第一章 印制線路板的基礎(chǔ)知識

第一章印制線路板的基礎(chǔ)知識一、印刷電路板（Printedcircuitboard，PCB）

PCB是印刷電路板(即PrintedCircuitBoard)的簡稱。又稱印制電路板、印刷線路板，由于它是采用電子印刷術(shù)制作的，故被稱為“印刷”電路板。印刷電路板是組裝電子零件用的基板，是在通用基材上按預(yù)定設(shè)計形成點間連接及印制元件的印制板。該產(chǎn)品的主要功能是使各種電子零組件形成預(yù)定電路的連接，起中繼傳輸?shù)淖饔?，是電子產(chǎn)品的關(guān)鍵電子互連件，有“電子產(chǎn)品之母”之稱。PCB作為電子零件裝載的基板和關(guān)鍵互連件，任何電子設(shè)備或產(chǎn)品均需配備。

歷史

在印制電路板出現(xiàn)之前，電子元件之間的互連都是依靠電線直接連接而組成完整的線路。現(xiàn)在，電路面包板只是作為有效的實驗工具而存在，而印刷電路板在電子工業(yè)中已經(jīng)成了占據(jù)了絕對統(tǒng)治的地位。20世紀初，人們?yōu)榱撕喕娮訖C器的制作，減少電子零件間的配線，降低制作成本等優(yōu)點，于是開始鉆研以印刷的方式取代配線的方法。三十年間，不斷有工程師提出在絕緣的基板上加以金屬導(dǎo)體作配線。而最成功的是1925年，美國的CharlesDucas在絕緣的基板上印刷出線路圖案，再以電鍍的方式，成功建立導(dǎo)體作配線。[1]

直至1936年，奧地利人保羅·愛斯勒（PaulEisler）在英國發(fā)表了箔膜技術(shù)[1]，他在一個收音機裝置內(nèi)采用了印刷電路板；而在日本，宮本喜之助以噴附配線法“メタリコン法吹著配線方法(特許119384號)”成功申請專利。[2]而兩者中PaulEisler的方法與現(xiàn)今的印刷電路板最為相似，這類做法稱為減去法，是把不需要的金屬除去；而CharlesDucas、宮本喜之助的做法是只加上所需的配線，稱為加成法。雖然如此，但因為當時的電子零件發(fā)熱量大，兩者的基板也難以配合使用[1]，以致未有正式的實用作，不過也使印刷電路技術(shù)更進一步。1941年，美國在滑石上漆上銅膏作配線，以制作近接信管。1943年，美國人將該技術(shù)大量使用于軍用收音機內(nèi)。1947年，環(huán)氧樹脂開始用作制造基板。同時NBS開始研究以印刷電路技術(shù)形成線圈、電容器、電阻器等制造技術(shù)。1948年，美國正式認可這個發(fā)明用于商業(yè)用途。自20世紀50年代起，發(fā)熱量較低的晶體管大量取代了真空管的地位，印刷電路版技術(shù)才開始被廣泛采用。而當時以蝕刻箔膜技術(shù)為主流[1]。1950年，日本使用玻璃基板上以銀漆作配線；和以酚醛樹脂制的紙質(zhì)酚醛基板（CCL）上以銅箔作配線。[1]

1951年，聚酰亞胺的出現(xiàn)，便樹脂的耐熱性再進一步，也制造了聚亞酰胺基板。[1]

1953年，Motorola開發(fā)出電鍍貫穿孔法的雙面板。這方法也應(yīng)用到后期的多層電路板上。[1]印刷電路板廣泛被使用10年后的60年代，其技術(shù)也日益成熟。而自從Motorola的雙面板面世，多層印刷電路板開始出現(xiàn)，使配線與基板面積之比更為提高。1960年，V.Dahlgreen以印有電路的金屬箔膜貼在熱可塑性的塑膠中，造出軟性印刷電路板。[1]

