PCB设计入门基础

1 PCB的结构

1.1 铜层

PCB的基本结构是三明治的结构，它的上面和下面都是铜层。中间有一层叫FR-4，FR-4是1层不导电的物质叫做（环氧）玻璃纤维，是它把两层导电的板给隔开了。

我们如果需要4层板，就把两个2层板压合在一起，中间加1层半预制片的东西，它也是绝缘的。所以简单来看6层板就是3个2层板，8层板就是4个2层板，所以电路板是以2的倍数往上增加层数的。

1.2 阻焊

在铜板上面要覆上一层油漆，这个油漆叫做阻焊层。这个阻焊层的作用是保护我们的线路，把它的铜线保护住，使其不受空气氧化。如果阻焊层失效，可以看到电路板的这个铜和焊盘就发生了氧化，这样就无法进行焊接了。此外还能阻隔其他不需要焊锡的地方，只留下焊盘来，只留下焊盘是镂空的。剩下的地方都给盖上油，这样的话焊锡就上不去了，所以它叫阻焊层。起到一个保护电路板和隔离焊盘的作用。

1.3 丝印

在阻焊层上面还有一层叫做丝印层，丝印层就是印上了字，我们称之为位号，在贴片时候叫位号，比如这个 C33，C就是 Capacitor（电容），它就是一个编号为33号的电容。R48就是一个电阻，叫编号48号的电阻，集成芯片一般用U表示，接插件用 J 来表示，L表示电感。

1.4 本质

这是一个电路板的顶层结构，它是一张画，它就是一个二进制的画，黑色地方是镂空的，红色地方就是不透光的。有了这张画之后，将其发给生产厂，生产厂就会做出个胶片来，这个文件叫做GERBER文件，GERBER叫做光绘文件，每一层都有一个GERBER文件之后，之后把它给生产厂，生产厂就会生产出一张胶片来。

生产出胶片之后，它就要做电路板，最底下蓝色的圆片就代表电路板，这个电路板表面是铜层，它的上面没有阻焊，也没有丝印层，把它上面涂上一层光敏胶，我们上面有一个紫外的光源，紫外光源下面放上胶片，通过一个镜头之后把它成像，聚焦到光敏胶上，然后光敏胶就会变性（接受光照变性后的光敏胶不会再保护铜层），变性之后我们再用丙烯之类的有机溶剂，把这个电路板洗一下，所以镂空的即不需要的那部分铜就裸露出来了。（基板是绝缘的，涂上金属导电层，然后刻上电路，最后化学腐蚀掉多余的导电层）

裸露出来之后，我们把它扔到三氯化铁里面，使用三氯化铁溶液来蚀刻铜表面，生成氯化铜和氯化亚铁，从而达到去除铜层的目的，这个过程叫做蚀刻。（和芯片制造流程类似，但和芯片不同的是PCB一般是模型从小放大或者1：1，芯片一般是从大缩放变小。）

蚀刻之后的电路板，只是做完了其中的一层，除了这一层我们还要把它进行层压，就是不同的层压在一起之后进行钻孔，钻孔之后还要把孔壁内部镀上铜，就叫做沉铜，最后总的来说电路板已经基本上做好了。做好之后在上面刷绿油阻焊层之后，再刷上字，在电测，这个电路板基本上就可以出厂了。

1.5 基础工艺指标

我们的电路板在做的时候，这个孔是要通过钻头来打的，这个线是通过腐蚀来形成的，所以腐蚀也得有个精度，不能太小，太小的话线容易腐蚀不出来，容易有误差导致断掉，所以我们必须要知道一个电路板它的制作工艺的极限是多少。一般来讲是常规工艺（不需要加价的工艺），不是特殊工艺。

