PCB设计太复杂?透过基础知识点看背后的大学问
来源:    发布时间: 2018-05-31 02:52   130 次浏览   大小:  16px  14px  12px
PCB设计太复杂?透过基础知识点看背后的大学问

  在电子行业有一个关键的部件叫做PCB(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。

  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。

  当电子行业从真空管、继电器发展到硅半导体以及集成电路的时候,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。

  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,通过热量和粘合剂到一起。

  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。

  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。

  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倒基材。在双面板上,铜箔会到基材的正反两面。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。

  在铜层的是阻焊层。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。

  在阻焊层,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。

  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和实际的钻孔的偏差。钝钻头导致的不正确的钻孔中心是PCB制造里的普遍问题。

  (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。盈博全讯网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。

  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。

  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。

  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“

  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。

  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。

  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。

  焊锡炉-- 焊接插件的炉子。一般里面有少量的熔融的焊锡,板卡在迅速的通过,就可以将的管脚上锡焊接好。

  阻焊-- 为了防止短路、腐蚀以及其它问题,铜会覆盖一层膜。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”。

  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。(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。

  V-score-- 将板卡进行一条不完全的切割,可以将板过这条直线折断。(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。游艇会登陆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的焊盘焊接到一起。

  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。

  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。

  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。

  性能: 很多程序对设计有,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。

  可性: 一些免费的程序不允许导出或者迁移到其它软件,将你在唯一的供应商上。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。

  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。

  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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