印制电路板设计的基本概念

1. 印制电路板概述

在电路图里， 我们所看到的是零件图， 以及连接零件的导线， 除了零件接脚、 导线、 总线外， 大部分的东西， 只要有点电子基础的人， 大都可以看得懂！ 对于印刷电路板 （Printed Circuit Board， PCB） 而言， 可没这么容易看得懂！ 除了电气上的关系外， 还有实体上的空间概念。 在电气上， 相对于电路原理图零件的零件外形 （Footprint）、 电路图零件接脚的焊点 （Pad）， 还有连接不同板层的导孔 （Via）； 在实体方面， 有辅助焊接的防焊层 （Solder Mask）、 锡膏层 （Paste Mask）， 而在电路板表层， 还有打印零件标示图案、 文字的丝印层（Silkscreen） 等。

PCB以一定尺寸的绝缘板为基材， 以铜箔为导线， 经特定工艺加工， 用一层或若干层导电图形 （铜箔的连接关系） 及设计好的孔 （如元件孔、 机械安装孔和金属化过孔等） 来实现元件间的电气连接关系， 它就像在纸上印制上去似的， 故得名印制电路板或称印制线路板。 在电子设备中， 印制电路板可以对各种元件提供必要的机械支撑， 提供电路的电气连接并用标记符号把板上所安装的各个元件标注出来， 以便于插件、 检查及调试。

2. 印制电路板结构

一般来说， 印制电路板的结构有单面板、 双面板和多层板3种。

（1） 单面板。

单面板是一面有敷铜， 另一面没有敷铜的电路板， 它只可在敷铜的一面布线并放置元件。 单面板由于成本低而被广泛应用。 单面板初听起来好像很简单， 容易设计。 实际上并非如此， 由于单面板走线只能在一面上进行， 因此单面板的设计往往比双面板或多层板困难得多。

（2） 双面板。

双面板包括顶层 （Top Layer） 和底层 （Bottom Layer） 两层， 顶层一般为元件面， 底层一般为焊锡层面， 双面板的双面都是敷铜， 都可以布线。 双面板的电路比单面板的电路复杂， 但布线比较容易， 是制作电路板比较理想的选择。

（3） 多层板。

多层板就是包含了3个以上工作层面的电路板。 除了上面讲的顶层、 底层以外， 还包括中间层、 内部电源或接地层等。 随着电子技术的高速发展， 电子产品越来越精密， 电路板也就越来越复杂， 多层电路板的应用越来越广泛。

3. 印制电路板的基本元素

（1） 铜膜导线。

铜膜导线也称铜膜走线， 简称导线， 用于连接各个焊点， 是印制电路板最重要的部分。

印制电路板设计都是围绕如何布置导线来进行的。 与导线有关的另一种线， 常称之为飞线， 即预拉线， 飞线是在引入网络表后， 系统根据规则生成的， 用来指引布线的一种连线。

飞线与导线有本质的区别， 飞线只是一种形式上的连线。 它只是形式上表示出各个焊点间的连接关系， 没有电气的连接意义， 导线则是根据飞线指示的焊点间的连接关系而布置的， 是具有电气连接意义的连接线路。

（2） 焊点。

焊点 （Pad） 的作用是放置焊锡、 连接导线和元件引脚。 焊点是PCB设计中最常接触，也最重要的概念。 选择焊点类型要综合考虑该元件的形状、 大小、 布置形式、 振动和受热情况等。 焊点的形状有圆形、 方形、 八角、 圆方形等， 新版软件还允许用户自行设计焊点形状。 例如， 对于发热、 受力、 电流较大的焊点， 可以设计成 “泪滴状” 焊点。 自行设计或编辑焊点时， 要考虑以下几个方面的因素：

