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pcb电路板设计毕业设计论文
石油学院应用技术学院毕业论文
PCB电路板设计研究
学科专业：
应用电子专业
学生：
指导教师：
入学日期：
[2008]年[9]月论文完成日期：
[2011]年[3]月
摘要
PCB是电子工业重要的电子部件之一，几乎每种电子设备，小到电子手表，计算器，大到计算机，通讯电子设备，军用的武器系统，只要有集成电路等电子元器件，为了它们之间电气互连，都要使用电路板。
在较大型的电子产品研制过程中，最基本的成功因素是该产品的电路板的设计、文件编制的制造。
PCB的功能为提供完成第一层级构装的组件与其它必须的电子电路零件接合的基地，以组成一个具特定功能的模块或成品。
所以PCB在整个电子产品中，扮演了整合连结总其成所有功能的角色，也因此时常电子产品功能故障时，最先被质疑往往就是PCB。
那么为什么在电路板的印制和使用中会出现这样或那样的故障呢？
问题的关键就在于PCB电路板的设计环节。
电路板设计是从电路原理图变成一个具体产品的必经之路门。
电路版设计的合理性与产品的生产及质量密切相关。
PCB制造行业作为电子信息行业的上游行业，近两年受消费类电子尤其是手机、PC等的拉动，国际和国的PCB行业都进入了景气上升阶段，未来随着3G手机的应用和数字电视销量的迅猛增长，PCB行业的景气度将进一步高涨。
所以，PCB制造行业的发展前景将不可估量！
关键词：
PCB；电路板设计；上游行业；电子信息
第1章PCB概述
PCB即PrintedCircuitBoard的简写，中文名称为印制电路板，又称印刷电路板、印刷线路板，是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的提供者。
由于它是采用电子印刷术制作的，故被称为“印刷”电路板。
1.1PCB的发展史
印制电路板的发明者是奥地利人保罗·爱斯勒（PaulEisler），他于1936年在一个收音机装置采用了印刷电路板。
1943年，美国人将该技术大量使用于军用收音机。
1948年，美国正式认可这个发明用于商业用途。
自20世纪50年代中期起，印刷电路版技术才开始被广泛采用。
在印制电路板出现之前，电子元器件之间的互连都是依靠电线直接连接实现的。
而现在，电路面包板只是作为有效的实验工具而存在；印刷电路板在电子工业中已经占据了绝对统治的地位。
印制电路基本概念在本世纪初已有人在专利中提出过，1947年美国航空局和美国标准局发起了印制电路首次技术讨论会，当时列出了26种不同的印制电路制造方法。
并归纳为六类:
涂料法、喷涂法、化学沉积法、真空蒸发法、模压法和粉压法。
当时这些方法都未能实现大规模工业化生产，直到五十的年代初期，由于铜箔和层压板的粘合问题得到解决，覆铜层压板性能稳定可靠，并实现了大规模工业化生产，铜箔蚀刻法，成为印制板制造技术的主流，一直发展至今。
六十年代，孔金属化双面印制和多层印制板实现了大规模生产，七十年代收于大规模集成电路和电子计算机和迅速发展，八十年代表面安装技术和九十年代多芯片组装技术的迅速发展推动了印制板生产技术的继续进步，一批新材料、新设备、新测试仪器相继涌现。
印制电路生产动手术进一步向高密度，细导线，多层，高可靠性、低成本和自动化连续生产的方向发展。
我国从五十年代中期开始了单面印制板的研制。
六十年代中自力更生地开发了我国的覆箔板基材，使铜箔蚀刻法成为我国PCB生产的主导工艺。
六十年代已能大批量地生产单面板，小批量生产双面金属化孔印制，并在少数几个单位开始研制多层板。
七十年代在国推广了图形电镀蚀刻法工艺，但由于受到各种干扰，印制电路专用材料和专用设备没有及时跟上，整个生产技术水平落后于国外先进水平。
到了八十年代，由于改革、开放政策的批引，不仅引进了大量具有国外八十年代先进水平的单面、双面、多层印制板生产线，而且经过十多年消化、吸收，较快地提高了我国印制电路生产技术水平。
