第一章 印制線路板的基礎知識

第一章印制線路板的基礎知識一、印刷電路板（Printedcircuitboard，PCB）

PCB是印刷電路板(即PrintedCircuitBoard)的簡稱。又稱印制電路板、印刷線路板，由于它是采用電子印刷術制作的，故被稱為“印刷”電路板。印刷電路板是組裝電子零件用的基板，是在通用基材上按預定設計形成點間連接及印制元件的印制板。該產品的主要功能是使各種電子零組件形成預定電路的連接，起中繼傳輸?shù)淖饔?，是電子產品的關鍵電子互連件，有“電子產品之母”之稱。PCB作為電子零件裝載的基板和關鍵互連件，任何電子設備或產品均需配備。

歷史

在印制電路板出現(xiàn)之前，電子元件之間的互連都是依靠電線直接連接而組成完整的線路?，F(xiàn)在，電路面包板只是作為有效的實驗工具而存在，而印刷電路板在電子工業(yè)中已經(jīng)成了占據(jù)了絕對統(tǒng)治的地位。20世紀初，人們?yōu)榱撕喕娮訖C器的制作，減少電子零件間的配線，降低制作成本等優(yōu)點，于是開始鉆研以印刷的方式取代配線的方法。三十年間，不斷有工程師提出在絕緣的基板上加以金屬導體作配線。而最成功的是1925年，美國的CharlesDucas在絕緣的基板上印刷出線路圖案，再以電鍍的方式，成功建立導體作配線。[1]

直至1936年，奧地利人保羅·愛斯勒（PaulEisler）在英國發(fā)表了箔膜技術[1]，他在一個收音機裝置內采用了印刷電路板；而在日本，宮本喜之助以噴附配線法“メタリコン法吹著配線方法(特許119384號)”成功申請專利。[2]而兩者中PaulEisler的方法與現(xiàn)今的印刷電路板最為相似，這類做法稱為減去法，是把不需要的金屬除去；而CharlesDucas、宮本喜之助的做法是只加上所需的配線，稱為加成法。雖然如此，但因為當時的電子零件發(fā)熱量大，兩者的基板也難以配合使用[1]，以致未有正式的實用作，不過也使印刷電路技術更進一步。1941年，美國在滑石上漆上銅膏作配線，以制作近接信管。1943年，美國人將該技術大量使用于軍用收音機內。1947年，環(huán)氧樹脂開始用作制造基板。同時NBS開始研究以印刷電路技術形成線圈、電容器、電阻器等制造技術。1948年，美國正式認可這個發(fā)明用于商業(yè)用途。自20世紀50年代起，發(fā)熱量較低的晶體管大量取代了真空管的地位，印刷電路版技術才開始被廣泛采用。而當時以蝕刻箔膜技術為主流[1]。1950年，日本使用玻璃基板上以銀漆作配線；和以酚醛樹脂制的紙質酚醛基板（CCL）上以銅箔作配線。[1]

1951年，聚酰亞胺的出現(xiàn)，便樹脂的耐熱性再進一步，也制造了聚亞酰胺基板。[1]

1953年，Motorola開發(fā)出電鍍貫穿孔法的雙面板。這方法也應用到后期的多層電路板上。[1]印刷電路板廣泛被使用10年后的60年代，其技術也日益成熟。而自從Motorola的雙面板面世，多層印刷電路板開始出現(xiàn)，使配線與基板面積之比更為提高。1960年，V.Dahlgreen以印有電路的金屬箔膜貼在熱可塑性的塑膠中，造出軟性印刷電路板。[1]

1961年，美國的HazeltineCorporation參考了電鍍貫穿孔法，制作出多層板。[1]1967年，發(fā)表了增層法之一的“Plated-uptechnology”。[1][3]

1969年，F(xiàn)D-R以聚酰亞胺制造了軟性印刷電路板。[1]

1979年，Pactel發(fā)表了增層法之一的“Pactel法”。[1]

1984年，NTT開發(fā)了薄膜回路的“CopperPolyimide法”。[1]

1988年，西門子公司開發(fā)了MicrowiringSubstrate的增層印刷電路板。[1]

1990年，IBM開發(fā)了“表面增層線路”（SurfaceLaminarCircuit，SLC）的增層印刷電路板。[1]

1995年，松下電器開發(fā)了ALIVH的增層印刷電路板。[1]