1） 形状上长短不一致时， 要考虑连线的宽度与焊点特定边长的大小差异不能太大。

2） 需要在元件之间走线时， 选用长短不对称的焊点往往能收到 “事半功倍” 的效果。

3） 各元件焊点孔的大小要按照元件引脚粗细分别进行编辑确定， 一般孔的尺寸比元件引脚直径大0.2～0.4mm。

（3） 导孔。

导孔 （Via） 的作用是连接不同板层间的导线， 在各层需要连通的导线交汇处钻一个公共孔——导孔。 导孔有3种：

1） 从顶层贯通到底层的穿透式导孔。

2） 从顶层通到内层或从内层通到底层的盲导孔。

3） 内层间的隐藏导孔。

导孔从上面看上去有两个尺寸， 即通孔直径和导孔直径， 如图4－1所示。 通孔和导孔之间的孔壁由与导线相同的材料构成，用于连接不同的板层的导线。

设计线路时， 对导孔的处理原则如下：

1） 尽量少用导孔， 一旦选用了导孔， 就务必要处理好导孔和它周边各个实体之间的间隙， 特别是容易被忽视的中间各层与导孔不相连的线与导孔的间隙。

图4－1 导孔尺寸

2） 需要的载流量越大， 所需的导孔尺寸越大， 如电源层和接地层与其他层连接所用的导孔就要大一点。

（4） 助焊膜和阻焊膜。

各类膜 （Mask） 不仅是PCB制作工艺过程中必不可少的， 而且更是元件焊接的必要条件。 按膜所处的位置及作用， 膜可以分为元件面 （或焊接面） 助焊膜 （Solder） 和元件面（或焊接面） 阻焊膜 （Paste Mask） 两类。 助焊膜是涂于焊点上， 提高可焊性能的一层膜。阻焊膜的情况则正好相反， 为了使制成的板子适应波峰焊等焊接形式， 要求板子上非焊点处的铜箔不能粘焊锡， 因此， 在焊点之外的各个部位都要涂覆一层涂料， 用于阻止这些部位上锡。 可见， 助焊膜和阻焊膜是一种互补关系。

（5） 过孔。

实现不同板层间的电气连接， 也即连接两个层面上的铜膜走线。 这种连接两面电路间的“桥梁” 叫做过孔 （Via）。 过孔是在PCB上充满或涂上金属的小洞， 它可以与两面的导线相连接。

当铜膜导线在某层受到阻挡无法布线时， 可钻上一个孔， 通过该孔翻到另一层继续布线（尽量少用过孔， 需要的载流量越大， 所需过孔越大）。

过孔主要有3种：

1） 穿透式过孔 （Through）： 从顶层一直打到底层的过孔。

2） 半盲孔 （Blind）： 从顶层通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 （半隐藏式）。

3） 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（隐藏式）。

4. 印制电路板设计中的层

Protel提供了若干不同类型的工作层面： 顶层 （Top Layer）、 底层 （Bottom Layer）、 机械层 （Mechanical Layer）、 顶层丝印层 （Top Over Layer）、 禁止布线层 （Keep Out Layer）、多层 （Multi－Layer） 等。

（1） 信号层 （Signal Layers）。

信号层主要用来放置元件和导线。 包括32层， 即顶层、 底层及30个中间层 （Mid Layer）。 对于单面板顶层不可布线， 底层是唯一可以布线的工作层。

（2） 内部电源， 接地层 （Internal Planes）。

内部电源／接地层主要用于放置电源和地线， 共可放置16层， 是一块完整的铜箔。 可直接连到元件的电源和地线引脚。 这样单独设置电源和接地层的方法， 可以最大限度地减少电源和地之间连线的长度， 可以将电路板表层布线大大简化， 同时也对电路中的高频信号的辐射起到了良好的屏蔽作用， 特别适用于较复杂的电路。

（3） 机械层 （Mechanical Layer）。

机械层一般用于放置各种指示和说明性文字， 如电路板尺寸、 孔洞信息。 共可放置16层。 在PCB层数不多的情况下通常只用一个机械层。

（4） 阻焊层 （Solder Mask Layers）。

阻焊层有2层， 即顶层阻焊层 （Top Solder Mask） 和底层阻焊层 （Bottom Solder Mask），将不需要焊接的地方涂上阻焊剂， 阻焊剂能防止板子上焊锡随意流动， 避免非焊盘处的铜箔粘锡， 而造成各种对象之间的短路。 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。 同时， 阻焊层能将铜膜导线覆盖住， 防止铜膜过快在空气中氧化， 但是在焊点处留出位置， 并不覆盖焊点。

（5） 助焊层 （锡膏防护层Paste Mask Layers）。

助焊层有两层， 用于将表面贴装元件 （SMD） 粘贴到电路板上。 对于针脚式元件， 涂于焊盘上， 提高可焊性能的一层膜。

（6） 丝印层 （Silkscreen Layers）。

丝印层主要用于绘制元件的轮廓、 放置元件的编号名称、 参数等其他文本信息。 为了焊接元件或维护时便于查找元件而设置的， 共2层。 对于单层板来说， 因只在顶层放置元件，故只选择顶层丝印层。

需要指出的是， 在设计丝印层时， 不能只注意布置的美观而忽略实际制作的PCB效果。要注意， 字符不能被元件盖住， 不能侵入助焊区 （在制作PCB板时会被抹掉）， 不能将元件标号打到别的元件上去等。

（7） 禁止布线层 （Keep0ut Layer）。

禁止布线层也即允许布线的范围， 用于定义放置元件和布线的范围。 自动布线和布局都要预先设定好。

（8） 多层 （Multi－Layers）。

该层又叫穿透层， 用于放置所有穿透式焊盘和过孔在每层都可见的符号。