PCB的基础知识概述

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Spring  2023

╱PCB的概念和功能╱

PCB（PrintedCircuitBoard），中文名称为印制电路板，又称印刷电路板、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提供者。由于它是采用电子印刷术制作的，故被称为“印刷”电路板。

焊盘：提供集成电路等各种电子元器件固定、装配的机械支撑。　

走线：实现集成电路等各种电子元器件之间的布线和电气连接（信号传输）或电绝缘。提供所要求的电气特性，如特性阻抗等。　

绿油和丝印：为自动装配提供阻焊图形，为元器件插装、检查、维修提供识别字符和图形。

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╱PCB分类╱

按材质分：有机材质（酚醛树脂、玻璃纤维/环氧树脂、聚酰亚胺、BT/Epoxy）、无机材质：（铝、MCPCB、陶瓷）

按结构分：单面板、双面板、多层板

硬度性能：硬板、软板、软硬结合板

孔的导通状态：埋孔板、盲孔版、通孔板

表面制作：喷锡板、镀金板、沉金板、金手指板、沉锡板、沉银板

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╱PCB常用基材╱

常用的FR-4覆铜板包括以下几个部分：

玻璃纤维布

环氧树脂

铜箔

填料

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╱ PCB的组成结构 ╱

 

参见上面的PCB图片，印刷电路板（PCB）主要的几个概念：

器件（Part）：焊接在PCB板上的元器件，这也是PCB的作用所在，在PCB光板上器件以焊盘+丝印的方式出现

焊盘（Pad）：通过电气的方式将元器件的管脚连接在板子上，它与器件的管脚相对应

走线（Track/Trace）：连接器件管脚之间的信号线，取决于信号的性质，比如电流大小、速度等，走线的长度、宽度等也有所不同

过孔（Via）：如果电路不能在一个层面上实现所有的信号走线，就要通过过孔的方式将信号线进行跨层连接，过孔的形式以及孔径取决于信号的特性以及加工厂工艺的要求

层（layer） ：电路板分很多层，除了走信号的层之外，还有其它用于定义加工用的层等

丝印（silk screen/overlay）： 也可以叫丝印层，用于对器件进行各种相关的信息标注

阻焊层（Solder mask）：从字面上也可以理解出来是为了防止没有电气连接的临近的管脚被误焊的保护层

定位孔（Mounting hole）：为了安装或调试方便放置的孔

铜箔：单位OZ，在PCB行业一般指厚度。1OZ的定义：一平方英尺面积单面覆盖铜箔重量1OZ（28.35g)的铜层厚度，1OZ铜箔厚度为35um。一般薄铜箔指0.5OZ(18um)以下厚度的铜箔。

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╱ PCB的分层设计╱

 

PCB是分层的，每一层的功能和定义是不同的，从该页中可以看出除了连接信号的层之外，还有一些用于加工、安装以及指示的层。在用CAD工具设计PCB的时候一定要清晰理解这些层的含义和作用，正确地进行layer的设置和使用。

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╱ PCB的过孔设计 ╱

 

用于信号跨层的时候连通不同层的，根据连接的信号层的设置，可以分为三种：

通孔（through hole）- 连通了上下两层，上下都可见

埋孔（Buried via）- 在电路板内部，连接电路板内部的两个层，表面上看不到

盲孔（Blind via）- 只有一面能看到，另外一面看不到，该孔将一个表面层的信号连接到内部的某个信号层

过孔的形状和尺寸也不是随便设置的，它取决于连接的信号的特性以及PCB加工厂的工艺要求。

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╱PCB制作流程╱

 

部分流程详细介绍：

内层：裁板→前处理→涂布→曝光→显影→蚀刻→去膜→内检

目的:利用影像转移原理制作内层线路

压合：棕化→铆合→叠板→压合→X-RAY钻靶→后处理

目的：将铜箔（Copper)、胶片（Prepreg)与棕化处理后的内层线路板压合成多层板

外层：钻孔→去毛头→去胶渣→化学铜→一次铜

目的:使孔壁上的非导体部分之树脂及玻璃纤维进行金属化，

方便进行后续之电镀铜制程,完成足够导电及焊接之金属孔壁。

防焊：前处理→印刷→预烤→曝光→显影→后烤→文字印刷→烘烤

防焊目的：

 A.防焊：防止波焊时造成的短路，并节省焊锡之用量

 B.护板：防止线路被湿气、各种电解质及外来的机械力所伤害

 C.绝缘：由于板子愈来愈小，线路间距愈来愈窄，所以对防焊漆绝缘性质的要求也越來越高

化金流程：前处理→化镍金→后处理

目的：使铜表面有平坦的焊接性、优越的导电性及抗氧化性

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╱PCB上器件根据不同标准进行不同划分╱

按功能划分：按电路模块实现的功能不同划分，如时钟电路、放大电路、驱动电路、A/D、D/A转换电路、I/O电路、开关电源电路和滤波电路等，PCB设计时可根据信号流向对整个电路进行模块划分，达到整体布线路径短，各模块互不交错，减少模块间互相干扰的可能。

