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印刷电路板(PCB)中使用的概念和术语

什么是印刷电路板?

印刷电路板或PCB是用于放置不同元件的板或板,这些元件符合包含它们之间的电气互连的电路。

最简单的印刷电路板是仅在其表面之一上包含铜走线或互连的电路板。这些类型的板被称为1层印刷电路板或1层PCB。

今天制造的最常见的PCB是包含2层的PCB​​,也就是说,您可以在电路板的两个表面上找到互连。但是,根据设计的物理复杂性(PCB布局),电路板可以制造8层或更多层。

PCB 2层示例

图1. 2层PCB的示例区域

阻焊膜

为了将电气部件安装在印刷电路板上,需要组装过程。此过程可以手动完成,也可以通过专门的机器完成。组装过程需要使用焊料将组件放置在板上。为了避免或防止焊料意外短路来自不同网络的两条走线,PCB制造商在电路板的两个表面上都涂了一层称为阻焊剂的面漆或清漆。印刷电路板上使用的阻焊层最常见的颜色是绿色,其次是红色和蓝色。

在EDA软件(电子设计自动化)中,通常存在与阻焊层扩展相关的规则。该规则指定了焊盘边界与阻焊层边界之间的距离。图2(a)中说明了这一概念。

丝印或覆盖

丝网印刷是制造商在阻焊层上印刷信息的过程,有利于简化组装,验证和维修过程。通常,丝网印刷是为了指示测试点以及电路中电子元件的位置,方向和参考。也可以将其用于设计人员可能需要的任何目的,例如公司名称,配置说明(这在旧PC主板中通常使用)等。丝网印刷可以印刷在板的两个表面上。术语丝网印刷也称为覆盖。图2显示了电路的一个区域,所有用白色制成的印刷物都对应于丝网印刷。

 

阻焊层和丝网印刷-印刷电路板概念PCB

图2.阻焊层扩展(a)和丝网印刷(b)

层堆叠

如本文开头所述,印刷电路板可以由多层构成。当借助EDA软件设计PCB时,通常需要指定几层,这些层不一定与导电材料(铜)相对应。例如,丝网印刷和阻焊层是非导电层。具有导电层和非导电层可能会导致混淆,因为制造商在仅指导电层时会使用术语“层”。从现在开始,仅在涉及导电层时,我们将使用不带后缀“ CAD”的术语“层”。如果使用术语“ CAD层”,则是指所有类型的层,即导电层和非导电层。

CAD层堆叠如下:

CAD层(导电和非导电)

CAD层描述

1个 顶层丝印/覆盖层(不导电)
2个 顶部阻焊层(不导电)
3 顶贴面膜(不导电)
4 第1层(导电)
5 表面(非导电)
6 第二层(导电)
n-1 表面(非导电)
ñ n层(导电)
n + 1 底贴面膜(不导电)
n + 2 底部阻焊层(不导电)
n + 3 底部丝印/覆盖层(不导电)

图3显示了3种不同的堆栈。橙色突出显示每个堆叠中的层。堆叠高度或板厚度可能会因应用程序而异,但是最常用的是1.6 [mm]或62 [mils]。在某些国家/地区,[您]被用作[密耳]的同义词。(1 [mil] = 0.001 [inch] = 0.0254 [mm])

 

堆叠-印刷电路板概念PCB

图3. 3种不同的PCB堆叠示例:2层(a),4层(b)和6层(c)

组件包

如今,在市场上您可以找到各种各样的电子组件封装。一台设备通常会找到几种类型的软件包。例如,您可以在QFP和LCC的封装中找到相同的集成电路。

基本上,存在3个大的电子封装家族:

包裹 描述 范例图片
通孔 是否所有具有打算通过PCB上的镀孔安装引脚的组件。这类组件被焊接到板的插入组件的另一侧。通常,这些组件仅安装在电路板的一个表面上。 通孔组件-印刷电路板概念PCB
SMD / SMT(表面贴装设备/表面贴装技术) 所有那些被焊接在与放置该部件相同的电路板同一侧的部件。这种封装的优点是可以安装在PCB的两侧。而且,这些组件比通孔类型小,这允许设计更小,更密集的印刷电路板。这些类型的组件可用于高达200 [MHz](基本时钟频率)的频率。 smd组件-印刷电路板概念PCB
BGA(球栅阵列) 这些类型的组件通常用于高密度引脚集成电路。为了将它们焊接到印刷电路板上,需要使用专门的机械,因为引脚是由必须熔化的焊球制成的,以便与焊盘进行电接触。

由于焊盘和焊球之间的连接处存在非常小的寄生电感,因此BGA组件非常适合于高频集成电路。这些类型的组件在计算机硬件(例如母板和视频加速卡)中非常常见。

bga组件-印刷电路板概念PCB

 

护垫

焊盘是印刷电路板上的一小层铜表面,可用于将组件焊接到板上。您可以将焊盘看作是一块铜片,该元件的引脚通过机械方式支撑和焊接。有两种类型的垫;通孔和smd(表面贴装)。

