第一章 印制线路板的基础知识

第一章印制线路板的基础知识一、印刷电路板（Printedcircuitboard，PCB）

PCB是印刷电路板(即PrintedCircuitBoard)的简称。又称印制电路板、印刷线路板，由于它是采用电子印刷术制作的，故被称为“印刷”电路板。印刷电路板是组装电子零件用的基板，是在通用基材上按预定设计形成点间连接及印制元件的印制板。该产品的主要功能是使各种电子零组件形成预定电路的连接，起中继传输的作用，是电子产品的关键电子互连件，有“电子产品之母”之称。PCB作为电子零件装载的基板和关键互连件，任何电子设备或产品均需配备。

历史

在印制电路板出现之前，电子元件之间的互连都是依靠电线直接连接而组成完整的线路。现在，电路面包板只是作为有效的实验工具而存在，而印刷电路板在电子工业中已经成了占据了绝对统治的地位。20世纪初，人们为了简化电子机器的制作，减少电子零件间的配线，降低制作成本等优点，于是开始钻研以印刷的方式取代配线的方法。三十年间，不断有工程师提出在绝缘的基板上加以金属导体作配线。而最成功的是1925年，美国的CharlesDucas在绝缘的基板上印刷出线路图案，再以电镀的方式，成功建立导体作配线。[1]

直至1936年，奥地利人保罗·爱斯勒（PaulEisler）在英国发表了箔膜技术[1]，他在一个收音机装置内采用了印刷电路板；而在日本，宫本喜之助以喷附配线法“メタリコン法吹着配線方法(特許119384号)”成功申请专利。[2]而两者中PaulEisler的方法与现今的印刷电路板最为相似，这类做法称为减去法，是把不需要的金属除去；而CharlesDucas、宫本喜之助的做法是只加上所需的配线，称为加成法。虽然如此，但因为当时的电子零件发热量大，两者的基板也难以配合使用[1]，以致未有正式的实用作，不过也使印刷电路技术更进一步。1941年，美国在滑石上漆上铜膏作配线，以制作近接信管。1943年，美国人将该技术大量使用于军用收音机内。1947年，环氧树脂开始用作制造基板。同时NBS开始研究以印刷电路技术形成线圈、电容器、电阻器等制造技术。1948年，美国正式认可这个发明用于商业用途。自20世纪50年代起，发热量较低的晶体管大量取代了真空管的地位，印刷电路版技术才开始被广泛采用。而当时以蚀刻箔膜技术为主流[1]。1950年，日本使用玻璃基板上以银漆作配线；和以酚醛树脂制的纸质酚醛基板（CCL）上以铜箔作配线。[1]

1951年，聚酰亚胺的出现，便树脂的耐热性再进一步，也制造了聚亚酰胺基板。[1]

1953年，Motorola开发出电镀贯穿孔法的双面板。这方法也应用到后期的多层电路板上。[1]印刷电路板广泛被使用10年后的60年代，其技术也日益成熟。而自从Motorola的双面板面世，多层印刷电路板开始出现，使配线与基板面积之比更为提高。1960年，V.Dahlgreen以印有电路的金属箔膜贴在热可塑性的塑胶中，造出软性印刷电路板。[1]

1961年，美国的HazeltineCorporation参考了电镀贯穿孔法，制作出多层板。[1]1967年，发表了增层法之一的“Plated-uptechnology”。[1][3]

1969年，FD-R以聚酰亚胺制造了软性印刷电路板。[1]

1979年，Pactel发表了增层法之一的“Pactel法”。[1]

1984年，NTT开发了薄膜回路的“CopperPolyimide法”。[1]

1988年，西门子公司开发了MicrowiringSubstrate的增层印刷电路板。[1]

1990年，IBM开发了“表面增层线路”（SurfaceLaminarCircuit，SLC）的增层印刷电路板。[1]

1995年，松下电器开发了ALIVH的增层印刷电路板。[1]

1996年，东芝开发了B2it的增层印刷电路板。[1]

就在众多的增层印刷电路板方案被提出的1990年代末期，增层印刷电路板也正式大量地被实用化，直至现在。制造印刷电路板基材基材普遍是以基板的绝缘部分作分类，常见的原料为电木板、玻璃纤维板，以及各式的塑胶板。而PCB的制造商普遍会以一种以玻璃纤维、不织物料、以及树脂组成的绝缘部分，再以环氧树脂和铜箔压制成“黏合片”（prepreg）使用。而常见的基材及主要成份有：FR-1──酚醛棉纸，这基材通称电木板（比FR-2较高经济性）FR-2──酚醛棉纸，FR-3──棉纸（Cottonpaper）、环氧树脂FR-4──玻璃布（Wovenglass）、环氧树脂FR-5──玻璃布、环氧树脂FR-6──毛面玻璃、聚酯

