印制電路板的設(shè)計

1、第5章 印制電路板設(shè)計初步5.1 印制板設(shè)計基礎(chǔ) 5.2 Protel99 PCB的啟動及窗口認識5.3 手工設(shè)計單面印制板Protel99 PCB基本操作5.1 印制板設(shè)計基礎(chǔ) 印制板也稱為印制線路板或印制電路板，通過印制板上的印制導(dǎo)線、焊盤及金屬化過孔實現(xiàn)元器件引腳之間的電氣連接。印制板上的導(dǎo)電圖形（如元件引腳焊盤、印制連線、過孔等）以及說明性文字（如元件輪廓、序號、型號）等均通過印制方法實現(xiàn)，因此稱為印制電路板。 通過一定的工藝，在絕緣性能很高的基材上覆蓋一層導(dǎo)電性能良好的銅薄膜，就構(gòu)成了生產(chǎn)印制電路板所必需的材料覆銅板。按電路要求，在覆銅板上刻蝕出導(dǎo)電圖形，并鉆出元件引腳的安裝孔、實現(xiàn)

2、電氣互連的過孔以及固定整個電路板所需的螺絲孔，就獲得了電子產(chǎn)品所需的印制電路板。35.1.1 印制板種類及結(jié)構(gòu) 印制板種類很多，根據(jù)導(dǎo)電層數(shù)目的不同，可以將印制板分為單面電路板（簡稱單面板）、雙面電路板（簡稱雙面板）和多層電路板；根據(jù)覆銅板基底材料的不同，又可將印制板分為紙質(zhì)覆銅箔層壓板和玻璃布覆銅箔層壓板兩大類。圖5-1 單面、雙面及多面印制電路板剖面 (a) 單面 單面板所用的覆銅板只有一面敷銅箔，另一面空白，因而也只能在敷銅箔面上制作導(dǎo)電圖形。單面板上的導(dǎo)電圖形主要包括固定、連接元件引腳的焊盤和實現(xiàn)元件引腳互連的印制導(dǎo)線，該面稱為“焊錫面”在Protel99 PCB編輯器中被稱為“Bot

3、tom”（底）層。沒有銅膜的一面用于安放元件，因此該面稱為“元件面”在Protel99 PCB編輯器中被稱為“Top”（頂）層。圖5-1 單面、雙面及多面印制電路板剖面 (b) 雙面 雙面板的基板的上下兩面均覆蓋銅箔。因此，上、下兩面都含有導(dǎo)電圖形，導(dǎo)電圖形中除了焊盤、印制導(dǎo)線外，還有用于使上、下兩面印制導(dǎo)線相連的金屬化過孔。在雙面板中，元件也只安裝在其中的一個面上，該面同樣稱為“元件面”，另一面稱為“焊錫面”。在雙面板中，需要制作連接上、下面印制導(dǎo)線的金屬化過孔，生產(chǎn)工藝流程比單面板多，成本高。 隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，元器件集成度越來越高，引腳數(shù)目迅速增加，電路圖中元器件連接關(guān)系越來越

4、復(fù)雜。此外，器件工作頻率也越來越高，雙面板已不能滿足布線和電磁屏蔽要求，于是就出現(xiàn)了多層板。在多層板中導(dǎo)電層的數(shù)目一般為4、6、8、10等。 圖5-1 單面、雙面及多面印制電路板剖面(c) 多面 在多層板中，可充分利用電路板的多層結(jié)構(gòu)解決電磁干擾問題，提高了電路系統(tǒng)的可靠性；由于可布線層數(shù)多，走線方便，布通率高，連線短，印制板面積也較?。ㄓ≈茖?dǎo)線占用面積?。?，目前計算機設(shè)備，如主機板、內(nèi)存條、顯示卡等均采用4或6層印制電路板。 在多層電路板中，層與層之間的電氣連接通過元件引腳焊盤和金屬化過孔實現(xiàn)，除了元件引腳焊盤孔外，用于實現(xiàn)不同層電氣互連的金屬化過孔最好貫穿整個電路板，以方便鉆孔加工，在經(jīng)過

