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《PADS 9.5电路设计与仿真从入门到精通》——第一章 绪论 1.1 PCB的基本概念及设计工具

简介:
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本节书摘来自异步社区《PADS 9.5电路设计与仿真从入门到精通》一书中的第1章,第1.1节,作者:耿立明 , 闫聪聪著,更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看

第一章 绪论

PADS 9.5电路设计与仿真从入门到精通
本章主要介绍PADS的基本概念及特点,包括PCB设计的一般原则、基本步骤、标准规范等。着重介绍了美国Mentor Graphics公司的PCB设计软件:PADS 9.5,包括了PADS 9.5的发展过程以及它的新特点。PADS 9.5是一款非常优秀的PCB设计软件,它具有完整强大的PCB绘制工具,界面和操作十分简洁,希望用户好好学习本书,以便更加方便地使用PADS 9.5软件。

1.1 PCB的基本概念及设计工具

PADS 9.5电路设计与仿真从入门到精通
几乎能见到的电子设备都离不开PCB,小到电子手表、计算器、通用电脑,大到计算机、通信电子设备、军用武器系统,只要有集成电路等电子元器件,它们之间电气互连就要用到PCB。

1.1.1 PCB技术的概念
1.PCB概念及应用
PCB是印制电路板(Printed Circuit Board)的英文缩写。通常把在绝缘基材上,按预定设计,制成印制电路、印制元件或两者组合而成的导电图形称为印制电路。而在绝缘基材上提供元器件之间电气连接的导电图形,称为印制电路。这样就把印制电路或印制电路的成品板称为印制电路板,亦称为印制板或印制电路板。

PCB提供集成电路等各种电子元器件固定装配的机械支撑、实现集成电路等各种电子元器件之间的布线和电气连接或电绝缘、提供所要求的电气特性,如特性阻抗等。同时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。

2.PCB发展及演变
印制电路基本概念在本世纪初已有人在专利中提出过,早在1903年Mr.Albert Hanson便首先将“电路”(Circuit)概念应用于电话交换机系统。它是用金属箔予以切割成电路导体,将之粘贴于石蜡纸上,上面同样贴上一层石蜡纸,就成了现今PCB的机构雏形,见图1-1。

至1936年,Dr Paul Eisner真正发明了PCB的制作技术,也发表多项专利。而今天的print-tech(photoimage transfer)的技术,就是沿袭其发明而来的。

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3.PCB分类及制造
根据PCB材质、结构、用途的不同,可以对PCB进行多种分类,下面仅就PCB层数的不同,对PCB分类进行简单的介绍。

(1)单面板(Single-Sided Boards)

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)。因为单面板在设计电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电路板,见图1-2。

(2)双面板(Double-Sided Boards)

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」叫作导孔(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,而且布线可以互相交错(可以绕到另一面),所以它更适合用在比单面板更复杂的电路上。见图1-3。
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(3)多层板(Multi-Layer Boards)

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)。电路板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,所以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,不过如果仔细观察主机板,也许可以看出来。

刚刚提到的过孔(via),如果应用在双面板上,那么一定都是打穿整个电路板。不过在多层板当中,如果只想连接其中一些电路,那么导孔可能会浪费一些其它层的电路空间。埋孔(Buried vias)和盲孔(Blind vias)技术可以避免这个问题,因为它们只穿透其中几层。盲孔是将几层内部PCB与表面PCB连接,不需穿透整个电路板。埋孔则只连接内部的PCB,所以仅从表面是看不出来的。

在多层板PCB中,整层都直接连接上地线与电源。所以我们将各层分类为信号(Signal)层,电源(Power)层或是地线(Ground)层。如果PCB上的零件需要不同的电源供应,通常这类PCB会有两层以上的电源与电线层,见图1-4。

PCB是如何制造出来的呢?打开通用电脑的键盘就能看到一张软性薄膜(挠性的绝缘基材),印上有银白色(银浆)的导电图形与键位图形。因为通用丝网漏印方法得到这种图形,所以称这种印制电路板为挠性银浆印制电路板。

