pcb综合概述-pcb设计基本概念

任何创造物的成功往往取决于它所建立的基础，无论是性格的力量、建筑物地基的深度还是树根的范围。同样，任何电子设备的成功都取决于它的基础。任何电子设备的主板都可以作为操场和主机，接收各种形式的电信号，为设备执行某种功能。无论是北桥与计算机处理器之间的通信信号，还是学校常规项目中的简单开关信号，设计的有效性取决于基板本身提供的功能。

印刷电路板不仅可以用蚀刻的铜线路连接电子元件，还可以提供机械强度。印制电路板，或者更确切地说，印制线路板几乎在所有的商业产品中都可以找到，作为包装介质的积木。

PCB是一种有机和/或无机介质材料的复合物，具有多层布线互连，也容纳电感器和电容器等组件。没有任何标准的印刷板，而且每个印刷板都是独一无二的，往往是产品本身的功能。几乎 PCB 设计的每一个方面都有工业标准，由 IPC 控制，例如 IPC-2221，“印制板设计通用标准”。

PCB是从19世纪50年代发展起来的电连接系统演变而来的。第一批印刷线路专利是在1903年颁发的。阿尔伯特 · 汉森解释了一种层状结构的箔导体层压到绝缘板。1913年，阿瑟 · 贝里申请了“打印-蚀刻”方法的专利，马克斯 · 斯库普申请了通过面具将金属喷涂到板上的专利。早在1904年，托马斯 · 爱迪生就在亚麻纸上试验过电镀导体的化学品，但是电镀电路图案的方法最终在1927年由查尔斯 · 杜凯斯成功获得专利。查尔斯 · 杜卡斯早在1925年就已经申请了专利，他发明了一种直接使用模板和导电油墨来制造电路的技术。

第二次世界大战见证了可以承受枪击的电路板的发明。但是，保罗 · 艾斯勒在1943年发明了第一种 PCB，他发明了一种在铜箔上蚀刻导电电路的方法，这种铜箔粘结在由玻璃增强的非导电基底上。这种方法一直处于休眠状态，直到50年代后期，这种晶体管被引入商业应用。电子元件上的导线导致了“通孔”技术的发展，在 PCB 上钻孔，元件在这些点焊接到电路板上。1961年，美国公司 Hazeltyne 申请了专利。然而，这个过程稍微昂贵和浪费，因为额外的电线被切断和使用不多。如今，随着对更小、更高密度电路的需求不断增加，“表面安装”技术正在获得推动力。

PCB的种类

一个 PCB 可以有四种类型: 刚性板，柔性和刚挠性板，金属芯板和注塑板，其中刚性板是最受欢迎的。此外，这些可能是单面，双面或多层。在制造多氯联苯时，应考虑材料的机械、电气、化学和热性能，否则会影响板的可靠性。目前，各种增强树脂体系的覆铜箔板主要用于刚性板。例如阻燃 fr-4环氧树脂、 PTFE、氰酸酯、聚酰亚胺等。最常用的增强材料是连续长丝电子玻璃。柔性和刚性挠性板在柔性基座上具有导体的随机排列，可以有或没有覆盖层。在这里，布线被限制在飞机的选择区域。在限制金属芯技术的情况下，PCB 可以采用标准材料，但芯材必须具有较低的热膨胀系数和强度来限制 PCB。铜-因瓦-铜和铜-钼-铜是这方面的两种常用材料。模压板有含有填料的树脂，这些填料被模压成模具，以形成所需的形状。

在任何东西被绘制到 PCB 上之前，它首先必须被设计和通过模拟的方式验证。设计过程本质上是分级的，可以采用以下两种方法中的任何一种:

1.自上而下的设计。2.自下而上的设计

自上而下的设计

设计师从一个较高的抽象层开始，在为该层创建一个较低层次的构建模块之前，先从其一般功能着手。这创建了有组织的设计，因为总体结构是首先绘制的，复杂性是处理在以后，较低的阶段。这就像先制造汽车车身，然后再为其定制零部件。

图二: 解释自上而下的 PCB 设计层次结构图

自下而上的设计

在这种方法中，设计师首先开发出最小的模块，然后从较小的模块中设计出较大的模块。这使得设计采用了模块化的方法，并且增加了设计片段的可重用性。这种方法就像在工厂里制造一辆标准的汽车，首先制造零件，然后把它们放在一起。