5、特定工藝處理后，不會造成短路。例如，用于元件面上印制導(dǎo)線與電源層相連的金屬化過孔中，為了避免與地線層相連，在該過孔經(jīng)過的地線層上少了一個比過孔大的銅環(huán)（很容易通過刻蝕工藝實現(xiàn)）。 5.1.2 印制板材料 根據(jù)覆銅板基底材料的不同，可以將印制板分為紙質(zhì)覆銅箔層壓板和玻璃布覆銅箔層壓板兩大類。它們都是使用粘結(jié)樹脂將紙或玻璃布粘在一起，然后經(jīng)過加熱、加壓工藝處理而成。 目前常用的粘結(jié)樹脂主要有酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂和聚四氟乙烯樹脂三種。 使用酚醛樹脂粘結(jié)的紙質(zhì)覆銅箔層壓板稱為覆銅箔酚醛紙質(zhì)層壓板，其成本低，主要用作收音機、電視機以及其他電子設(shè)備的印制電路板。 使用環(huán)氧樹脂粘結(jié)的紙質(zhì)覆銅箔層壓板稱為覆銅箔

6、環(huán)氧紙質(zhì)層壓板。其電氣性能和機械性能均比前者好，目前使用最廣泛，也主要用在收音機、電視機以及其他低頻電子設(shè)備中。 使用聚四氟乙烯樹脂粘結(jié)的玻璃布覆銅箔層壓板稱為覆銅箔聚四氟乙烯玻璃布層壓板。其各方面性能均比較好，是制作高頻、微波電子設(shè)備印制電路板的理想材料，只是價格較高。5.2 Protel99 PCB的啟動及窗口認識在Protel99狀態(tài)下，單擊“File”菜單下的“New”命令，然后直接雙擊“PCB Document”（PCB文檔）文件圖標(biāo)，即可創(chuàng)建新的PCB文件并打開印制板編輯器。 如果設(shè)計文件包(.ddb)內(nèi)已經(jīng)含有PCB文件，在“設(shè)計文件管理器”窗口內(nèi)直接單擊相應(yīng)文件夾下的PCB文件

7、圖標(biāo)來打開PCB編輯器，并進入對應(yīng)PCB文件的編輯狀態(tài)。 Protel99印制板編輯窗口如圖5-3所示，菜單欄內(nèi)包含了“File”（文件）、“Edit”（編輯）、“View”（瀏覽）、“Place”（放置）、“Design”（設(shè)計）、“Tools”（工具）、“Auto Route”（自動布線）等菜單命令。圖5-3 Protel99 PCB編輯器窗口 與電原理圖編輯器相似，在印制板編輯、設(shè)計過程中，除了可以使用菜單命令操作外，PCB編輯器也將一系列常用的菜單命令以工具按鈕形式羅列在“工具欄”內(nèi)。PCB編輯器提供了主工具欄（Main Toolbar）、放置工具（Placement Tools）欄（

8、窗）。必要時可通過“View”菜單下的“Toolbars”命令打開或關(guān)閉（缺省時這兩個工具欄均處于打開狀態(tài)）這些工具欄（窗）。圖5-4 放置工具窗口內(nèi)的工具 啟動后，PCB編輯區(qū)內(nèi)顯示的柵格線是第二柵格線，大小為1000 mil，即25.4 mm。在編輯區(qū)下方顯示目前已打開的工作層和當(dāng)前所處的工作層。 PCB瀏覽窗（Browse PCB）內(nèi)顯示的信息及按鈕種類與瀏覽對象有關(guān)，單擊瀏覽對象選擇框下拉按鈕，即可選擇相應(yīng)的瀏覽對象，如Library(元件封裝庫)、Components（元件）、Nets（節(jié)點）、“Net Classes”（節(jié)點組）、“Component Classes”（元件組）、“

