面板（也叫双层板Double Layer PCB） 和多层板（Multi Layer PCB）。

单层板：即只有一面覆铜的电路板。通常元器件放置在没有覆铜的一面，称为元件面，覆铜的一面主要用于布线和焊接，称为焊接面。这种印制板主要安装针脚插接式元件。

双层板：两个面都覆铜的电路板，通常将其中一面称为顶层（Top Layer），另一面为底层（BottomLayer）。一般将顶层称为元件面，底层称为焊接面。

这种印制板可以安装引脚式和表面贴装元件。对于表面贴装式元件，显然，元件面和焊接面为同一面。

多层板：即包含多个电气层的电路板，除了顶层和底层外还包含若干个中间导电层，层与层之间用绝缘材料绝缘。

图1 为4 层印制板的典型结构。图示的印制板有4 个导电层，通常顶层和底层作为信号走线，两个中间层用于电源和接地，有时也可用于信号走线。元器件在印制板上的安装方式，一般分为直插式安装和表面贴装。直插式安装是指将元器件的引脚插过焊盘中间的孔，然后在另一面进行焊接；表面贴装是指元器件的引脚与电路板表层的焊盘接触并用焊锡予以连接固定。为了把不同层的印制导线连接起来，通常是通过导电孔（常称为过孔）来实现。导电孔是在印制板上钻孔，然后在孔壁上镀上金属导电层，并与需要连接的各层金属导线连通。

导电孔分为穿孔（通孔）、盲孔（Blind Via 盲导孔，应用于表面层和一个或多个内层的连通）和埋孔（Buried Via 埋导孔，内层间的通孔，压合后两面都无法看到，所以不占用表层面积）。

图1

　　2.几个术语

（1）焊盘

焊盘是PCB 设计中最常接触也是最重要的概念之一。如图2 中各个焊接点就是元器件引脚与焊盘的连接处。初学者往往在设计中千篇一律地使用圆形焊盘。实际上，选择元件的焊盘类型要综合考虑该元件的形状、大小、布置形式、振动和受热情况、受力方向等因素。Protel 在封装库中给出了一系列不同大小和形状的焊盘，如圆、方、八角、长圆形和定位用焊盘等，但有时这还不够用，需要自己编辑。

例如，对发热且受力较大、电流较大的焊盘，或者是焊盘尺寸与出线宽度有较大差异时，可加上“泪滴”。在大家熟悉的彩电PCB 的行输出变压器引脚焊盘的设计中，不少厂家正是采用的这种形式。一般而言，自行编辑焊盘时除了以上所讲的以外，还要考虑以下原则：一是形状上长短不一致时要考虑连线宽度与焊盘特定边长的大小差异不能过大；二是需要在元件引脚之间走线时选用长短不对称的焊盘往往事半功倍；三是各元件焊盘孔的大小要按元件引脚粗细分别编辑确定，粗略的原则是孔的尺寸比引脚直径大0.2~0.4mm。

（2） 过孔

为连通各层之间的线路，在各层需要连通的导线的交汇处钻上一个公共孔，这就是过孔。工艺上在过孔的孔壁圆柱面上用化学沉积的方法镀上一层金属，用以连通中间各层需要连通的铜箔，而过孔的上下两面做成普通的焊盘形状，可直接与上下两面的线路相通，也可不连。一般而言，设计线路时对过孔的处理有以下原则：一是尽量少用过孔，一旦选用了过孔，务必处理好它与周边各实体的间隙，特别是容易被忽视的中间各层与过孔不相连的线及过孔的间隙，如果是自动布线，可在“过孔数量最小化”（ Via Minimization）子菜单里选择“on”项来自动解决。二是需要的载流量越大，所需的过孔尺寸越大，如电源层和地层与其他层联接所用的过孔就要大一些，或者使用多个过孔。

（3） 丝印层

为方便电路的安装和维修等，在印刷板的上下两表面应印刷上所需要的标志图案和文字代号等，例如元件标号和标称值、元件外轮廓形状和厂家标志、生产日期等。丝印层就是用于制作漏印丝网，用来在印制电路板上印制以上内容的一个表面工艺层。不少初学者设计丝印层的有关内容时，只注意文字符号放置得整齐美观，忽略了实际制出的PCB效果。他们设计的印制板上，字符不是被元件挡住就是侵入了助焊区域被抹除，还有的把元件标号打在相邻元件上，如此种种的设计都将会给装配和维修带来很大不便。正确的丝印层字符布置原则是：“不出歧义，见缝插针，美观大方”。

（4）阻焊层

阻焊层是很重要的表面工艺层。作用是涂覆在印制板表面，保证只把需要上锡的部分暴露在外面，而把其他部分都保护起来，使得在焊接的过程中按照需要上锡，使印制板整洁美观并避免焊锡粘连形成短路。

一般来讲，对于单面板是在元件面布置丝印层，在焊接面布置阻焊层；对于双面板或多层板，在顶层和底层都布置阻焊层，丝印层则根据需要只在元件面（顶层）布置或两面都布置。显然，对于表面焊装器件（SMD），由于是单面分布引脚，有关文字标注只能随元件所在面放置。

3.元件及封装

在电子设计领域，元件一词所指较为宽泛，一般包括无源元件，如电阻器、电容器、电感器等；还包括常被称为“器件”的有源元件，如晶体三极管、二极管和集成电路，以及各种接插件；甚至包括一些并无电气特性的零件，如安装结构件，散热器等。

在电原理图和印制板图中，分别采用不同的示意图来表示实际的元件。在原理图中的元件是一些示意符号，表征具有某种电气特性的电子元件，其“示意”

