PCB基础知识(一)

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PCB基础知识(⼀)
在电⼦⾏业有⼀个关键的部件叫做(printed circuit board,印刷电路板)。

这是⼀个太基础的部件,导致很多⼈都很难解释到底什么是PCB。

这篇⽂章将会详细解释PCB的构成,以及在PCB的领域⾥⾯常⽤的⼀些术语。

在接下来的⼏页⾥⾯,我们将讨论PCB的组成,包括⼀些术语,简要的组装⽅法,以及简介PCB的设计过程。

What's a PCB?
PCB(Printed circuit board)是⼀个最普遍的叫法,也可以叫做“printed wiring boards” 或者 “printed wiring cards”。

在PCB出现之前,电路是通过点到点的接线组成的。

这种⽅法的可靠性很低,因为随着电路的⽼化,线路的破裂会导致线路节点的断路或者短路。

绕线技术是电路技术的⼀个重⼤进步,这种⽅法通过将⼩⼝径线材绕在连接点的柱⼦上,提升了线路的耐久性以及可更换性。

(1977年Z80计算机的绕线背板)
当电⼦⾏业从真空管、继电器发展到硅半导体以及的时候,电⼦元器件的尺⼨和价格也在下降。

电⼦产品越来越频繁的出现在了消费领域,促使⼚商去寻找更⼩以及性价⽐更⾼的⽅案。

于是,PCB诞⽣了。

Composition(组成)
PCB看上去像多层蛋糕或者千层⾯--制作中将不同的材料的层,通过热量和粘合剂压制到⼀起。

从中间层开始吧。

FR4
PCB的基材⼀般都是玻璃纤维。

⼤多数情况下,PCB的玻璃纤维基材⼀般就指"FR4"这种材料。

"FR4"这种固体材料给予了PCB硬度和厚度。

除了FR4这种基材外,还有柔性⾼温塑料(聚酰亚胺或类似)上⽣产的柔性电路板等等。

你可能会发现有不同厚度的PCB;然⽽ SparkFun的产品的厚度⼤部分都是1.6mm(0.063'')。

有⼀些产品也采⽤了其它厚度,⽐如LilyPad、Arudino Pro Micro boards采⽤了0.8mm的板厚。

廉价的PCB和洞洞板(见上图)是由环氧树脂或酚这样的材料制成,缺乏 FR4那种耐⽤性,但是却便宜很多。

当在这种板⼦上焊接东西时,将会闻到很⼤的异味。

这种类型的基材,常常被⽤在很低端的消费品⾥⾯。

酚类物质具有较低的热分解温度,焊接时间过长会导致其分解碳化,并且散发出难闻的味道。

Copper
(露铜的PCB,⽆阻焊&丝印)
接下来介绍是很薄的铜箔层,⽣产中通过热量以及黏合剂将其压制倒基材上⾯。

在双⾯板上,铜箔会压制到基材的正反两⾯。

在⼀些低成本的场合,可能只会在基材的⼀⾯压制铜箔。

当我们提及到”双⾯板“或者”两层板“的时候,指的是我们的千层⾯上有两层铜箔。

当然,不同的PCB设计中,铜箔层的数量可能是1层这么少,或者⽐16层还多。

铜层的厚度种类⽐较多,⽽且是⽤重量做单位的,⼀般采⽤铜均匀的覆盖⼀平⽅英尺的重量(盎司oz)来表⽰。

⼤部分PCB的铜厚是1oz,但是有⼀些⼤功率的PCB可能会⽤到2oz或者3oz的铜厚。

将盎司(oz)每平⽅英尺换算⼀下,⼤概是 35um或者1.4mil的铜厚。

Soldermask(阻焊)
在铜层上⾯的是阻焊层。

这⼀层让PCB看起来是绿⾊的(或者是SparkFun的红⾊)。

阻焊层覆盖住铜层上⾯的⾛线,防⽌PCB上的⾛线和其他的⾦属、焊锡或者其它的导电物体接触导致短路。

阻焊层的存在,使⼤家可以在正确的地⽅进⾏焊接,并且防⽌了焊锡搭桥。

在上图这个例⼦⾥,我们可以看到阻焊覆盖了PCB的⼤部分(包括⾛线),但是露出了银⾊的孔环以及SMD焊盘,以⽅便焊接。