按频率划分：按信号工作频率划分，布局时按高频部分、中频部分、低频部分展开。

按信号类型划分：电路模块的类型可分为数字电路和模拟电路。在布局时需要在空间上进行必要的隔离，减小相互耦合，对于A/D、D/A转换电路，应布放在数字电路和模拟电路的交界处，模拟部分引脚位于模拟地上方，数字部分的引脚位于数字地上方。

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╱元器件布局的10条规则╱

1. 遵照“先大后小，先难后易”的布置原则，即重要的单元电路、核心元器件应当优先布局．

2. 布局中应参考原理框图，根据单板的主信号流向规律安排主要元器件．

3. 元器件的排列要便于调试和维修，亦即小元件周围不能放置大元件、需调试的元、器件周围要有足够的空间。 

4. 相同结构电路部分，尽可能采用“对称式”标准布局；

5. 按照均匀分布、重心平衡、版面美观的标准优化布局； 

6. 同类型插装元器件在X或Y方向上应朝一个方向放置。同一种类型的有极性 分立元件也要力争在X或Y方向上保持一致，便于生产和检验。 

7. 发热元件要一般应均匀分布，以利于单板和整机的散热，除温度检测元件以外的温度敏感器件应远离发热量大的元器件。 

8. 布局应尽量满足以下要求:总的连线尽可能短，关键信号线最短；高电压、大电流信号与小电流，低电压的弱信号完全分开；模拟信号与数字信号分开；高频信号与低频信号分开；高频元器件的间隔要充分。

9、去偶电容的布局要尽量靠近IC的电源管脚，并使之与电源和地之间形成的回路最短。 

10、元件布局时,应适当考虑使用同一种电源的器件尽量放在一起, 以便于将来的电源分隔。 

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╱ PCB翘曲问题 ╱

PCB通常由玻璃纤维和其他一些复合材料制成，大多数PCB仅层压一次并且非常简单。

PCB翘曲就是PCB形状改变了，具体的如下图所示，很明显的PCB翘曲。

 

PCB翘曲标准是多少？

根据IPS标准，所需贴装PCB的翘曲度（WD）应小于或等于0.75%。也就是说，当WD大于0.75%时，应判断为翘板，或缺陷产品。一般我们会收严至PCB最大长度0.5%。

PCB翘曲原因：

1. 电路板上的铺铜面面积不均匀，会恶化PCB板翘曲。

2. 电路板上各层的过孔(vias)会限制板子涨缩

3. 电路板本身的重量会造成板子翘曲变形

4. V-Cut的深浅及连接条会影响拼板变形量

改善措施：

1.降低温度对板子应力的影响

2. 采用高Tg的板材

Tg是玻璃转换温度，也就是材料由玻璃态转变成橡胶态的温度，Tg值越低的材料，表示其板子进入回焊炉后开始变软的速度越快，而且变成柔软橡胶态的时间也会变长，板子的变形量当然就会越严重。采用较高Tg的板材就可以增加其承受应力变形的能力，但是相对的材料的价钱也比较高。

3. 增加电路板的厚度---1.6mm厚度最佳

4. 减少电路板的尺寸与减少拼板的数量

5. 使用过炉托盘治具

6. 改用Router替代V-Cut的分板使用

既然V-Cut会破坏电路板间拼板的结构强度，那就尽量不要使用V-Cut的分板，或是降低V-Cut的深度。

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╱ 为什么PCB的层数越多越好 ╱

现在随着IC制程工艺的提高，数字信号上升沿时间也在“被动地”变短，以前只需要考虑把线拉通的PCB，越来越多的需要在布线时考虑到传输线效应，以便能更好的引导电磁波，避免出现信号完整性问题以及符合EMC性能，而单层板或者双层板，对于现在的IC集成度以及布线密度，很难有空间构造出良好的传输线结构，这就需要采用四层板，甚至是六层板，把富含高次谐波的关键信号采用带状线进行传输。

随着半导体技术的发展，我们不得不考虑采用多层板来构造传输线进行电磁波的引导。

审核编辑：刘清