PCB设计入门基础-CSDN博客

PCB设计入门基础

PCB基本结构

• copper foil 铜箔
• laminate 层压(或粘合)材料
• inner layer core 内层堆芯

• PCB基本结构是一个三明治的结构它的上层是一个铜层底层也是一个铜层中间层脚FR-4FR-4是一层不导电的物质叫做环氧玻璃纤维可以把两层导电的板给隔开。这是最基本的两层板。
• 我们如果需要四层板就可以把两个两层板压合在一起中间加一层加半预制片的东西它也是绝缘的。
• 简单来看那么六层板就是三个两层板八层板就是四个两层板所以电路板是以二的倍数网上增加层数的246……一直到20层都是可以的。

阻焊

• 在我们的铜板上面要覆上一层油漆这个油漆叫做阻焊层。
• 阻焊层起到一个保护电路板和隔离焊盘的作用。
  • 可以保护我们的线路保护铜线不受空气的氧化如果阻焊层失效由下图可以看到电路板的铜还有焊盘就发生了氧化这样就无法进行焊接。
  • 可以防止这些不需要焊锡的地方只留下焊盘来焊盘是镂空的剩下的地方都给覆盖上油这样焊锡就上不去了所以叫阻焊层。

丝印

• 在阻焊层上面还有一层叫做丝印层、
• 丝印层就是印上了字我们管他称之为位号在这个贴片的时候叫位号
  • 比方说有个C33C就是Capactior就是电容它就是一个编号为33号的电容。R48就是一个电阻叫编号48号的电阻。集成芯片IC一般用U表示接插件用J来表示电感用L表示。

本质

• 下图为电路板的顶层结构顶层结构是一张画一张二进制的画黑色的地方表示是镂空的红色的地方表示是不透光的有了这张画之后你给生产厂生产厂就会做出个胶片来这个文件叫做GERBER文件。

  

• GERBER就叫做光绘文件那么每一层都有一个GERBER文件之后你把它给生产厂生产厂就会生产出一张胶片来生产出胶片之后就要做电路板。

  

• 如何做下面就是一个电路板也叫做晶圆 这个电路板表面是铜层上面没有阻焊 也没有丝印层把它上面图上一层光敏胶然后上面有一个紫外的光源紫外光源的下面放上我们的胶片放上胶片之后通过一个镜头成像聚焦到光敏胶上那么这个紫外光找到光敏胶上之后光敏胶就会变性变性以后再用丙烯之类的有机溶剂再把这个电路板洗一下那么我们需要镂空的就是不需要的那部分铜就裸露了出来。

  

• 裸露出来之后扔到三氯化铁中进行腐蚀三氯化铁和铜会产生作用这样不需要的那部分铜就会被腐蚀这个过程叫做蚀刻。那么蚀刻了之后的电路板我们只是做完了其中的一层除了这一层以外还要将它进行层压。

• 不同的层压在一起之后进行钻孔钻孔之后还要把孔壁内部镀上铜叫做沉铜电路板到这里基本做好了。

• 之后在上面刷绿油也就是阻焊层之后再刷上字再电测之后基本可以出厂了。

基础工艺指标

• 电路板在制作的时候

  • 孔是要通过钻头来打的这个孔是否有那么小的钻头能打出这样的洞是一个问题。

  • 线是要通过腐蚀形成的所以腐蚀要有个精度不能太小太小线腐蚀不出来线肯定有一个误差就会断掉所以不能太细。

  • 所以我们必须要知道一个电路板制作的工艺极限是多少一般来讲是常规工艺不是特殊工艺常规工艺就是不需要加价的工艺。

  • 板厚0.81.2直到2.0甚至有更厚的。当然你的层数越多能达到的最小板厚就会越大。比方说六层板是没有0.8和1.0选项的只有1.2这个选项层数越多它的最小板厚就越大。

  • 走线宽度一般来讲常规工艺是0.1mm

  • 钻孔内径、外径

    • 内径就是工厂常规最细的钻头是多粗
    • 外径外径也不能太小太小的话蚀刻结束了之后因为外径太小电路板在打孔的时候以下就把外沿给带掉了一般来说是内径0.2,外径0.45。