通孔焊盘用于引入组件的引脚,因此可以从插入组件的另一侧进行焊接。这些类型的焊盘与通孔过孔非常相似。

smd焊盘用于表面安装设备,换句话说,用于将组件焊接在放置该组件的同一表面上。

图4描绘了4个组件。组件IC1和R1分别具有8个和2个SMD焊盘,而组件Q1和PW均具有3个通孔焊盘。

垫-印刷电路板概念PCB

图4. SMD和通孔焊盘

铜轨

轨迹是用于连接PCB中2个点的导电路径。例如,用于连接2个焊盘或用于连接焊盘和通孔或通孔之间。轨道可以具有不同的宽度,具体取决于流过它们的电流。

重要的是要强调指出,在高频下,计算轨道的宽度是必需的,这样互连可以沿着由轨道创建的路径进行阻抗匹配。(有关更多信息,请参阅以后的文章)

轨道-印刷电路板概念PCB

图5.互连2个集成电路(芯片)的轨道

镀孔(通孔或全堆叠通孔)

当必须由位于印刷电路板顶层的组件与位于底层的另一个组件进行互连时,请使用过孔(垂直互连访问)。通孔是一个电镀孔,可让电流通过电路板。图6描绘了2条轨迹,它们从顶层的一个组件的焊盘开始,到底层的另一个组件的焊盘结束。为了将电流从顶层传导到底层,每个走线都使用了一个过孔。属于底层的轨道和垫在视觉上会变暗,因此您可以将它们与顶层的轨道和垫区分开。

 

通孔-印刷电路板概念PCB

图6.使用通孔连接位于PCB相对侧的两个集成电路

图7描绘了4层印刷电路板或4层PCB的横截面的更详细视图。下表中说明了图中显示的颜色:

绿色 顶部和底部阻焊层
红色的 顶层(导电)
紫色 第二层。在这种情况下,该层用作电源层(即Vcc或Gnd)
黄色的 第三层。在这种情况下,该层用作电源层(即Vcc或Gnd)
蓝色的 底层(导电)

图7中所示的PCB示出了属于顶层的走线,该走线使用通孔过孔穿过电路板,然后继续作为属于底层的走线。

 

通孔-印刷电路板概念PCB

图7.从顶层穿过PCB并在底层结束的轨迹

盲孔

如图7所示,在高密度复杂设计中,必须使用两层以上的层。通常,在多层系统设计中,其中有许多集成电路,应使用电源平面(Vcc或gnd)来避免对电源轨进行过多布线。换句话说,直接连接到芯片下方的电源平面要容易得多,而且更安全,而不必为PDS(电源传输系统)布线较长的走线(这也可以通过通孔实现)。此外,有时必须以最小的通孔高度将信号走线从外层(顶层或底层)路由到内层,因为它可能会充当短截线并可能产生阻抗失配。这可能会引起反射并产生信号完整性问题(在以后的文章中将对此进行更多讨论)。对于这些类型的互连,使用盲孔,该盲孔允许以最小的通孔高度从外层到内层进行连接。盲孔始于外部层,结束于内部层,这就是为什么它具有前缀“ blind”的原因。

要知道某个通孔是否是盲孔,可以将PCB放在光源上,看看是否可以看到来自光源的光通过通孔发出。如果您可以看到光,则说明通孔是通孔的,否则通孔是盲孔的。

当您没有太多空间放置元件和布线时,在印刷电路板设计中使用此类过孔非常有用。您可以在两侧放置组件,以最大化空间。如果通孔是通孔而不是盲孔,则通孔的两侧都会占用一些额外的空间。

图8描绘了3个过孔,它们是4层印刷电路板的一部分。如果我们从左到右看到图片,我们将看到的第一个通孔是通孔通孔或全堆叠通孔。第二个过孔开始于顶层,结束于第二层(内部),因此我们说这是1-2个盲孔。最后,第三个通孔从底层开始,到第三层结束,因此我们说这是一个3-4盲孔。

重要的是要记住,盲孔通常是在连续的层中制造的,换句话说就是在L1 L2,L3 L4,Ln-1 Ln之间。

盲孔-印刷电路板概念PCB

图8.通孔和盲孔的比较

这种通孔的缺点是与通孔替代方案相比价格昂贵。

埋孔

这些通孔与盲孔相似,不同之处在于它们在内层开始和结束。如果我们从左到右查看图9中描绘的图像,我们会看到第一个是通孔或全堆叠通孔。第二个是1-2盲孔,最后一个是2-3埋孔,始于第二层,终止于第三层。

 

掩埋通孔-印刷电路板概念PCB

图9.通孔,盲孔和埋孔的比较

重要的是要记住,盲孔通常在连续的层(即L1 L2)中制造

就盲孔而言,这种类型的通孔的主要缺点是与通孔替代方案相比价格昂贵。使用b / bb通孔可能会以重要的方式影响电路板的成本,因此,您决定使用这些通孔还是使用通孔型通孔的更大电路板是更好的选择。

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