第5讲PCB设计基础及单面板设计

PCB辅助设计1PCB辅助设计制作：福建信息职业技术学院郭勇联系方式：[e-mail]辅助设计2第5讲PCB设计基础及单面板设计主要内容一、PCB定义与分类二、PCB设计基本组件三、PCB编辑器四、PCB工作层五、规划PCB六、装载元件库七、元件放置与布局调整八、放置焊盘、过孔九、手工布线PCB辅助设计3PCB的定义印制电路板(PrintedCircuitBoard，简称PCB，也称印制线路板、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。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。一、PCB定义与分类PCB辅助设计4⑴单面印制板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。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PCB辅助设计5⑵双面印制板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，如计算机、电子仪表等，由于双面印制板的布线密度较高，所以能减小设备的体积。PCB辅助设计6⑶多层印制板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，可靠性下降。它常用于计算机的板卡中。PCB辅助设计7图示为四层板剖面图。通常在电路板上，元件放在顶层（元件面），而底层（焊接面）一般是焊接用的。对于SMD元件，顶层和底层都可以放元件。元件也分为两大类，传统的元件是通孔式元件，通常这种元件体积较大，且电路板上必须钻孔才能插装；较新的设计一般采用体积小的表面贴片式元件（SMD），这种元件不必钻孔，利用钢模将半熔状锡膏倒入电路板上，再把SMD元件放上去，即可焊接在电路板上。PCB辅助设计82.根据PCB所用基板材料划分⑴刚性印制板。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，如前图。常用刚性PCB有以下几类：纸基板。价格低廉，性能较差，一般用于低频电路和要求不高的场合。玻璃布板。价格较贵，性能较好，常用作高频电路和高档家电产品中。合成纤维板。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。PCB辅助设计9⑵挠性印制板（也称柔性印制板、软印制板）。挠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-挠性印制板。刚-挠性印制板指利用软性基材，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。刚-挠性印制板样图挠性印制板样图PCB辅助设计10二、PCB设计基本组件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面数。一般在敷铜层上放置焊盘、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（如禁止布线层）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。敷铜层一般包括顶层（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、丝印层）、板面层、禁止布线层、阻焊层、助焊层、钻孔层等。PCB辅助设计11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。PCB辅助设计122.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。PCB辅助设计133.金属化孔（Via）金属化孔也称过孔，在双面板和多层板中，为连通各层之间的印制导线，通常在各层需要连通的导线的交汇处钻上一个公共孔，即过孔，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。过孔可以是通孔式和掩埋式。通孔式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。PCB辅助设计14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。4.连线（Track、Line）连线是指有宽度、有位置方向（起点和终点）、有形状（直线或弧线）的线条。在敷铜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。PCB辅助设计155.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元件外形轮廓和引脚焊盘的间距。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。印制元件的封装是显示元件在PCB上的布局信息，为装配、调试及检修提供方便。在Protel2004中元件的图形符号被设置在丝印层（也称丝网层）上。PCB辅助设计16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。PCB辅助设计17电路原理图元件与印制板元件的比较电路原理图中的元件是一种电路符号，有统一的标准，而印制板中的元件代表的是实际元件的物理尺寸和焊盘，集成电路的尺寸一般是固定的，而分立元件一般没有固定的尺寸，可根据需要设定。PCB辅助设计186.网络（Net）和网络表（Netlist）从一个元器件的某一个管脚上到其它管脚或其它元器件的管脚上的电气连接关系称作网络。每一个网络均有唯一的网络名称，有的网络名是人为添加的，有的是系统自动生成的，系统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。PCB辅助设计197.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，可以看到网络飞线，不断调整元件的位置，使网络飞线的交叉最少，以提高自动布线的布通率。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。8.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。9.栅格（Grid）栅格用于PCB设计时的位置参考和光标定位，栅格有公制和英制两种。PCB辅助设计20三、PCB编辑器1.启动PCB99SE进入Protel99SE的主窗口后，执行菜单File→New建立新的设计项目，单击OK按钮，在出现的新界面中指定文档位置，再次执行File→New，屏幕弹出新建文件的对话框，单击图标，系统产生一个PCB文件，默认文件名为PCB1.PCB，此时可以修改文件名，双击该文件进入PCB99SE编辑器。2.PCB编辑器的画面管理⑴窗口显示在PCB99SE中，窗口管理可以执行菜单View下的命令实现，窗口的排列可以通过执行Windows菜单下的命令来实现，常用的命令如下。PCB辅助设计21PCB辅助设计22执行菜单View→FitBoard实现全板显示。执行菜单View→Refresh可以刷新画面。执行菜单View→Boardin3D可以显示整个PCB的3D模型，使用该功能可以观察元件的布局或布线是否合理。⑵PCB99SE坐标系用户可自定义新的坐标原点，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，可恢复绝对坐标原点。PCB辅助设计23⑶单位制设置执行View→ToggleUnits可以实现英制和公制切换。⑷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。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--违规错误浏览器，查看当前违规信息。Rules--设计规则浏览器，可以查看并修改设计规则。PCB辅助设计24四、PCB工作层1.工作层的类型在Protel99SE中进行印刷电路板设计时，系统提供了多个工作层面，主要层面类型如下。⑴信号层(Signallayers)。信号层主要用于放置与信号有关的电气元素，共有32个信号层。其中顶层（Toplayer）和底层（Bottomlayer）可以放置元件和铜膜导线，其余30个为中间信号层（Midlayer1～30），只能布设铜膜导线，置于信号层上的元件焊盘和铜膜导线代表了电路板上的敷铜区。⑵内部电源/接地层(Internalplanelayers)。共有16个电源/接地层（Plane1～16），主要用于布设电源线及地线，可以给内部电源/接地层命名一个网络名，在设计过程中PCB编辑器能自动将同一网络上的焊盘连接到该层上。PCB辅助设计25⑶机械层(Mechanicallayers)。共有16个机械层，用于设置板的物理尺寸、数据标记、装配说明等。⑷丝印层(Silkscreenlayers)。主要用于放置元件的外形轮廓、标号和注释等信息，包括顶层丝印层(TopOverlay)和底层丝印层（BottomOverlay）两种。⑸阻焊层（SolderMasklayers）。放置其上的焊盘和元件代表电路板上未敷铜的区域，分为顶层阻焊层和底层阻焊层。⑹锡膏防护层（Pastemasklayers）。主要用于SMD元件的安装，分为顶层防锡膏层和底层防锡膏层。⑺钻孔层（DrillLayers）。钻孔层提供制造过程的钻孔信息，包括钻孔指示图（DrillGuide）和钻孔图（DrillDrawing）。PCB辅助设计26⑻禁止布线层（KeepOutLayer）。禁止布线层定义放置元件和布线区域范围，一般禁止布线区域必须是一个封闭区域。⑼多层（MultiLayer）。用于放置电路板上所有的穿透式焊盘和过孔。2.定义工作层执行Design→LayerStackManager定义信号层、内部电源层/接地层的数目。PCB辅助设计27PCB辅助设计28执行菜单Design→MechanicalLayers，设置机械层。设置完信号层、内部电源/接地层和机械层后，执行菜单Design→Options，选中Layers选项卡，选中的层将出现在工作层设置对话框中，如图4-22所示。PCB辅助设计29五、规划PCB手工设计PCB是用户直接在PCB软件中根据原理图进行手