1996年，東芝開發(fā)了B2it的增層印刷電路板。[1]

就在眾多的增層印刷電路板方案被提出的1990年代末期，增層印刷電路板也正式大量地被實用化，直至現(xiàn)在。制造印刷電路板基材基材普遍是以基板的絕緣部分作分類，常見的原料為電木板、玻璃纖維板，以及各式的塑膠板。而PCB的制造商普遍會以一種以玻璃纖維、不織物料、以及樹脂組成的絕緣部分，再以環(huán)氧樹脂和銅箔壓制成“黏合片”（prepreg）使用。而常見的基材及主要成份有：FR-1──酚醛棉紙，這基材通稱電木板（比FR-2較高經(jīng)濟性）FR-2──酚醛棉紙，F(xiàn)R-3──棉紙（Cottonpaper）、環(huán)氧樹脂F(xiàn)R-4──玻璃布（Wovenglass）、環(huán)氧樹脂F(xiàn)R-5──玻璃布、環(huán)氧樹脂F(xiàn)R-6──毛面玻璃、聚酯

G-10──玻璃布、環(huán)氧樹脂CEM-1──棉紙、環(huán)氧樹脂（阻燃）CEM-2──棉紙、環(huán)氧樹脂（非阻燃）CEM-3──玻璃布、環(huán)氧樹脂CEM-4──玻璃布、環(huán)氧樹脂CEM-5──玻璃布、多元酯AIN──氮化鋁SIC──碳化硅金屬涂層金屬涂層除了是基板上的配線外，也就是基板線路跟電子元件焊接的地方。此外，不同的金屬也有不同的價錢，不同的會直接影響生產的成本；不同的金屬也有不同的可焊性、接觸性，也有不同的電阻阻值，也會直接影響元件的效能。常用的金屬涂層有：銅，錫－－厚度通常在5至15μm[4]

鉛錫合金（或錫銅合金）即焊料，厚度通常在5至25μm，錫含量約在63%[4]

金一般只會鍍在接口[4]

銀一般只會鍍在接口，或以整體也是銀的合金電路板的基本組成

目前的電路板，主要由以下組成線路與圖面(Pattern):線路是做為原件之間導通的工具，在設計上會另外設計大銅面作為接地及電源層。線路與圖面是同時做出的。介電層(Dielectric):用來保持線路及各層之間的絕緣性，俗稱為基材

孔(Throughhole/via):導通孔(PTH)的目的是要讓兩層次以上的線路可以彼此導通較大的導通孔則做為零件插件用，另外有非導通孔(nPTH)通常用來作為SMT定位，組裝時固定螺絲用防焊油墨(中國稱為綠油)(Solderresistant/SolderMask)

:并非全部的銅面都要吃錫上零件，因此非吃錫的區(qū)域，會印一層隔絕銅面吃錫的物質(通常為環(huán)氧樹脂)，避免非吃錫的線路間短路。電路板的基本組成

文字（Legend/Marking/Silkscreen):此為非必要之構成，主要的功能是在電路板上標注各零件的名稱，方便組裝后維修及辨識用。表面處理(SurfaceFinich):由于銅面在一般環(huán)境中，很容易氧化，導致無法上錫(焊錫性不良)，因此會在要吃錫的銅面上進行保護。保護的方式有噴錫(HASL)，化金(ENIG)，化銀(ImmersionSilver)，化錫(ImmersionTin)，有機保焊劑(OSP)，方法各有優(yōu)缺點，統(tǒng)稱為表面處理線路設計

