## 第四章：PCB（印刷电路板）的基本概念

PCB设计是硬件工程师必备的技能，要修成优秀的硬件工程师就要先了解与PCB相关的一些基本概念，以在具体的设计过程中把握住核心的要点。

### 4.1 PCB的功能
{{ :produktspektrum_570_res01.jpg |}}<WRAP centeralign> 印刷电路板 - PCB：Printed Circuit Board </WRAP>

印刷电路板的主要功能就是为了帮助各种形状、封装的元器件能够方便地进行电气连接。因此PCB的设计目标也就有以下几点：
  * 将各种封装的元器件适当地固定在电路板上，并能够将这些器件的每个引脚的信号（通过焊盘Pad）连接出来；
  * 在将各个器件的引脚进行连接的时候一定要满足所需要的电气性能，达到电路设计的初衷，电路板本身不能对各个信号带来连接错误、噪声、失真等；
  * 同时要满足各种机械、加工、散热、电磁干扰等方面的要求。

{{ :pcb_41.png |}}<WRAP centeralign>  PCB的功能 - 将不同的元器件放置在上面，并能够将这些元器件进行电气连接 </WRAP>

### 4.2 PCB和PCBA

PCB和PCBA是两个概念，也是两道工序。PCB加工是基于工程师提供的Gerber文件将设计变成实际的电路板（没有安装元器件的裸板）的过程，国内非常有名的PCB加工厂有金百泽、兴森快捷等；PCBA是PCB Assembly的缩写，也就是在已经加工好的PCB板上将元器件焊接、安装上去的过程，PCBA的厂商通过贴片机、手工焊接等方式将元器件焊接在PCB板上，像深圳的汉普、金百泽、苏州的易德龙等都是PCBA领域比较专业而且有规模的企业。当然也有不少企业既做PCB生产，又做PCBA的业务，比如金百泽。

下面我们来看看PCB相关的几个术语，也就是构成PCB的主要元素。
{{ :pcb_42.png |}}<WRAP centeralign> 一个PCB的主要构成 </WRAP>

参见上面的PCB图片，印刷电路板（PCB）主要有如下几个部分构成：
  * 器件（Part）：焊接在PCB板上的元器件，这也是PCB的作用所在，在PCB光板上器件以焊盘+丝印的方式出现
  * 焊盘（Pad）：通过电气的方式将元器件的管脚连接在板子上，它与器件的管脚相对应
  * 走线（Track/Trace）：连接器件管脚之间的信号线，取决于信号的性质，比如电流大小、速度等，走线的长度、宽度等也有所不同
  * 过孔（Via）：如果电路不能在一个层面上实现所有的信号走线，就要通过过孔的方式将信号线进行跨层连接，过孔的形式以及孔径取决于信号的特性以及加工厂工艺的要求
  * 层（layer） - 电路板分很多层，除了走信号的层之外，还有其它用于定义加工用的层等
  * 丝印（silk screen/overlay）： 也可以叫丝印层，用于对器件进行各种相关的信息标注
  * 阻焊层（Solder mask）：从字面上也可以理解出来是为了防止没有电气连接的临近的管脚被误焊的保护层
  * 定位孔（Mounting hole）：为了安装或调试方便放置的孔

{{ :pcb_43.png |}} <WRAP centeralign>PCB上承载着不同封装的元器件</WRAP>

为了将器件有效地放置在电路板上，根据元器件的特性以及需要的信号管脚数量、性质，每种器件都采有不同的封装方式，但主要分为两大类：
  * 穿孔方式（Through hole）- 需要在电路板上打孔将管脚固定住，元器件的管脚跨越Top和bottom两个层
  * 表面贴装方式（Surface mount）- 元器件只出现在一个Layer上

### 4.3 表面贴装器件（SMD）
{{ :pcb_44.png |}} <WRAP centeralign>表面贴装（SMT）器件的使用 </WRAP>
SMD - Surface Mount Device，翻译过来叫表面贴装的元器件，SMT - Surface Mount Technology，翻译过来就是表面贴装技术或表面贴装工艺，简称“表面贴装”。SMD在PCB上使用的主要特性有如下几点：
  * 单面分布器件的引脚和焊盘 - 可以是双面分别放置
  * 体积小巧、便宜、电路板加工生产比较容易，电路板的密度可以更高
  * 文治标注要随着元器件所在的面放置
  * 器件的起始脚（第一个管脚）需要定义清楚，有时采用不同形状的焊盘来表示

