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PCB基礎知識及設計軟件概述

2024/2/2 12:10:16

PCB是一種嵌入銅層的非導電印刷電路板（Printed Circuit Board,），所有電氣和電子元件都由電路板底座提供物理支撐。當PCB還沒有開發出來的時候，所有元件都是導線連接的，這增加了電路的復雜性并降低了電路的可靠性，也無法制造出像主板一樣非常大的電路系統。PCB上，所有元件都是在沒有導線的情況下連接的，而且是內部互連的，因此大大降低了整體電路設計的復雜性。PCB用于在組件之間提供電力和連接，按照預先設計的工作方式發揮作用。PCB可根據用戶要求定制成任何規格，廣泛用于醫療器械、工業機械、汽車行業、照明等許多領域的電子設備，如電視、手機、數碼相機、LED燈具、電腦及配件、機器人、心電圖儀、雷達、船艦控制臺等。

1. PCB類型

該電路有幾種類型的PCB可用。在這些類型的PCB中，我們必須根據我們的應用選擇合適的PCB類型。

1.1 按PCB層數

按層數，可將PCB分為單層、雙層、多層三種類型。

（1）單層PCB
單層PCB也稱為單面PCB。這種類型的PCB很簡單，也是最常用的PCB，也易于設計和制造。該PCB一面涂有一層導電材料（銅），因為銅具有非常好的導電特性。另一層阻焊膜用于防止PCB氧化，然后用絲網印刷標出PCB上的所有元件。在這種類型的PCB中，只有PCB的一側用于連接不同類型的電氣或電子元件，如電阻器、電容器、電感器等。這些部件是焊接的。這些印刷電路板用于低成本和批量制造應用，如計算器、收音機、打印機和固態硬盤（SSD）。

（2）雙層PCB
雙層PCB也被稱為雙面PCB。顧名思義，在這種類型的PCB中，像銅這樣的導電材料薄層應用于電路板的頂部和底部。雙面PCB中，電路板不同層上都有過孔（via），過孔在不同層上的相應位置有兩個焊盤。它們通過電路板上的一個孔進行電氣連接。這種PCB板更靈活，成本相對多層較低，最重要的優點是尺寸更小，電路更緊湊。這種類型的PCB主要用于工業控制、轉換器、UPS系統、HVAC應用、機器機、放大器和電源監控系統。

（3）多層PCB
多層PCB有兩層以上。這意味著，這種類型的PCB至少有三層銅導電層。這種類型的PCB設計非常復雜，需要在非常小的空間和緊湊的電路中實現非常復雜和大型的電氣任務，常用于如GPS技術、衛星系統、醫療設備、文件服務器和數據存儲等大型應用。

1.2 按PCB形態

按板子形態，可將PCB分為柔性、剛性、剛撓三種。

（1）柔性PCB
柔性印刷電路板（Flexible PCB）也稱為柔性電路。這種PCB使用柔性塑料材料，如聚酰胺、PEEK（聚醚醚酮）或透明導電聚酯薄膜。電路板通常折疊或扭曲放置。這是一種非常復雜的PCB，它還包含不同的層，如單面柔性電路、雙面柔性電路和多邊柔性電路。柔性電路用于有機發光二極管（OLED）、LCD制造、柔性太陽能電池、汽車工業、手機、照相機和筆記本電腦等復雜電子設備。

（2）剛性PCB
剛性PCB由固體材料制成，不允許PCB扭曲。與柔性PCB相同，剛性PCB也有不同的層結構，如單層、雙層和多層剛性PCB。安裝后，該PCB的形狀不會改變。這種PCB不能根據底座的形狀彎曲，這就是為什么這種PCB被稱為剛性PCB的原因。這種PCB壽命很長，被用于計算機的許多部分，如RAM、GPU和CPU。設計簡單，目前使用和制造最多的PCB是單面剛性PCB。多層剛性PCB可以通過包含9-10層而更加緊湊。

