印制电路板设计基础

厚德博学筑基建业第4章印制电路板设计基础4.1印刷电路板概述4.2印刷电路板布局和布线原则4.3Protel99SE印刷板编辑器4.4印刷电路板的工作层面本章小节厚德博学筑基建业在实际电路设计中，完成原理图绘制后，最终需要将电路中的实际元件安装在印制电路板（PrintedCircuitBoard，简称PCB）上。印制电路板(也称印制线路板，简称印制板)是指以绝缘基板为基础材料加工成一定尺寸的板，在其上面至少有一个导电图形及所有设计好的孔（如元件孔、机械安装孔及金属化孔等），以实现元器件之间的电气互连。4.1印制电路板概述厚德博学筑基建业4.1.1印制电路板种类目前的印制电路板一般以铜箔覆在绝缘板（基板）上，故亦称覆铜板。单面印制板（SingleSidedPrintBoard）单面印制板指一面敷铜，另一面没有敷铜的电路板，它通过印制和腐蚀的方法在基板上形成印制电路。它适用于一般要求的电子设备。双面印制板（DoubleSidedPrintBoard）双面印制板指在两面敷有铜箔的绝缘基板上，通过印制和腐蚀的方法在基板上形成印制电路，两面的电气互连通过金属化孔实现。它适用于要求较高的电子设备，由于双面印制板的布线密度较高，所以能减小设备的体积。厚德博学筑基建业多层印制板（MultilayerPrintBoard）多层印制板是由交替的导电图形层及绝缘材料层层压粘合而成的一块印制板，导电图形的层数在两层以上，层间电气互连通过金属化孔实现。它常用于计算机的板卡中。图4-1所示为四层板剖面图。通常在电路板上，元件放在顶层，所以一般顶层也称元件面，而底层一般是焊接用的，所以又称焊接面。对于SMD元件，顶层和底层都可以放元件。厚德博学筑基建业4.1.2PCB设计中的基本组件1.板层（Layer）板层分为敷铜层和非敷铜层。一般敷铜层上放置焊盘、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；还有一些层面用来放置一些特殊的图形来完成一些特殊的作用或指导生产。敷铜层包括顶层（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）、板面层、禁止布线层、阻焊层、助焊层、钻孔层等。厚德博学筑基建业2.焊盘（Pad）焊盘用于固定元器件管脚或用于引出连线、测试线等，它有圆形、方形等多种形状。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。钻孔插针式焊盘表面贴片式焊盘图4-3焊盘示意图厚德博学筑基建业3.过孔（Via）过孔也称金属化孔，在双面板和多层板中，为连通各层之间的印制导线，在各层需要连通的导线的交汇处钻上一个公共孔，即过孔。过孔不仅可以是通孔，还可以是掩埋式。所谓通孔式过孔是指穿通所有敷铜层的过孔；掩埋式过孔则仅穿通中间几个敷铜层面。厚德博学筑基建业4.连线（Track、Line）连线指的是有宽度、有位置方向（起点和终点）、有形状（直线或弧线）的线条。在铜箔面上的线条一般用来完成电气连接，称为印制导线或铜膜导线；在非敷铜面上的连线一般用作元件描述或其它特殊用途。通常印制导线是两个焊盘（或过孔）间的连线，而大部分的焊盘就是元件的管脚，当无法顺利连接两个焊盘时，往往通过跳线或过孔实现连接。图中采用垂直布线法，一层水平走线，另一层垂直走线，两层间印制导线的连接由过孔实现。厚德博学筑基建业5.元件的封装（ComponentPackage）元件的封装是指实际元件焊接到电路板时所指示的外观和焊盘位置。电原理图中的元件指的是单元电路功能模块，是电路图符号；PCB设计中的元件是指电路功能模块的物理尺寸，是元件的封装。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元件封装形式可以分为两大类：插针式元件封装（THT）和表面安装式封装（SMT）。厚德博学筑基建业6.安全间距（Clearance）在进行印制板设计时，为了避免导线、过孔、焊盘及元件的相互干扰，必须在它们之间留出一定的间距，这个间距称为安全间距。