的重点在于电气特性。在印制板图中的元件，则是各种实际元件的外形轮廓的正投影，还包括不同类型的引脚，表征的重点在于外型尺寸和电气连接的方式和结构。电路图中，同一个符号表示的是具有同一种电气特性的，实际上外观却可能相去甚远的各种不同元件。

实际的电子元件种类繁多，千差万别。元件是安放在印制板上的，印制电路板即提供元件的机械支撑和固定，同时提供电气连接。在印制板图上，用图形表示出元件的实际外形和大小，以及各个引脚的形状和位置，使得制作完成的印制电路板能够合适地放置和焊接这些元件。这种图形称为封装图。

它一方面表示元件的外形轮廓，即在印制板上实际占据的范围，同时表示出元件引脚进行电气连接的方式和相关尺寸（印制板上规划的焊盘）。焊盘由印制板的铜箔构成，元件的焊接一般分为表面贴装式焊接和直插式焊接。表贴式封装是指元器件的引脚与电路板表层的焊盘直接接触并予以焊接，直插式封装则是将元器件的引脚穿过焊盘导孔，然后再进行焊接，参见图1。

图2 为几种元件的表面贴装和直插式焊接形式的封装图。由图2 可见，U1 是直插式封装，黑色部分是铜箔，它在每一层都存在，只是可以根据需要对其大小形状进行编辑，中间灰色部分是穿孔。

U3 是表贴式封装，焊盘只在表面存在。要注意的是，实际的印制板上，焊盘是由铜箔（直插式的还包括孔壁金属化的过孔）构成，而图中所画出的元件轮廓和标识符（U1、U2）以及型号都是一种“标注”，是通过“丝印”印上去的油墨，是不能导电的，在设计时，由“丝印层”（Over Layer）描述。

图2

4.原理图元件与封装图的对应

根据不同应用场合的需求，相同的元器件可以有多种不同的封装，不同的元器件也可以有相同的封装。在原理图设计阶段，不但要指定使用的元器件的类型和型号，还要明确指定封装图。

在设计过程中，必须保证每个元件在原理图和封装图中，每个引脚都有明确的序号，而且相互一一对应。因为原理图与印制版图之间的重要联系信息之一就是引脚的定义以及它们之间的连接方式。

例如，原理图中某元件定义为16 个引脚，封装图中却只有14 个引脚，这是不允许的，设计软件会给出错误报告。

5.PCB的“层”

我们接触到的一些初学者，对印制电路板“层”

的概念感到困惑， 下面作一简单介绍。

（1）设计层

类似许多图文处理软件中为实现图、文、色彩等的嵌套与合成而引入的“层”的概念，Protel 设计软件也提供了分层设计的手段，把不同属性的设计内容分别归属不同的“层”，这样可以根据需要对他们分别修改编辑，进行分拆或组合，使设计过程具有较大的灵活性。设计层包含了所有设计内容，但是实际生产的印制板上并不完全表现出来。例如，“禁止布线层”作为一个独立的“层”，实际上是给出布线的范围限制，实际的印制板上找不到这个层。

Protel 提供了多个“机械层”供设计者使用，通常把“机械一层”作为印制板的轮廓线。有时，为了印制板结构尺寸与相关的结构设计（如机壳）匹配，某些机械层实际上是结构设计图纸的部分，用以指示印制板设计过程中确定外形、固定螺钉位置、接插件方位等。

（2）工艺层

工艺层也可理解为“物理层”，即实际存在的层。他们可以是印制板材料本身实实在在的各铜箔层，也可能是为了生产需要涂覆上去的助焊剂、阻焊剂、印刷符号等。

现今，由于电子线路的元件密集安装，防干扰和布线等特殊要求，许多电子产品中所用的印刷板不仅有上下两面供走线，在板的中间还设有能被特殊加工的夹层铜箔。例如，现在的计算机主板所用的印制板导电铜箔材料多在4 层以上。这些层因加工相对较难而大多用于设置走线较为简单的电源布线层（如软件中的Ground Layer 和PowerLayer），并常用大面积填充的办法来布线（如软件中的Polygon Plane 和Fill）。上下位置的表面层与中间各层需要连通的地方用过孔（Via）来沟通。有了以上解释，就不难理解“多层焊盘”和“布线层设置”的有关概念了。举个简单的例子，不少人布线完成，到打印出来时方才发现很多连线的终端都没有焊盘，其实这是自己添加器件库时忽略了“层”的概念，没把自己绘制封装的焊盘特性定义为“多层”（Multi-Layer） 的缘故。要提醒的是，一旦选定了所用印制板的层数，务必关闭那些未被使用的层，免得惹是生非走弯路。

除了各导电层与绝缘层外，印制板生产时还会用到各类膜（Mask） 。这些膜不仅是PCB 制作工艺过程中必不可少的，而且更是元件焊装的必要条件。

按“膜”所处的位置及其作用，“膜”可分为元件面（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）两类。 顾名思义，助焊膜是涂于焊盘上，是提高可焊性能的一层膜，也就是在绿色板子上比焊盘略大的各浅色圆斑。阻焊膜的情况正好相反，为了使制成的板子适应波峰焊等焊接形式，要求板子上非焊盘处的铜箔不能粘锡，因此在焊盘以外的各部位都要涂覆一层涂料，用于阻止这些部位上锡。

可见，这两种膜是一种互补关系。由此讨论，就不难确定菜单中类似“solder Mask En1argement”等项目的设置了。

(待续)