### 4.4 走线 - Track(Trace)

### 4.5 焊盘（PAD）
焊盘（PAD）是为了将元器件的管脚固定在PCB上并将信号连接在板上。它有不同的形状和尺寸 - 在用CAD工具构建封装库的时候，要根据该器件的数据手册中的定义来设定。

{{ :pcb_45.png |}} <WRAP centeralign> 焊盘 - PAD： 通过焊盘将元器件电气连接到电路板上 </WRAP>

### 4.6 分层（Layer）
PCB是分层的，每一层的功能和定义是不同的，从该页中可以看出除了连接信号的层之外，还有一些用于加工、安装以及指示的层。在用CAD工具设计PCB的时候一定要清晰理解这些层的含义和作用，正确地进行layer的设置和使用。

{{ :pcb_46.png |}}

- Mechanical：机械层 - 定义了板的外观
- Keepout layer： 禁止布线层 - 电气布线的边界
- Top overlay：顶层丝印层
- Bottom overlay：底层丝印层
- Top paste：顶层焊盘层
- Bottom paste：底层焊盘层
- Top solder：顶层阻焊层
- Bottom solder：底层阻焊层
- Drill guide：过孔引导层
- Drill drawing：过孔钻孔层
- Signal layer：信号层
- Internal plane layer：内部电源/接地层
- Solder mask layer：阻焊层
- Paste mask layer - 锡膏保护层，SMD贴片层

### 4.7 过孔（Via）
能够让电流通过的圆孔，可以将不同层的走线进行连接
过孔类似电路板上的“地下通道”或“过街天桥”，在电路板上用于跨层走线的时候连接不同层之间的信号的，根据连接的信号层的设置，过孔主要分为如下三种：
{{ :pcb_47.png |}} <WRAP centeralign> 三种过孔 </WRAP>

  * 通孔（through hole）- 连通了上下两层，上下都可见
  * 埋孔（Buried via）- 在电路板内部，连接电路板内部的两个层，表面上看不到
  * 盲孔（Blind via）- 只有一面能看到，另外一面看不到，该孔将一个表面层的信号连接到内部的某个信号层

过孔的形状和尺寸也不是随便设置的，它取决于连接的信号的特性以及PCB加工厂的工艺要求。

### 4.8 丝印（Silk Screen、Overlay）
在PCB上丝印被用来标记元器件的轮廓、方向、编号、备注信息以方便辨识，其名称在不同的EDA软件中叫法不同，比如在Altium Designer顶层的丝印就称为Top overlayer，底层的丝印被被称为Bottom overlay
{{ :silk-screen-pcb-board-for-oem.jpg |}} <WRAP centeralign>PCB上的丝印</WRAP>

用于标记元器件轮廓、方向等信息的丝印在创建元器件的封装库的时候就设定好了，但其标注文字内容、字体和大小都是可以根据显示效果修改的。PCB上丝印的字体要大小适中，放置的位置一定要注意，不要放置在焊盘或过孔上，从而导致实际的PCB上面的信息阅读困难。


### 4.9 阻焊（Solder Mask或 Stop Mask）
阻焊 - 为了防止不该连接的信号线由于焊接导致短路，特意在PCB上有一个阻焊层进行保护， 在上下两层没有焊盘的地方上的一层用于绝缘的绿油层，防止焊锡将不同的net的两根连线短路。

焊接掩模是指印刷电路板上的绿色部分。实际上，它使用负输出，因此当焊接掩模层的形状映射到PCB板时，它不是绿色油，而是暴露铜皮。

PCB板上的阻焊层功能如下所示：

  * 防止导体电路的物理破坏
  * 防止焊接过程中的桥接短路
  * 防止铜层氧化

在进行回流焊接，波峰焊接和手工焊接时，防止导线和焊点之间的短路

  * 高绝缘性可为高密度PCB板带来可能性

阻焊膜主要是液体紫外光可成像墨水，有绿色，红色，蓝色，黄色，白色，黑色和紫色，绿色应该是最常用的一种。根据可用的颜色，我们的产品中有一些要点供您参考。

  * 绿色，蓝色，红色，蓝色，黄色，白色和黑色的成本相同，无需额外费用，紫色，亚光绿，哑光黑色面膜需要额外的电量。
  * 对于焊接桥，除了需要最小0.25 mm的黑色外，所有颜色的IC引脚之间的间距应为0.2m
  * 对于正常情况，绿色掩模的前置时间应短于其他掩模