1.2PCB的作用
PCB是电子工业重要的电子部件之一，几乎每种电子设备，小到电子手表，计算器，大到计算机，通讯电子设备，军用的武器系统，只要有集成电路等电子元器件，为了它们之间电气互连，都要使用印制板。
在较大型的电子产品研制过程中，最基本的成功因素是该产品的印制板的设计、文件编制的制造。
PCB的设计的制造质量直接影响到整个产品的质量的成本，甚至会导致一家公司的命运。
PCB扮演的角色：
PCB的功能为提供完成第一层级构装的组件与其它必须的电子电路零件接合的基地，以组成一个具特定功能的模块或成品。
所以PCB在整个电子产品中，扮演了整合连结总其成所有功能的角色，也因此时常电子产品功能故障时，最先被质疑往往就是PCB。
图1-1是多层PCB板结构示意图：
图1-1
PCB具有的功能：
1、供集成电路等各种电子元器件固定、装配的机械支撑。
2、实现集成电路等各种电子元器件之间的布线和电气接或电绝缘。
提供所要求的电气特性，如特性阻抗等。
3、为自动锡焊提供阻焊图形，为元器件插装、检查、维修提供识别字符和图形。
4、电子设备采用印制板后由于同类印制板的一致性，从而避免了人工接线的差错，并可实现电子元器件自动插装或贴装、自动锡焊、自动检测。
保证了电子设备的质量，提高了劳动生产率、降低了成本，并便于维修。
PCB从单面发展到双面、多层和挠性，并仍保持各自的发展趋势。
由于不断地向高精度、高密度和高可靠性方向发展，不断缩小体积，减轻成本，提高性能，使得PCB在未来电子设备的发展过程中，仍然保持强大的生命力。
1.3PCB的分类
1、以材质分
有机材质：
酚醛树脂、玻璃纤维/环氧树脂、Polyimide、BT/Epoxy等皆属之。
无机材质：
铝、Copper-invar-copper、ceramic等皆属之。
主要取其散热功能。
2、以成品软硬区分
硬板RigidPCB软板FlexiblePCB
软硬板Rigid-FlexPCB
图1-2
3、以结构分
单面板（剖面图）
在最基本的PCB上，零件集中在其中一面，导线则集中在另一面上。
因为导线只出现在其中一面，所以我们就称这种PCB叫作单面板（Single-sided）。
因为单面板在设计线路上有许多严格的限制（因为只有一面，布线间不能交叉而必须绕独自的路径），所以只有早期的电路才使用这类的板子。
图1-3
b、双面板（剖面图）
这种电路板的两面都有布线。
不过要用上两面的导线，必须要在两面间有适当的电路连接才行。
这种电路间的「桥梁」叫做导孔（via）。
导孔是在PCB上，充满或涂上金属的小洞，它可以与两面的导线相连接。
因为双面板的面积比单面板大了一倍，而且因为布线可以互相交错（可以绕到另一面），它更适合用在比单面板更复杂的电路上。
图1-4
c、多层板（剖面图）
为了增加可以布线的面积，多层板用上了更多单或双面的布线板。
多层板使用数片双面板，并在每层板间放进一层绝缘层后黏牢（压合）。
板子的层数就代表了有几层独立的布线层，通常层数都是偶数，并且包含最外侧的两层。
大部分的主机板都是4到8层的结构，不过技术上可以做到近100层的PCB板。
大型的超级计算机大多使用相当多层的主机板，不过因为这类计算机已经可以用许多普通计算机的集群代替，超多层板已经渐渐不被使用了。
因为PCB中的各层都紧密的结合，一般不太容易看出实际数目，不过如果您仔细观察主机板，也许可以看出来。
图1-5
第2章PCB的构造
2.1PCB的层次结构
PCB的结构其实就是像一块治一样。
下面我们以一块多层板为例来进行说明：
图2-1
2.2PCB的部件
1.防焊（SOLDERMASK简称S/M）
图2-2
2.线路
3.孔（HOLE）
图2-3
镀通孔或电镀孔（PLATEDTHROUGHHOLE，简称PTH孔）﹕
图2-4
5.锡垫（PAD）
a.SMDPAD:
图2-5
b.BGAPAD:
图2-6
2.3PCB特定名词
1.线路间距:
指线路与线路之间的距离
图2-7