  • 线与线的间距(走线间距)一般和走线宽度相同走线宽度最小是0.1的话那么最小线距也是0.1

    • 还有线到焊盘的间距线到过孔外径的间距这两个一般来讲稍微大一点0.15mm来保证制作的安全。

  • 铜厚就是电路板的顶层和底层的铜皮厚度是多少一般来讲常规工艺是每单位面积1盎司铜

    • 2盎司的一般我们是不需要的2盎司在做电源的时候需要需要过大电流的时候而且还需要增强散热的时候可以做2盎司铜。
    • 在很多情况下如果需要大电流的话也可以用1盎司的铜然后把阻焊开窗开窗之后往上过焊锡也是可以的。

  • 字符的丝印高度比方说C33只规定了这个字符的高度是多少一般的工厂给出的是就是1mm但是画的时候一般就是画0.8mm。丝印高度太小可能导致有的字符会看不清。这个参数不影响到最后电路板的电气特性所以说写小一点生产厂也不会让你改。

PCB图中的元素

元件

• 左边是它的二维视图右边是它的三维视图。这张图里面包含了元器件中间的一个大片子是一个FPGA上下两边共有两个接插件还有些电阻电容之类的以及其他的芯片所以说PCB中首先必须得有元件。

  

• 元件可以我们自己绘制也可以从网站上下载下来。

• 画一个元件需要具备哪些元素

  • 元件是放在元件库中的叫做PCBLIBPCB引脚库PCB引脚库有自己的名字每个元件也都有自己的名字。
  • 首先一个元件要有PAD焊盘PAD有PAD号叫Pin Number1脚标识。
  • 除了PAD以外还有一个丝印的外框丝印的外框非常重要如果你不画丝印外框那么你在画其他部分的时候有可能芯片与芯片之间在空间上会发生干涉这样就无法焊接所以一定要将芯片的外框画出来这样不会在机械上产生干涉的问题。
  • 还可以画一个3D的模型。

布局和布线

• 布线就是一些连线

• 布局就是器件之间的摆放关系它不是随意摆放的主要是由两个因素确定

  • 前后板的连接关系确定的
  • 由信号的走向来确定

  • 比如说这个例子是一个相机中间的FPGA板它的背面有一个接插件是蓝色的表示它在底层。

  • 这个背面它要连接到Sensor上一个图像传感器上这个图像传感器的接口是一个米皮接口是一个差分的一个接口走成蛇形线是为了长度相等那么他作为输入接口来讲呢把这个信号送到FPGA的片子里之后呢进行数据的采集排列之后就会把处理好的数据送到J2这个接插件上J2这个接插件连接下一块板子下一块板子是一个图像处理的一个板子所以说它的整个布局就由前后板子固定住了。

  • 那么前后板子实际上这个关系呢也是一个数据流向的关系整个数据从下往上流那么这样流的数据呢就把我们的两个接插件还有FPGA的摆放关系也就是布局关系给他严格的控制住了。

  • 除此之外我们就要把他的程序存储器还有晶体振荡器JTAG口各种各样的电源的布局确定了之后就可以摆元件之后连线了。

• 连线就是一根铜线那么铜线要把应该连在一起的引脚给他连在一起连完线之后PCB还要覆铜还需要检查基本上来讲也就差不多了。

  • 那么走线走成弯弯曲曲是干嘛呢就是为了走线等长走线等长只有在速度比较高的时候才需要考虑我们说的MIPI线一工作就是几个GHz那几个GHz的话如果走线长度不一样到达终点的数据它们的时间就不一样就会产生误判就会产生数据的错误。所以说速度越高它们的走线的长度应该相等。
    • 比方说MIPI有四个数据线和一个时钟线所以这五条差分线它们的长度必须要相等。
    • 那么到了并行线这块只有148MHz所以他的等长要求是比MIPI要小的所以它绕的线相对少一些。

层叠设计

• 两层板是不需要叠层设计的四层板需要叠层设计的也很少第一层是信号层第二层是地层第三层是电源层第四层是信号层
  • 两层板实际画起来是要比四层板麻烦很多的
• 一般到多层板的时候到六层板的时候每一层是干嘛的这个时候就需要设计了。比方说我们现在给出一个比较典型的一个六层板的设计。
  • 第一层是定义为Signal层信号层
  • 第二层定义为地层一般是不分割的整个一个地
  • 第三层是一个信号层算上第一层就有两个最佳信号层
  • 第四层是信号层
  • 第五层是电源层电源层也是尽量不分割的如果有别的电源想办法绕
  • 第六层也是信号层最佳信号层是第一层和第三层次佳信号层是第四层和第六层