G-10──玻璃布、环氧树脂CEM-1──棉纸、环氧树脂（阻燃）CEM-2──棉纸、环氧树脂（非阻燃）CEM-3──玻璃布、环氧树脂CEM-4──玻璃布、环氧树脂CEM-5──玻璃布、多元酯AIN──氮化铝SIC──碳化硅金属涂层金属涂层除了是基板上的配线外，也就是基板线路跟电子元件焊接的地方。此外，不同的金属也有不同的价钱，不同的会直接影响生产的成本；不同的金属也有不同的可焊性、接触性，也有不同的电阻阻值，也会直接影响元件的效能。常用的金属涂层有：铜，锡－－厚度通常在5至15μm[4]

铅锡合金（或锡铜合金）即焊料，厚度通常在5至25μm，锡含量约在63%[4]

金一般只会镀在接口[4]

银一般只会镀在接口，或以整体也是银的合金电路板的基本组成

目前的电路板，主要由以下组成线路与图面(Pattern):线路是做为原件之间导通的工具，在设计上会另外设计大铜面作为接地及电源层。线路与图面是同时做出的。介电层(Dielectric):用来保持线路及各层之间的绝缘性，俗称为基材

孔(Throughhole/via):导通孔(PTH)的目的是要让两层次以上的线路可以彼此导通较大的导通孔则做为零件插件用，另外有非导通孔(nPTH)通常用来作为SMT定位，组装时固定螺丝用防焊油墨(中国称为绿油)(Solderresistant/SolderMask)

:并非全部的铜面都要吃锡上零件，因此非吃锡的区域，会印一层隔绝铜面吃锡的物质(通常为环氧树脂)，避免非吃锡的线路间短路。电路板的基本组成

文字（Legend/Marking/Silkscreen):此为非必要之构成，主要的功能是在电路板上标注各零件的名称，方便组装后维修及辨识用。表面处理(SurfaceFinich):由于铜面在一般环境中，很容易氧化，导致无法上锡(焊锡性不良)，因此会在要吃锡的铜面上进行保护。保护的方式有喷锡(HASL)，化金(ENIG)，化银(ImmersionSilver)，化锡(ImmersionTin)，有机保焊剂(OSP)，方法各有优缺点，统称为表面处理线路设计

印制电路板的设计是以电子电路图为蓝本，实现电路使用者所需要的功能。印刷电路板的设计主要指版图设计，需要内部电子元件、金属连线、通孔和外部连接的布局、电磁保护、热耗散、串音等各种因素。优秀的线路设计可以节约生产成本，达到良好的电路性能和散热性能。简单的版图设计可以用手工实现，但复杂的线路设计一般也需要借助计算机辅助设计（CAD）实现，而着名的设计软件有AutoCAD、OrCAD、PowerPCB、FreePCB、CAM350、PROTEL等。基本制作根据不同的技术可分为消除和增加两大类过程。减去法减去法（Subtractive），是利用化学品或机械将空白的电路板（即铺有完整一块的金属箔的电路板）上不需要的地方除去，余下的地方便是所需要的电路。丝网印刷：把预先设计好的电路图制成丝网遮罩，丝网上不需要的电路部分会被蜡或者不透水的物料覆盖，然后把丝网遮罩放到空白线路板上面，再在丝网上油上不会被腐蚀的保护剂，把线路板放到腐蚀液中，没有被保护剂遮住的部份便会被蚀走，最后把保护剂清理。。感光板：把预先设计好的电路图制在透光的胶片遮罩上（最简单的做法就是用打印机印出来的投影片），同理应把需要的部份印成不透明的颜色，再在空白线路板上涂上感光颜料，将预备好的胶片遮罩放在电路板上照射强光数分钟，除去遮罩后用显影剂把电路板上的图案显示出来，最后如同用丝网印刷的方法一样把电路腐蚀。刻印：利用铣床或雷射雕刻机直接把空白线路上不需要的部份除去加成法

加成法（Additive），现在普遍是在一块预先镀上薄铜的基板上，覆盖光阻剂（D/F)，经紫外光曝光再显影，把需要的地方露出，然后利用电镀把线路板上正式线路铜厚增厚到所需要的规格,再镀上一层抗蚀刻阻剂－金属薄锡，最后除去光阻剂（这制程称为去膜），再把光阻剂下的铜箔层蚀刻掉。产业现状由于印制电路板的制作处于电子设备制造的后半程，因此被成为电子工业的下游产业。几乎所有的电子设备都需要印制电路板的支持，因此印制电路板是全球电子元件产品中市场份额占有率最高的产品。目前日本、中国、台湾、西欧和美国为主要的印制电路板制造基地由流程图看出生产流程主要有三个阶段：1、PCB设计前的仿真分析阶段