1961年，美國的HazeltineCorporation參考了電鍍貫穿孔法，制作出多層板。[1]1967年，發(fā)表了增層法之一的“Plated-uptechnology”。[1][3]

1969年，F(xiàn)D-R以聚酰亞胺制造了軟性印刷電路板。[1]

1979年，Pactel發(fā)表了增層法之一的“Pactel法”。[1]

1984年，NTT開發(fā)了薄膜回路的“CopperPolyimide法”。[1]

1988年，西門子公司開發(fā)了MicrowiringSubstrate的增層印刷電路板。[1]

1990年，IBM開發(fā)了“表面增層線路”（SurfaceLaminarCircuit，SLC）的增層印刷電路板。[1]

1995年，松下電器開發(fā)了ALIVH的增層印刷電路板。[1]

1996年，東芝開發(fā)了B2it的增層印刷電路板。[1]

就在眾多的增層印刷電路板方案被提出的1990年代末期，增層印刷電路板也正式大量地被實用化，直至現(xiàn)在。制造印刷電路板基材基材普遍是以基板的絕緣部分作分類，常見的原料為電木板、玻璃纖維板，以及各式的塑膠板。而PCB的制造商普遍會以一種以玻璃纖維、不織物料、以及樹脂組成的絕緣部分，再以環(huán)氧樹脂和銅箔壓制成“黏合片”（prepreg）使用。而常見的基材及主要成份有：FR-1──酚醛棉紙，這基材通稱電木板（比FR-2較高經(jīng)濟性）FR-2──酚醛棉紙，F(xiàn)R-3──棉紙（Cottonpaper）、環(huán)氧樹脂F(xiàn)R-4──玻璃布（Wovenglass）、環(huán)氧樹脂F(xiàn)R-5──玻璃布、環(huán)氧樹脂F(xiàn)R-6──毛面玻璃、聚酯

G-10──玻璃布、環(huán)氧樹脂CEM-1──棉紙、環(huán)氧樹脂（阻燃）CEM-2──棉紙、環(huán)氧樹脂（非阻燃）CEM-3──玻璃布、環(huán)氧樹脂CEM-4──玻璃布、環(huán)氧樹脂CEM-5──玻璃布、多元酯AIN──氮化鋁SIC──碳化硅金屬涂層金屬涂層除了是基板上的配線外，也就是基板線路跟電子元件焊接的地方。此外，不同的金屬也有不同的價錢，不同的會直接影響生產(chǎn)的成本；不同的金屬也有不同的可焊性、接觸性，也有不同的電阻阻值，也會直接影響元件的效能。常用的金屬涂層有：銅，錫－－厚度通常在5至15μm[4]

鉛錫合金（或錫銅合金）即焊料，厚度通常在5至25μm，錫含量約在63%[4]

金一般只會鍍在接口[4]

銀一般只會鍍在接口，或以整體也是銀的合金電路板的基本組成

目前的電路板，主要由以下組成線路與圖面(Pattern):線路是做為原件之間導(dǎo)通的工具，在設(shè)計上會另外設(shè)計大銅面作為接地及電源層。線路與圖面是同時做出的。介電層(Dielectric):用來保持線路及各層之間的絕緣性，俗稱為基材

孔(Throughhole/via):導(dǎo)通孔(PTH)的目的是要讓兩層次以上的線路可以彼此導(dǎo)通較大的導(dǎo)通孔則做為零件插件用，另外有非導(dǎo)通孔(nPTH)通常用來作為SMT定位，組裝時固定螺絲用防焊油墨(中國稱為綠油)(Solderresistant/SolderMask)

:并非全部的銅面都要吃錫上零件，因此非吃錫的區(qū)域，會印一層隔絕銅面吃錫的物質(zhì)(通常為環(huán)氧樹脂)，避免非吃錫的線路間短路。電路板的基本組成

