Protel99SE教程--第4章--印制电路板设计基础

第4章印制电路板设计基础4.1印制电路板概述4.2印制电路板布局和布线原则4.3Protel99SE印制板编辑器4.4印制电路板的工作层面本章小节在实际电路设计中，完成原理图绘制和电路仿真后，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。原理图的绘制解决了电路的逻辑连接，而电路元件的物理连接是靠PCB上的铜箔实现。随着中、大规模集成电路出现，元器件安装朝着自动化、高密度方向发展，对印制电路板导电图形的布线密度、导线精度和可靠性要求越来越高。为满足对印制电路板数量上和质量上的要求，印制电路板的生产也越来越专业化、标准化、机械化和自动化，如今已在电子工业领域中形成一门新兴的PCB制造工业。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4.1.1印制电路板的发展印制电路技术虽然在第二次世界大战后才获得迅速发展，但是“印制电路”这一概念的来源，却要追溯到十九世纪。在十九世纪，由于不存在复杂的电子装置和电气机械，因此没有大量生产印制电路板的问题，只是大量需要无源元件，如：电阻、线圈等。1899年，美国人提出采用金属箔冲压法，在基板上冲压金属箔制出电阻器，1927年提出采用电镀法制造电感、电容。经过几十年的实践，英国PaulEisler博士提出印制电路板概念，并奠定了光蚀刻工艺的基础。随着电子元器件的出现和发展，特别是1948年出现晶体管，电子仪器和电子设备大量增加并趋向复杂化，印制板的发展进入一个新阶段。五十年代中期，随着大面积的高粘合强度覆铜板的研制，为大量生产印制板提供了材料基础。1954年，美国通用电气公司采用了图形电镀－蚀刻法制板。六十年代，印制板得到广泛应用，并日益成为电子设备中必不可少的重要部件。在生产上除大量采用丝网漏印法和图形电镀－蚀刻法（即减成法）等工艺外，还应用了加成法工艺，使印制导线密度更高。目前高层数的多层印制板、挠性印制电路、金属芯印制电路、功能化印制电路都得到了长足的发展。我国在印制电路技术的发展较为缓慢，五十年代中期试制出单面板和双面板，六十年代中期，试制出金属化双面印制板和多层板样品，1977年左右开始采用图形电镀--蚀刻法工艺制造印制板。1978年试制出加成法材料--覆铝箔板，并采用半加成法生产印制板。八十年代初研制出挠性印制电路和金属芯印制板。在电子设备中，印制电路板通常起三个作用。⑴为电路中的各种元器件提供必要的机械支撑。⑵提供电路的电气连接。⑶用标记符号将板上所安装的各个元器件标注出来，便于插装、检查及调试。但是，更为重要的是，使用印制电路板有四大优点。⑴具有重复性。⑵板的可预测性。⑶所有信号都可以沿导线任一点直接进行测试，不会因导线接触引起短路。⑷印制板的焊点可以在一次焊接过程中将大部分焊完。正因为印制板有以上特点，所以从它面世的那天起，就得到了广泛的应用和发展，现代印制板已经朝着多层、精细线条的方向发展。特别是八十年代开始推广的SMD（表面封装）技术是高精度印制板技术与VLSI（超大规模集成电路）技术的紧密结合，大大提高了系统安装密度与系统的可靠性4.1.2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。1.根据PCB导电板层划分⑴单面印制板（SingleSidedPrintBoard）。单面印制板指仅一面有导电图形的印制板，板的厚度约在0.2～5.0mm，它是在一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。它适用于一般要求的电子设备。⑵双面印制板（DoubleSidedPrintBoard）。双面印制板指两面都有导电图形的印制板，板的厚度约为0.2～5.0mm，它是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。⑶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。多层印制板的连接线短而直，便于屏蔽，但印制板的工艺复杂，由于使用金属化孔，可靠性稍差。它常用于计算机的板卡中。对于电路板的制作而言，板的层数愈多，制作程序就愈多，失败率当然增加，成本也相对提高，所以只有在高级的电路中才会使用多层板。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。元件也分为两大类，插针式元件和表面贴片式元件（SMD）。2.根据PCB所用基板材料划分⑴刚性印制板（RigidPrintBoard）。刚性印制板是指以刚性基材制成的PCB，常见的PCB一般是刚性PCB，如计算机中的板卡、家电中的印制板等。常用刚性PCB有：纸基板、玻璃布板和合成纤维板，后连者价格较贵，性能较好，常用作高频电路和高档家电产品中；当频率高于数百兆赫时，必须用介电常数和介质损耗更小的材料，如聚四氟乙烯和高频陶瓷作基板。⑵柔性印制板（FlexiblePrintBoard，也称挠性印制板、软印制板）。柔性印制板是以软性绝缘材料为基材的PCB。由于它能进行折叠、弯曲和卷绕，因此可以节约60％～90％的空间，为电子产品小型化、薄型化创造了条件，它在计算机、打印机、自动化仪表及通信设备中得到广泛应用。⑶刚-柔性印制板（Flex-rigidPrintBoard）。刚-柔性印制板指利用柔性基材，并在不同区域与刚性基材结合制成的PCB，主要用于印制电路的接口部分。