层数越多，最小板厚就越大，外径不能太小，线与线的间距一般来讲和走线宽度是一样的，走线宽度最小是0.1的话，那么他的最小线距也是0.1，除了走线间距以外，还有一个是线到焊盘的间距，或者是线到过孔外径的间距（一般0.15mm），铜厚就是电路板的顶层和底层的铜皮厚度是多少，一般来讲，常规工艺是每单位面积1盎司铜，2盎司的一般我们是不需要的，在做电源的时候、过大电流的时候才需要2盎司的（在很多情况下，如果需要大电流的话也可以用1盎司铜，然后把阻焊开窗，开窗后往上过焊锡也是可以的）。还有就是字符的丝印高度，比如说这个C33，它只规定了这个字符的高是多少，一般的工厂给出的是1mm，但是我画的时候一般画0.8，随个人爱好进行定制，因为这个参数不影响最后电路板的电气特性，所以你写小一点工厂也不会说让你改。

2 PCB图中元素

2.1 元件

来看一下电路板有哪些元素，下面是一个FPGA的板子，他是个6层板。左边是它的二维视图，右边是它的三维视图。这个电路板中包含的元器件，中间的这个大片子是一颗FPGA，上下两边共有两个接插件，还有些电阻电容之类的。

所以PCB中，首先必须得有元件，那么元件是怎么来的，元件是我们画出来的，也可能是你从网站上下载的。我们看一下画一个元件，需要具备哪些元素。

首先，元件是放在元件库里的，叫做PCBLIB，PCB引脚库，每个元件都有自己的名字，一个元件要有自己的PAD（焊盘），这个PAD有自己的PAD编号叫做Pin Number，然后除了PAD以外，它还有一个丝印的外框（下图的黄色外框），丝印的外框是很重要的，如果不画有可能导致芯片与芯片之间在空间上会发生干涉，这样你就焊不上了，所以一定要把芯片的外框画出来，这样就不会在机械上产生干涉的问题。除了这两个要素之外，一个封装就可以确定了。我们还可以画一个3D的模型给他加载进去。所以PCB元件在PCBLIB里就是这样被画出来的。

2.2 布局布线

我们可以看到PCB上还有布局和布线，布线就是一些焊盘之间的连线，布局就是器件之间的摆放关系。布局主要由两个因素确定，第一个是由前后板的连接关系确定的，第二个是由信号的走向确定的。

我们这个例子是一个相机的FPGA板，那么它的背面有一个接插件，是蓝色的，表示它在底层，它在这个电路板的背面，此背面的接插口连接到一个图像传感器上，图像传感器是一个MIPI接口，它是一个差分的一个接口，走上蛇形线是为了长度相等，它作为输入接口来讲把这个信号送到FPGA芯片里进行数据采集，FPGA将处理之后的数据送到J2这个接插件上，J2这个接插件连接到下一块板子，下一块板子是图像处理的一个板子，所以它的整个布局就由前后板子固定住了，前后板子的实际关系也是一个数据流向的关系。除此之外，我们就要把它的程序存储器、晶体振荡器、JTAG口、各种各样的电源等布局好。

板子上的连线就铜线，铜线要把应该连在一起的引脚给连在一起，连完线后PCB还需要覆铜、检查。铜线走线成弯弯曲曲是为了走线等长，走线等长只有在速度比较高的时候才需要考虑。我们说的MIPI线工作就是几个GHz的频率，如果走线长度不一样，数据到达终点的时间就不一样，就会产生误判，就会产生数据的错误，所以说速度越高，它们的走线长度应该相等。比方说MIPI有四个数据和一个时钟线，所以这五条差分线他们的长度必须要相等，那么到了并行线这块它只有148MHz的频率，所以它的等长要求是要比MIPI要小的，所以它绕的线相对少一些。

2.3 叠层设计

PCB还有一个要素叫做叠层设计，2层板是不需要叠层设计的，4层板需要叠层设计的也很少，一般到多层板的时候，到6层板的时候，每一层是干啥的，这时候就需要设计了。

比如下图中一个典型的6层板的叠层设计，第1层是定义为Signal层，第2层定义为地层，第3层是Signal层，第4层是信号层，第5层是电源层，第6层也是Signal层。最佳信号层是SIN01和SIN03，次佳信号层是SIN04和SIN06。一般2层板是不需要叠层设计的。4层板比较简单，第1层是信号层，第2层是地层，第3层是电源层，第4层是信号层。在设计时，画的最多的板是4层板，一般2层板是不画的，因为2层板实际上画起来是要比4层板麻烦多的，6层板比4层板也是要麻烦的，所以电路板中最简单的就是4层板，但是刚开始学还是要从2层板开始画。