文字（Legend/Marking/Silkscreen):此為非必要之構(gòu)成，主要的功能是在電路板上標注各零件的名稱，方便組裝后維修及辨識用。表面處理(SurfaceFinich):由于銅面在一般環(huán)境中，很容易氧化，導(dǎo)致無法上錫(焊錫性不良)，因此會在要吃錫的銅面上進行保護。保護的方式有噴錫(HASL)，化金(ENIG)，化銀(ImmersionSilver)，化錫(ImmersionTin)，有機保焊劑(OSP)，方法各有優(yōu)缺點，統(tǒng)稱為表面處理線路設(shè)計

印制電路板的設(shè)計是以電子電路圖為藍本，實現(xiàn)電路使用者所需要的功能。印刷電路板的設(shè)計主要指版圖設(shè)計，需要內(nèi)部電子元件、金屬連線、通孔和外部連接的布局、電磁保護、熱耗散、串音等各種因素。優(yōu)秀的線路設(shè)計可以節(jié)約生產(chǎn)成本，達到良好的電路性能和散熱性能。簡單的版圖設(shè)計可以用手工實現(xiàn)，但復(fù)雜的線路設(shè)計一般也需要借助計算機輔助設(shè)計（CAD）實現(xiàn)，而著名的設(shè)計軟件有AutoCAD、OrCAD、PowerPCB、FreePCB、CAM350、PROTEL等。基本制作根據(jù)不同的技術(shù)可分為消除和增加兩大類過程。減去法減去法（Subtractive），是利用化學(xué)品或機械將空白的電路板（即鋪有完整一塊的金屬箔的電路板）上不需要的地方除去，余下的地方便是所需要的電路。絲網(wǎng)印刷：把預(yù)先設(shè)計好的電路圖制成絲網(wǎng)遮罩，絲網(wǎng)上不需要的電路部分會被蠟或者不透水的物料覆蓋，然后把絲網(wǎng)遮罩放到空白線路板上面，再在絲網(wǎng)上油上不會被腐蝕的保護劑，把線路板放到腐蝕液中，沒有被保護劑遮住的部份便會被蝕走，最后把保護劑清理。。感光板：把預(yù)先設(shè)計好的電路圖制在透光的膠片遮罩上（最簡單的做法就是用打印機印出來的投影片），同理應(yīng)把需要的部份印成不透明的顏色，再在空白線路板上涂上感光顏料，將預(yù)備好的膠片遮罩放在電路板上照射強光數(shù)分鐘，除去遮罩后用顯影劑把電路板上的圖案顯示出來，最后如同用絲網(wǎng)印刷的方法一樣把電路腐蝕?？逃。豪勉姶不蚶咨涞窨虣C直接把空白線路上不需要的部份除去加成法

加成法（Additive），現(xiàn)在普遍是在一塊預(yù)先鍍上薄銅的基板上，覆蓋光阻劑（D/F)，經(jīng)紫外光曝光再顯影，把需要的地方露出，然后利用電鍍把線路板上正式線路銅厚增厚到所需要的規(guī)格,再鍍上一層抗蝕刻阻劑－金屬薄錫，最后除去光阻劑（這制程稱為去膜），再把光阻劑下的銅箔層蝕刻掉。產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀由于印制電路板的制作處于電子設(shè)備制造的后半程，因此被成為電子工業(yè)的下游產(chǎn)業(yè)。幾乎所有的電子設(shè)備都需要印制電路板的支持，因此印制電路板是全球電子元件產(chǎn)品中市場份額占有率最高的產(chǎn)品。目前日本、中國、臺灣、西歐和美國為主要的印制電路板制造基地由流程圖看出生產(chǎn)流程主要有三個階段：1、PCB設(shè)計前的仿真分析階段

設(shè)計人員在原理設(shè)計的過程中，對PCB設(shè)計作出總體規(guī)劃和詳細設(shè)計，制定相關(guān)的設(shè)計規(guī)則、規(guī)范用于指導(dǎo)后續(xù)整個產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計。