而各种电脑主机板、显卡、网卡、调制解调器、声卡及家用电器上的印制电路板就不同了,如图1-5所示。它所用的基材是纸基(常用于单面)或玻璃布基(常用于双面及多层),预浸酚醛或环氧树脂,表层一面或两面粘上覆铜簿再层压固化而成。这种电路板覆铜簿板材,就称它为刚性板。再制成印制电路板,就称它为刚性印制电路板。单面有印制电路图形称单面印制电路板,双面有印制电路图形,再通过孔的金属化进行双面互连形成的印制电路板,就称其为双面板。如果用一块双面作内层、两块单面作外层或两块双面作内层、两块单面作外层的印制电路板,通过定位系统及绝缘粘结材料交替在一起且导电图形按设计要求进行互连的印制电路板就成为四层、六层印制电路板了,也称为多层印制电路板。

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为进一步认识PCB,有必要了解一下单面、双面印制电路板及普通多层板的制作工艺,于加深对它的了解。

单面刚性印制板:单面覆铜板→下料→刷洗、干燥→网印电路抗蚀刻图形→固化检查修板→蚀刻铜→去抗蚀印料、干燥→钻网印及冲压定位孔→刷洗、干燥→网印阻焊图形(常用绿油)、UV固化→网印字符标记图形、UV固化→预热、冲孔及外形→电气开、短路测试→刷洗、干燥→预涂助焊防氧化剂(干燥)→检验包装→成品出厂。

双面刚性印制板:双面覆铜板→下料→钻基准孔→数控钻导通孔→检验、去毛刺刷洗→化学镀(导通孔金属化)→(全板电镀薄铜)→检验刷洗→网印负性电路图形、固化(干膜或湿膜、曝光、显影)→检验、修板→电路图形电镀→电镀锡(抗蚀镍/金)→去印料(感光膜)→蚀刻铜→(退锡)→清洁刷洗→网印阻焊图形常用热固化绿油(贴感光干膜或湿膜、曝光、显影、热固化,常用感光热固化绿油)→清洗、干燥→网印标记字符图形、固化→外形加工→清洗、干燥→电气通断检测→(喷锡或有机保焊膜)→检验包装→成品出厂。

贯通孔金属化法制造多层板工艺流程:内层覆铜板双面开料→刷洗→钻定位孔→贴光致抗蚀干膜或涂覆光致抗蚀剂→曝光→显影→蚀刻与去膜→内层粗化、去氧化→内层检查→(外层单面覆铜板电路制作、B—阶粘结片、板材粘结片检查、钻定位孔)→层压→数控制钻孔→孔检查→孔前处理与化学镀铜→全板镀薄铜→镀层检查→贴光致耐电镀干膜或涂覆光致耐电镀剂→面层底板曝光→显影、修板→电路图形电镀→电镀锡铅合金或镍/金镀→去膜与蚀刻→检查→网印阻焊图形或光致阻焊图形→印制字符图形→(热风整平或有机保焊膜)→数控洗外形→成品检查→包装出厂。

从工艺流程可以看出多层板工艺是从双面孔金属化工艺基础上发展起来的。它除了继承双面工艺外,还有几个独特内容:金属化孔内层互连、钻孔与去环氧钻污、定位系统、层压和专用材料。

1.1.2 PCB设计的常用工具
PCB设计软件种类很多,如PADS、Cadence PSD、PSPICE、PCB Studio、TANGO、Altium(Protel)、OrCAD、Viewlogic等等。目前,国内流行的主要有PADS、PSpice、Altium和OrCAD,下面就对它们进行简单介绍。

1.PADS
Innoveda公司曾是美国著名的电子设计自动化软件(EDA)及系统供应厂家,它由ViewLogic、Summit和PADS三家公司合并而成。Innoveda公司主要致力于电子设计自动化领域的研究和开发,特别是在高速设计领域,其产品具有很高的知名度,被众多用户采用。

Innoveda的软件产品范围广泛,包括从设计输入、数字和模拟电路仿真、可编程逻辑器件设计、印制路电板设计、信号完整性分析、电磁兼容性分析和串扰分析、汽车电子和机电系统布线软件等。

Innoveda公司现在被美国Mentor Graphics公司收购,Mentor Graphics公司是世界最著名的从事电子设计自动化系统设计、制造、销售和服务的厂家之一。Mentor软件及系统覆盖面广,产品包括从设计图输入、数字电路分析、模拟电路分析、数模混合电路分析、故障模拟测试分析、印制电路板自动设计与制造、全定制及半定制IC设计软件与IC校验软件等一体化产品。

