第6章印制电路板设计基础

《电子CAD－ProtelDXP电路设计》任富民编著中等职业学校教学用书（电子技术专业）电子教案第6章印制电路板设计基础本章学习目标本章主要讲解印制电路板和元件封装的基本概念，以达到以下学习目标：了解印制电路板的种类和结构。理解ProtelDXP编辑器中层面的概念；掌握PCB编辑器中显示层面的设置方法。理解元件封装的含义；掌握常用元件的封装；能根据实际元件选用合适的封装。了解印制电路板的整体制作过程。6.1认识印制电路板PCB是英文PrintedCircuitBoard的缩写，译为印制电路板，简称电路板或PCB板。印制电路板是用印制的方法制成导电线路和元件封装，它的主要功能是实现电子元器件的固定安装以及管脚之间的电气连接，从而实现电器的各种特定功能。制作正确、可靠、美观的印制电路板是电路板设计的最终目的。6.1.1元件外型结构元器件是实现电器功能的基本单元，他们的结构和外型各异，为了实现电器的功能它们必须通过管脚相互连接，并为了确保连接的正确性，各管脚都按一定的标准规定了管脚号，并且各元件制造商为了满足各公司在体积、功率等方面的要求，即使同一类型的元件他们又有不同的元件外型和管脚排列，即元件外型结构，如图所示，同为数码管，但大小、外形、结构却差别很大。6.1.2印制电路板结构印制电路板是电子元件装载的基板，它的生产涉及电子、机械、化工等众多领域。它要提供元件安装所需的封装，要有实现元件管脚电气连接的导线，要保证电路设计所要求的电气特性，以及为元件装配、维修提供识别字符和图形。所以它的结构较为复杂，制作工序较为繁琐，而了解印制电路板的相关概念是成功制作电路板的前提和基础。印制电路板结构为了实现元器件的安装和管脚连接，我们必须在电路板上按元件管脚的距离和大小钻孔，同时还必须在钻孔的周围留出焊接管脚的焊盘，为了实现元件管脚的电气连接，在有电气连接管脚的焊盘之间还必须覆盖一层导电能力较强的铜箔膜导线，同时为了防止铜箔膜导线在长期的恶劣环境中使用而氧化，减少焊接、调试时短路的可能性，在铜箔导线上涂抹了一层绿色阻焊漆，以及表示元件安装位置的元件标号。一个制作好并拆除了部分元件的实用电路板如图所示印制电路板样板6.1.3印制电路板种类印制电路板的种类很多，根据元件导电层面的多少可以分为单面板、双面板、多层板。1．单面板单面板所用的绝缘基板上只有一面是敷铜面，用于制作铜箔导线，而另一面只印上没有电气特性的元件型号和参数等，以便于元器件的安装、调试和维修，单面板由于只有一面敷铜面，因此无须过孔（过孔的概念见双面板）、制作简单、成本低廉，功能较为简单，在电路板面积要求不高的电子产品中得到了广泛的应用2．双面板在绝缘基板的上、下二面均有敷铜层，都可制作铜箔导线，底面和单面板作用相同，而在顶面除了印制元件的型号和参数外，和底层一样可以制作成铜箔导线，元件一般仍安装在顶层，因此顶层又称为“元件面”，底层称为“焊锡面”。为了解决顶层和底层相同导线之间的连接关系，人们还制作了金属化过孔，双面板的采用有效的解决了同一层面导线交叉的问题，而过孔的采用又解决了不同层面导线的连通问题，与单面板相比，极大的提高了电路板的元件密度和布线密度。3．多层板多层板结构复杂，它由电气导电层和绝缘材料层交替粘合而成，成本较高，导电层数目一般为4、6、8等，且中间层（即内电层）一般连接元件管脚数目最多的电源和接地网络，层间的电气连接同样利用层间的金属化过孔实现。在多层板中，可充分利用电路板多层层叠结构解决高频电路布线时的电磁干扰、屏蔽问题，同时由于内电层解决了电源和地网络的大量连线，使布线层面的连线急剧减少，因此，电路板可靠性高，面积小，在电脑主板、内存条、优盘、MP3等产品上得到广泛的使用。多层板结构图6.1.4印制电路板的制作流程下料丝网漏印腐蚀去除印料孔加工涂助焊剂和阻焊漆印标注成品分割检查测试印制电路板的制作流程下料：一般是指选取材料、厚度合适，整个表面铺有较薄铜箔的整张基板。