2.4 原理图

PCB的走线连接是用什么进行限定的呢？是由原理图限定的，整个PCB的元件也是由原理图限定的。

如下图原理图中，J3是一个接插件，R23、R24是2个电阻，所以原理图中第1个要素就是元器件，第2个要素叫做连线，比如说R23和R24通过一个导线给他们连接在一起。第3个要素叫做网名（连线网络中的名称标识，比如说IO35_L16_N，这是FPGA的1个引脚），J3接插件中好多的线都连在FPGA上，如果说把接插件和FPGA画到1张图上，之后通过连线的方式把FPGA和接插件连接在一起的话就废废了，因为线都交织在一起，没有办法进行观测。因此我们就把要连接在一起的线起个相同的名字，根据相同的网名就可以知道它们是连在一起的。

所以，元器件、网名、连线，这是原理图的3个必要要素。处理这3个要素外，剩下的要素基本上都是辅助的，比方说示意要素（下图中5对显眼的标记），表示这是1对差分线。比方说下图蓝色的注释（我们只知道FPGA引脚叫做IO35…，它的功能是什么？可以用蓝色注释写出，比如SEN_MD1_N代表MIPI的数据1线反向端、SEN_MD1_P代表MIPI的数据1线同向端，表示这对线还是个差分线）。

2.5 原理图元件库

原理图上的元件是怎么来的？有个东西叫元件库SCHLIB（Schematic Lib），原理图最重要的就是它的PinNo，即引脚，和它的PCBLIB是严格对应的，所以在画图时要检查它们之间的对应关系，下图中PinNo中间的黄色框子只是1个指示性元素，它不体现在我们的PCB封装里，和PCB一点关系都没有。比如下图右边两个长相相似的元件中左边这个元件，该元件采用的封装叫做SOT23-3封装，SOT23-3封装一共有3个引脚，它是1个非常小的，比米粒大一点点的小封装，我们现在有一个瞬态抑制二极管，实际上它就是两个稳压管连在一起，它们的阳极连接到3脚，阴极是分开的，是用来保护电路的，尤其是带有接插件的热拔插的电路，它用来保护的，USB电路里能见到，JTAG上也能见到，还有HDMI口上也能见到这样的一个常用器件。右边那个元件是MOS管，这个MOS管也对应SOT23-3封装，但是它们的原理图完全不一样。

3 PCB设计基本流程

3.1 总结

首先要了解用户的需求，用户需求搞清楚之后我们需要确定系统的指标，系统的指标指导电路指标的确立，电路指标确立之后我们就要进行器件选型，有了器件选型之后我们就要建库，包括原理图库和PCB库，库建好后我们就要进行原理图的绘制，之后将原理图导入到PCB库中，一般来讲有的软件中间你还要导出一遍网名（网表），导出一遍网名（网表）之后，再和PCB库对应一下，我们就可以画PCB图了，画完PCB图之后就要送到加工厂去制造。送的方法有2种，如果你这个项目不保密而且你练手的话可以直接把PCBDOC或.brd或.pcbdoc这个文件直接给加工厂，加工厂会帮你导为Gerber。如果说你这个项目是一个成品的项目，并且有保密需求，那你就把PCB生成Gerber文件，变成一张一张的画，再把这个画给PCB制造厂，PCB制造厂有了这个画以后就可以制造PCB了，在PCB的制作过程中你可以进行器件购买，等到PCB制造完拿到手中就可以进行贴片，就是把器件焊到电路板，然后进行PCB的调试，最后检测调试结果是否满足指标，如果满足指标就可以交付了。