PCB基础知识

 

概述

电子技术和工业实践中一个非常关键的一个概念就是印刷电路板,英文缩写PCB。它甚至基础到这个行业里的人都觉得已经是不言而喻无需解释的东西。这篇教程将对印刷电路板PCB的组成和一些重要的基本概念进行说明。

接下来的内容,我们将讨论印刷电路板的组成部分,涵盖部分行业术语,生产中的装配方法,以及简单介绍设计新的印刷电路板的基本流程。

建议先阅读

在您开始阅读本文之前,请确保您已经知道或者学习了以下教程中所罗列的内容:

 

什么是印刷电路板PCB?

印刷电路板PCB是最常叫的名字,也可以称印刷连线板和印刷连线板卡。在PCB出现以前,人们通过点对点的绕线来实现相同的功能。这种不可靠的连接方法,当导线绝缘开始老化和破裂时,导致导线连接处和短路处经常出现故障。

Mass of wire wrap

绕线连接电路(图片来自维基百科用户Wilinaut)

一个重要的进步是线绕包装的发展,在每个连接点上,小规格的线材被缠绕在柱子上,形成高度耐用且易于更换的气密连接。

当电子工业的主流组成器件从真空管和继电器转变到硅器件与集成电路,电子元件的尺寸和造价开始大幅下降。电子技术遂开始在消费类产品中普及开来,由于减小尺寸和降低造价的驱动力,促使业界寻找更佳的解决方案来满足需求。因而诞生了印刷电路板的技术。

LilyPad PCB

PCB是印刷电路板的英文首字母缩写。它是一块拥有铜线和焊盘用于连接大量电路端点的板子。由上图所示,上面的轨迹线中可以看出在接线端子和电子元件之间存在着电气连接。印刷电路板上,信号和电能在不同的物理器件之间连接。焊锡能使PCB表面与电子元件的引脚电气连通。焊锡除了提供电气连通的功能外,也能为元器件提供有力的粘接附着作用。

组成

印刷电路板有点像层状蛋糕或烤宽面条 – 有不同材料的交替层,用热和粘合剂层压在一起,从而固结在一起。

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让我们从上图中间开始向外各层开始介绍

FR4

FR4是一种耐燃材料等级的代号,所代表的意思是树脂材料经过燃烧状态必须能够自行熄灭的一种材料规格,它不是一种材料名称,而是一种材料等级。这个坚硬的核心给了PCB的刚性和厚度。 也有灵活的高温塑料(卡普顿或其它等效替代品)建造的柔性PCB。

你会发现许多不同厚度的PCB;产品最常用的厚度是1.6mm(0.063“),一些特殊产品,如LilyPad板和Arudino Pro Micro板使用0.8mm厚的板。

Perf board

更便宜的印刷电路板和印刷电路板(如上所示)将采用环氧树脂或酚醛树脂等其他材料制成,这些材料缺乏FR4的耐用性,但价格便宜得多。 当你焊接时,你会知道你正在使用这种类型的PCB – 它们具有非常难闻的难闻气味。 这些类型的衬底通常也可以在低端消费电子产品中找到。 酚醛树脂具有较低的热分解温度,当烙铁在电路板上过长时,会导致它们分层,产生烟雾和并且炭化。

铜箔

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铜裸露的PCB,没有阻焊层或丝网印刷。

下一层是薄铜箔,用热和粘合剂将其层压到电路板上。 在常见的双面PCB上,铜被涂在基板的两侧。 在成本较低的电子小配件中,PCB可能仅在一侧具有铜。 当我们提到双面或双层板时,我们指的是我们电路板含有的铜层数(2)。 这可以少至1层或多达16层或更多。

阻焊层

铜箔顶部的层称为阻焊层。 该层为PCB提供颜色。 它被覆盖在铜层上以保持对外绝缘,使铜迹线不会与其他金属,焊料或导电钻头因意外接触而短接。 这层帮助用户焊接到正确的位置并防止焊接时产生连锡现象。

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在上面的例子中,绿色阻焊层被应用于PCB的大部分,覆盖了较小的走线,但是银环和SMD焊盘暴露在外,因此可以焊接到PCB上。

在上面的例子中,绿色阻焊层被覆盖于PCB的大部分,包括较细的内部走线,但是银色圆环过孔焊盘和SMD焊盘暴露在外,方便相应元件焊接到PCB上。

丝印

PCB with silkscreen

白色丝网印刷层被印刷在阻焊层之上。 丝印为PCB增加了字母,数字和符号,使人们更容易组装和指示并提供简单指示,以更好地理解电路板。 人们经常使用丝印的标签来指示每个引脚或LED的功能。

