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1、第5章 印制电路板设计基础第第5 5章章 印制电路板印制电路板设计基础设计基础5.1 印制电路板印制电路板5.1.1 元件外形结构元件外形结构元器件是实现电气功能的基本单元，它们的结构和外形各异。为了实现电器的功能，他们必须通过管脚相互连接； 为了确保连接的正确性，各管脚都按一定的标准规定了管脚号。 另外，各元件制造商为了满足各公司在对元器件的体积、功率等方面的要求，即使同一类型的元件，他们又设置有不同的元件外形和管脚排列，即元件外形结构。 如图所示同为三极管，但大小外形结构却差别很大。 5.1.2 印制电路板结构印制电路板结构 印制电路板是电子元件装载的基板，它的生产涉及电子，机械，化工等众
2、多领域。它要提供原件安装所需的封装，要有实现元件管脚电气连接的导线，要保证电路设计所要求的电气特性，以及为元件装配、维修提供识别字符和图形。所以，它的结构较为复杂，制作工序较为繁琐，而了解印制电路板的相关概念，是成功制作电路板的前提和基础。 为了实现元器件的安装和管脚的连接，我们必须在电路板上按元件管脚的距离和大小钻孔，同时还必须在钻孔的周围留出焊接管脚的焊盘。为了实现元件管脚的电气连接，在有电气连接管脚的焊盘之间还必须覆盖一层导电能力较强的铜箔膜导线，同时为了防止铜箔膜导线在长期的恶劣环境中使用而氧化，减少焊接、调试时短路的可能性，在铜箔导线上涂抹了一层绿色阻焊漆，以及表示元件安装位置的元件
3、标号。一个制作好并拆除了部分元件的实用电路板如图所示。5.1.3 印制电路板种类印制电路板种类印制电路板的种类很多，根据元件导电层的多少可以分为单面板、双面板、多层板。1.单面板单面板在电器中应用最为广泛。单面板所用的绝缘基板上只有一面是敷铜面，用于制作铜箔导线，而另一面只印上没有电气特性的元件型号和参数等，以便于元器件的安装、调试和维修。单面板由于只有一面敷铜，因此无须过孔、制作简单、成本低廉，功能较为简单，在电路板面积要求不高的电子产品中得到广泛的应用。2.双面板传统的单面板设计已经无法满足电子产品，特别是贴片元件电子产品的设计要求。为了解决顶层和底层相同导线之间的连接关系，人们还制作了金
4、属化过孔，双面板的采用有效地解决了同一层面导线交叉的问题，而过孔的采用又解决了不同层面导线的连通问题，与单面板相比，极大的提高了电路板的元件密度和布线密度。3.多层板随着大规模和超大规模集成电路的应用，元件管脚数目急剧增多，电路中元件管脚的连接关系也越来越复杂。同时，为了降低功耗和提高效率，电路的工作频率也成倍升高，双面 板已逐渐不能满足复杂电路的连线和高频电路的电磁屏蔽要求。5.1.4 印制电路板的制作流程印制电路板的制作流程下料一般是指选取材料、厚度合适，整个表面铺有较薄铜箔的整张基板。丝网漏印指为了制作元件管脚间相连的同箔导线，必须将多余的铜箔部分利用化学反应腐蚀掉，而使铜箔导线在化学反
5、应的过程中保留下来，所以必须在腐蚀前将元件管脚间相连的铜箔导线利用特殊材料印制到铺有较薄铜箔的整张基板上，改特殊材料可以保证其下面的铜箔与腐蚀液隔离，将特殊材料印制到基板上的过程就是丝网漏印。接下来将丝网漏印后的基板放置在腐蚀化学液中，将裸露出来的多余铜箔腐蚀掉，再利用化学溶液将保留下来的铜箔上的特殊材料清洗掉。通过以上步骤就制作出了裸露的铜箔导线。为了实现元件的安装，还必须为元件的管脚提供安装孔，可利用数控机床在基板上钻孔。对于双面板而言，为了实现上下层导线的互联，还必须制作过孔，过孔的制作较为复杂，钻孔后还必须在过孔中电镀上一层导电金属膜，该过程就是孔加工。为了在元件装配和维修的过程中识别
6、元件，还必须在电路板上印上元件的编号以及其他必要的标注。随后将整张制作完成的电路板分割为小的成品电路板。最后还要对电路板进行检查测试。5.2 设置设置Altium Designer中印制电路板的层面中印制电路板的层面 从印制电路板的制作流程中我们可以了解到，为了制作出各种不同类型的实用电路板，我们需要向电路板厂家提供各种必须的信息，如电路板的层数、导线的连接关系、焊盘的位置、大小等。下面介绍擦擦擦如何提供实际制作印制电路板时所需的各种参数和信息，首先引入层面的基本概念。 5.2.1 层面的基本概念层面的基本概念如果查看PCB工作区的底部，会看见一系列层标签。PCB编辑器是一个多层环境，设计人员