印制電路板的設計是以電子電路圖為藍本，實現(xiàn)電路使用者所需要的功能。印刷電路板的設計主要指版圖設計，需要內部電子元件、金屬連線、通孔和外部連接的布局、電磁保護、熱耗散、串音等各種因素。優(yōu)秀的線路設計可以節(jié)約生產成本，達到良好的電路性能和散熱性能。簡單的版圖設計可以用手工實現(xiàn)，但復雜的線路設計一般也需要借助計算機輔助設計（CAD）實現(xiàn)，而著名的設計軟件有AutoCAD、OrCAD、PowerPCB、FreePCB、CAM350、PROTEL等?；局谱鞲鶕?jù)不同的技術可分為消除和增加兩大類過程。減去法減去法（Subtractive），是利用化學品或機械將空白的電路板（即鋪有完整一塊的金屬箔的電路板）上不需要的地方除去，余下的地方便是所需要的電路。絲網(wǎng)印刷：把預先設計好的電路圖制成絲網(wǎng)遮罩，絲網(wǎng)上不需要的電路部分會被蠟或者不透水的物料覆蓋，然后把絲網(wǎng)遮罩放到空白線路板上面，再在絲網(wǎng)上油上不會被腐蝕的保護劑，把線路板放到腐蝕液中，沒有被保護劑遮住的部份便會被蝕走，最后把保護劑清理。。感光板：把預先設計好的電路圖制在透光的膠片遮罩上（最簡單的做法就是用打印機印出來的投影片），同理應把需要的部份印成不透明的顏色，再在空白線路板上涂上感光顏料，將預備好的膠片遮罩放在電路板上照射強光數(shù)分鐘，除去遮罩后用顯影劑把電路板上的圖案顯示出來，最后如同用絲網(wǎng)印刷的方法一樣把電路腐蝕?？逃。豪勉姶不蚶咨涞窨虣C直接把空白線路上不需要的部份除去加成法

加成法（Additive），現(xiàn)在普遍是在一塊預先鍍上薄銅的基板上，覆蓋光阻劑（D/F)，經(jīng)紫外光曝光再顯影，把需要的地方露出，然后利用電鍍把線路板上正式線路銅厚增厚到所需要的規(guī)格,再鍍上一層抗蝕刻阻劑－金屬薄錫，最后除去光阻劑（這制程稱為去膜），再把光阻劑下的銅箔層蝕刻掉。產業(yè)現(xiàn)狀由于印制電路板的制作處于電子設備制造的后半程，因此被成為電子工業(yè)的下游產業(yè)。幾乎所有的電子設備都需要印制電路板的支持，因此印制電路板是全球電子元件產品中市場份額占有率最高的產品。目前日本、中國、臺灣、西歐和美國為主要的印制電路板制造基地由流程圖看出生產流程主要有三個階段：1、PCB設計前的仿真分析階段

設計人員在原理設計的過程中，對PCB設計作出總體規(guī)劃和詳細設計，制定相關的設計規(guī)則、規(guī)范用于指導后續(xù)整個產品的開發(fā)設計。

2、PCB設計后的仿真分析階段

在PCB的布局、布線過程中，PCB設計人員需要對產品的信號完整性、電源完整性、電磁兼容性、產品散熱情況作出評估（即軟件仿真測試）。若評估的結果不能滿足產品的性能要求，則需要修改PCB圖、甚至原理設計，這樣可以降低因設計不當而導致產品失敗的風險，在PCB制作前解決一切可能發(fā)生的設計問題，盡可能達到一次設計成功的目的。該流程的引入，使得產品設計一次成功成為了現(xiàn)實

3、測試驗證階段

設計人員在測試驗證階段，一方面驗證產品的功能、性能的指標是否滿足產品的設計要求。另外一個方面，可以驗證在PCB設計前的仿真分析階段和PCB設計后的仿真分析階段所做的所有的仿真工作、分析工作是否是準確、可靠，為下一個產品開發(fā)奠定很好的理論和實際相結合的基礎。

結論從上面的流程我們可以很明顯的看出，DXP軟件在PCB設計的流程中屬于最后兩個環(huán)節(jié)，其基礎性和重要性可見一斑。信號完整性(SI)

電磁干擾(EMI)電磁兼容性(EMC)PCB的設計方法PCB設計流程原理圖設計：規(guī)范，清晰，符合電氣規(guī)則報表文件：網(wǎng)絡表元器件清單仿真文件，DCR文件印制板PCB設計：生成印制板報表CAM文件。（1）設計準備(2）規(guī)則設置（3）網(wǎng)表輸入

（4）布局（5）布線（6）檢查（5）調整（8）輸出第2章ProtelDXP基礎 2.1ProtelDXP軟件介紹2.2ProtelDXP工作總體流程2.3ProtelDXP設計環(huán)境2.4ProtelDXP的文件管理思考題與練習題4.1ProtelDXP軟件介紹Protel系列軟件是深受電子工程師喜愛的一套板級設計軟件，其最初的版本是20世紀80年代運行于DOS下的TANGO、ProtelSchematic和Autotrax。