9、Violations”（違反設(shè)計規(guī)則）等。 在Protel99 PCB編輯器中，可以選擇英制（單位為mil）或公制（單位為mm）兩種長度計量單位，彼此之間的換算關(guān)系如下： 1 mil=0.0254 mm 10 mil=0.254 mm 100 mil=2.54 mm 1000 mil（1英寸）=25.4 mm 5.3 手工設(shè)計單面印制板Protel99 PCB基本操作 為了便于理解PCB編輯器的基本概念,掌握PCB設(shè)計的基本操作方法，下面以手工設(shè)計一個簡單的電路的印制板為例，介紹Protel99 PCB印制板編輯器的基本操作。 如圖所示的電路很簡單，元件數(shù)量少，完全可以使用單面板，并假設(shè)元件尺

10、寸也不大，電路板尺寸為2000 mil1500 mil（相當(dāng)于50.8 mm38.1 mm）。5.3.1 工作參數(shù)的設(shè)置與電路板尺寸規(guī)劃 1. 設(shè)置工作層 執(zhí)行“Design”菜單下的“Options”命令，并在彈出的“Document Options”（文檔選項）窗內(nèi)，單擊“Layers”標(biāo)簽（如下圖所示），選擇工作層。各層含義如下： 1) Signal Layers（信號層） Protel99 PCB編輯器最多支持以下16個信號層： Top，即頂層，也稱為元件面，是元器件的安裝面。在單面板中不能在元件面內(nèi)布線，只有在雙面或多面板中才允許在元件面內(nèi)進行少量布線。在單面板中，由于元件面內(nèi)沒有印

11、制導(dǎo)線，表面安裝元件只能安裝在焊錫面上；而在多面板中，包括表面安裝元件在內(nèi)的所有元件，應(yīng)盡可能安裝在元件面上，但表面安裝元件也可以安裝在焊錫面上。 Bottom，即底層，也稱為焊錫面，主要用于布線。焊錫面是單面板中惟一可用的布線層，同時也是雙面、多面板的主要布線層。 Mid1Mid14是中間信號層，主要用于放置信號線。只有5層以上電路板才需要在中間信號層內(nèi)布線。 2) Internal Plane（內(nèi)電源/地線層） Protel99 PCB編輯器最多支持4個內(nèi)電源/地線層，主要用于放置電源/地線網(wǎng)絡(luò)。在3層以上電路板中，信號層內(nèi)需要與電源或地線相連的印制導(dǎo)線可通過元件引腳焊盤或過孔與內(nèi)電源/地

12、線層相連，從而極大地減少了電源/地線的連線長度。另一方面，在多層電路板中，充分利用內(nèi)地線層對電路板中容易產(chǎn)生輻射或受干擾部分進行屏蔽。在單面板和雙面板中，電源線/地線與信號線在同一層內(nèi)走線，因此也就不存在內(nèi)電源/地線層。 3) Mechanical（機械層） 機械層沒有電氣特性，主要用于放置電路板一些關(guān)鍵部位的注標(biāo)尺寸信息、印制板邊框以及電路板生產(chǎn)過程中所需的對準(zhǔn)孔（但印制電路板上固定大功率元件所需的螺絲孔以及電路板安裝、固定所需的螺絲孔一般以孤立焊盤形式出現(xiàn)，這樣焊盤的銅環(huán)可作墊片使用，另外對于需要接地的固定螺絲孔焊盤可直接放在接地網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處）。打印時往往與其他層套疊打印，以便對準(zhǔn)。4) D