元件封装的命名一般与管脚间距和管脚数有关，如电阻的封装AXIAL0.3中的0.3表示管脚间距为0.3英寸或300mil（1英寸=1000mil）；双列直插式IC的封装DIP8中的8表示集成块的管脚数为8。厚德博学筑基建业7.网络（Net）和网络表（Netlist）从元件的某个管脚上到其它管脚或其它元件管脚上的电气连接关系称作网络。网络表描述电路中元器件特征和电气连接关系，一般可以从原理图中获取，它是原理图设计和PCB设计之间的纽带。8.飞线（Connection）飞线是在电路进行自动布线时供观察用的网络连线，网络飞线不是实际连线。通过网络表调入元件并进行布局后，就可以看到该布局下的网络飞线的交叉状况，飞线交叉越少，布通率越高。自动布线结束，未布通的网络上仍然保留网络飞线，此时可以用手工连接的方式连通这些网络。9.栅格（Grid）栅格用于PCB设计时的位置参考和光标定位。厚德博学筑基建业4.2印制电路板布局和布线原则印制板的布局和布线必须的原则：可靠性在满足电子设备要求的前提下，应尽量将多层板的层数设计得少一些。工艺性印制板的制造工艺尽可能简单。一般来说宁可设计层数较多、导线和间距较宽的印制板，而不设计层数较少、布线密度很高的印制板。经济性应考虑与通用的制造工艺方法相适应，尽可能采用标准化的尺寸结构，选用合适等级的基板材料，运用巧妙的设计技术来降低成本。厚德博学筑基建业4.2.1印制电路板布局原则一个好的布局，首先要满足电路的设计性能，其次要满足安装空间的限制，在没有尺寸限制时，要使布局尽量紧凑，减小PCB设计的尺寸，减少生产成本。为了设计出质量好、造价低的印制板，应遵循下列的一般原则：元件排列规则以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元件应均匀、整齐、紧凑的排列在PCB上。尽量减少和缩短各元件之间的引线和连接。按照信号走向布局按照电路的流程安排各个功能单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持方向一致。防止电磁干扰尽可能缩短高频元件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰，易受干扰的元件距离不能太近，输入和输出元件应尽量远离。厚德博学筑基建业抑制热干扰对于发热的元器件，应优先安排在利于散热的位置，必要时可以单独设置散热器或小风扇，以降低温度，减少对邻近元器件的影响。热敏元件应紧贴被测元件并远离高温区域，以免受到其它发热元件影响，引起误动作。提高机械强度注意整个PCB板的重心平衡与稳定，重而大的元件尽量安置在印制板上靠近固定端的位置，并降低重心，以提高机械强度和耐振、耐冲击能力，以及减少印制板的负荷和变形。可调节元件的布局对于电位器、可变电容器、可调电感线圈或微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求，若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应；若是机内调节，则应放置在印制板上能够方便调节的地方。厚德博学筑基建业4.2.2印制电路板布线原则进行布线时要综合考虑布局、板层、电路结构、电性能等各种因素，才能设计出高质量的PCB图。一般布线要遵循以下原则：1、输入、输出端的导线应尽量避免相邻平行，平行信号线间要尽量留有较大的间隔，最好加线间地线，起到屏蔽的作用。2、印制导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流过它们的电流值决定。一般选用导线宽度在1.5mm左右就可以满足要求，对于IC，尤其数字电路通常选0.2～0.3mm就足够。只要密度允许，尽可能用宽线，尤其是电源和地线。3、导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。导线越短、间距越大，绝缘电阻就越大，一般选用间距1～1.5mm完全可以满足要求。对集成电路，尤其数字电路，只要工艺允许可使间距很小。厚德博学筑基建业4、印制导线如果需要进行屏蔽，在要求不高时，可采用印制导线屏蔽。