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硬件革命来了,就算我是文科生也要读懂它| PCB的那点事儿

 慈溪全媒体 2015-02-06

一个产品的成功,一是要注重内在质量,二是要兼顾整体的美观。两者都比较完美的产品,才能成为成功的产品。


许多人都知道乔布斯对产品的任何一处细节都有着异常严格的要求甚至是苛求,也正是这种异常的苛求,让苹果的产品如此受人喜欢。对于一个电子产品而言,大家应该知道,PCB在一个产品内有着重要的地位。


今天我们就跟大家谈谈PCB的那点事儿。

PCB的概念
PCB(Printed Circuit Board,印刷电路板),中文名称为印刷电路板,又称印刷线路板,是重要的电子部件,是电子元器件的支撑体,是电子元器件电气连接的载体。由于它是采用电子印刷术制作的,故被称为“印刷”电路板。

PCB的创造者


很多人肯定不知道PCB是谁创造的,现在我们来认识这位大师,印制电路板的创造者是保罗·爱斯勒(Paul Eisler),这又是一位犹太的天才创造者。他于1936年在一个收音机安装内采用了印刷电路板,1943年,美国人将该技术少量运用于军用收音机内。1948年,美国正式认可这个创造用于商业用处。1950年6月21日,保罗·爱斯勒取得PCB的创造专利权。

PCB的作用

1、提供零件焊接阻焊图形作用:PCB为元器件焊接提供阻焊图形,为零件维修、提供识别字符检查、插装;

2、导线链接零件的作用:PCB实现各种零件之间的电气连接或电绝缘,提供所要求的电气特性,如高频微波的信号传输、特性阻抗;

3、支撑零件的作用:提供各种零件(如电阻、集成电路、电容等) 装配、固定的机械支撑。

PCB的运用

PCB在运用范围上非常广泛,可运用几乎所有电子设备当中,小到用于手机、电脑鼠标里,大到运用汽车、火箭上。但主要分为在以下几个范围里运用:


1、计算机与周边产品:显示器、主机、服务器、鼠标等;

2、通讯产品:手机,家用座机、卫星等;

3、消费电子产品:冰箱、微波炉、空调等;

4、工业用产品:冲床机、电机等;

5、其它:军事武器、火箭等。

PCB的特点

PCB之所以能得到越来越广泛地应用,因为它有很多独特优点,概栝如下:


1、可高密度化:数十年来,印制板高密度能够随着集成电路集成度提高和安装技术进步而发展着。


2、高可靠性:通过一系列检查、测试和老化试验等可保证PCB长期(使用期,一般为20年)而可靠地工作着。


3、可设计性:对PCB各种性能(电气、物理、化学、机械等)要求,可以通过设计标准化、规范化等来实现印制板设计,时间短、效率高。


4、可生产性:采用现代化管理,可进行标准化、规模(量)化、自动化等生产、保证产品质量一致性。


5、可测试性:建立了比较完整测试方法、测试标准、各种测试设备与仪器等来检测并鉴定PCB产品合格性和使用寿命。


6、可组装性:PC产品既便于各种元件进行标准化组装,又可以进行自动化、规模化批量生产。同时,PCB和各种元件组装部件还可组装形成更大部件、系统,直至整机。


6、可维护性:由于PCB产品和各种元件组装部件是以标准化设计与规模化生产,因而,这些部件也是标准化。所以,一旦系统发生故障,可以快速、方便、灵活地进行更换,迅速恢服系统工作。当然,还可以举例说得更多些。如使系统小型化、轻量化,信号传输高速化等。

PCB板的分类

根据电路层数分类:分为单面板、双面板和多层板。PCB板有以下三种主要的划分类型:


单面板

单面板,在最基本的PCB上,零件集中在其中一面,导线则集中在另一面上(有贴片元件时和导线为同一面,插件器件再另一面)。因为导线只出现在其中一面,所以这种PCB叫作单面板(Single-sided)。因为单面板在设计线路上有许多严格的限制(因为只有一面,布线间不能交叉而必须绕独自的路径),所以只有早期的电路才使用这类的板子。



双面板

双面板,这种电路板的两面都有布线,不过要用上两面的导线,必须要在两面间有适当的电路连接才行。这种电路间的“桥梁”叫做导孔(via)。导孔是在PCB上,充满或涂上金属的小洞,它可以与两面的导线相连接。因为双面板的面积比单面板大了一倍,双面板解决了单面板中因为布线交错的难点(可以通过孔导通到另一面),它更适合用在比单面板更复杂的电路上。