丝网漏印：为了制作元件管脚间相连的铜箔导线，必须将多余的铜箔部分利用化学反应腐蚀掉，而使铜箔导线在化学反应的过程中保留下来，所以必须在腐蚀前将元件管脚间相连的铜箔导线利用特殊材料印制到铺有较薄铜箔的整张基板上，该特殊材料可以保证其下面的铜箔与腐蚀液隔离，将特殊材料印制到基板上的过程就是丝网漏印。腐蚀和去除印料：接下来将丝网漏印后的基板放置在腐蚀化学液中，将裸露出来的多余铜箔腐蚀掉，接下来再利用化学溶液将保留下来铜箔上的特殊材料清洗掉。以上步骤就制作出了裸露的铜箔导线。印制电路板的制作流程孔加工：为了实现元件的安装，还必须为元件的管脚提供安装孔，利用数控机床在基板上钻孔。对于双面板而言，为了实现上下层导线的互连，还必须制作过孔，过孔的制作较为复杂，钻孔后还必须在过孔中电镀上一层导电金属膜，该过程就是孔加工。助焊剂和阻焊漆：在经过以上步骤后，电路板已经初步制作完成，但为了更好的装配元件和提高可靠性，还必须在元件的焊盘上涂抹一层助焊剂，该助焊剂有利用焊盘与元件管脚的焊接。而在焊接过程中为了避免和附近其它导线短接的可能性，还必须在铜箔导线上涂上一层绿色的阻焊漆，同时阻焊漆还可保护其下部的铜箔导线在长期恶劣的工作环境中被氧化腐蚀。印制电路板的制作流程印标注：为了元件装配和维修的过程中识别元件，还必须在电路板上印上元件的编号以及其它必要的标注。成品分割和检查测试：随后将整张制作完成的电路板分割为小的成品电路板。最后还要对电路板进行检查测试。6.2.1层面（Layers）的概念印制电路板的铜箔导线是在一层（或多层）敷着整面铜箔的绝缘基板上通过化学反应腐蚀出来的，元件标号和参数是制作完电路板后印刷上去的，因此在加工、印刷实际电路板过程中所需要的板面信息，在ProtelDXP的PCB编辑器中都有一个独立的层面（Layers）与之相对应，电路板设计者通过层面（Layers）给电路板厂家提供制作该板所需的印制参数，因此理解层面对于设计印制电路板至关重要，只有充分理解各个板层的物理作用以及它和ProtelDXP中层面的对应关系，才能更好的利用PCB编辑器进行电路板设计。6.2.2ProtelDXPPCB编辑器常用层面1.信号层(SignalLayers)（1）底层（BottomLayer）：又称为焊锡面，主要用于制作底层铜箔导线，它是单面板唯一的布线层，也是双面板和多面板的主要布线层，注意单面板只使用底层（BottomLayer），即使电路中有表面贴装元件也只能安装于底层。（2）顶层（TopLayer）：主要用在双面板、多层板中制作顶层铜箔导线，在实际电路板中又称为元件面，元件管脚安插在本层面焊孔中，焊接在底面焊盘上。由于在双面板、多层板顶层可以布线，因此为了安装和维修的方便，表面贴装元件尽可能安装于顶层。（3）中间信号层（Mid1～Mid14）：在一般电路板中较少采用，一般只有在5层以上较为复杂的电路板中才采用。2.内电层（InternalPlane）内电层（InternalPlane）主要用于放置电源/地线，ProtelDXPPCB编辑器可以支持16个内部电源/接地层。因为在各种电路中，电源和地线所接的元件管脚数是最多的，所以在多层板中，可充分利用内部电源/接地层将大量的接电源（或接地）的元件管脚通过元件焊盘或过孔直接与电源（或地线）相连，从而极大地减少顶层和底层电源/地线的连线长度。3.丝印层（SilkscreenLayer）丝印层主要通过丝印的方式将元件的外形、序号、参数等说明性文字印制在元件面（或焊锡面），以便于电路板装配过程中插件（即将元件插入焊盘孔中）、产品的调试、维修等。丝印层一般分为顶层（TopOverlayer）和底层（BottomOverlayer），一般尽量使用顶层，只有维修率较高的电路板或底层装配有贴片元件的电路板中，才使用底层丝印层以便于维修人员查看电路（如电视机、显示器电路板等）。4.