13、rill Layers（鉆孔層） 該層主要用于繪制鉆孔圖以及孔位信息。 5) Silkscreen（絲印層） 通過絲網(wǎng)印刷方式將元件外形、序號以及其他說明文字印制在元件面或焊錫面上，以方便電路板生產(chǎn)過程的插件（包括表面封裝元件的貼片）以及日后產(chǎn)品的維修操作。絲印層一般放在頂層（Top），對于故障率較高、需要經(jīng)常維修的電子產(chǎn)品，如電視機、計算機顯示器、打印機等的主機板在元件面和焊錫面內(nèi)均可設(shè)置絲印層。6) Solder Mask（阻焊層） 設(shè)置阻焊層的目的是為了防止進行焊接時，連線、填充區(qū)、敷銅區(qū)等不需焊接的地方也粘上焊錫。在電路板上，除了需要焊接的地方（主要是元件引腳焊盤、連線焊盤）外，均涂上

14、一層阻焊漆（阻焊漆一般呈綠色或黃色）。7) Paste Mask（焊錫膏層） 設(shè)置焊錫膏層的目的是為了便于貼片式元器件的安裝。隨著集成電路技術(shù)的飛速進步，電子產(chǎn)品體積越來越小，傳統(tǒng)穿通式集成電路芯片封裝方式，如雙列直插式（DIP）、單列直插式（SIP）、引腳網(wǎng)格陣列（PGA）等芯片封裝方式已明顯不適應(yīng)電子產(chǎn)品小型化、微型化要求。8) Other（其他） 圖中的“Other”設(shè)置框包括以下各項： Keep Out Layer，即禁止布線層。 Multi Layer，允許或禁止在屏幕上顯示各層信息。 Visible Grid，可視柵格線（點）開/關(guān)。 Pad Holes，焊盤孔顯示開/關(guān)。 Via

15、 Holes，金屬化過孔的孔徑顯示開/關(guān)。 Connection，“飛線”顯示開/關(guān)。 DRC Error，設(shè)計規(guī)則檢查開/關(guān)。 2. 設(shè)置可視柵格大小及格點鎖定距離 執(zhí)行“Design”菜單下的“Options”命令，并在彈出的“Document Options”（文檔選項）窗內(nèi)，單擊“Options”標(biāo)簽，選擇可視柵格大小、形狀以及鎖定格點距離等。 第一組可視格點間距缺省值為20 mil，第二組可視格點間距缺省值為1000 mil；可視格點形狀可以選擇線（Line）或點（Dot）形式。 格點鎖定距離為20 mil，電氣格點自動搜索范圍缺省值為8 mil。在以集成電路為主的電路板中，為了便于

16、在集成電路引腳之間走線，可將格點鎖定距離設(shè)為10 mil，相應(yīng)的電氣格點自動搜索半徑設(shè)為4 mil。3. 選擇工作層、焊盤、過孔等在屏幕上的顯示顏色 工作層、焊盤、過孔等在屏幕上的顏色可以采用系統(tǒng)給定的缺省設(shè)置。在缺省狀態(tài)下，元件面為紅色，焊錫面為藍色。 執(zhí)行“Tools”菜單下的“Preferences”命令，并在彈出的“Preferences”(特性選項)窗內(nèi)，單擊“Color”標(biāo)簽，即可重新設(shè)置各工作層、焊盤、過孔等的顯示顏色。4. 選擇光標(biāo)形狀、移動方式等 執(zhí)行“Tools”菜單下的“Preferences”命令，并在彈出的“Preferences”（特性選項）窗內(nèi)，單擊“Option

17、s”標(biāo)簽，即可重新設(shè)置光標(biāo)形狀、屏幕自動更新方式等。1) Editing（編輯設(shè)置） Snap To Center：對準(zhǔn)中心，缺省時處于禁止?fàn)顟B(tài)。 Extend Selection：允許/禁止同時存在多個選擇框，缺省時處于允許狀態(tài)。 Remove Duplicate：禁止/允許自動刪除重復(fù)元件。 Confirm Global：當(dāng)該項處于選中狀態(tài)時，修改操作對象前將給出提示信息。 Rotation Step：設(shè)置旋轉(zhuǎn)操作的旋轉(zhuǎn)角，缺省時為90。 Cursor Type：光標(biāo)形狀。 2) Auto Pan屏幕自動移動方式設(shè)置 Style：選擇屏幕自動移動方式。 Step Size：定義移動步長。