多层板

多层板,为了增加可以布线的面积,多层板用上了更多单或双面的布线板。用一块双面作内层、二块单面作外层或二块双面作内层、二块单面作外层的印刷线路板,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印刷线路板就成为四层、六层印刷电路板了,也称为多层印刷线路板。板子的层数并不代表有几层独立的布线层,在特殊情况下会加入空层来控制板厚,通常层数都是偶数,并且包含最外侧的两层。大部分的主机板都是4到8层的结构,常见的多层板一般为4层板或6层板,复杂的多层板可达几十层。



其次,根据PCB板软硬分类:分为刚性电路板和柔性电路板、软硬结合板:


刚性PCB与柔性PCB的直观上区别是柔性PCB是可以弯曲的。刚性PCB的常见厚度有0.2mm,0.4mm,0.6mm,0.8mm,1.0mm,1.2mm,1.6mm,2.0mm等。柔性PCB的常见厚度为0.2mm﹐要焊零件的地方会在其背后加上加厚层﹐加厚层的厚度0.2mm﹐0.4mm不等。刚性PCB的材料常见的包括﹕酚醛纸质层压板﹐环氧纸质层压板﹐聚酯玻璃毡层压板﹐环氧玻璃布层压板﹔柔性PCB的材料常见的包括﹕聚酯薄膜﹐聚酰亚胺薄膜﹐氟化乙丙烯薄膜。



接下来我们再看看PCB设计的相关知识,一块小小的板子,生产设计过程其实非常麻烦。



PCB设计


所谓的PCB设计,印制电路板的设计是以电路原理图为根据,实现电路设计者所需要的功能。印刷电路板的设计主要指版图设计,需要考虑外部连接的布局。内部电子元件的优化布局。金属连线和通孔的优化布局。电磁保护。热耗散等各种因素。优秀的版图设计可以节约生产成本,达到良好的电路性能和散热性能。简单的版图设计可以用手工实现,复杂的版图设计需要借助计算机辅助设计(CAD)实现。

PCB设计的相关技巧

设置技巧

设计在不同阶段需要进行不同的各点设置,在布局阶段可以采用大格点进行器件布局:


对于IC、非定位接插件等大器件,可以选用50~100mil的格点精度进行布局,而对于电阻电容和电感等无源小器件,可采用25mil的格点进行布局。大格点的精度有利于器件的对齐和布局的美观。


PCB布局规则

1、在通常情况下,所有的元件均应布置在电路板的同一面上,只有顶层元件过密时,才能将一些高度有限并且发热量小的器件,如贴片电阻、贴片电容、贴片IC等放在底层。


2、在保证电气性能的前提下,元件应放置在栅格上且相互平行或垂直排列,以求整齐、美观,在一般情况下不允许元件重叠;元件排列要紧凑,元件在整个版面上应分布均匀、疏密一致。


3、电路板上不同组件相临焊盘图形之间的最小间距应在1MM以上。


4、离电路板边缘一般不小于2MM.电路板的最佳形状为矩形,长宽比为3:2或4:3.电路板面尺大于200MM乘150MM时,应考虑电路板所能承受的机械强度。


布局技巧

在PCB的布局设计中要分析电路板的单元,依据起功能进行布局设计,对电路的全部元器件进行布局时,要符合以下原则:


1、按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置,使布局便于信号流通,并使信号尽可能保持一致的方向。


2、以每个功能单元的核心元器件为中心,围绕他来进行布局。元器件应均匀、整体、紧凑的排列在PCB上,尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。


3、在高频下工作的电路,要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件并行排列,这样不但美观,而且装焊容易,易于批量生产。


PCB设计步骤

布局设计

在PCB中,特殊的元器件是指高频部分的关键元器件、电路中的核心元器件、易受干扰的元器件、带高压的元器件、发热量大的元器件,以及一些异性元器件,这些特殊元器件的位置需要仔细分析,做带布局合乎电路功能的要求及生产的需求。不恰当的放置他们可能产生电路兼容问题、信号完整性问题,从而导致 PCB设计的失败。


在设计中如何放置特殊元器件时首先考虑PCB尺寸大小。快易购指出pcb尺寸过大时,印刷线条长,阻抗增加,抗燥能力下降,成本也增加;过小时,散热不好,且临近线条容易受干扰。在确定PCB的尺寸后,在确定特殊元件的摆方位置。最后,根据功能单元,对电路的全部元器件进行布局。特殊元器件的位置在布局时一般 要遵守以下原则:


