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-4，FR-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，2，4，6……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C33，C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，0.8，1.2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PCBLIB，PCB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 Number，1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VCC3V3，1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SCHLIB，Schematic 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。