设计人员在原理设计的过程中，对PCB设计作出总体规划和详细设计，制定相关的设计规则、规范用于指导后续整个产品的开发设计。

2、PCB设计后的仿真分析阶段

在PCB的布局、布线过程中，PCB设计人员需要对产品的信号完整性、电源完整性、电磁兼容性、产品散热情况作出评估（即软件仿真测试）。若评估的结果不能满足产品的性能要求，则需要修改PCB图、甚至原理设计，这样可以降低因设计不当而导致产品失败的风险，在PCB制作前解决一切可能发生的设计问题，尽可能达到一次设计成功的目的。该流程的引入，使得产品设计一次成功成为了现实

3、测试验证阶段

设计人员在测试验证阶段，一方面验证产品的功能、性能的指标是否满足产品的设计要求。另外一个方面，可以验证在PCB设计前的仿真分析阶段和PCB设计后的仿真分析阶段所做的所有的仿真工作、分析工作是否是准确、可靠，为下一个产品开发奠定很好的理论和实际相结合的基础。

结论从上面的流程我们可以很明显的看出，DXP软件在PCB设计的流程中属于最后两个环节，其基础性和重要性可见一斑。信号完整性(SI)

电磁干扰(EMI)电磁兼容性(EMC)PCB的设计方法PCB设计流程原理图设计：规范，清晰，符合电气规则报表文件：网络表元器件清单仿真文件，DCR文件印制板PCB设计：生成印制板报表CAM文件。（1）设计准备(2）规则设置（3）网表输入

（4）布局（5）布线（6）检查（5）调整（8）输出第2章ProtelDXP基础 2.1ProtelDXP软件介绍2.2ProtelDXP工作总体流程2.3ProtelDXP设计环境2.4ProtelDXP的文件管理思考题与练习题4.1ProtelDXP软件介绍Protel系列软件是深受电子工程师喜爱的一套板级设计软件，其最初的版本是20世纪80年代运行于DOS下的TANGO、ProtelSchematic和Autotrax。

ProtelDXP是Altium公司于2002年推出的一套电路板设计软件平台，主要运行在Windows2000和WindowsXP上。

现在的ProtelDXP已不是单纯的PCB(印制电路板)设计工具，而是一套由五大模块组成的系统软件，它们分别是SCH(原理图)设计、SCH仿真、PCB(印制电路板)设计、AutoRouter(自动布线器)和FPGA设计，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。ProtelDXP在文件交换方面也有很大的进展。它可以毫无障碍地读Orcad、Pads、Accel(PCAD)等EDA公司的设计文件；可以输入和输出DXF、DWG格式文件，实现和AutoCAD等软件的数据交换；也可以输出格式为Hyperlynx的文件，用于板级信号仿真。ProtelDXP作为新推出的优秀的电子CAD设计软件，具有以下特点：

(1)通过设计文件包的方式，将原理图编辑、电路仿真、PCB图设计以及打印这些功能有机地结合在一起，提供了一个集成开发环境。

(2)提供了混合电路仿真功能，为设计者检验原理图电路中某些功能模块的正确与否提供了方便。

(3)提供了丰富的原理图元件库和PCB封装库，并且为设计新的器件封装提供了封装向导程序，简化了封装设计过程。(4)提供了层次原理图设计方法，支持“自上向下”的设计思想，使大型电路设计的工作组开发方式成为可能。

(5)提供了强大的查错功能。原理图中的ERC(电气法检查)工具和PCB图的DRC(设计规则检查)工具能帮助设计者更快地查出和改正错误。

(6)全面兼容Protel系列以前的版本设计文件，并提供了与OrCAD格式文件的转换功能。

(7)提供了全新的FPGA设计的功能，这是以前的版本所没有提供的功能。4.2ProtelDXP工作总体流程1.设计原理图元件虽然ProtelDXP提供了丰富的原理图元件库，但是并不可能将所有的元件都收到这些库中。

2.绘制原理图在找到所有需要的原理图元件后，可以开始原理图的绘制。根据具体电路的复杂程度决定是否需要使用层次原理图。3.生成网络表网络表是原理图(Schematic)设计与印制电路板(PCB)设计之间的一座桥梁。网络表可以从原理图中获得，也可以从印制电路板中提取。

4.设计元件封装与原理图元件库一样，ProtelDXP也不可能提供所有元件封装。如果发现元件封装库中没有需要的元件，可以自己动手设计元件封装。5.设计PCB

在确认原理图没有错误之后，就可以开始PCB板的绘制工作了。首先根据系统设计和工艺要求，绘制PCB板轮廓，并确定PCB的工艺要求(如使用几层板，加工精度等)；然后将原理图传输到PCB板中来，在网络表、设计规则和原理图的引导下布局和布线；最后利用DRC(设计规则检查)工具查错。