1、尽可能缩短高频元器件之间的连接,设法减少他们的分布参数及和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互离的太近,输入和输出应尽量远离。


2、一些元器件或导线有可能有较高的电位差,应加大他们的距离,以免放电引起意外短路。高电压的元器件应尽量放在手触及不到的地方。


3、重量超过15G的元器件,可用支架加以固定,然后焊接。那些又重又热的元器件,不应放到电路板上,应放到主机箱的底版上,且考虑散热问题。热敏元器件应远离发热元器件。


4、对与电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元器件的布局应考虑整块扳子的结构要求,一些经常用到的开关,在结构允许的情况下,应放置到手容易接触到的地方。元器件的布局到均衡,疏密有度,不能头重脚轻。


放置顺序

1、放置与结构有紧密配合的元器件,如电源插座、指示灯、开关、连接器等。


2、放置特殊元器件,如大的元器件、重的元器件、发热元器件、变压器、IC等。


3、放置小的元器件。


布局检查

1、电路板尺寸和图纸要求加工尺寸是否相符合。


2、 元器件的布局是否均衡、排列整齐、是否已经全部布完。


3、各个层面有无冲突。如元器件、外框、需要私印的层面是否合理。


4、常用到的元器件是否方便使用。如开关、插件板插入设备、须经常更换的元器件等。


5、热敏元器件与发热元器件距离是否合理。


6、散热性是否良好。


6、线路的干扰问题是否需要考虑。


PCB设计主要流程

在PCB设计中,其实在正式布线前,还要经过很漫长的步骤,以下就是PCB设计主要的流程:


系统规格


首先要先规划出该电子设备的各项系统规格。包含了系统功能,成本限制,大小,运作情形等等。


功能区块


接下来必须要制作出系统的功能方块图。方块间的关系也必须要标示出来。


将系统分割几个PCB 将系统分割数个PCB的话,不仅在尺寸上可以缩小,也可以让系统具有升级与交换零件的能力。系统功能方块图就提供了我们分割的依据。像是计算机就可以分成主机板、显示卡、声卡、软盘驱动器和电源等等。


决定使用封装方法,和各PCB的大小当各PCB使用的技术和电路数量都决定好了,接下来就是决定板子的大小了。如果PCB设计的过大,那么封装技术就要改变,或是重新作分割的动作。在选择技术时,也要将线路图的品质与速度都考量进去。

PCB设计的注意事项

1、避免在PCB边缘安排重要的信号线,如时钟和复位信号等。


2、机壳地线与信号线间隔至少为4毫米;保持机壳地线的长宽比小于5:1以减少电感效应。


3、已确定位置的器件和线用LOCK功能将其锁定,使之以后不被误动。


4、导线的宽度最小不宜小于0.2mm(8mil),在高密度高精度的印制线路中,导线宽度和间距一般可取12mil。


5、在DIP封装的IC脚间走线,可应用10-10与12-12原则,即当两脚间通过2根线时,焊盘直径可设为50mil、线宽与线距都为10mil,当两脚间只通过1根线时,焊盘直径可设为64mil、线宽与线距都为12mil。


6、当焊盘直径为1.5mm时,为了增加焊盘抗剥强度,可采用长不小于1.5mm,宽为1.5mm和长圆形焊盘。


7、设计遇到焊盘连接的走线较细时,要将焊盘与走线之间的连接设计成水滴状,这样焊盘不容易起皮,走线与焊盘不易断开。


8、大面积敷铜设计时敷铜上应有开窗口,加散热孔,并将开窗口设计成网状。


9、尽可能缩短高频元器件之间的连线,减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近,输入和输出元件应尽量远离。



讲到最后,再来一点涨姿势的内容以做谈资:

PCB板为什么通常都是绿色的呢?


PCB板之所以为绿色,主要是涂了一层绿色的阻焊油,形成的一个阻焊层。


阻焊油涂在PCB板表面的作用:


1、为了尽量保护板上的线路不被外来的异物短路。


2、有了阻焊层,可以减少覆盖上面的铜线容易脱落的可能性。


此外,现在市面上不仅仅有绿色的阻焊油,也有红色和黑色的等其他颜色。

文章来源:缪斯众智


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