ProtelDXP是Altium公司于2002年推出的一套電路板設計軟件平臺，主要運行在Windows2000和WindowsXP上。

現(xiàn)在的ProtelDXP已不是單純的PCB(印制電路板)設計工具，而是一套由五大模塊組成的系統(tǒng)軟件，它們分別是SCH(原理圖)設計、SCH仿真、PCB(印制電路板)設計、AutoRouter(自動布線器)和FPGA設計，覆蓋了以PCB為核心的整個物理設計。ProtelDXP在文件交換方面也有很大的進展。它可以毫無障礙地讀Orcad、Pads、Accel(PCAD)等EDA公司的設計文件；可以輸入和輸出DXF、DWG格式文件，實現(xiàn)和AutoCAD等軟件的數(shù)據(jù)交換；也可以輸出格式為Hyperlynx的文件，用于板級信號仿真。ProtelDXP作為新推出的優(yōu)秀的電子CAD設計軟件，具有以下特點：

(1)通過設計文件包的方式，將原理圖編輯、電路仿真、PCB圖設計以及打印這些功能有機地結合在一起，提供了一個集成開發(fā)環(huán)境。

(2)提供了混合電路仿真功能，為設計者檢驗原理圖電路中某些功能模塊的正確與否提供了方便。

(3)提供了豐富的原理圖元件庫和PCB封裝庫，并且為設計新的器件封裝提供了封裝向導程序，簡化了封裝設計過程。(4)提供了層次原理圖設計方法，支持“自上向下”的設計思想，使大型電路設計的工作組開發(fā)方式成為可能。

(5)提供了強大的查錯功能。原理圖中的ERC(電氣法檢查)工具和PCB圖的DRC(設計規(guī)則檢查)工具能幫助設計者更快地查出和改正錯誤。

(6)全面兼容Protel系列以前的版本設計文件，并提供了與OrCAD格式文件的轉換功能。

(7)提供了全新的FPGA設計的功能，這是以前的版本所沒有提供的功能。4.2ProtelDXP工作總體流程1.設計原理圖元件雖然ProtelDXP提供了豐富的原理圖元件庫，但是并不可能將所有的元件都收到這些庫中。

2.繪制原理圖在找到所有需要的原理圖元件后，可以開始原理圖的繪制。根據(jù)具體電路的復雜程度決定是否需要使用層次原理圖。3.生成網(wǎng)絡表網(wǎng)絡表是原理圖(Schematic)設計與印制電路板(PCB)設計之間的一座橋梁。網(wǎng)絡表可以從原理圖中獲得，也可以從印制電路板中提取。

4.設計元件封裝與原理圖元件庫一樣，ProtelDXP也不可能提供所有元件封裝。如果發(fā)現(xiàn)元件封裝庫中沒有需要的元件，可以自己動手設計元件封裝。5.設計PCB

在確認原理圖沒有錯誤之后，就可以開始PCB板的繪制工作了。首先根據(jù)系統(tǒng)設計和工藝要求，繪制PCB板輪廓，并確定PCB的工藝要求(如使用幾層板，加工精度等)；然后將原理圖傳輸?shù)絇CB板中來，在網(wǎng)絡表、設計規(guī)則和原理圖的引導下布局和布線；最后利用DRC(設計規(guī)則檢查)工具查錯。

6.生成報表并打印文檔整理是非常有必要的，良好的文檔給今后的維護、改進都會帶來極大的方便。需要打印的文檔包括原理圖、PCB圖的絲印層以及器件清單文件等各種報表文件，這些報表也是重要的工藝設計文件。設計文件應以磁盤文檔的方式保存。4.3ProtelDXP設計環(huán)境4.3.1

ProtelDXP設計環(huán)境當用戶啟動ProtelDXP后，系統(tǒng)將進入ProtelDXP管理器設計環(huán)境(DesignExplorer)，如圖4.1所示，所有ProtelDXP功能都是從這個環(huán)境啟動的。ProtelDXP設計環(huán)境與以前各個版本的設計環(huán)境有些不同，它采用的是WindowsXP風格的界面。圖4.1ProtelDXP的設計環(huán)境4.3.2

ProtelDXP組成在ProtelDXP設計環(huán)境下，單擊菜單【File】/【New】命令，從【New】子菜單中可以選擇建立項目文件，包括PCB、Schematic、FPGA、VHDL以及相關的庫(Library)文件。

