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发表于 2020-5-6 10:49:09
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印制电路板的英文全称为 Printed Circuit Board，简称PCB。在学习绘制PCB前，需要了解一些PCB有关基础知识，包括：
（1）单面板/双面板/多层板
（2）金属化孔
（3）板层
1、单面板、双面板和多层板
PCB按铜箔的层数分为单面板、双面板和多层板。
（1）如图1所示，单片板只有一面有铜箔，板材经常使用廉价的酚醛树脂。为适应单面走线，多为针插元件。绿色为阻焊层（防止焊锡粘连），实际可以做成多种颜色。
（2）如图2所示，双面板正反两面均有铜箔可布线，板材一般是高强度的环氧玻纤。白色部分为丝印层，双面板比单面板的布线要容易的多，大量电路的布线可以通过双面板实现。
（3）多层板一般是偶数，4/6/8层等等，实际多层板是由多个很薄的单层板和双层板压制而成的。当遇到电路特别复杂，双面板无法完成布线，或者电路性能要求高时，应使用多层板。
（4）单面板非常容易通过外观区分，而辨别双面板和多层板的方法是观察PCB的透光性。由于多层板中间层会有几乎整面铜箔的地线层或电源层，所以多层板基本不透光，板子的阻焊颜色也显得比双面板深，如图3所示。
2、属化孔
如图4所示，不同板层之间的信号需要通过金属化孔相连。普通Plated Through Hole通孔类型的过孔Via与焊盘Pad没有什么本质区别。
但是Via还有埋孔Buried Via Hole和盲孔Blind Via Hole两种类型。如图5所示展示了三种孔结构的不同。
（1）通孔必须贯穿整个电路板，会在顶层top layer和底层bottom layer表面均形成金属“焊盘”，通孔在中间层可以与导线相连，也可以不连。
（2）盲孔只在电路板的一个表面形成金属“焊盘”，不会从另一面“伸出来”。
（3）埋孔在电路板两个表面都不“伸出来”。
（4）通孔的加工成本最低，无需额外付费；而盲孔和埋孔加工难度高，都是需要按孔收费的。
为什么我们有时会不计成本的被迫使用盲孔和埋孔呢？观察图5，通孔贯穿PCB板，在不需要与之电气连接的板层也会造成孔洞，阻碍该板层的电路走线。当然，出于成本考虑，还是尽量避免使用盲孔和埋孔。
3、AD中的板层
正确理解PCB中各板层的概念是绘制PCB的前提条件。如图6所示，AD自带的一个8层板sample工程：DB46，它是赛灵思的一款FPGA板子，阻焊层为蓝色。我们将通过该例子来讲解AD中的Layer（板层）概念。
如图7，打开DB46.PcbDoc文件，在2D视图下按L，进入Layer视图配置界面（View Configuration）。Layer分为以下几大类：
（1）信号和平面层（Singnal And Plane Layers）。
（2）元件层 （Component Layer Pairs）。
（3）机械层（Mechanical Layers）。
（4）其他层（Other Layer）。
AD中的板层虽多，但是需要用户主动操作的只有信号和平面层，元件层中的正反丝印层，其它层中的禁止布线层。其余层基本都是被动生成（供PCB板厂使用），只需掌握查看的知识即可。下面将对AD的板层一一分类讲解。
3.1信号和平面层
如图8，DB46例程是8层PCB电路板，有6个信号层（Signal），2个平面层（Plane）。
（1）信号层是默认没有任何铜箔，不导电。需绘制导线后才导电。
（2）平面层是默认整个铜箔都存在，导电。需绘制分隔线把铜箔分割开。
如图9，点击关闭All Layers左侧的“眼睛”，将所有Layers显示关闭。然后一层一层打开层左侧“眼睛”显示，独立观察各层。
（1）如图10所示，第一层为顶层Top Layer，通常顶层都是信号层，当然强行设置为平面层也可以。放大部分可以看到，除了正常走线，板上其余部分也进行了敷铜，敷铜电气属性为GND。大面积的地铜有利于改善电气属性。