⼀般来说,阻焊都是绿⾊的,但⼏乎所有的颜⾊可以⽤来做阻焊。

SparkFun的板卡⼤部分是红⾊的,但是IOIO板卡⽤了⽩⾊,LilyPad板卡是紫⾊的。

Silkscreen(丝印)
在阻焊层上⾯,是⽩⾊的丝印层。

在PCB的丝印层上印有字母、数字以及符号,这样可以⽅便组装以及指导⼤家更好地理解板卡的设计。

我们经常会⽤丝印层的符号标⽰某些管脚或者LED的功能等。

丝印层是最最常见的颜⾊是⽩⾊,同样,丝印层⼏乎可以做成任何颜⾊。

⿊⾊,灰⾊,红⾊甚⾄是黄⾊的丝印层并不少见。

然⽽,很少见到单个板卡上有多种丝印层颜⾊。

下⼀页会介绍⼀些PCB⽅⾯的常⽤术语。

Terminology(术语)
现在你知道了PCB的结构组成,下⾯我们来看⼀下PCB相关的术语吧。

孔环 -- PCB上的⾦属化孔上的铜环。

Examples of annular rings. 孔环的例⼦
DRC -- 设计规则检查。

⼀个检查设计是否包含错误的程序,⽐如,⾛线短路,⾛线太细,或者钻孔太⼩。

钻孔命中 -- ⽤来表⽰设计中要求的钻孔位置和实际的钻孔位置的偏差。

钝钻头导致的不正确的钻孔中⼼是PCB制造⾥的普遍问题。

不是太准确的drill hit⽰意图
(⾦)⼿指 -- 在板卡边上裸露的⾦属焊盘,⼀般⽤做连接两个电路板。

⽐如计算机的扩展模块的边缘、内存条以及⽼的游戏卡。

邮票孔 -- 除了V-Cut外,另⼀种可选择的分板设计⽅法。

⽤⼀些连续的孔形成⼀个薄弱的连接点,就可以容易将板卡从拼版上分割出来。

SparkFun的Protosnap板卡是⼀个⽐较好的例⼦。

ProtoSnap上的邮票孔使PCB能简单的弯折下来。

焊盘 -- 在PCB表⾯裸露的⼀部分⾦属,⽤来焊接器件。

左边是插件焊盘,右边是贴⽚焊盘
拼板 -- ⼀个由很多可分割的⼩电路板组成的⼤电路板。

⾃动化的电路板⽣产设备在⽣产⼩板卡的时候经常会出问题,将⼏个⼩板卡组合到⼀起,可以加快⽣产速度。

3拼板(原图挂了,⾃⼰找的)
钢⽹ -- ⼀个薄⾦属模板(也可以是塑料),在组装的时候,将其放在PCB上让焊锡透过某些特定部位。

钢⽹(原图挂了,⾃⼰找的配图)
Pick-and-place - 将元器件放到线路板上的机器或者流程。

平⾯ -- 线路板上⼀段连续的铜⽪。

⼀般是由边界来定义,⽽不是路径。

也称作”覆铜“
图⽰PCB上⼤部分地⽅没有⾛线,但是有地的覆铜
⾦属化过孔 -- PCB上的⼀个孔,包含孔环以及电镀的孔壁。

⾦属化过孔可能是⼀个插件的连接点,信号的换层处,或者是⼀个安装孔。

FABFM PCB上的⼀个插件电阻。

电阻的两个腿已经穿过了PCB的过孔。

电镀的孔壁可以使PCB正反两⾯的⾛线连接到⼀起。

Pogo pin -- ⼀个弹簧⽀撑的临时接触点,⼀般⽤作测试或烧录程序。

有尖头的pogo pin, 在测试针床中⽤的很多。

回流焊 -- 将焊锡融化,使焊盘(SMD)和器件管脚连接到⼀起。

丝印 -- 在PCB板上的字母、数字、符号或者图形等。

基本上每个板卡上只有⼀种颜⾊,并且分辨率相对⽐较低。

丝印指出了这个LED是电源指⽰灯。

开槽 -- 指的是PCB上任何不是圆形的洞。

开槽可以电镀也可以不电镀。

由于开槽需要额外的切割时间,有时会增加板卡的成本。

在ProtoSnap - Pro Mini板卡上的复杂开槽。

同样有很多邮票孔。

注意: 由于开槽的⼑具是圆形的,开槽的边缘不能完全做成直⾓。

锡膏层 -- 在往PCB上放置元器件之前,会通过钢⽹在表贴器件的焊盘上形成的⼀定厚度的锡膏层。