【New】子菜單如圖4.2所示。圖4.2【New】子菜單的命令(1)?Schematic(原理圖)設計編輯。選中【File】菜單中的【Schematic】命令，即可啟動原理圖設計的模塊，進行原理圖的繪制工作。

(2)?VHDL程序的編寫。選中【VHDLDocument】命令，即可啟動VHDL程序的編寫模塊。

(3)?PCB的設計制作。選中【PCB】命令，即可啟動印制電路板的設計模塊。

(4)原理圖元件庫的生成。選中【SchematicLibrary】命令，即可打開生成和管理元件庫的模塊進行相應的工作。(5)?PCB庫的生成。選中【PCBLibrary】命令，即可啟動封裝庫的生成模塊。

(6)?PCB項目。執(zhí)行【PCBProject】命令可以打開或生成一個印制電路板(PCB)設計項目，在該項目中可以添加原理圖的繪制、PCB印制板的設計和VHDL程序的編寫模塊設計工作。

(7)?FPGA項目。執(zhí)行【FPGAProject】命令可啟動現(xiàn)場可編程門陣列項目設計模塊，在其中也可以添加原理圖的繪制、PCB的設計、VHDL程序的編寫模塊設計工作。(8)集成化庫文件的管理。執(zhí)行【IntegratedLibrary】命令可以啟動集成化庫文件的管理模塊，包括具有與PCB管腳定義、Spice和信號完整性模塊相關的原理圖庫文件。

(9)嵌入式設計項目的生成。執(zhí)行【EmbeddedProject】命令可以啟動嵌入式系統(tǒng)項目設計模塊，在其中也可以添加原理圖的繪制、PCB的設計、VHDL程序的編寫模塊設計工作。

(10)?TextDocument。執(zhí)行該命令可啟動一個文本文件編輯模塊。

(11)?CAMDocument。執(zhí)行該命令可啟動一個CAM(計算機輔助制造)文件生成模塊。4.4ProtelDXP的文件管理ProtelDXP將所有的設計文檔保存為獨立的文件，可以使用Windows資源管理器找到它們。項目文件中包含指向它們的連接和必要的項目維護信息。因此，在以后的敘述中，文檔和文件表示同一個意思，不再區(qū)分。在ProtelDXP中，設計文檔的擴展名不再沿用以前的擴展名，具體參見表4.1。表4.1ProtelDXP設計文檔擴展名1.創(chuàng)建一個新文件項目(Project)

在圖4.1所示的ProtelDXP的設計環(huán)境下，執(zhí)行菜單命令【File】/【New】/【PCBProject】，如圖4.3所示。圖4.3ProtelDXP菜單

執(zhí)行了這命令之后，ProtelDXP就創(chuàng)建了一個新的PCB項目，并使用了缺省的名字“PCBProject1.PrjPCB”。從集成環(huán)境左側的項目管理器【Projects】面板中可以看到這個新建的項目，如圖4.4所示。圖4.4新建的項目2.保存項目文件執(zhí)行菜單命令【File】/【SaveProjectAs】，在彈出如圖4.5所示的保存項目文件對話框中選擇合適的路徑，并修改文件名為“Exa601.PRJPCB”。這樣，一個新的項目文件創(chuàng)建完畢，如圖4.6所示。圖4.5保存項目對話框圖4.6新項目文件3.在項目中創(chuàng)建一個新的PCB文件剛才創(chuàng)建的是新項目，現(xiàn)在需要往這個項目中添加文件?？梢蕴砑拥奈臋n類型很多，有原理圖、原理圖庫、PCB庫和VHDL文檔等，詳細的內容會在以后各章講解。下面介紹添加一個PCB文檔的方法。

在如圖4.6所示的項目管理器中，當前項目的名字已經(jīng)換成了“Exa601.PRJPCB”。執(zhí)行菜單【File】/【New】/【PCB】命令，ProtelDXP就會直接在當前項目中添加一個新的PCB文檔，并且使用缺省的文件名“PCB1.PCBDOC”。通過執(zhí)行菜單【File】/【SaveAs】命令，可以將這個文檔重新命名為“main.PCBDOC”保存，如圖4.7所示。圖4.7創(chuàng)建新的PCB文件4.在項目中創(chuàng)建一個新的原理圖文件在如圖4.6所示的項目管理器中，執(zhí)行菜單命令【File】/【New】/【Schematic】，ProtelDXP就會直接在當前項目中添加一個新的原理圖文檔，并且使用缺省的文件名“Sh