Mentor Graphics公司的PADS Layout/Router环境作为业界主流的PCB设计平台,以其强大的交互式布局布线功能和易学易用等特点,在通信、半导体、消费电子和医疗电子等当前最活跃的工业领域得到了广泛的应用。PADS Layout/Router支持完整的PCB设计流程,涵盖了从原理图网表导入,规则驱动下的交互式布局布线,DRC/DFT/DFM校验与分析,直到最后的生产文件(Gerber)、装配文件及物料清单(BOM)输出等全方位的功能需求,确保PCB工程师高效率地完成设计任务。

2.PSpice
新推出的版本为Pspice10.5,是功能强大的模拟电路和数字电路混合仿真EDA软件,它可以进行各种电路仿真、激励建立、温度与噪声分析、模拟控制、波形输出和数据输出,并在同一个窗口内同时显示模拟与数字的仿真结果。

3.Altium
Protel的升级版本。早期的Protel主要作为印制板自动布线工具使用,只有电原理图绘制和印制板设计功能,后发展到Prote l99se,最近在并购后改名为Altium公司,推出的最新版本Altium Designer 6.0是个庞大的EDA软件,包含电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计(包含印制电路板自动布线)、可编程逻辑器件设计、图表和电子表格生成、支持宏操作等功能,是个完整的板级全方位电子设计系统。

4.OrCAD
由OrCAD公司于20世纪80年代末推出的电子设计自动化(EDA)软件,OrCAD界面友好直观,集成了电原理图绘制、印制电路板设计、模拟与数字电路混合仿真、可编程逻辑器件设计等功能,其元器件库是所有EDA软件中最丰富的,达8500个,收入了几乎所有通用电子元器件模块。

1.1.3 PCB技术的发展趋势
1.中国已是PCB生产大国
印制电路板是信息产业的基础,从计算机、电视机到电子玩具等,几乎所有的电子电器产品中都有电路板存在。中国电子电路产业和中国电子信息产业一样,在近年来一直保持着高速增长。这一增长趋势还将持续更长一段时间。尤其是近年来我国消费类电子和汽车电子的飞速发展更是为电子电路业提供了广阔空间。

随着世界各国在中国投资的IT产业、电子整机制造的迅猛发展,世界各国PCB企业也相继在中国进行大规模的投资,世界知名PCB生产企业,绝大部分在中国已经建立了生产基地并在积极扩张。可以预计未来几年,中国仍然是世界PCB生产企业投资与转移的重要目的地。

中国印制电路行业协会(CPCA)秘书长王龙基介绍:被誉为电子电路行业的“奥林匹克”的“世界电子电路大会”在上海举行,前十届电子电路大会都是在日本、美国等世界PCB产业发达国家举办,第11届大会移师中国,充分表明了我国高速发展的PCB产业的吸引力。目前,整个行业正在积极准备,届时,将向世人展示中国印制电路板业的风采。

2.PCB业应关注新技术
PCB行业是集电子、机械、计算机、光学、材料和化工等多学科的一个行业。PCB技术是跟着IC技术发展的,在电子互连技术里占有重要位置,因此,PCB技术和制造业的发展将对一个国家的电子工业产生很大的推动作用。

目前的电子设计大多是集成系统级设计,整个项目中既包含硬件整机设计又包含软件开发。这种技术特点向电子工程师提出了新的挑战。首先,如何在设计早期将系统软硬件功能划分得比较合理,形成有效的功能结构框架,以避免冗余循环过程;其次,如何在短时间内设计出高性能高可靠的PCB板。因为软件的开发很大程度上依赖硬件的实现,只有保证整机设计一次通过,才会更有效的缩短设计周期。本文论述在新的技术背景下,系统板级设计的新特点及新策略。

