的组成要素

1. 板层 （Layer）

板层分为敷铜层和非敷铜层， 平常所说的几层板是指敷铜层的层面数。 一般在敷铜层上放置焊盘、 线条等完成电气连接； 在非敷铜层上放置元件描述字符或注释字符等； 还有一些层面 （如机械层） 用于放置有关制板和装配方法的指示性信息， 如电路板物理尺寸线、 尺寸标记、 数据资料、 过孔信息、 装配说明等信息。

敷铜层一般包括顶层 （又称元件面）、 底层 （又称焊接面）、 中间层、 电源层、 地线层等； 非敷铜层包括印记层 （又称丝网层、 丝印层、 字符层）、 板面层、 禁止布线层、 阻焊层、 助焊层、 钻孔层等。

对于一个批量生产的电路板而言， 通常在印制板上铺设一层阻焊剂， 阻焊剂一般是绿色或棕色， 除了要焊接的地方外， 其他地方根据电路设计软件所产生的阻焊图来覆盖一层阻焊剂， 这样可以快速焊接， 并防止焊锡溢出引起短路； 而对于要焊接的地方， 通常是焊盘， 则要涂上助焊剂。

2. 过孔 （Via）

过孔是多层PCB的重要组成部分之一， 钻孔的费用通常占PCB制板费用的30％到40％。 简单说， PCB上的每一个孔都可以称之为过孔。 从作用上看， 过孔可以分成两类： 一是用作各层间的电气连接； 二是用作器件的固定或定位。 如果从工艺制程上来说， 过孔一般分为三类， 即盲孔 （半掩埋式过孔blindvia）、 埋孔 （掩埋式过孔buried via） 和通孔 （通孔式过孔through via）， 如图1－31所示。 盲孔位于印刷线路板的顶层和底层表面， 具有一定深度， 用于表层线路和下面的内层线路的连接， 孔的深度通常不超过一定的比率 （孔径）。埋孔是指位于印刷线路板内层的连接孔， 它不会延伸到线路板的表面。 上述两类孔都位于线路板的内层， 层压前利用通孔成型工艺完成， 在过孔形成过程中可能还会重叠做好几个内层。 第三种称为通孔， 这种孔穿过整个线路板， 可用于实现内部互连或作为元件的安装定位。 由于通孔在工艺上更易于实现， 成本较低， 所以绝大部分印刷电路板均使用它， 而不用另外两种过孔。 以下所说的过孔， 没有特殊说明的， 均作为通孔考虑。

从设计的角度来看， 一个过孔主要由两个部分组成， 一是中间的钻孔 （drill hole）， 二是钻孔周围的焊盘区。 这两部分的尺寸大小决定了过孔的大小。 很显然， 在高速、 高密度的PCB设计时， 设计者总是希望过孔越小越好， 这样板上可以留有更多的布线空间， 此外， 过孔越小， 其自身的寄生电容也越小， 更适合用于高速电路。 但孔尺寸的减小同时带来了成本的增加， 而且过孔的尺寸不可能无限制减小， 它受到钻孔 （drill） 和电镀 （plating） 等工艺技术的限制： 孔越小， 钻孔需花费的时间越长， 也越容易偏离中心位置； 且当孔的深度超过钻孔直径的6倍时， 就无法保证孔壁能均匀镀铜。 比如， 现在正常的一块6层PCB板的厚度 （通孔深度） 为50mil左右， 所以PCB厂家能提供的钻孔直径最小只能达到8mil。

3. 焊盘 （Pad）

焊盘用于焊接元器件， 实现电气连接， 固定元器件管脚或用于引出连线、 测试线等。 根据元器件封装的类型， 焊盘分为插针式及表面贴片式两大类， 其中插针式焊盘必须钻孔， 表面贴片式焊盘无须钻孔。 插针式元器件的焊盘设置在多层 （Multilayer）， 表面贴片式元器件的焊盘与元器件设置在同一层。

焊盘的形状如图1－34所示。 图 （a） 为圆形 （Round） 焊盘、 图 （b）、 （d） 为方形（Rectangle） 焊盘、 图 （c） 为八角形 （Octagonal） 焊盘。 图 （a）、 （b）、 （c） 为插针式元器件的焊盘形状， 图 （d） 为表面贴片式元器件的焊盘形状。

图1－34 焊盘的形状和尺寸

焊盘的参数有焊盘编号、 X方向尺寸、 Y方向尺寸、 钻孔孔径尺寸等。

焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些。 焊盘太大易形成虚焊。 一般焊盘外径D＞ （d＋1.3） mm，其中d为引线插孔直径。对高密度的数字电路，焊盘最小直径可取Dmin＝ （d＋1.0） mm。 焊盘太小容易在焊接时粘断或剥落。