4.1.3PCB设计中的基本组件1.板层（Layer）板层分为敷铜层和非敷铜层，平常所说的几层板是指敷铜层的层数。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。对于一个批量生产的电路板而言，通常在印制板上铺设一层阻焊剂，阻焊剂一般是绿色或棕色，除了要焊接的地方外，其它地方根据电路设计软件所产生的阻焊图来覆盖一层阻焊剂，这样可以快速焊接，并防止焊锡溢出引起短路；而对于要焊接的地方，通常是焊盘，则要涂上助焊剂。为了让电路板更具有可看性，便于安装与维修，一般在顶层上要印一些文字或图案，如图4-2中的R1、C1等，这些文字或图案用于说明电路的，通常放在丝网层上，在顶层的称为顶层丝网层（TopOverlay），而在底层的则称为底层丝网层（BottomOverlay）。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。焊盘的参数有焊盘编号、X方向尺寸、Y方向尺寸、钻孔孔径尺寸等。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，图4-3所示为焊盘示意图。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，在工艺上，过孔的孔壁圆柱面上用化学沉积的方法镀上一层金属，用以连通中间各层需要连通的铜箔，而过孔的上下两面做成圆形焊盘形状，过孔的参数主要有孔的外径和钻孔尺寸。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，仿佛被其它敷铜层掩埋起来。图4-4为六层板的过孔剖面图，包括顶层、电源层、中间1层、中间2层、地线层和底层。钻孔插针式焊盘表面贴片式焊盘图4-3焊盘示意图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。印制导线用于印制板上的线路连接，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4-5所示为印制导线走线图，图中为双面板，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。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。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。在进行电路设计时要分清楚原理图和印制板中的元件，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。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），图4-6所示为双列14脚IC的封装图，主要区别在焊盘上。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。元件封装中数值的意义如图4-7所示。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。每个网络均有唯一的网络名称，有的网络名是人为添加的，有的是计算机自动生成的，自动生成的网络名由该网络内两个连接点的管脚名称构成。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类似橡皮筋的网络连线，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，飞线交叉最少，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，此时可以可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，有公制和英制两种。4.1.4印制电路板制作生产工艺流程制造印制电路板最初的一道基本工序是将底图或照相底片上的图形，转印到敷铜箔层压板上。最简单的一种方法是印制—蚀刻法，或称为铜箔腐蚀法，即用防护性抗蚀材料在敷铜箔层压板上形成正性的图形，那些没有被抗蚀材料防护起来的不需要的铜箔随后经化学蚀刻而被去掉，蚀刻后将抗蚀层除去就留下由铜箔构成的所需的图形。一般印制板的制作要经过CAD辅助设计、照相底版制作、图像转移、化学镀、电镀、蚀刻和机械加工等过程，图4-8为双面板图形电镀－蚀刻法的工艺流程图。单面印制板一般采用酚醛纸基覆铜箔板制作，也采用环氧纸基或环氧玻璃布覆铜箔板，单面板图形较简单，一般采用丝网漏印正性图形，然后蚀刻出印制板，也有采用光化学法生产。双面印制板通常采用环氧玻璃布覆铜箔板制造，双面板制造一般分为工艺导线法、堵孔法、掩蔽法和图形电镀－蚀刻法。多层印制板一般采用环氧玻璃布覆铜箔层压板。为提高金属化孔的可靠性，尽量选用耐高温、基板尺寸稳定性好、厚度方向热线膨胀系数较小，并和铜镀层热线膨胀系数基本匹配的新型材料。制作多层印制板，先用铜箔蚀刻法做出内层导线图形，然后根据要求，把几张内层导线图形重叠，放在专用的多层压机内，经过热压、粘合工序，制成具有内层导电图形的覆铜箔的层压板。目前已基本定型的主要工艺以下两种。⑴减成法工艺。它是通过有选择性地除去不需要的铜箔部分来获得导电图形的方法。减成法是印制电路制造的主要方法，它的最大优点是工艺成熟、稳定和可靠。⑵加成法工艺。它是在未覆铜箔的层压板基材上，有选择地淀积导电金属而形成导电