2、PCB設(shè)計后的仿真分析階段

在PCB的布局、布線過程中，PCB設(shè)計人員需要對產(chǎn)品的信號完整性、電源完整性、電磁兼容性、產(chǎn)品散熱情況作出評估（即軟件仿真測試）。若評估的結(jié)果不能滿足產(chǎn)品的性能要求，則需要修改PCB圖、甚至原理設(shè)計，這樣可以降低因設(shè)計不當而導(dǎo)致產(chǎn)品失敗的風(fēng)險，在PCB制作前解決一切可能發(fā)生的設(shè)計問題，盡可能達到一次設(shè)計成功的目的。該流程的引入，使得產(chǎn)品設(shè)計一次成功成為了現(xiàn)實

3、測試驗證階段

設(shè)計人員在測試驗證階段，一方面驗證產(chǎn)品的功能、性能的指標是否滿足產(chǎn)品的設(shè)計要求。另外一個方面，可以驗證在PCB設(shè)計前的仿真分析階段和PCB設(shè)計后的仿真分析階段所做的所有的仿真工作、分析工作是否是準確、可靠，為下一個產(chǎn)品開發(fā)奠定很好的理論和實際相結(jié)合的基礎(chǔ)。

結(jié)論從上面的流程我們可以很明顯的看出，DXP軟件在PCB設(shè)計的流程中屬于最后兩個環(huán)節(jié)，其基礎(chǔ)性和重要性可見一斑。信號完整性(SI)

電磁干擾(EMI)電磁兼容性(EMC)PCB的設(shè)計方法PCB設(shè)計流程原理圖設(shè)計：規(guī)范，清晰，符合電氣規(guī)則報表文件：網(wǎng)絡(luò)表元器件清單仿真文件，DCR文件印制板PCB設(shè)計：生成印制板報表CAM文件。（1）設(shè)計準備(2）規(guī)則設(shè)置（3）網(wǎng)表輸入

（4）布局（5）布線（6）檢查（5）調(diào)整（8）輸出第2章ProtelDXP基礎(chǔ) 2.1ProtelDXP軟件介紹2.2ProtelDXP工作總體流程2.3ProtelDXP設(shè)計環(huán)境2.4ProtelDXP的文件管理思考題與練習(xí)題4.1ProtelDXP軟件介紹Protel系列軟件是深受電子工程師喜愛的一套板級設(shè)計軟件，其最初的版本是20世紀80年代運行于DOS下的TANGO、ProtelSchematic和Autotrax。

ProtelDXP是Altium公司于2002年推出的一套電路板設(shè)計軟件平臺，主要運行在Windows2000和WindowsXP上。

現(xiàn)在的ProtelDXP已不是單純的PCB(印制電路板)設(shè)計工具，而是一套由五大模塊組成的系統(tǒng)軟件，它們分別是SCH(原理圖)設(shè)計、SCH仿真、PCB(印制電路板)設(shè)計、AutoRouter(自動布線器)和FPGA設(shè)計，覆蓋了以PCB為核心的整個物理設(shè)計。ProtelDXP在文件交換方面也有很大的進展。它可以毫無障礙地讀Orcad、Pads、Accel(PCAD)等EDA公司的設(shè)計文件；可以輸入和輸出DXF、DWG格式文件，實現(xiàn)和AutoCAD等軟件的數(shù)據(jù)交換；也可以輸出格式為Hyperlynx的文件，用于板級信號仿真。ProtelDXP作為新推出的優(yōu)秀的電子CAD設(shè)計軟件，具有以下特點：

(1)通過設(shè)計文件包的方式，將原理圖編輯、電路仿真、PCB圖設(shè)計以及打印這些功能有機地結(jié)合在一起，提供了一個集成開發(fā)環(huán)境。

(2)提供了混合電路仿真功能，為設(shè)計者檢驗原理圖電路中某些功能模塊的正確與否提供了方便。

(3)提供了豐富的原理圖元件庫和PCB封裝庫，并且為設(shè)計新的器件封裝提供了封裝向?qū)С绦颍喕朔庋b設(shè)計過程。(4)提供了層次原理圖設(shè)計方法，支持“自上向下”的設(shè)計思想，使大型電路設(shè)計的工作組開發(fā)方式成為可能。