7、所做的大多数编辑工作都将在一个特殊层上。使用Board Layers & Colors对话框可以显示、添加、删除、重命名及设置层的颜色。在设计印制电路板时，往往会遇到工作层选择的问题。Altium Designer提供了多个工作层供用户选择，用户可以在不同的工作层上进行不同的操作。当进行工作层设置时，应该执行PCB设计管理器的DesignBoard Layers & Colors命令，系统将弹出如图7-22所示的Board Layers & Colors对话框，其中显示用到的信号层、平面层、机械层以及层的颜色和图纸的颜色。5.2.2 Altium Designer PCB 编辑器中的层面编辑器
8、中的层面Altium Designer提供的工作层在Board Layers & Colors对话框中设置，主要有以下几种。1.信号层（Signal Layers）2.内部平面层（Signal Layers）3.机械层（Mechanical Layers）4.助焊膜及阻焊膜（Solder Mask和Paste Mask）5.丝印层（Silkscreen Layers）丝印层（Silkscreen Layers）主要用于在印制电路板的上、下两表面上印刷所需要的标志图案和文字代号等，主要包括顶层丝印层（Top Overlay）、底层丝印层（Bottom Overlay）两种。5.其他工作层（Oth
9、ers） Keep-Out Layer用于设置是否禁止布线层，用于设定电气边界，此边界外不能布线。 Multi-Layer用于设置是否显示复合层，如果不选择此项，过孔就无法显示。 Drill Guide主要用于选择绘制钻孔导引层。 Drill drawing主要用于选择绘制钻孔冲压层。5.3 元件封装概述元件封装概述元件封装是指元件焊接到电路板时所显示的外观和焊盘位置。既然元件封装只是元件的外观和焊盘位置，那么纯粹的元件封装仅仅是空间的概念，因此，不同的元件可以共用同一个元件封装；另一方面，同种元件也可以有不同的封装，如RES代表电阻，它的封装形式可以是AXIAL-0.4、C1508-0503
10、、CR2012-0805等，所以在取用焊接元件时，不仅要知道元件名称，还要知道元件的封装。元件的封装可以在设计原理图时指定，也可以在装入网络表时指定。 5.4 元件封装分类元件封装分类（1）DIP封装 双列直插封装，简称DIP（Dual In-line Package），属于针脚式元件封装，如图5-5所示。DIP封装的结构具有以下特点：适合于PCB的穿孔安装、易于对PCB布线、操作方便。DIP封装结构形式有：多层陶瓷双列直插式DIP，单层陶瓷双列直插式DIP，引线框架式DIP（含玻璃陶瓷封接式、塑料包封结构式和陶瓷低熔玻璃封装式）。（2）芯片载体封装 属于SMT元件封装。芯片载体封装有陶瓷无引
11、线芯片载体封装LCCC(Leadless Ceramic Chip Carrier)（如图5-5所示）、塑料有引线芯片载体封装PLCC（Plastic Leaded Chip Carrier）（如图5-7所示，与LCCC相似）、小尺寸封装SOP（Small Outline Package）（如图5-8所示）、塑料四边引出扁平封装PQFP（Plastic Quad Flat Package）（如图5-9所示）和球栅阵列封装BGA（Ball Grid Array）（如图5-10所示）。与 PLCC 或 PQFP 封装相比，BGA 封装更加节省电路板的面积。图5-5 双列直插封装 图5-5 LCCC
12、封装 图5-7 PLCC封装 图5-8小尺寸（SOP）封装 图5-9 PQFP封装 图5-10 BGA封装5.5 常用直插式元件封装介绍常用直插式元件封装介绍5.5.1 电阻电阻电阻器通常简称为电阻，它是一种应用十分广泛的电子元器件，其英文名字为“Resistor”，缩写为“Res”， 如图5-11所示。（a）常用的电阻原理图符号 （b）常用的电阻封装 （c）常用的固定电阻实物图图5-11 电阻原理图元件符号，封装，电阻原理图元件符号，封装，实物图实物图5.5.2 电容电容下面主要按照无极性电容和有极性电容来介绍常用的电容器。无极性电容的原理图符号如图图5-12（a）所示，对应的封装形式为RA