4. 铜膜导线 （Track）

铜膜导线是覆铜板经过加工后在PCB上的走线， 简称导线， 如图1－35所示。一般用来实现焊盘之间的连接， 是PCB的重要组成部分。 导线的主要属性是宽度， 它取决于承载电流的大小和铜箔的厚度。

PCB设计的重要工作就是布置导线。 在PCB设计过程中， 还会出现一种预拉线 （飞线）， 它是系统根据规则自动生成的， 它只是在形式上表示出网络之间的连接， 并没有实际的电气连接意义； 导线则是利用预拉线指示的各焊盘和过孔间的连接关系而布置的， 具有实际的电气连接意义。

图1－35 PCB板顶层上的铜膜导线

5. 元件的封装 （Component Package）

元件的封装是指把实际元件焊接到电路板， 把引脚引出来， 然后固定包装成为一个整体。 常用的封装类型有插入式封装和表面安装式封装。 插入式 （Through Hole Technology， THT） 封装是指将元器件的引脚插过焊盘导孔， 然后再进行焊接， 如图1－36所示。 表面安装式 （Surface Mount Technology， SMT） 封装是指元器件的引脚与电路板的连接仅限于电路板表层的焊盘， 如图1－37所示。 不同的元件可以使用同一个元件封装， 同种元件也可以有不同的封装形式。

图1－36 插入式封装

图1－37 表面安装式封装

印制元件的封装是显示元件在PCB上的布局信息， 为装配、 调试及检修提供方便。 在Protel2004中元件的图形符号被设置在丝印层 （也称丝网层） 上。

（1） 常用分立元件及封装。

在电路中常用的分立元件一般有电阻、 电容、 二极管、 三极管等。

1） 电阻。

电阻是电路中应用较多的元件， 如图1－38所示。 在Protel 2004中电阻的标识为Res1、Res2、 Res3等， 在原理图中的图形符号如图1－39所示。

图1－38 电阻实物

图1－39 电阻符号

电阻的封装属性为AXIAL （轴状的） 系列如图1－40所示， 图中所列电阻的封装为AXIAL－0.3和AXIAL－0.4。 AXIAL－0.3中的0.3表示该电阻在印制电路板上两引脚的间距为0.3英寸或300mil （1英寸＝1000mil＝2.54cm）。

2） 无极性电容。

无极性电容如图1－41所示。 在Protel2004中无极性电容的标识为Cap1、 Cap2等， 在原理图中的图形符号如图1－42所示。

图1－40 电阻的封装

图1－41 无极性电容实物

无极性电容的封装属性为RAD系列如图1－43所示， 图中所列无极性电容的封装为RAD－0.1、 RAD－0.2和RAD－0.3。 RAD－0.1中的0.1表示该无极性电容在印制电路板上两引脚的间距为0.1英寸或100mil。

图1－42 无极性电容符号

图1－43 无极性电容的封装

3） 极性电容。

极性电容如图1－44所示。 在Protel2004中极性电容的标识为Cap Pol1、 Cap Pol2等，在原理图中的图形符号如图1－45所示。

图1－44 极性电容实物

图1－45 极性电容符号

极性电容的封装属性为RB系列如图1－46所示， 图中所列极性电容的封装为RB5－10.5和RB7.6－15。 RB5－10.5中的5表示该极性电容在印制电路板上两引脚的间距为5mm，10.5表示该极性电容圆筒的外径为10.5mm。

4） 二极管。

二极管的种类比较多， 常用的二极管有检波二极管2AP6、 整流二极管1N4007、 开关二极管1N4148和稳压二极管1N4614等， 如图1－47所示。

图1－46 极性电容的封装

图1－47 二极管

在Protel 2004中二极管的标识为Diode （普通二极管）、 D Schottky （肖特基二极管）、 D Tunnel （隧道二极管）、 D Varactor （变容二极管）、 D Zener （稳压二极管） 等， 在原理图中的图形符号如图1－48所示。

二极管的封装属性为DIODE系列如图1－49所示， 图中所列二极管的封装为DIODE－0.4和DIODE－0.7。 DIODE－0.4中的0.4表示该二极管在印制电路板上两引脚的间距为0.4英寸或400mil。

图1－48 二极管符号

图1－49 二极管的封装

图1－50所示为发光二极管， 在Protel2004中标识为LED， 在原理图中的图形符号如图1－51所示。 发光二极管的封装有LED－0和LED－1等封装形式， 如图1－52所示。