（3）剛撓PCB
柔性電路和剛性電路的結合是一種最重要的PCB類型。剛撓結合板由附著在多個剛性PCB層上的多層柔性PCB組成，常用于手機、數碼相機和汽車等。

1.3 根據PCB安裝方式

根據PCB安裝方式，可將PCB分為通孔PCB、表面安裝PCB（smt-PCB）兩類。

（1）通孔PCB
在這種類型的PCB中，必須在PCB上鉆孔。在這些孔中，元件引線被安裝并焊接到位于PCB相對側的焊盤上。這項技術非常有用，因為它為電子元件提供了更多的機械支撐，并為元件安裝提供了非常可靠的技術，但在PCB上鉆孔會使成本更高。單層PCB中，這種安裝技術容易實現，但在雙層和多層PCB中，制作孔（Through-hole ）比較困難。

（2）表面安裝PCB
在這種類型的PCB中，元件尺寸很小，因為這些元件的引線很小，或者安裝在電路板上不需要引線。在這種技術中，SMD元件直接安裝在電路板的表面上，不需要在電路板上打孔。

2. PCB組成

PCB主要由基體材料（覆銅板）和功能元件組成。

2.1 PCB材料

PCB材料是剛性或柔性的介電基板，俗稱覆銅板。通常，這種介電基板使用銅之類的導電材料傳輸信號，使用玻璃環氧層壓板或復合材料作為介電材料。

（1）FR4
FR是層壓玻璃-環氧化合物阻燃劑。對于所有類型的PCB制造，最常見的玻璃層壓材料是FR4，玻璃化轉變溫度為130°C。作為最常見、最廣泛使用、便宜的PCB材料，最有用的復合材料，FR4提供了非常好的機械強度。

（2）FR-1和FR-2
這種材料由紙和酚類化合物制成，僅用于單層PCB。FR1和FR2具有相似的特性，唯一的區別是玻璃化轉變溫度。與FR2相比，FR1具有更高的玻璃化轉變溫度。這些材料也分為標準、無鹵素和非疏水性。

（3）CEM-1
這些材料由紙和兩層編織玻璃環氧樹脂和酚化合物制成，這種材料僅用于單面PCB。CEM-1可以代替FR4使用，但CEM1的價格高于FR4。

（4）CEM-3
這種材料是白色的玻璃環氧化合物，主要用于雙層PCB。與FR4相比，CEM-3的機械強度較低，但比FR4便宜。所以，這是FR4的一個很好的替代品。

（5）聚酰亞胺
這種材料用于柔性印刷電路板。這種材料是由凱普頓（kepton）、羅杰斯（rogers）、杜邦公司（dupont）生產的。這種材料具有良好的電性能、舒適性、寬溫度范圍和高耐化學性。這種材料的工作溫度是零下200°C到300°C。

（6）預浸料
預浸料就是預浸漬，是一種用樹脂浸漬的玻璃纖維。這些樹脂要經過預先干燥，受熱時會流動、粘附并完全浸入水中。預浸料具有粘合層，其強度類似于FR4。根據樹脂含量，這種材料有許多版本，SR標準樹脂，MR中等樹脂和HR高樹脂。這是根據所需厚度、層結構和阻抗來選擇的，這種材料用于高玻璃化轉變溫度和無鹵素中。

2.2 PCB元件

PCB元件是電路板的功能部分，主要包括焊盤（Pad）、走線（Trace）、絲印層（Silk layer）、阻焊層（Solder Mask）等。

焊盤（Pad）
焊盤只不過是一塊銅片，上面安裝了元件的引線并進行焊接。襯墊為部件提供機械支撐。

走線（Trace）
在PCB中，元件不借助導線連接。所有組件都與銅等導電材料相連。PCB上用于連接所有元件的銅部分，稱為走線。

層數（Layers）
根據應用、成本和電路的可用空間，用戶可以選擇PCB層數。單層PCB結構最簡單，易于設計，在日常生活中最有用。但是對于非常大和復雜的電路，雙層PCB或多層PCB比單層PCB更優選。現在，多層PCB可以連接10-12層，最關鍵的是不同層中的元件之間的通信。