13、D系列，从RAD-0.1到RAD-0.4，后缀数字代表焊盘间距，单位为英寸，如图5-12（b）所示。比如“RAD-0.2”表示焊盘间距为0.2英寸（=200mil）的无极性电容封装。常见的无极性电容主要有瓷片电容、独石电容和CBB电容，其元器件实物如图5-12（c）、（d）、（e）所示。（a）无极性电容的原理图符号 （b）常用的元器件封装（c）瓷片电容 （d）独石电容（e）CBB电容图图5-12 无极性电容原理图元件符号，封装，实物图无极性电容原理图元件符号，封装，实物图常见的有极性电容为电解电容。电解电容对应的封装形式为RB系列，从“RB-.2/.4”到“RB-.5/1.0”，前一个后缀数字
14、的表示焊盘间距，后一个后缀数字代表电容外形的直径，单位都为英寸。一般来讲，标准尺寸的电解电容的外形尺寸是焊盘间距的两倍。元器件实物如图5-13所示。（a）电解电容的常用原理图符号 （b）电解电容的实物照（c）电解电容常用的元器件封装图图5-13 有极性电容原理图元件符号，实物图，封装有极性电容原理图元件符号，实物图，封装一般地，电容封装形式名称的后缀数值越大，相应的电容容量也越大。一般地，电容封装形式名称的后缀数值越大，相应的电容容量也越大。 5.5.3 二极管二极管 二极管的种类繁多，根据应用的场合不同可以分为普通二极管、发光二极管、稳压二极管、快恢复二极管以及二极管指示灯、由多个发光二极管
15、构成的七段数码管等，如图5-14所示。图图5-14 常见的二极管常见的二极管（d）七段数码管（a）普通二极管（稳压二极管）（b）发光二极管（c）二极管指示灯原理图中二极管元器件的常用名称为“DIODE”（普通二极管）、“DIODE SCHOTTKY”（肖特基二极管）、“DIODE TUNNEL”（隧道二极管）、“DIODE VARACTOR”（变容二极管）和“ZENER13”（稳压二极管）等，如图FD-7（a）所示。常见的二极管封装有“DIODE-0.4”、“DIODE-0.7”和“TO-220”，其中“DIODE-0.4”指的是普通二极管的焊盘间距为“0.4英寸”，即“10.15mm”，如图
16、所示。（a）二极管的原理图符号（b）稳压二极管的原理图符号（c）二极管的常用元器件封装5.5.4 三极管三极管普通三极管可根据其构成的PN结的方向不同，分为NPN型和PNP型。这两种类型的晶体管外形完全相同，都包括3个引脚，即b（基极）、c（集电极）和e（发射极），但是其原理图符号却不一样，如图5-15所示。三极管的原理图符号的常用名称有“NPN”、“NPN1” 和“PNP”、“PNP1”等。普通三极管普通三极管复合三极管（a）NPN型晶体管 （b）PNP型晶体管图5-15 普通三极管的原理图符号三极管的实物如图5-18所示。（a）普通三极管（b）功率三极管（1）（c）功率三极管（2）图5-1
17、8常见三极管的实物照片5.5.5 电位器电位器电位器属于可变电阻，是一种连续可调的电阻器，它的电阻值在一定范围内是连续可调的，如图5-19所示。（a）可变电阻的原理图符号（b）常用的可变电阻的元器件封装图5-19可变电阻的原理图符号和元器件封装此外，还有将多个电阻集成在一个封装内，从而形成电阻桥，以及各种电阻排，如图5-20所示。 （a）电阻桥的原理图符号及对应的元器件封装 （b）电组排的原理图符号、元器件封装和元器件实物图图5-20 各种电阻排各种电阻排5.5.5 单列直插元件单列直插元件图5-21 单列直插元件和封装单列直插元件是指如用于不同电路板之间电信号连接的单列插座，单列集成块等元件
18、。一般在原理图库元件中单列插座的常用名称为“HDR”系列，用的封装一般采用“”系列。如图5-21所示为封装5.5.7 双列直插元件双列直插元件图5-22双列直插式集成电路芯片(a)常用的IC座(b)双列直插式集成电路芯片的元器件封装 5.5 常用表面贴装元件封装介绍常用表面贴装元件封装介绍5.5.1 表面贴装元件介绍表面贴装元件介绍表面贴装元件体积小，没有管脚或管脚非常细小精密，可以大量地节省电路板面积，但因为没有管脚或管脚太细小，它们不能再采用传统的穿插式元件波峰焊接工艺，而必须采用先进的表面贴装回流焊接技术，其组装焊接必须经过“刮锡膏贴片回流焊”三个过程。5.5.2 贴片二极管封装贴片二极管封装常用贴片二极管和封装如图5-24所示。其中较尖的一头为二极管的负极。图5-24 贴片二极管和封装5.5.4 小尺寸封装（小尺寸封装（SOP）小尺寸封装（SOP，Small Outline Package）的元件外形和封装如图5-25所示，元件的二面有对称的管脚，管脚向外张开（一般称为鸥翼型管脚）图5-25 SOP封装的元件外形和封装图上机实训上机实训:定制定制51单片机实验单片机实验板常用元件的封板常用元件的封装装