5） 三极管。

三极管有PNP型和NPN型， 如图1－53所示， 其三个引脚分别是发射极 （E）、 集电极（C）、 基极 （B）。

图1－50 发光二极管

图1－51 发光二极管符号

图1－52 发光二极管的封装

图1－53 三极管

在Protel2004中三极管的标识为PNP和NPN， 在原理图中的图形符号如图1－54所示。三极管的封装形式如图1－55所示， 图中所列三极管的封装为BCY－W3、 BCY－W3／B.7、BCY－W3／B.8。

图1－54 三极管符号

图1－55 三极管的封装

电路原理图中的元件是一种电路符号， 有统一的标准， 而印制板中的元件代表的是实际元件的物理尺寸和焊盘， 集成电路的尺寸一般是固定的， 而分立元件一般没有固定的尺寸，可根据需要设定。

（2） 芯片封装的具体形式。

1） SOP／SOIC封装。

SOP （Small Outline Package）， 即小外形封装， 如图1－56所示。 SOP封装技术1968—1969年由菲利浦公司开发成功， 以后逐渐派生出SOJ （J型引脚小外形封装）、 TSOP （薄小外形封装）、 VSOP （甚小外形封装）、 SSOP （缩小型SOP）、 TSSOP （薄的缩小型SOP） 及SOT （小外形晶体管）、 SOIC （小外形集成电路） 等。

2） DIP封装。

DIP （Double In－line Package）， 即双列直插式封装， 如图1－57所示。 插入式封装之一， 引脚从封装两侧引出， 封装材料有塑料和陶瓷两种。 DIP是最普及的插装型封装， 应用范围包括标准逻辑IC、 存储器LSI、 微机电路等。 双列直插式IC的封装DIP－8中的8表示集成块的引脚数为8。

3） PLCC封装。

PLCC （Plastic Leaded Chip Carrier）， 即塑封引线芯片封装， 如图1－58所示。 PLCC封装方式， 外形呈正方形， 四周都有管脚， 外形尺寸比DIP封装小得多。 PLCC封装适合用SMT表面安装技术在PCB上安装布线， 具有外形尺寸小、 可靠性高的优点。

图1－56 SOP封装

图1－57 DIP封装

图1－58 PLCC封装

4） TQFP封装。

TQFP （Thin Quad Flat Package）， 即薄塑封四角扁平封装， 如图1－59所示。 TQFP封装工艺能有效利用空间， 从而降低对印刷电路板空间大小的要求。 由于缩小了高度和体积， 这种封装工艺非常适合对空间要求较高的应用， 如PCMCIA卡和网络器件。

5） PQFP封装。

PQFP （Plastic Quad Flat Package）， 即塑封四角扁平封装， 如图1－60所示。 PQFP封装的芯片引脚之间距离很小， 引脚很细， 一般大规模或超大规模集成电路采用这种封装形式，其引脚数一般都在100以上。

6） TSOP封装。

TSOP （Thin Small Outline Package）， 即薄型小尺寸封装， 如图1－61所示。 TSOP封装技术的一个典型特征就是在封装芯片的周围做出引脚， TSOP封装适合用SMT技术在PCB上安装布线， 适合高频应用， 操作比较方便， 可靠性也比较高。

图1－59 TQFP封装

图1－60 PQFP封装

图1－61 TSOP封装

7） BGA封装。

BGA （Ball Grid Array Package）， 即球栅阵列封装， 如图1－62所示。20世纪90年代，随着技术的进步， 芯片集成度不断提高， I／O引脚数急剧增加， 功耗也随之增大， 对集成电路封装的要求也更加严格。 为了满足发展的需要， BGA封装开始被应用于生产。 采用BGA技术封装的内存， 可以使内存在体积不变的情况下内存容量提高两到三倍， BGA与TSOP相比，具有更小的体积，更好的散热性能和电性能。 BGA封装技术使每平方英寸的存储量有了很大提升，采用BGA封装技术的内存产品在相同容量下，体积只有TSOP封装的三分之一。

8） PGA封装。

PGA （Pin Grid Array Package）， 即插针网格阵列封装， 如图1－63所示。 PGA芯片封装形式在芯片的内外有多个方阵形的插针， 每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列。根据引脚数目的多少， 可以围成2～5圈。 安装时， 将芯片插入专门的PGA插座。 为使CPU能够更方便地安装和拆卸， 从486芯片开始， 出现一种名为ZIF的CPU插座， 专门用来满足PGA封装的CPU在安装和拆卸上的要求。 PGA封装具有以下特点， 插拔操作更方便， 可靠性高， 可适应更高的频率。

图1－62 BGA封装

图1－63 PGA封装