（2）如图11所示，第二层开始就是中间层MidLayer，由于本例是8层板，所以这一层也是信号层。外围的大块敷铜层也是GND电气属性，但中间局部放大的部分敷铜的电气属性为1V2，也就是说，有时我们也使用电源敷铜（地本身也是电源的一种）。
（2）如图12所示，第3、5、7、8层也是信号层。之所以需要这么多信号层，原因是BGA封装的引脚很难走线出来。当然，极限情况下，4层板也有可能完成走线，但是布线就不如现在这样平直整齐。
（3）如图13所示，第4层为平面层，平面层的线表示的是没有铜箔，例如外侧绿粗线表示边沿无铜箔（避免边沿短路）。平面层中带X的点表示该过孔Via与平面层电气连接。
（4）如图14所示，第四层整体为GND电气属性，平面层一般都设置为地或电源层。这样一来，元件可最短距离直接通过Via接电源或地，这将极大的改善电气性能。按规范多层板多出的层，至少应设置一个地平面层（电源层则视情况而定）。当然，也有为了实现布线，4层板的4层都设为信号层的情况，这都是穷闹的（不然应选择6层板）。
（5）如图15所示，第6层为电源平面层。当板上电源不止一个电压时，电源平面层往往会分割使用。
（6）如图16，本例电源平面层被分割成2部分。通过分别双击左右两个部分，可以发现左边是3.3V电源层，右侧被分割为5V电源层。平面层分割的形状一般都是不规则的，以尽量照顾到元件供电为准。
3.2 元件层
如图17，元件层Component Layer Pairs分为正面和底面，各有丝印层Overlay、阻焊层Solder和助焊层Paste。
（1）如图18所示，AD中顶层丝印层为明黄色，底层丝印层为暗黄色。但丝印层实物的颜色一般为白色；如果是白色阻焊层的板子，丝印层就是黑色。丝印层用于标注各种元件信息、logo以及说明。
（2）如图19所示，Solder层实际是阻焊开窗层的意思。Solder层负责把不能被阻焊油覆盖的区域标示出来。包含全部贴片焊盘、穿孔焊盘，以保证将来PCB上这些位置可焊接元件引脚。而过孔是否盖油，可配置。过孔盖油的好处是美观，而且不易短路。过孔不盖油的好处是方便探头接触进行调试。所以，一般打样调试的PCB板，过孔可不盖（阻焊）油；正式PCB板则一般选择过孔盖油。
（3）如图20所示，助焊层Paste实际是钢网开孔位置，只会包含贴片元件的焊盘。贴片元件的焊接是先通过钢网的镂空给焊盘刮上焊锡膏，然后用贴片机将元件放置在焊盘上，最后进回流焊（烤箱）加热焊锡膏至熔化焊接完成。针插元件焊接原理完全不同，所以，助焊层不会涉及针插元件的焊盘。有关焊接知识，后续课程会详细讲解。
3.3 机械层
如图21所示的机械层可由用户设置，只起到标示作用。例如放3D模型、放置尺寸标注、放图纸说明等等。
3.4其它层
如图22所示为其他层。
（1）Multi-Layer层包括全部金属化通孔（焊盘和过孔）。
（2）Drill Guide和Drill Drawing是引导PCB生产时打孔用的。
（3）如图23所示为禁止布线层Keep-out Layer，顾名思义导线不能越过禁止布线层走线。禁止布线层之所以需要用户操作，是因为长期以来，约定俗成的被当做PCB板厂识别PCB外框和钻非金属化孔使用。
4、 本课小结
本课主要学习了PCB板层、金属化孔的有关知识。建议大家可以在AD例程中找一个四层板，按照图24中View Configuration的配置（PCB的3D视图下按L），实际操作查看AD中各板层的形态外观，加深理解。
再次强调对PCB板层概念理解的重要性，对于不同复杂程度、不同速度的电路，需要选择合适的板层数目。增加板层显然可以提高电路性能，有时还是质的飞跃。用少层板去实现某些电路，即使布线上不是mission impossible，那也将是车祸现场般的电气性能指标。
不同于国外堪称天价的PCB打样费，国内双层板的PCB打样价格已经低于某快递公司的邮费，而4层板的打样价格也降到学校食堂几顿饭的开销，这是中国强大的工业实力对电子设计爱好者极大的馈赠。
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