丝印最常见的是白色,但可以使用任何油墨颜色。 黑色,灰色,红色,甚至黄色丝印颜色都广泛应用;但是,在单个电路板上看到多种颜色的情况并不常见。

术语

现在您已经了解了PCB的结构和基本概念,下面我们介绍一些在PCB设计制造和使用时常用到的术语:

  • 元器件孔 – PCB上环形元器件覆铜通孔电镀锡。

              Annular ring on resistorAnnular ring on vias

圆环过孔的例子。

  • DRC(design rule check) – 设计规则检查。 对设计运用软件进行检查,以确保设计不包含工艺能力达不到或者其它会导致问题的潜在风险,如走线太细钻孔太小等。
  • 钻孔偏移——应该钻孔的设计,或者他们实际在钻孔板上钻孔的地方。 不精确的装夹定位的钻头的引偏造成的钻孔不准是一个常见的制造问题。

Bad drill hits

钻孔偏移,但电路板功能依旧正常的钻孔

  • 手指插-露出的金属垫沿着电路板的边缘,用于在两块电路板之间建立连接。 常见的例子是计算机扩展卡或内存条以及旧版盒式游戏卡。
  • 锯齿 – 用于将板与面板分离的V型槽切的替代品。 许多钻孔聚集在一起,形成了一个薄弱点,事后可以很容易地折断该处。

LilyPad Protosnap with mouse bites

锯齿在LilyPad ProtoSnap上的咬合可以让PCB轻松拆下。

  • 焊盘 – 用于让元件焊接到的电路板,表面暴露金属的部分。

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PTH(镀通孔)焊盘,右侧为SMD(表面贴装器件)焊盘。

  • 拼板 – 一个大的电路板,由许多较小的电路板组成,在使用前将被拆开。 自动化的许多电路板处理设备通常在生产处理较小的电路板上会有问题,并且通过一次将多个电路板聚合在一起,使得工艺生产过程可以显着加快。
  • 钢网- 将锡膏(锡膏)印刷于电路板再经过回流焊炉连接电子零件于电路板上,是现今电子制造业最普遍的使用方法。锡膏的印刷其实有点像是在墙壁上油漆一般,所不同的,为了要更精确的将锡膏涂抹于一定位置与控制其锡膏量,所以必须要使用一片更精准的特制钢网(模版)来控制锡膏的印刷。
  • 贴片/贴片机- 将贴片元件放置在电路板上的过程及其设备。
  • 覆铜区 – 电路板上的连续铜箔区域,由边界而非路径定义。 通常也称为“敷铜”。

PCB ground pour

PCB的没有走线的各个部分区域都被大面积覆铜并与GND相连

  • 电镀通孔 – 电路板上的一个孔,该电路板上有一个环形环,并且两面都有焊盘在电路板上。 可能用于通孔元件的引线连接,通过信号并安装。

Plated through hole resistor

插入FabFM PCB中的PTH电阻器,可以进行焊接。 电阻器的腿穿过孔。 电镀孔可以在PCB的前部和PCB的后部连接到它们表面的铜箔走线。

  • Pogo金探针触点- 内置弹簧测试针加载的触点,用于进行测试或编程的临时连接。

Pogo Pin

流行的弹簧金针尖。 我们在测试设备上使用了大量的这些金针

  • 回流焊 – 熔化焊料以在焊盘和元件引线之间形成连接。
  • 丝印 – 电路板上的字母,数字,符号和图像。 通常只有一种颜色可用,分辨率通常很低。

Silkscreen

丝印将此LED标记为电源LED。

  • 铣槽 – 电路板上任何不是圆形的孔都属于此类。 槽边缘可能会也可能不会覆铜喷锡。 铣槽有时会增加成本,因为它们需要额外的铣削时间。

slot

复合的槽刀切入ProtoSnap Pro Mini。 还有很多锯齿用于拆下小块的电路板。 注意:插槽的拐角处不能做成完全直角,因为它们是用圆形铣刀切割的。

  • 焊膏 – 悬浮在凝胶介质中的焊锡小球,在放置组件之前,借助于焊膏模板将其施加到PCB上的表面安装焊盘上。 在回流焊过程中,焊膏中的焊料会熔化,从而在焊盘和部件之间形成电气和机械连接。

alt text元件放置前不久,在PCB上焊上锡膏。 一定要阅读上面关于钢网的介绍。

  • 焊锡炉 – 用于快速将焊锡板与通孔组件配合使用的罐。 通常包含少量熔化的焊料,电路板快速浸入其中,在所有暴露的焊盘上留下焊点。
  • 阻焊层 – 一层覆盖金属的防护材料,以防止短路,腐蚀和其他问题。 虽然其他颜色(红色,蓝色或黑色)也是可能的,但通常是绿色的。