2.孔与线路间距:
孔与线路之间的距离
图2-8
3.环宽﹕指小孔周围那一圈铜环（或上有锡或金的环）的宽度
图2-9
4.线宽﹕指一条线路的宽度
图2-10
第3章PCB的设计
PCB的实际制造过程是在PCB工厂里完成的，工厂是不管设计的，设计工作由专门的公司进行，它们的设计结果叫做原理图，原理图再由专业的布线公司进行线路图的设计，得到的线路图就被交到PCB工厂制作。
工厂的任务就是将工作站中的线路图变成现实中的实物板。
印制电路板的设计是以电路原理图为根据，实现电路设计者所需要的功能。
印刷电路板的设计主要指版图设计，需要考虑外部连接的布局、部电子组件的优化布局、金属连线和通孔的优化布局、电磁保护、热耗散等各种因素。
优秀的版图设计可以节约生产成本，达到良好的电路性能和散热性能。
简单的版图设计可以用手工实现，复杂的版图设计需要借助计算机辅助设计（CAD）实现。
3.1PCB的布局设计
在设计中，布局是一个重要的环节。
布局结果的好坏将直接影响布线的效果，因此可以这样认为，合理的布局是PCB设计成功的第一步。
布局的方式分两种，一种是交互式布局，另一种是自动布局，一般是在自动布局的基础上用交互式布局进行调整，在布局时还可根据走线的情况对门电路进行再分配，将两个门电路进行交换，使其成为便于布线的最佳布局。
在布局完成后，还可对设计文件及有关信息进行返回标注于原理图，使得PCB板中的有关信息与原理图相一致，以便在今后的建档、更改设计能同步起来,同时对模拟的有关信息进行更新，使得能对电路的电气性能及功能进行板级验证。
3.1.1布局前的准备工作
1 .查看捕捉点设置是否正确.08工艺为0.1,06工艺为0.05,05工艺为0.025.
2 .Cell名称不能以数字开头.否则无法做DRACULA检查.
3 .布局前考虑好出PIN的方向和位置
4 .布局前分析电路，完成同一功能的MOS管画在一起
5 .对两层金属走向预先订好。
一个图中栅的走向尽量一致，不要有横有竖。
3.1.2布局原则
1.元件排列规则
1）.在通常条件下,所有的元件均应布置在印制电路的同一面上，只有在顶层元件过密时，才能将一些高度有限并且发热量小的器件，如贴片电阻、贴片电容、贴IC等放在底层。
2）.在保证电气性能的前提下，元件应放置在栅格上且相互平行或垂直排列，以求整齐、美观，一般情况下不允许元件重叠；元件排列要紧凑，输入和输出元件尽量远离。
3）.某元器件或导线之间可能存在较高的电位差，应加大它们的距离，以免因放电、击穿而引起意外短路。
4）.带高电压的元件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。
5）.位于板边缘的元件，离板边缘至少有2个板厚的距离
6）.元件在整个板面上应分布均匀、疏密一致。
2.按照信号走向布局原则
1）.通常按照信号的流程逐个安排各个功能电路单元的位置，以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它进行布局。
2）.元件的布局应便于信号流通，使信号尽可能保持一致的方向。
多数情况下，信号的流向安排为从左到右或从上到下，与输入、输出端直接相连的元件应当放在靠近输入、输出接插件或连接器的地方。
3.防止电磁干扰
1）.对辐射电磁场较强的元件，以及对电磁感应较灵敏的元件，应加大它们相互之间的距离或加以屏蔽，元件放置的方向应与相邻的印制导线交叉。
2）.尽量避免高低电压器件相互混杂、强弱信号的器件交错在一起。
3）.对于会产生磁场的元件，如变压器、扬声器、电感等，布局时应注意减少磁力线对印制导线的切割，相邻元件磁场方向应相互垂直，减少彼此之间的耦合。
4）.对干扰源进行屏蔽，屏蔽罩应有良好的接地。
5）.在高频工作的电路，要考虑元件之间的分布参数的影响。
4.抑制热干扰
1）.对于发热元件，应优先安排在利于散热的位置，必要时可以单独设置散热器或小风扇，以降低温度，减少对邻近元件的影响。