在回流焊过程中,锡膏融化,在焊盘和器件管脚间建⽴可靠的电⽓和机械连接。

在放置元器件之前,PCB上短暂的锡膏层,记得去了解⼀下钢⽹的定义。

焊锡炉 -- 焊接插件的炉⼦。

⼀般⾥⾯有少量的熔融的焊锡,板卡在上⾯迅速的通过,就可以将暴露的管脚上锡焊接好。

阻焊 -- 为了防⽌短路、腐蚀以及其它问题,铜上⾯会覆盖⼀层保护膜。

保护膜⼀般是绿⾊,也可能是其它颜⾊(SparkFun红⾊,Arduino蓝⾊,或者Apple⿊⾊)。

⼀般称作“阻焊”。

Solder mask covers up the signal traces but leaves the pads to solder to.阻焊覆盖了信号线,但是露出了焊盘以便于焊接。

连锡 -- 器件上的两个相连的管脚,被⼀⼩滴焊锡错误的连接到了⼀起。

表⾯贴装 -- ⼀种组装的⽅法,器件只需要简单的放在板卡上,不需要将器件管脚穿过板卡上的过孔。

热焊盘 -- 指的是连接焊盘到平⾯间的⼀段短⾛线。

如果焊盘没有做恰当的散热设计,焊接时很难将焊盘加热到⾜够的焊接温度。

不恰当的散热焊盘设计,会感觉焊盘⽐较黏,并且回流焊的时间相对⽐较长。

(译者注,⼀般热焊盘做在插件与波峰焊接触的⼀⾯。

不知道这个⽂章⾥⾯为什么会提到reflow,reflow主要要考虑的是热平衡,防⽌⽴碑。


在左边,焊盘通过两个短⾛线(热焊盘)连接到地平⾯。

在右边,过孔直接连接到地平⾯,没有采⽤热焊盘。

⾛线 -- 在电路板上,⼀般连续的铜的路径。

⼀段连接复位点和板卡上其它地⽅的细⾛线。

⼀个相对粗⼀点的⾛线连接了5V电源点。

V-score -- 将板卡进⾏⼀条不完全的切割,可以将板卡通过这条直线折断。

(译者注:国内常叫做“V-CUT”)
过孔 -- 在板卡上的⼀个洞,⼀般⽤来将信号从⼀层切换到另外⼀层。

塞孔指的是在过孔上覆盖阻焊,以防被焊接。

连接器或者器件管脚过孔,因为需要焊接,⼀般不会进⾏塞孔。

同⼀个PCB上塞孔的正反两⾯。

这个过孔将正⾯的信号,通过在板卡上的钻孔,传输到了背⾯。

波峰焊 -- ⼀个焊接插件器件的⽅法。

将板卡匀速的通过⼀个产⽣稳定波峰的熔融焊锡炉,焊锡的波峰会将器件管脚和暴露的焊盘焊接到⼀起。

下⼀页将简要的介绍⼀下如何设计⾃⼰的PCB板卡。

Designing your own! 设计⾃⼰的!
你希望开始设计⾃⼰的PCB吗。

在PCB设计中的曲曲弯弯在这边说太复杂了。

不过,如果你真的想开始,下⾯有⼏个要点。

1. 找到⼀个CAD的⼯具:在PCB设计的市场⾥,有很多低价或者免费的选择。

当找⼀个⼯具的时候,可以考虑以下⼏点。

2. 论坛⽀持:有没有很多⼈使⽤这个⼯具?越多的⼈使⽤,你越容易找到你需要的器件的已经设计好的封装库。

3. 很容易⽤。

如果不好⽤的话,你也不会⽤。

4. 性能:很多程序对设计有限制,⽐如层数,器件数,以及板卡尺⼨等。

⼤部分需要你去购买授权去升级性能。

5. 可抑制性:⼀些免费的程序不允许导出或者迁移到其它软件,将你限制在唯⼀的供应商上。

可能软件的低价以及便捷性值得这样的付
出,但有时候不太值得。

6. 去看看其他⼈的布板设计。

开源硬件让这个事情越来越容易。

7. 练习,练习,还是练习。

8. 保持低的期望值。

你设计的第⼀个板卡可能有很多问题,但是第20个可能就少很多,但是还会有⼀些问题。

但是你很难将所有问题清
除。

9. 原理图相当重要。

尝试去设计⼀个没有好的原理图⽀持的PCB板卡是徒劳的。

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