18、Shift Step Size：定義按下Shift鍵不放時的移動步長。 3) Interactive Routing Mode：選擇相互作用布線模式。 4) 顯示方式設(shè)置 顯示方式選項較多，比較重要且常需要重新選擇的有： Highlight in Full：允許/禁止選取的圖元高亮度顯示充滿整個屏幕。 Use Net Color For Highlight：設(shè)置是否使用網(wǎng)絡(luò)顏色顯示高亮度圖元。 Single Layer Mode：設(shè)置是否只顯示當(dāng)前工作層。 Redraw Layer：重新繪制工作層。 Transparent Layer：設(shè)置透明顯示模式。5.3.2 元件封裝庫的裝入 PCB99

19、元件封裝圖形庫存放在“Design Explorer 99LibraryPCB”文件夾內(nèi)三個不同的子目錄內(nèi)，其中Generic Footprints文件夾中存放了通用元件封裝圖，Connectors文件夾中存放了連接類元件封裝圖，IPC Footprints文件夾中存放了IPC封裝元件圖。 常用元器件封裝圖形存放在Design Explorer 99LibraryPCBGeneric FootprintsAdvpcb.ddb圖形庫文件中，因此在PCB編輯器中一般需要裝入Advpcb.ddb 元件封裝圖形庫。 所謂元件封裝圖形，就是元件外輪廓形狀及引腳尺寸，它由元件引腳焊盤大小、相對位置及外輪廓

20、形狀、尺寸等部分組成。下圖給出了電阻、電容、三極管和14引腳雙列直插式DIP14的封裝圖外形及各部分名稱。5.3.3 畫圖工具的使用 裝入元件封裝圖形庫，設(shè)置工作層及有關(guān)參數(shù)后，不斷單擊主工具欄內(nèi)的“放大”按鈕，適當(dāng)放大編輯區(qū)，然后就可以在編輯區(qū)內(nèi)放置元件和連線。 1. 放置元件 手工放置元件操作與后面介紹的元件手工布局操作要領(lǐng)相同，先確定電路中核心或?qū)Ψ胖梦恢糜刑厥庖蟮脑恢?。在所畫的電路中，首先放置的元件?yīng)該是9013三極管，序號為Q101，假設(shè)封裝形式為TO-92A。 在PCB99編輯器中，放置元件的操作過程如下： (1) 單擊“畫圖”工具欄內(nèi)的“放置元件”工具，在如下圖所示的窗內(nèi)，

21、直接輸入元件的封裝形式、序號和注釋信息。 封裝形式和序號是不能省略的，注釋信息文本盒內(nèi)可以輸入元件的型號，如“9013”或元件的大小，如“51”、“1k”等。但注釋信息并不是必需的，有時為了保密，故意不給出元件型號、大小，或制版時隱藏注釋信息。 如果操作者不能確定元件的封裝形式，可單擊“Browse”（瀏覽）按鈕。在元件列表窗內(nèi)單擊不同元件（或按鍵盤上的上、下光標(biāo)控制鍵），即可迅速觀察到庫內(nèi)元件的封裝圖，找到指定元件后，單擊“Close”按鈕，關(guān)閉瀏覽窗口，返回放置元件對話窗。 (2) 然后單擊“OK”按鈕，所選元件的封裝圖即出現(xiàn)在PCB編輯區(qū)內(nèi)，其實，在 “Browse PCB”窗口中，在“