众所周知,电子技术的发展日新月异,而这种变化的根源,一个主要因素是芯片技术的进步。半导体工艺日趋物理极限,现已达到深亚微米水平,超大规模电路成为芯片发展主流。而这种工艺和规模的变化又带来了许多新的电子设计瓶颈,遍及整个电子业。板级设计也受到了很大的冲击,最明显的一个变化是芯片封装的种类极大丰富,如BGA、TQFP、PLCC等封装类型的涌现;其次,高密度引脚封装及小型化封装成为一种时尚,以期实现整机产品小型化,如MCM技术的广泛应用。另外,芯片工作频率的提高,使系统工作频率的提高成为可能。

而这些变化必然给板级设计带来许多问题和挑战。首先,由于高密度引脚及引脚尺寸日趋物理极限,导致低的布通率;其次,由于系统时钟频率的提高,引起的时序及信号完整性问题;最后,工程师希望能在PC平台上用更好的工具完成复杂的高性能的设计。由此,我们不难看出,PCB板设计有以下三种趋势。

(1)高速数字电路(即高时钟频率及快速边沿)的设计成为主流。

(2)产品小型化及高性能必须面对在同一块板上由于混合信号设计技术(即数字、模拟及射频混合设计)所带来的分布效应问题。

(3)设计难度的提高,导致传统的设计流程及设计方法,以及PC上的CAD工具很难胜任当前的技术挑战,因此,EDA软件工具平台从UNIX转移到NT平台成为业界公认的一种趋势。

2003年以来世界电子电路行业技术迅速发展,集中表现在无源(即埋入式或嵌入式)元件PCB、喷墨PCB工艺、光技术PCB、纳米材料在PCB板上的应用等方面。王龙基表示:“观目前国际电子电路的发展现状和趋势,关于中国电子电路—印制电路板的产业技术及政策,我认为重心应当放在IC封装CSP、光电板(Opticbackpanel)、刚挠结合板、高多层板和G板等高附加值的产品上来。”

中国印制电路行业协会顾问林金堵认为,在技术方面,印制电路板向高密度化和高性能化方向发展。高密度化可以从孔、线、层、面四方面概括。目前世界上可做到最小孔径50μm,甚至更小。线宽线距基本发展到50μm甚至30μm。层可以做得很薄,最薄可以做到30μm左右,甚至更低。表面涂布镀锡、镀银、OSP甚至发展到镀镍、镀钯、镀金等万能型表面涂布。

这些印制板主要代表是HDI/BUM板、IC基板、集成元件印制板、刚挠性印制板和光路印制板。特别是光路印制板,现在印制板的信号传输或处理都是用“电”来处理,“电”的信号已经基本上快接近极限了,“电”最大的缺点就是电磁干扰,必然要用光来代替“电”进行信号传输和处理。印制板里既有光路层传输信号,又有电路层传输信号,这两种组合起来就叫光电印制板或光电基板、光电印制电路板。林金堵介绍说,现在日本、美国以及中国已经有几家在研究,而且我们已经做出样品进行测试了。“高性能化表现在无铅焊接,温度要求更高,再加上长时间焊接,所以耐热性很重要,性能要好,可靠。”

HDI高密度互连PCB技术会带动IC、LSI技术的发展。因此PCB技术的发展应得到更多的关注和相关行业及相应政策的支持,包括进口设备、进口关键材料、技术引进、海关税收以及资金来源的支持。

针对广泛看好的IC封装基板,我国存在的问题在于:一是IC核心技术专利都在国外厂商手里,原来就没有进入到这一产业链环节中去;二是由于技术水平不过关,因而在这方面还尚待突破。

而对于HDI板的加工制造,如何从材料、加工工艺和新技术研发学习入手掌握HDI电路板的技术,是国内PCB业面临的一个新的挑战。

3.环保成为不变的主题
PCB在生产过程中会有废料、废气和废水产生。如果因为有污染而去阻止或扼杀这个行业发展不是好办法。其出路应当是走清洁生产和可持续发展的道路。在CPCA的号召下,PCB企业十分注意推行建立ISO-14000国际环境管理体系。目前,增产不增污的思想在PCB行业已深入人心。

如何有效地进行废弃电路板的资源化回收处理,已经成为当前关系到我国经济、社会和环境可持续发展及我国再生资源回收利用的一个新课题,引起了我国政府的高度重视。“印制电路板回收利用与无害化处理技术”已被列入国家发改委组织实施的资源综合利用国家重大产业技术开发专项。

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