由于我们刚刚提到上面的焊桥，现在简单地了解它：

焊桥是两个焊盘或IC引脚之间的绿色油，因为它的需求很小，所以它被称为阻焊桥。如果引脚之间的距离太小而无法满足工厂流程，建议取消它并继续完全屏蔽开口。

什么是阻焊层？

焊接掩模，也称为阻焊剂或阻焊掩模/涂层，是覆盖铜迹线的薄层，无需在顶侧和底侧的印刷电路板（PCB）上进行焊接，以帮助确保PCB可靠性和高性能。通常选择树脂作为阻焊膜的主要材料，因为它在耐湿性，绝缘性，耐焊性和耐高温性以及美观性方面表现优异。

据信，大多数PCB被认为是绿色，实际上是阻焊油绿油的颜色。然而，焊接掩模可以以不同的颜色显示，包括绿色，白色，蓝色，黑色，红色，黄色等。根据不同的需求应用不同的颜色。例如在NPI阶段（为了使它们与大规模生产的板不同），一些RD倾向于在NPI阶段为原型拾取红色阻焊膜。选择黑色阻焊膜只是为了与这些板需要部分或完全暴露时最终产品外壳的颜色兼容。

即使是同一块板的两侧也可能包含不同颜色的焊接掩模。以Arduino Uno板为例：

{{ :5982c1a768c02.jpg |}}<WRAP centeralign> Arduino Uno板的阻焊颜色 </WRAP>

阻焊膜的功能

由于市场对体积和效率的需求，焊接面罩变得越来越受欢迎并且对于电路板而言越来越重要，因为板材火箭和SMT（表面贴装技术）的密度开始成为主要选择。

正如其名称所示，阻焊膜旨在阻止焊接桥在覆盖区域发生。回流焊接在SMT组装中起着关键作用，因为它使电子元件通过焊膏完全准确地安装在电路板上。如果没有使用焊接掩模，铜迹线往往会与焊膏连接，这可能会导致短路。因此，将组成PCB组装的可靠性和性能。

除了主要功能外，阻焊膜还能够防止铜迹线氧化，腐蚀和污垢。
阻焊膜制造工艺

有些人认为制造阻焊膜并不是一项尖端技术，很多工程师都可以在家里DIY。要意识到这是一个完整的神话，永远不会太晚。焊接掩模DIY仅适用于设计简单的电路板，除非在最终项目中正式应用，否则确保产品的可靠性有点困难。

对于专业PCB制造商而言，阻焊膜制造从未如此简单。一方面，必须遵守ISO9001，UL或RoHS等严格的规定。另一方面，阻焊膜制造由几个阶段组成，每个阶段都需要高成熟技术，丰富的制造经验和最新设备。

焊接掩模制造的普通程序按照下图中的描述继续进行。

阻焊膜设计技巧

事实上，无论您喜欢使用何种类型的PCB设计软件，焊接掩模都是可选的。 通过完成填充一些参数可以很容易地设计焊接掩模。 有些软件甚至可以提供自动焊接掩模。

在真正的设计之前，与签约的PCB制造商联系是非常必要的，要正确地了解它们在焊接掩模厚度方面的能力以及铜焊盘之间的最小间距，这些都不是每块板的固化。

由于焊接掩模的愚蠢问题，例如焊接掩模开口不足，开口过多，开口数量与电路平面中的铜焊盘不匹配，电路板将会失效。 这些问题可能源于疏忽或设计文件修改，但确实需要很长时间。 甚至有些人甚至会引发灾难。 因此，您的设计文件非常值得您仔细检查。


### 4.10 定位孔 - Mounting hole

### 4.11 测试电路

除了工程师针对项目自己设计的PCB之外，日常还会用到一些其它的板卡和附件用于测试、评估、前期开发等，这些都是工程师在实验室中常备的物料。
{{ :pcb_48.png |}} <WRAP centeralign> 一些常用的测试电路 </WRAP>

### 4.12 用于简单原理验证的原型板（Prototype）
由于设计、加工、调试PCB的周期比较长，成本也比较高，多数情况下在正式设计PCB之前，我们会用一些原型板比如面包板、多孔板、铜箔板对电路进行初步的验证。注意：面包板比较常用，但是其高频性能比较差，只能对低频、低速的电路进行验证，而且面包板只适合穿孔封装的器件。
{{ :pcb_49.png |}} <WRAP centeralign> 一些常用的原型板 </WRAP>

### 4.13 为电路设计和元器件选型提供参考的开发板
为方便工程师的设计，器件生产原厂以及他们的设计服务公司（一般称为IDH）、民间的板卡开发公司等都会提供一些功能强大、使用灵活的评估板、开发板以及功能模块。有效利用好这些板卡或模块可以迅速验证自己的方案设计，降低不必要的前期风险，大大加速项目的开发进度。
{{ :pcb_410.png |}} <WRAP centeralign> 一些常用的开发板 </WRAP>