6.生成报表并打印文档整理是非常有必要的，良好的文档给今后的维护、改进都会带来极大的方便。需要打印的文档包括原理图、PCB图的丝印层以及器件清单文件等各种报表文件，这些报表也是重要的工艺设计文件。设计文件应以磁盘文档的方式保存。4.3ProtelDXP设计环境4.3.1

ProtelDXP设计环境当用户启动ProtelDXP后，系统将进入ProtelDXP管理器设计环境(DesignExplorer)，如图4.1所示，所有ProtelDXP功能都是从这个环境启动的。ProtelDXP设计环境与以前各个版本的设计环境有些不同，它采用的是WindowsXP风格的界面。图4.1ProtelDXP的设计环境4.3.2

ProtelDXP组成在ProtelDXP设计环境下，单击菜单【File】/【New】命令，从【New】子菜单中可以选择建立项目文件，包括PCB、Schematic、FPGA、VHDL以及相关的库(Library)文件。

【New】子菜单如图4.2所示。图4.2【New】子菜单的命令(1) Schematic(原理图)设计编辑。选中【File】菜单中的【Schematic】命令，即可启动原理图设计的模块，进行原理图的绘制工作。

(2) VHDL程序的编写。选中【VHDLDocument】命令，即可启动VHDL程序的编写模块。

(3) PCB的设计制作。选中【PCB】命令，即可启动印制电路板的设计模块。

(4)原理图元件库的生成。选中【SchematicLibrary】命令，即可打开生成和管理元件库的模块进行相应的工作。(5) PCB库的生成。选中【PCBLibrary】命令，即可启动封装库的生成模块。

(6) PCB项目。执行【PCBProject】命令可以打开或生成一个印制电路板(PCB)设计项目，在该项目中可以添加原理图的绘制、PCB印制板的设计和VHDL程序的编写模块设计工作。

(7) FPGA项目。执行【FPGAProject】命令可启动现场可编程门阵列项目设计模块，在其中也可以添加原理图的绘制、PCB的设计、VHDL程序的编写模块设计工作。(8)集成化库文件的管理。执行【IntegratedLibrary】命令可以启动集成化库文件的管理模块，包括具有与PCB管脚定义、Spice和信号完整性模块相关的原理图库文件。

(9)嵌入式设计项目的生成。执行【EmbeddedProject】命令可以启动嵌入式系统项目设计模块，在其中也可以添加原理图的绘制、PCB的设计、VHDL程序的编写模块设计工作。

(10) TextDocument。执行该命令可启动一个文本文件编辑模块。

(11) CAMDocument。执行该命令可启动一个CAM(计算机辅助制造)文件生成模块。4.4ProtelDXP的文件管理ProtelDXP将所有的设计文档保存为独立的文件，可以使用Windows资源管理器找到它们。项目文件中包含指向它们的连接和必要的项目维护信息。因此，在以后的叙述中，文档和文件表示同一个意思，不再区分。在ProtelDXP中，设计文档的扩展名不再沿用以前的扩展名，具体参见表4.1。表4.1ProtelDXP设计文档扩展名1.创建一个新文件项目(Project)

在图4.1所示的ProtelDXP的设计环境下，执行菜单命令【File】/【New】/【PCBProject】，如图4.3所示。图4.3ProtelDXP菜单

执行了这命令之后，ProtelDXP就创建了一个新的PCB项目，并使用了缺省的名字“PCBProject1.PrjPCB”。从集成环境左侧的项目管理器【Projects】面板中可以看到这个新建的项目，如图4.4所示。图4.4新建的项目2.保存项目文件执行菜单命令【File】/【SaveProjectAs】，在弹出如图4.5所示的保存项目文件对话框中选择合适的路径，并修改文件名为“Exa601.PRJPCB”。这样，一个新的项目文件创建完毕，如图4.6所示。图4.5保存项目对话框图4.6新项目文件3.在项目中创建一个新的PCB文件刚才创建的是新项目，现在需要往这个项目中添加文件。可以添加的文档类型很多，有原理图、原理图库、PCB库和VHDL文档等，详细的内容会在以后各章讲解。下面介绍添加一个PCB文档的方法。

在如图4.6所示的项目管理器中，当前项目的名字已经换成了“Exa601.PRJPCB”。执行菜单【File】/【New】/【PCB】命令，ProtelDXP就会直接在当前项目中添加一个新的PCB文档，并且使用缺省的文件名“PCB1.PCBDOC”。通过执行菜单【File】/【SaveAs】命令，可以将这个文档重新命名为“main.PCBDOC”保存，如图4.7所示。图4.7创建新的PCB文件4.在项目中创建一个新的原理图文件在如图4.6所示的项目管理器中，执行菜单命令【File】/【New】/【Schematic】，ProtelDXP就会直接在当前项目中添加一个新的原理图文档，并且使用缺省的文件名“Sh