2）.一些功耗大的集成块、大或中功率管、电阻等元件，要布置在容易散热的地方，并与其它元件隔开一定距离。
3）.热敏元件应紧贴被测元件并远离高温区域，以免受到其它发热功当量元件影响，引起误动作。
4）.双面放置元件时，底层一般不放置发热元件。
5.可调元件的布局
对于电位器、可变电容器、可调电感线圈或微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求，若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应；若是机调节，则应放置在印制电路板于调节的地方。
3.2PCB的布线设计
布线是整个PCB设计中最重要的工序。
这将直接影响着PCB板的性能好坏。
在PCB的设计过程中，布线一般有这么三种境界的划分：
首先是布通，这时PCB设计时的最基本的要求。
如果线路都没布通，搞得到处是飞线，那将是一块不合格的板子，可以说还没入门。
其次是电器性能的满足。
这是衡量一块印刷电路板是否合格的标准。
这是在布通之后，认真调整布线，使其能达到最佳的电器性能。
接着是美观。
假如你的布线布通了，也没有什么影响电器性能的地方，但是一眼看过去杂乱无章的，加上五彩缤纷、花花绿绿的，那就算你的电器性能怎么好，在别人眼里还是垃圾一块。
这样给测试和维修带来极大的不便。
布线要整齐划一，不能纵横交错毫无章法。
这些都要在保证电器性能和满足其他个别要求的情况下实现，否则就是舍本逐末了。
布线时主要按以下原则进行：
1一般情况下，首先应对电源线和地线进行布线，以保证电路板的电气性能。
在条件允许的围，尽量加宽电源、地线，当然要考虑美观。
宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：
地线＞电源线＞信号线，通常信号线宽为：
0.2～0.3mm，最细宽度可达0.05～0.07mm，电源线一般为1.2～2.5mm。
对数字电路的PCB可用宽的地导线组成一个回路,即构成一个地网来使用（模拟电路的地则不能这样使用）
2预先对要求比较严格的线（如高频线）进行布线，输入端与输出端的边线应避免相邻平行，以免产生反射干扰。
必要时应加地线隔离，两相邻层的布线要互相垂直，平行容易产生寄生耦合。
3振荡器外壳接地，时钟线要尽量短，且不能引得到处都是。
时钟振荡电路下面、特殊高速逻辑电路部分要加的面积，而不应该走其它信号线，以使周围电场趋近于零；
4尽可能采用45o的折线布线，不可使用90o折线，以减小高频信号的辐射；（要求高的线还要用双弧线）
5任何信号线都不要形成环路，如不可避免，环路应尽量小；信号线的过孔要尽量少；
6关键的线尽量短而粗，并在两边加上保护地。
7通过扁平电缆传送敏感信号和噪声场带信号时，要用“地线-信号-地线”的方式引出。
8关键信号应预留测试点，以方便生产和维修检测用
9原理图布线完成后，应对布线进行优化；同时，经初步网络检查和DRC检查无误后，对未布线区域进行地线填充，用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。
或是做成多层板，电源，地线各占用一层。
3.3地线设计
目前电子器材用于各类电子设备和系统仍然以印制电路板为主要装配方式。
实践证明，即使电路原理图设计正确，印制电路板设计不当，也会对电子设备的可靠性产生不利影响。
例如，如果印制板两条细平行线靠得很近，则会形成信号波形的延迟，在传输线的终端形成反射噪声。
因此，在设计印制电路板的时候，应注意采用正确的方法。
在电子设备中，接地是控制干扰的重要方法。
如能将接地和屏蔽正确结合起来使用，可解决大部分干扰问题。
电子设备中地线结构大致有系统地、机壳地（屏蔽地）、数字地（逻辑地）和模拟地等。
在地线设计中应注意以下几点：
1.正确选择单点接地与多点接地
在低频电路中，信号的工作频率小于1MHz，它的布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而应采用一点接地。