絲印層（Silk layer）
絲印層用于PCB表面的印刷線條、文字或任何標識。通常，絲網印刷使用環氧油墨。根據用戶要求，絲印層可用于PCB的頂層和/或底層，即絲印頂層和絲印底層。

頂層和底層（Top and bottom layer）
在PCB的頂層，所有元件都安裝在這一層PCB中，這一層通常是綠色的。在PCB底層，所有元件都通過孔焊接，元件的引線稱為PCB的底層。有時，在PCB的頂層和/或底層涂有綠色層，稱為阻焊層。

阻焊層（Solder Mask）
在銅層的頂部有一層額外的阻焊層。該層通常為綠色，但也可以是任何顏色。該絕緣層用于防止焊盤與PCB上的其他導電材料意外接觸。

3. PCB設計軟件

PCBA作為電子電器的中樞，在系統控制中的作用十分關鍵，其工程軟件和在線資源往往也比較昂貴。對于專業人員、學生和愛好者來說，根據自己的實際情況選擇不同的軟件產品尤為重要。如果項目初期或者剛開始學習就選擇昂貴軟件，后期成本往往導致項目或學習半途而廢。相反，選擇了低端或更新慢的軟件，往往讓系統設計跟不上競爭對手，影響產品上市時間，那就太可惜了。

EAGLE
EAGLE是設計PCB最流行和最簡單的方法。EAGLE代表易于應用的圖形布局編輯器，它以前由CadSoft Computer開發，目前Autodesk是該軟件的開發商。為了設計電路圖，EAGLE有一個原理圖編輯器。EAGLE文件擴展名為.SCH，不同元件和組件由擴展名為.LBR的文件定義，其主板文件擴展名為.BRD。

Multisim
Multisim也是一款功能強大且易于學習的軟件。它最初由Electronics Workbench開發，現在是美國國家儀器公司（NI）的一個部門。它包括多個微控制器仿真（MultiMCU）和PCB布局軟件的集成導入導出功能，廣泛用于學術和工業電路教學、教育等。

PartSim
PartSim是一款基于瀏覽器的電路仿真器，用戶可以通過該軟件進行電路實驗。該仿真器布局簡單，從而確保易用性，同時提供完整的SPICE仿真引擎、基于Web的原理圖捕獲工具和圖形示波器，可以監視電路的模擬/數字信號電平。
該工具還包含Digi-Key BOM（物料清單），允許用戶為設計組件分配零件號，然后找到分銷商。

EasyEDA
EasyEDA是一款用于電路設計和仿真的軟件，旨在“通過為電子設計提供全面的數據和協作工具，幫助設計人員更快地將創意轉化為制造原型”。該軟件是一款基于Ngspice和PCB布局的集成工具，用于原理圖捕獲、SPICE電路仿真。該軟件最重要的優點是，它是基于網絡的軟件，并在瀏覽器窗口中使用。所以，這個軟件是獨立于OS的。
EasyEDA提供免費的在線電路仿真、PCB設計和電子電路設計功能。人們可以訪問大量的原理圖元件庫、PCB封裝和包裝、spice仿真、模型和子電路，從而節省設計時間。還可以邀請他人進行項目協作，并輕松地在團隊中分享設計。標準版免費使用，并提供無限公共項目和2個私人項目。

Altium設計師
該軟件由澳大利亞軟件公司Altium Limited開發。該軟件的主要特點是原理圖捕獲、3D PCB設計、FPGA開發和發布/數據管理。這是第一個直接從PCB編輯器提供PCB三維可視化和間隙檢查的軟件。

KiCad
該軟件由jean-pierre charras開發。該軟件具有可以創建BOM（材料清單）、作品和PCB 3D視圖，以及電路中使用的所有組件工具。該軟件的庫中提供了許多組件，并且用戶可以添加他們的自定義組件，支持多種人類語言。

CircuitMaker
這個軟件也是由Altium開發的。該軟件的原理圖編輯器包括基本元件布局，該軟件用于設計高級多通道和分層原理圖。所有原理圖都上傳到服務器，任何人都可以查看這些文件，前提是您需要預先創建一個CircuitMaker帳戶。

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