【电赛新兵训练营 】电子工程训练基础知识讲座_第14课时_PCB基础知识

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查看: 908回复: 77 发表于 2020-5-6 10:49:09   只看该作者
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。
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图1 单面PCB电路板

(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。

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图2 双面PCB电路板

(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。

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图3 阻焊颜色表现的更深的多层板

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。

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图4 AD中通孔类型的金属化孔效果图

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。

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图5 不同的金属化孔结构对比

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。

image006.png
图6 AD的8层板范例DB46

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。

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图7 AD中的板层分类

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。

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图8 信号与平面层名称

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。

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图9 关闭全部层显示

(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。

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图10 Top Layer层

(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)。

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图11 带1.2V电源敷铜的信号层

(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。


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图12 其余信号层

(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。

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图13 平面层的电气连接

(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)。

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图14 电气属性为GND的地平面层

(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。

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图15 经分割的电源层

(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。

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图16 不规则分割的电源层

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。

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图17 元件层

(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。

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18 丝印层

(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。


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图19 Solder层

(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。

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图20 助焊层与钢网(两者不是同一电路)

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。

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图21 机械层

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。

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图22 其它层

(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。

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图23 禁止布线层

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。

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图24 通过4层板观察AD中的板层

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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好好学习,天天向上。

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学习了,期待后续课程,顺便打卡:lol

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受益匪浅  谢谢老师!

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万用表我来啦!!!

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介绍得很详细,学到了

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电赛党前来学习,奥利给

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学习打卡14~

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谢谢老师分享 。。 对多层板有一定的了解。。

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又来了,好好学习,天天向上

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打卡14,谢谢老师!

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内容讲解详细,简单易懂!

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签到14,打卡学习,感谢老师分享

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打板子,好

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打卡,继续学习。

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老师辛苦了 感谢老师分享
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