当信号工作频率大于10MHz时，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地。
当工作频率在1～10MHz时，如果采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则应采用多点接地法。
2.将数字电路与模拟电路分开
电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电路，应使它们尽量分开，而两者的地线不要相混，分别与电源端地线相连。
要尽量加大线性电路的接地面积。
3.尽量加粗接地线
若接地线很细，接地电位则随电流的变化而变化，致使电子设备的定时信号电平不稳，抗噪声性能变坏。
因此应将接地线尽量加粗，使它能通过三位于印制电路板的允许电流。
如有可能，接地线的宽度应大于3mm。
4.将接地线构成闭环路
设计只由数字电路组成的印制电路板的地线系统时，将接地线做成闭环路可以明显的提高抗噪声能力。
其原因在于：
印制电路板上有很多集成电路元件，尤其遇有耗电多的元件时，因受接地线粗细的限制，会在地结上产生较大的电位差，引起抗噪声能力下降，若将接地结构成环路，则会缩小电位差值，提高电子设备的抗噪声能力
3.4电磁兼容性设计
具有微处理器的电子系统，抗干扰和电磁兼容性是设计过程中必须考虑的问题，特别是对于微控制器是中频率高、总线周期快的系统；含有大功率、大电流驱动电路的系统；含微弱模拟信号以及高精度A/D变换电路的系统。
为增加系统抗电磁干扰能力应该采取如下措施：
（1）选用时钟频率低的微控制器。
只要控制器性能能能够满足要求，时钟频率越低越好，低的时钟可以有效降低噪声和提高系统的抗干扰能力。
由于方波中包含各种频率成分，其高频成分很容易成为噪声源，一般情况下，时钟频率3倍的高频噪声是最具危害性的。
（2）减小信号传输中的畸变。
当高速信号（信号频率高、上升沿和下降沿快的信号）在铜膜线上传输，由于铜膜线电感和电容的影响，会使信号发生畸变，当即便过大时，就会使系统工作不可靠。
一般要求，信号在电路板上传输的铜膜线越短越好，过孔数目越少越好。
典型值：
长度不超过25cm,过孔数不超过2个。
（3）减小信号间的交叉干扰。
当一条信号线具有脉冲信号时，会对另一条具有高输入阻抗的弱信号线产生干扰，这是需要对弱信号线进行隔离，方法是加一个接地的轮廓线将弱信号包围起来，或者是增加线间距离，对于不同层面之间的干扰可以采用增加电源和地线层面的方法解决。
（4）减小来自电源的噪声。
电源的向系统提供能源的同时，也将其噪声加到所供电的系统中，系统中的复位、中断以及其他一些控制信号最容易是外界噪声的干扰，所以，应该适当增加电容来滤掉这些来自电源的噪声。
详细容将会在下一节说明。
（5）注意电路板与元器件的高频特性。
在高频情况下，电路板上的铜膜线、焊盘、过孔、电阻、电容、接插件的分布电感和电容不容易忽略。
由于这些分布电容和电感的影响，当铜膜线的长度为信号或噪声波长的1/20时，就会产生天线效应，对于部产生电磁干扰，对外发射电磁波。
一般情况下，过孔和焊盘会产生0.6pf的电容，一个集成电路的封装会产生2-6pf的电容，一个电路板接插件会产生520nH的电感，而一个DIP-24插座有18nH的电感，这些电容和电感对低时钟频率的电路没有任何影响，而对于高时钟频率的电路必须给予注意。
（6）原件布置要合理分区。
原件在电路板上排列的位置要充分考虑抗电磁干扰问题。
原则之一就是各个元器件之间的铜膜线要尽量的短，在布局上，要把模拟电路、数字电路和产生大噪声的电路（继电器、大电流开关等）合理分开，使他们相互间的信号耦合最小。
（7）处理好地线。
按照前面提及的单点会多点接地方式处理地线。
将模拟地、数字地、大功率器件地分开连接，在汇集到电源的接地点。