22、Components”（元件列表）窗口內(nèi)找出并單擊元件封裝圖（如TO-92A）后，再單擊“Components”（元件列表）窗口下的“Place”按鈕，將元件直接拖進PCB編輯區(qū)內(nèi)。這樣來完成元件放置操作會更簡單（這與在SCH編輯狀態(tài)下，放置元件的操作方法完全相同）。47 (3) 移動光標(biāo)，將元件移到適當(dāng)位置后，單擊鼠標(biāo)左鍵固定即可。在PCB中放置元件封裝圖的操作過程與在SCH編輯器中放置元件電氣圖形符號的操作過程基本相同，在元件未固定前，可按如下鍵移動元件位置： 空格鍵：旋轉(zhuǎn)元件的方向。 X鍵：使元件關(guān)于X對稱翻轉(zhuǎn)。 Y鍵：使元件關(guān)于Y對稱翻轉(zhuǎn)。 這里需要說明的是：在PCB編輯器中，盡管可以

23、通過X、Y鍵使處于激活狀態(tài)的元件關(guān)于左右或上下對稱，但一般不能進行對稱操作，否則可能造成元件無法安裝。 按Tab鍵，激活元件屬性對話窗，以便修改元件序號、注釋信息等內(nèi)容。 用同樣方法將電阻R101R104封裝圖（封裝形式為AXIAL0.5）、電容C101C103的封裝圖（封裝形式為RB.2/.4）放在三極管Q101附近，如下圖所示。2. 連線前的準(zhǔn)備進一步調(diào)整元件位置 手工布局操作只是大致確定了各元件的相對位置，布線（無論是手工連線還是自動布線）前，要進一步調(diào)整元件位置，使元件在印制板上的排列滿足下列要求： (1) 為了方便自動插件操作，除個別特殊元件外，元件沿水平或垂直方向排列，且所有元件（

24、至少是同類元件）在板上排列方向要一致，即所有電阻、IC芯片等必須橫排或豎排。 (2) 印制電路板上的元件，盡可能呈“井”字形排列，即垂直排列的元件，盡可能靠左或右對齊；水平排列的元件，必須靠上或下對齊。這樣不僅美觀，連線長度也短。 (3) 布線或連線前，所有引腳焊盤必須位于柵格點上，使連線與焊盤之間的夾角為135或180，以保證連線與元件引腳焊盤連接處的電阻最小。3. 放置印制導(dǎo)線 對于手工編輯來說，完成了元件位置的精確調(diào)整后，就可以進入布線操作；對于自動布線來說，完成了元件位置的精確調(diào)整后，就可以進入預(yù)布線操作。 手工布線操作過程如下： (1) 選擇布線層：在PCB編輯器窗口下已打開的工作層

25、列表中，單擊印制導(dǎo)線放置層。對于單面板來說，只能在Bottom Layer（即焊錫面）上連線。 (2) 執(zhí)行“Design”菜單下的“Rules”命令，單擊“Routing”標(biāo)簽，再單擊“Rule Classes”（規(guī)則類型）選項框內(nèi)的“Width Constraint”（布線寬度），即可顯示線寬設(shè)定狀態(tài)。 (3) 單擊放置工具欄內(nèi)的“放置導(dǎo)線”工具，然后按下Tab鍵，激活“Track Properties”（導(dǎo)線屬性）選項設(shè)置窗。 (4) 將光標(biāo)移到連線的起點，單擊鼠標(biāo)左鍵固定，移動光標(biāo)到印制導(dǎo)線轉(zhuǎn)折點，單擊鼠標(biāo)左鍵固定，再移動光標(biāo)到印制導(dǎo)線的終點，單擊鼠標(biāo)左鍵固定，再單擊右鍵終止（但這時仍處于連線狀態(tài)，可以繼續(xù)放置其他印制導(dǎo)線。當(dāng)需要取消連線操作時，必須再單擊鼠標(biāo)右鍵或按下Esc鍵），即可畫出一條印制導(dǎo)線。4. 焊盤 焊盤也稱為連接盤，與元件相關(guān)，或者說焊盤是元件封裝圖的一部分。在印制板上，僅使用少量孤立焊盤，以便放置少量飛線、電源/地線或輸入/輸出信號線的連接盤以及大功率元件固定螺絲孔、印制板固定螺絲孔等。在Protel99 PCB編輯器中，元件引腳焊盤的大小、形狀均可重新設(shè)置。 焊盤