快速了解线路板(PCB)基础知识

线路板

线路板(又称为电路板,PCB板),是印制了导线的一块版。它的主要作用是减少导线占用空间,并将导线按照清晰的布局组织起来。

图 1:导线与线路板

线路板是覆铜板加工的结果,覆铜板是在绝缘基材的表面上覆盖一片铜箔做成的。

通常使用蚀刻[1]加工覆铜板。做法是在覆铜板上要保留的线路上涂上抗腐蚀的材料,然后用化学试剂将其余部分腐蚀掉,剩下的就是作为导线的铜箔。以下视频展示了蚀刻过程:

【自制PCB电路板腐蚀全过程】
https://www.bilibili.com/video/BV1yk4y127B5

在看实际的电路板(如图 1)时,会发现有些地方导线比较宽,甚至是一大块(通常是地线)。这是根据公式 电流=电压/电阻 ,减少导线的电阻对电流大小的影响[2]。通常线宽的关系为:地线 > 电源线 > 信号线[3]。

如何在成本可接受的条件下快速地制作线路板

想要获取一块线路板,有两个步骤:

  1. 设计
  2. 生产

在电脑上使用软件进行设计并输出 PCB 文件,然后到某宝找“PCB 打样”,下单后把 PCB 文件发给店家就行了。

打样就是打印样品,毕竟线路板通常都是大批量生产,而大批量生产之前需要先打印一些样品用于调试。如果只是自己做一些玩具,到打样这一步就行了。

不要以为打样很贵,PCB 版的长宽如果不超过 10cm ,20 块钱 10 片。

如果别人已经设计好我们想要的版,可以直接下载他的 PCB 文件,更加简便。

如何得到 PCB 图

通常不是一步到位直接画 PCB 图的,而是先把电路图画出来,再转换成 PCB 图。

这里使用的绘制工具是立创EDA[4],下载安装后不用注册也能免费使用。

以下是一个用 micro usb 点亮 LED 灯的 PCB 的示例。

第一步:电路图

图 2:电路图

第二部:PCB 图

图 3:PCB 图

接下来可以看看线路板 2D 的预览:

图 4:线路板 2D

还可以预览 3D:

图 5:线路板 3D

通常会让元器件紧紧贴住线路板以减小体积,都是在板的另一面焊接,因此背面也会有焊盘。在打孔之后,由于板的中间是绝缘层,所以需要在孔壁涂上金属层连接到背面的焊盘用来导电。

这个示例来自于 B 站 UP 主 BenBlue 的分享:

【E03、从原理图到PCB只需3步】
https://www.bilibili.com/video/BV1SA411b7L5?p=3

双面布线

前面演示的是仅在一面布线。当线路复杂时,由于不相连的线路不能交叉,只能绕道或者打孔绕到另一面。

这里用到的板都是双面板,双面板的两面都有铜箔。在双面板上钻孔并在孔壁涂上金属层,用于连接两面的导线。这个孔称为“过孔”。

单面板是只有一面有铜箔。有铜箔的一面用于布线和放焊盘,元器件放到另一面,并在布线一面焊接。

在画 PCB 图的时候,如果在同一面有导线会出现交叉,则软件会控制不让线穿过去,如下图所示:

图 6:不同线路不能交叉

尽管鼠标点到 R1 的右孔,但线穿不过去。

可以选择从外围绕过去,也可以如下图所示选择打孔:

图 7:过孔

注:使用 45 度折线布线而不是 90 度,以减小高频信号的辐射[3]。

蓝色线表示这条线在线路板的背面,下面的 2D 实物图比较直观:

图 8:双面板过孔 2D 图

以及 3D 图:

图 9:双面板过孔 3D 图

PCB 板的组成部分

图 10:PCB 板的组成部分

  • 器件:元器件。在PCB光板上器件以焊盘+丝印的方式出现[5]。
  • 焊盘:焊盘包含了引线孔及周围的铜箔[6]。
  • 走线:导线。
  • 过孔:跨层连接导线的孔。
  • 印丝:用数字或者字母等在板上标注信息。
  • 阻焊层:避免焊接时误焊临近但不相连的管脚。

参考

[1]: http://m.elecfans.com/article/937356.html (电路板蚀刻是什么意思) 
[2]: https://www.sohu.com/a/319874935_819258 (PCB 线宽与电流关系,查表与计算!)
[3]: https://zhuanlan.zhihu.com/p/50036481 (一般线路板基本设计流程)  
[4]: https://lceda.cn/ (立创EDA官网)
[5]: http://www.elecfans.com/bandaoti/eda/20180814729008.html (印刷电路板(PCB)的主要概念及组成部分)
[6]: https://baike.baidu.com/item/PCB%E7%84%8A%E7%9B%98/9847197 (pcb焊盘)
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