电路板以外的引线要用屏蔽电缆，对于高频和数字信号，屏蔽电缆两端都接地，低频模拟信号用的屏蔽电缆，一般采用单端接地。
对噪声和干扰非常敏感的电路或高频噪音特别严重的电路应该用金属屏蔽罩屏蔽。
（8）去耦电容。
去耦电容以瓷片电容或多层瓷电容的高频特性较好。
设计电路板时，每个集成电路的蓄能电容，提供和吸收该集成电路开门和关门瞬间的充放电电能。
另一方面旁路掉该器件产生的高频噪声。
数字电路中典型的去耦电容为0.1uf，这样的电容有5nH的分布电感，可以对10MHz以下的噪声有较好的去耦作用。
一般情况下，选择0.01-0.1uF的电容都可以。
一般要求每10片左右的集成电路增加一个10uF的充放电电容。
另外在电源端、电路板的四角等位置应该跨接一个10-100uF的电容。
3.5电源噪声设计
电源本身所固有的阻抗所导致的分布噪声。
高频电路中，电源噪声对高频信号影响较大。
因此，首先需要有低噪声的电源。
干净的地和干净的电源是同样重要的；共模场干扰。
指的是电源与接地之间的噪声，它是因为某个电源由被干扰电路形成的环路和公共参考面上引起的共模电压而造成的干扰，其值要视电场和磁场的相对的强弱来定。
在高频PCB板中，较重要的一类干扰便是电源噪声。
通过对高频PCB板上出现的电源噪声特性和产生原因进行系统分析，并结合工程应用，提出了一些非常有效而又简便的解决办法。
电源噪声的分析
电源噪声是指由电源自身产生或受扰感应的噪声。
其干扰表现在以下几个方面：
1）电源本身所固有的阻抗所导致的分布噪声。
高频电路中，电源噪声对高频信号影响较大。
因此，首先需要有低噪声的电源。
干净的地和干净的电源是同样重要的。
理想情况下的电源是没有阻抗的，因此其不存在噪声。
但是，实际情况下的电源是具有一定阻抗的，并且阻抗是分布在整个电源上的，因此，噪声也会叠加在电源上。
所以应该尽可能减小电源的阻抗，最好有专门的电源层和接地层。
在高频电路设计中，电源以层的形式设计一般比以总线的形式设计要好，这样回路总可以沿着阻抗最小的路径走。
此外，电源板还得为PCB上所有产生和接受的信号提供一个信号回路，这样可以最小化信号回路，从而减小噪声。
2）共模场干扰。
指的是电源与接地之间的噪声，它是因为某个电源由被干扰电路形成的环路和公共参考面上引起的共模电压而造成的干扰，其值要视电场和磁场的相对的强弱来定。
在该通道上，Ic的下降会在串联的电流回路中引起共模电压，影响接收部分。
如果磁场占主要地位，在串联地回路中产生的共模电压的值是：
Vcm=—（△B/△t）×S
（1）
式
（1）中的ΔB为磁感应强度的变化量，Wb/m2；S为面积，m2。
如果是电磁场，已知它的电场值时，其感应电压为：
Vcm=（L×h×F×E/48）
（2）
式
（2）一般适用于L=150/F以下，F为电磁波频率MHz。
如果超过这个限制的话，最大感应电压的计算可简化为：
Vcm=2×h×E（3）
3）差模场干扰。
指电源与输入输出电源线间的干扰。
在实际PCB设计中，笔者发现其在电源噪声中所占的比重很小，因此这里可以不作讨论。
4）线间干扰。
指电源线间的干扰。
在两个不同的并联电路之间存在着互电容C和互感M1-2时，如果干扰源电路中有电压VC和电流IC，则被干扰电路中将出现：
a.通过容性阻抗耦合的电压为
Vcm=Rv*C1-2*△Vc/△t（4）
式（4）中Rv是被干扰电路近端电阻和远端电阻的并联值。
b.通过感性耦合的串联电阻
V=M1-2*△Ic/△t（5）
如果干扰源中有共模噪声，则线间干扰一般表现为共模和差模两种形式。
5）电源线耦合。
是指交流或直流电源线受到电磁干扰后，电源线又将这些干扰传输到其他设备的现象。
这是电源噪声间接地对高频电路的干扰。
需要说明的是：
电源的噪声并不一定是其本身产生的，也可能是外界干扰感应的噪声，再将此噪声与本身产生的噪声叠加起来（辐射或传导）去干扰其他的电路或者器件。
消
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