图3: 自底向上的 PCB 设计层次图

无论设计者选择什么方法，PCB 必须满足特定的信号完整性要求，如串扰、单点选择、噪声、延迟和反射、电磁兼容性、 EMI 规格和敏感性要求、热要求、强度等。设计 PCB 是一个更广泛的设计过程的一部分。网表的生成不仅是 PCB 设计者的一个重要步骤，也是电路仿真的一个重要步骤。Netlist 包含一个 net，或者一整套使用的互连和组件。一旦电路模拟成功，PCB 设计师开始着手制作最简单有效的电路图案或图纸。通过将组件放置在软件中的主板上，可以知道主板的大小。有各种自动化的组件放置软件，可以加快设计工作，并有不同的算法工作在他们的后端。然而，一个经验丰富的设计师应该知道，这样的软件并不总是能够给出令人满意的结果，有序地放置零部件设计很少是合适的设计。最后一步涉及到互连线跟踪的放置。这同样可以是一个自动化的步骤，使用基于流行算法的软件，如 Lee 算法，Hightower 路由器，模式路由器，通道路由器和无网格路由器，但是设计师的谨慎是必要的。一旦这个步骤完成，板子的完整性通过使用设计规则检查来验证，检查所有的轨道，通孔和垫子是否已经按照设计规则集放置。互连线的长度会导致严重的信号失真。因此，信号完整性、 EMI 合规性和其他检查将作为下一步进行。

印刷电路板制造

Artwork 是通过发送特定格式的设计文件到绘图机和透明度为 PCB 制造生成。在此之后，印刷电路板的生产开始了。印刷电路板制造主要采用五种标准技术:

1.机械加工: 包括在印刷电路板上钻孔、冲孔和布线，使用标准的现有机械，还有激光和水射流切割等新技术。在加工精确的孔径时，需要考虑板的强度。小孔使这种方法成本高，可靠性低，因为减少了长径比，也使电镀困难。

2。成像: 这一步将电路图稿传输到各个层。单面或双面印刷电路板可以使用简单的丝网印刷技术，创建一个打印和蚀刻的基础上的模式。但是这有一个最小线宽可达到的限制。对于精细线路板和多层板，采用光学成像技术，可用于洪水丝网印刷、浸渍涂布、电泳、滚筒复合或液体滚筒涂布。近年来，直接激光成像技术和液晶光阀成像技术也得到了广泛的应用。

3。层压: 该工艺主要用于制造多层板，或单/双面板的基板。浸渍 b 级环氧树脂的玻璃板层间用液压机压紧，使各层粘合在一起。压制方式可以是冷压、热压、真空辅助压力锅或真空压力锅，提供对介质和厚度的严格控制。

4。电镀: 基本上是一种金属化过程，可以通过湿化学过程如化学镀和电解电镀，也可以通过干化学过程如溅射和 CVD 来实现。虽然化学镀提供高的长宽比和无外部电流，从而形成添加剂技术的核心，电解电镀是大块金属化的首选方法。最近的发展，如电浆制程提供了更高的效率和质量，同时减少了对环境的征税。

5.蚀刻: 将不需要的金属和电介质从电路板上去除的过程，可以是干的，也可以是湿的。刻蚀的均匀性是这一阶段首要关注的问题，为了扩大细线刻蚀的能力，正在开发新的各向异性刻蚀溶液。

设计流程

整体设计流程可在流程图中概述如下:

图4: 显示 PCB 设计流程图

在 PCB 的整个制造过程中，视觉和电气检查是为了找到任何可能由于过程自动化而产生的缺陷，如墓碑效应，当焊料加热过快，组件的一端从板上升起，无法接触，或焊料过剩或桥接。即使在制造过程之后，这些板也要在不同的环境、应力和应变条件下进行产量水平的测试。

在古代，当 pcb 刚刚被引进的时候，军队是主要的消费者。但是随着技术的进步和需求的增长，越来越多的兴趣转向了更好的 pcb，到今天为止，它们已经成为多种元件、小玩意和设备的基础，从不断创新的计算机和手机到像电视、收音机和儿童玩具等基本设备。很快，移动电话的数量就会超过这个世界上的人口数量，而且这一趋势还将继续上升。这对用户来说可能是一个方便，但也不是没有危险，这为不同领域的人们提供了很大的空间。

挑战

焊料中含有铅，这是一种有毒物质。在加热焊料时，形成了不应被吸入的铅烟。但是，出于业绩原因，这种作业必须在封闭区域进行。在允许烟雾进入地球大气层之前，需要对其进行适当的处理和过滤。由于技术的快速变化，设备在几个月甚至几周内就过时了，随着进步的人群不断接受新技术，越来越多的旧设备日益增多。如果有毒物质通过这些废弃物进入生态系统，将对生态系统造成灾难性的影响，从而导致处理问题。各国采取了一些缓解措施，以便处理这种情况，例如电子废物管理、电子产品回收利用、从旧设备中回收零件、回收和再利用焊料以及从制造商那里回购报价。开发廉价和无毒的方法，使电气连接，如水溶性导电成型塑料，正在开发取代电线和焊料。此外，三维模压塑料板等技术的发展保证了印刷电路板技术在未来许多年将是一个非常动态的领域。

白纪龙老师从事电子行业已经有15个年头到目前为止已开发过的产品超上百款，目前大部分都已经量产上市从2018年开始花了5年的时间潜心录制了上千集的实战级电子工程师系列课程获取更多干货知识，好文阅读可微信搜索“纪客老白”公众号、视频号老白的初心是“愿天下工程师 不走弯路”