(5)提供了強大的查錯功能。原理圖中的ERC(電氣法檢查)工具和PCB圖的DRC(設(shè)計規(guī)則檢查)工具能幫助設(shè)計者更快地查出和改正錯誤。

(6)全面兼容Protel系列以前的版本設(shè)計文件，并提供了與OrCAD格式文件的轉(zhuǎn)換功能。

(7)提供了全新的FPGA設(shè)計的功能，這是以前的版本所沒有提供的功能。4.2ProtelDXP工作總體流程1.設(shè)計原理圖元件雖然ProtelDXP提供了豐富的原理圖元件庫，但是并不可能將所有的元件都收到這些庫中。

2.繪制原理圖在找到所有需要的原理圖元件后，可以開始原理圖的繪制。根據(jù)具體電路的復(fù)雜程度決定是否需要使用層次原理圖。3.生成網(wǎng)絡(luò)表網(wǎng)絡(luò)表是原理圖(Schematic)設(shè)計與印制電路板(PCB)設(shè)計之間的一座橋梁。網(wǎng)絡(luò)表可以從原理圖中獲得，也可以從印制電路板中提取。

4.設(shè)計元件封裝與原理圖元件庫一樣，ProtelDXP也不可能提供所有元件封裝。如果發(fā)現(xiàn)元件封裝庫中沒有需要的元件，可以自己動手設(shè)計元件封裝。5.設(shè)計PCB

在確認原理圖沒有錯誤之后，就可以開始PCB板的繪制工作了。首先根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計和工藝要求，繪制PCB板輪廓，并確定PCB的工藝要求(如使用幾層板，加工精度等)；然后將原理圖傳輸?shù)絇CB板中來，在網(wǎng)絡(luò)表、設(shè)計規(guī)則和原理圖的引導(dǎo)下布局和布線；最后利用DRC(設(shè)計規(guī)則檢查)工具查錯。

6.生成報表并打印文檔整理是非常有必要的，良好的文檔給今后的維護、改進都會帶來極大的方便。需要打印的文檔包括原理圖、PCB圖的絲印層以及器件清單文件等各種報表文件，這些報表也是重要的工藝設(shè)計文件。設(shè)計文件應(yīng)以磁盤文檔的方式保存。4.3ProtelDXP設(shè)計環(huán)境4.3.1

ProtelDXP設(shè)計環(huán)境當用戶啟動ProtelDXP后，系統(tǒng)將進入ProtelDXP管理器設(shè)計環(huán)境(DesignExplorer)，如圖4.1所示，所有ProtelDXP功能都是從這個環(huán)境啟動的。ProtelDXP設(shè)計環(huán)境與以前各個版本的設(shè)計環(huán)境有些不同，它采用的是WindowsXP風(fēng)格的界面。圖4.1ProtelDXP的設(shè)計環(huán)境4.3.2

ProtelDXP組成在ProtelDXP設(shè)計環(huán)境下，單擊菜單【File】/【New】命令，從【New】子菜單中可以選擇建立項目文件，包括PCB、Schematic、FPGA、VHDL以及相關(guān)的庫(Library)文件。

【New】子菜單如圖4.2所示。圖4.2【New】子菜單的命令(1)?Schematic(原理圖)設(shè)計編輯。選中【File】菜單中的【Schematic】命令，即可啟動原理圖設(shè)計的模塊，進行原理圖的繪制工作。

(2)?VHDL程序的編寫。選中【VHDLDocument】命令，即可啟動VHDL程序的編寫模塊。

(3)?PCB的設(shè)計制作。選中【PCB】命令，即可啟動印制電路板的設(shè)計模塊。

(4)原理圖元件庫的生成。選中【SchematicLibrary】命令，即可打開生成和管理元件庫的模塊進行相應(yīng)的工作。(5)?PCB庫的生成。選中【PCBLibrary】命令，即可啟動封裝庫的生成模塊。