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阻焊层覆盖信号走线,但留下焊盘焊接

  • 连锡 – 不需要的焊锡连接的电路板上两个相邻引脚的焊锡连接成一块。
  • 表面贴装 – 允许将组件简单贴在电路板上的安装方法,而不需要引线穿过电路板上的孔。 这是今天使用的主要元件放置方法,允许电路板快速且容易安装。
  • 阻隔覆铜散热 – 用于将焊盘连接到其它处的走线。 如果焊盘没有阻隔散热的设计,则难以使焊盘达到足够高的温度以形成良好的焊点。 当您试图焊接时,不适当散热的焊盘会感觉“焊锡难以熔化”,并且需要非常长的时间进行焊接。

thermal

在左侧,过孔和焊盘都是十字连接到GND覆铜区。 在右侧,没有热量的通孔将其完全连接到地平面。

  • 覆铜点(取样点)-为了保持PCB在电镀时板上各点镀铜厚度均匀而加的铜皮,网格线或铜点。 减少蚀刻难度,因为需要更少的时间来去除不需要的铜,也可避免该区域铜箔过度电镀的情况发生。
  • PCB迹线 – 电路板上铜走线的连续路径。

Traces on PCB

将RES焊盘连接到电路板上其他位置的小迹线。 较粗大的迹线连接到5V电源引脚。

  • V切槽-通过部分切割板子,形成V槽,使板子可以很容易地沿着此V槽线折断。
  • 通孔 – 用于将信号从一层传递到另一层的板上的孔。 盖油过孔由阻焊层覆盖,以防被焊接。连接器和元件需要连接的通孔通常未被覆盖并裸露出焊盘,以便它们更容易地被焊接。

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同一PCB的正面和背面显示一个盖油过孔。 该过孔将来自PCB正面的信号通过电路板的中部引至背面。

  • 波峰焊 – 一种用于自动焊接通孔元件电路板的焊接方法,其中电路板通过熔化焊料的驻波,该焊料粘附在裸露的焊盘和元件引线上。

快来设计你自己的PCB吧!

你如何设计自己的PCB? PCB设计的细节深入到了这里,但如果你真的想开始自己设计PCB,这里有一些建议:

  1. 选择一个用于PCB设计的计算机辅助设计软件:市场上有许多低成本或免费的PCB设计软件。 选择套餐时需要考虑的事项:
    • 社区支持:有很多人使用这个软件包吗? 使用它的人越多,你就越容易找打你需要使用的现成元器件模型和丰富的库文件。
    • 易用性:如果使用它上手困难,你当然不会选择它。
    • 功能强大:这些软件都会有限的设计 – 层数,组件数量,板的尺寸大小等。它们中的大多数允许您支付许可证以升级其功能。
    • 可迁移性:一些免费软件不允许您导出或转换您的设计,只能将您锁定到指定的供应商来制造你的电路板。 也许这是用你支付的制造价格来支付方软件开销成本,但也会限制你设计资料日后的可迁移性。
  2. 看看其他人的电路板布局设计,尤其是优秀的产品,看看他们做的设计细节,反思其中原因,对比你自己会不会如此设计。现在,找到开源硬件的原始设计资料比以往更容易。
  3. 不断练习,温故知新
  4. 不要过高估计自己的能力,宝贵的经验都是多次实践中累积起来的。 你的第一块电路板设计会有很多问题。 你的第20块电路板设计会少一点问题,但仍然会有一些。 你无法轻易完全摆脱电路板设计中的各种问题。
  5. 原理图非常重要。 对一个没有良好原理图保证进行电路板设计是徒劳的。

最后,谈谈设计自己的电路板的实用性。 如果您打算制作一个或两个以上的特定项目,设计电路板的投资回报相当不错 – 洞洞板上的点对点走线很麻烦,而且它们往往不如专门设计的板可靠和稳定。 如果它变得流行,你也可以卖你的设计的产品。那可真是创客精神的体现,自己动手,物质精神双丰收。

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