对于多层板，一般通过电源层和地线层的使用，既解决电源线和地线的布线问题，又可以对信号线进行屏蔽，如图所示。厚德博学筑基建业5、印制导线在不影响电气性能的基础上，应尽量避免采用大面积铜箔。如果必须使用大面积铜箔时，应局部开窗口，以防止长时间受热时，铜箔与基板间的粘合剂产生的挥发性气体无法排除，热量不易散发，以致产生铜箔膨胀和脱落现象，大面积铜箔上的焊盘连接如图所示。厚德博学筑基建业6、印制导线的拐弯处一般应取圆弧形，直角和锐角在高频电路和布线密度高的情况下会影响电气性能。图示为印制板走线的示例，其中（a）图中三条走线间距不均匀；（b）图中走线出现锐角；（c）、（d）图中走线转弯不合理；（e）图中印制导线尺寸比焊盘直径大。厚德博学筑基建业4.3Protel99SE印制板编辑器4.3.1启动PCB99SE厚德博学筑基建业1.窗口显示执行菜单View→FitBoard可以实现全板显示，用户可以快捷地查找线路。执行菜单View→Refresh可以刷新画面，操作中造成的画面残缺可以消除。执行菜单View→Boardin3D可以显示整个印制板的3D模型，一般在电路布局或布线完毕，使用该功能观察元件的布局或布线是否合理。2.PCB99SE坐标系PCB99SE的工作区是一个二维坐标系，其绝对原点位于电路板图的左下角，一般在工作区的左下角附近设计印制板。执行菜单Edit→Origin→Set，将光标移到要设置为新的坐标原点的位置，单击左键，即可设置新的坐标原点。执行菜单Edit→Origin→Reset，可恢复到绝对坐标原点。4.3.2PCB编辑器的画面管理厚德博学筑基建业3.单位制设置PCB99SE有两种单位制，即Imperial（英制）和Metric（公制）。执行View→ToggleUnits可以实现英制和公制的切换。执行菜单Design→Options在弹出的对话框中选中Options选项卡，在MeasurementUnits中选择所用的单位制。4.浏览器使用执行菜单View→DesignManager打开管理器，选中BrowsePCB选项打开浏览器，在浏览器的Browse下拉列表框中可以选择浏览器类型。Nets：网络浏览器，显示板上所有网络名。Component：元件浏览器，在将显示当前电路板图中的所有元件名称和选中元件的所有焊盘。厚德博学筑基建业Libraries：元件库浏览器，在放置元件时，必须使用元件库浏览器，这样才会显示元件的封装名。Violations：选取此项设置为违规错误浏览器，可以查看当前PCB上的违规信息。Rules：选取此项设置为设计规则浏览器，可以查看并修改设计规则。厚德博学筑基建业4.3.3工作环境设置1.设置栅格执行菜单Design→Options，在出现的对话框中选中Options选项卡。⑴捕获栅格设置。ComponentX(Y)：设置元件在X(Y)方向上的位移量SnapX(Y：设置光标在X(Y)方向上的位移量。⑵电气栅格设置。必须选中Enable复选框，再设置电气栅格间距。⑶可视栅格样式设置。有Dots(点状)和Lines(线状)两种。厚德博学筑基建业⑷可视栅格设置。Visible1：第一组可视栅格间距，这组可视栅格只有在工作区放大到一定程度时才会显示，一般比第二组可视栅格间距小；Visible2：第二组可视栅格间距，进入PCB编辑器时看到的栅格是第二组可视栅格。厚德博学筑基建业2.设置工作参数执行Tools→Preferences，打开工作参数设置对话框。Options选项卡RotationStep：设置按空格键时，图件旋转的角度。CursorType：设置光标显示的形状。通常为了准确定位，选择大十字（Large90）。AutopanOptions：自动滚屏设置，一般设置为Disable。ComponentDrag：设置拖动元件时是否拖动元件所连的铜膜线。厚德博学筑基建业Display选项卡:此选项卡用于设置显示状态。PadNets:显示焊盘的网络名，PadNumbers:显示焊盘号，ViaNets:显示过孔的网络名。厚德博学筑基建业Show/Hide选项卡此选项卡用于设置各种图件的显