(6)?PCB項目。執(zhí)行【PCBProject】命令可以打開或生成一個印制電路板(PCB)設(shè)計項目，在該項目中可以添加原理圖的繪制、PCB印制板的設(shè)計和VHDL程序的編寫模塊設(shè)計工作。

(7)?FPGA項目。執(zhí)行【FPGAProject】命令可啟動現(xiàn)場可編程門陣列項目設(shè)計模塊，在其中也可以添加原理圖的繪制、PCB的設(shè)計、VHDL程序的編寫模塊設(shè)計工作。(8)集成化庫文件的管理。執(zhí)行【IntegratedLibrary】命令可以啟動集成化庫文件的管理模塊，包括具有與PCB管腳定義、Spice和信號完整性模塊相關(guān)的原理圖庫文件。

(9)嵌入式設(shè)計項目的生成。執(zhí)行【EmbeddedProject】命令可以啟動嵌入式系統(tǒng)項目設(shè)計模塊，在其中也可以添加原理圖的繪制、PCB的設(shè)計、VHDL程序的編寫模塊設(shè)計工作。

(10)?TextDocument。執(zhí)行該命令可啟動一個文本文件編輯模塊。

(11)?CAMDocument。執(zhí)行該命令可啟動一個CAM(計算機輔助制造)文件生成模塊。4.4ProtelDXP的文件管理ProtelDXP將所有的設(shè)計文檔保存為獨立的文件，可以使用Windows資源管理器找到它們。項目文件中包含指向它們的連接和必要的項目維護信息。因此，在以后的敘述中，文檔和文件表示同一個意思，不再區(qū)分。在ProtelDXP中，設(shè)計文檔的擴展名不再沿用以前的擴展名，具體參見表4.1。表4.1ProtelDXP設(shè)計文檔擴展名1.創(chuàng)建一個新文件項目(Project)

在圖4.1所示的ProtelDXP的設(shè)計環(huán)境下，執(zhí)行菜單命令【File】/【New】/【PCBProject】，如圖4.3所示。圖4.3ProtelDXP菜單

執(zhí)行了這命令之后，ProtelDXP就創(chuàng)建了一個新的PCB項目，并使用了缺省的名字“PCBProject1.PrjPCB”。從集成環(huán)境左側(cè)的項目管理器【Projects】面板中可以看到這個新建的項目，如圖4.4所示。圖4.4新建的項目2.保存項目文件執(zhí)行菜單命令【File】/【SaveProjectAs】，在彈出如圖4.5所示的保存項目文件對話框中選擇合適的路徑，并修改文件名為“Exa601.PRJPCB”。這樣，一個新的項目文件創(chuàng)建完畢，如圖4.6所示。圖4.5保存項目對話框圖4.6新項目文件3.在項目中創(chuàng)建一個新的PCB文件剛才創(chuàng)建的是新項目，現(xiàn)在需要往這個項目中添加文件?？梢蕴砑拥奈臋n類型很多，有原理圖、原理圖庫、PCB庫和VHDL文檔等，詳細的內(nèi)容會在以后各章講解。下面介紹添加一個PCB文檔的方法。

在如圖4.6所示的項目管理器中，當前項目的名字已經(jīng)換成了“Exa601.PRJPCB”。執(zhí)行菜單【File】/【New】/【PCB】命令，ProtelDXP就會直接在當前項目中添加一個新的PCB文檔，并且使用缺省的文件名“PCB1.PCBDOC”。通過執(zhí)行菜單【File】/【SaveAs】命令，可以將這個文檔重新命名為“main.PCBDOC”保存，如圖4.7所示。圖4.7創(chuàng)建新的PCB文件4.在項目中創(chuàng)建一個新的原理圖文件在如圖4.6所示的項目管理器中，執(zhí)行菜單命令【File】/【New】/【Schematic】，ProtelDXP就會直接在當前項目中添加一個新的原理圖文檔，并且使用缺省的文件名“Sh