PCB的设计依据

走线连接在一起使用原理图限定的整个PCB元件也是由原理图限定的

原理图

• 元器件J3是一个接插件就是元器件还有R23和R24也是两个元器件它是电阻。
• 连线比方说R23和R24通过一个导线给他们连接在一起
• 网名网络标签连线的一个网络的这样一个名字比方说有IO35_L16_N,这时FPGA的一个引脚这个J3好多的线都连接到FPGA上如果把这个接插件和FPGA画到一张图上之后通过连线的方式将FPGA和接插件连接在一起的话那连线就过于复杂难以理解。
  • 就把要连接在一起的线起相同的一个名FPGA上有个引脚给它起了个网名叫NetLabel叫网名的一个标签那么这个标签叫做IO35_L16_N那么这样FPGA就和J3这个插口他这两条线就连接在一起了这样极大方便了我们的画图。
  • 除了连线这些网名之外电源也有网名比如说VCC3V3这也是个网名虽然说符号变了但是依然是一个网名比方说2脚和4脚通过连线连在一起然后给他们起个名叫VCC3V31脚和3脚也是如此所以说在电路上你到电路板上对应的时候他就是1234四个引脚它们就是联系在一起的。同理GND也就是地引脚也是一样的。
• 示意要素表示这是一对差分线。比方说你添加的注释这个蓝色的有哪位我们只是直到他是FPGA的引脚叫做IO35_L3_N,那么他的功能是什么我们就可以在旁边标注一下SEN_MD1_N,他是SEN是sensor上的什么MD1是mipi的数据1线_N是它的反向端P是它的同向端表示这对线还是个差分线用这个差分线指示符来表示可选内容可以不加。

原理图元件库

• 那么我们原理图上的元件是怎么来的有个东西叫元件库SCHLIBSchematic Lib就是原理图的一个库原理图的一个库。
• 原理图的一个库如下图这时原理图的一个元件原理图最重要的就是PinNO就是他的引脚他的引脚12345678和它的PCB库PCBLIB是严格对应的。元器件中间的这个方框只是一个指示性的元素它不体现在我们PCB的封装里跟我们PCB一点关系都没有。

• 举个例子我们看一下下面这个封装这个封装叫做SOT23-3一共有三个引脚非常小比米粒大一点点的一个小封装。

• 我们现在有一个瞬态抑制二极管实际上它就是两个稳压管连在一起它们的阳极连接到3脚它们的阴极是分开的是用来保护电路的尤其是带有有接插件的热拔插的电路它用来保护USB电路JTAG还有HDMI口里能见到。

• MOS管他也有三条脚也对应SOT23一模一样的封装但是它们的原理图完全不一样可是它们有一个要素是一样的就是都有三个脚这三个脚都叫123。

• 画电路最重要的是引脚和PCB库的对应关系所以理论上可以直接画一个方框然后引脚123就完事了。但是这样原理图可读性就很差看起来不美观也看不懂。

设计基本流程总结

• 首先了解一下用户的需求详细了解用户的需求
• 用户需求搞清楚之后确定系统的指标
• 系统的指标指导电路指标的确立
• 电路指标确定了之后进行器件选型
• 有了器件选型之后就要建库包括原理图库和PCB库
• 库建好之后就要进行原理图的绘制
• 之后将原理图导入到PCB库中有的软件中间你还要导出一遍网名网表
• 导出一遍网名网表之后再和PCB库对应一下
• 之后画PCB图
• 画完PCB图之后要么送到工厂去制造
  • 如果项目不保密并且你是用来练手的话可以直接把PCBDOC.brd或.pcbdoc把这个文件直接给工厂加工厂给你导GERBER就可以
  • 如果说你这个项目是一个成品的项目并且有保密需求那么你就把它生成GERBER文件变成一张一张的画那么把这个画给PCB制造厂PCB制造厂有了这个画以后他就可以制造PCB了。
• 在PCB的制造过程中就可以进行器件的购买
• 器件购买完成之后就可以进行贴片就是把器件焊到电路板
• 然后进行PCB的调试调试之后看看是否满足指标如果满足就交付给用户如果不满足指标就要往回检查。