机械层（MechanicalLayer）机械层没有电气特性，在实际电路板中也没有实际的对象与其对应，是PCB编辑器便于电路板厂家规划尺寸制板而设置，属于逻辑层（即在实际电路板中不存在实际的物理层与其相对应），主要为电路板厂家制作电路板时提供所需的加工尺寸信息，如电路板边框尺寸、固定孔、对准孔、以及大型元件或散热片的安装孔等尺寸标注信息，ProtelDXPPCB编辑器可以支持16个机械层。5.禁止布线层（KeepOutLayer）禁止布线层在实际电路板中也没有实际的层面对象与其对应，属于ProtelDXPPCB编辑器的逻辑层，它起着规范信号层布线的目的，即在该层中绘制的对象（如导线），信号层的铜箔导线无法穿越，所以信号层的铜箔导线被限制在禁止布线层导线所围的区域内。该层主要用于定义电路板的边框，或定义电路板中不能有铜箔导线穿越的区域，如电路板中的挖空区域，如后面实例章节中的“电脑P4主电源板”中就有采用。6.阻焊层（SolderMaskLayer）阻焊层主要为一些不需要焊锡的铜箔部分（如导线、填充区、敷铜区等）涂上一层阻焊漆（一般为绿色），用于阻止进行波峰焊接时，焊盘以外的导线、敷铜区粘上不必要的焊锡而设置，从而避免相邻导线波峰焊接时短路，还可防止电路板在恶劣的环境中长期使用时氧化腐蚀。因此它和信号层相对应出现，也分为顶部（TopSolderMask）、底部（BottomSolderMask）二层。7.焊锡膏层（PasteMaskLayer）贴片元件的安装方式比传统的穿插式元件的安装方式要复杂很多，该安装方式必须包括以下几个过程：刮锡膏——贴片——回流焊，在第一步“刮锡膏”时，就需要一块掩模板，其上就有许多和贴片元件焊盘相对应的方形小孔，将该掩模板放在对应的贴片元件封装焊盘上，将锡膏通过掩模板方形小孔均匀涂覆在对应的焊盘上，与掩模板相对应的就是焊锡膏层。8.其它层（Other）以上介绍的层面基本上都存在和实际电路板相对应的板面，可以在学习过程中结合实际电路板理解记忆。在PCB电路板设计过程中经常用到以上各层面的概念，因此务必理解清楚。另外在ProtelDXPPCB编辑器中为了制作者编辑、绘图的方便，还有一些实际物理意义不强的辅助层面，如复合层（MultiLayer），一般用于显示焊盘和过孔。6.2.3显示层面的设置方法进入ProtelDXPPCB编辑器后，执行【Design】/【BoardLayers…】菜单命令，将弹出如下页图所示的层面设置对话框，可根据不同的设计需要在相应板层后面的复选框中打上“√”，选中该项，以便显示该层面。显示层面设置对话框§6.3元件封装概述元件封装是指在PCB编辑器中为了将元器件固定、安装于电路板，而绘制的与元器件管脚相对应的焊盘、元件外形等，由于它的主要作用是将元件固定、焊接在电路板上，因此它对焊盘大小、焊盘间距、焊盘孔大小、焊盘序号等参数有非常严格的要求，元器件的封装、元器件实物、原理图元件引脚序号三者之间必须保持严格的对应关系，如下页图所示，否则直接关系到制作电路板的成败和质量。元件封装与元件实物、原理图元件的对应关系焊盘其中最关键的组成部分是和元件管脚一一对应的焊盘，它的形状如图所示，焊盘的作用是将元件管脚固定焊接在电路板的铜箔导线上，因此它的各参数直接关系到焊点的质量和电路板的可靠性焊盘属性一般包含如下参数：焊盘长度（X-Size）、焊盘宽度(Y-Size)、孔径（Hole-Size）、序号(Designator)、形状（Shape）等。§6.4添加和浏览PCB元件库ProtelDXP中常见的元器件封装库，基本上都在ProtelDXP安装目录下面的“*:\ProgramFiles\Altium\Library\Pcb”目录下，读者可按以下方法加入和浏览元件库。6.4.2添加封装库1．点击工作区右下方的【Libraries】标签，打开库文件面板，如图所示封装形式当前封装库封装库中的引脚封装当前引脚封装预览打开添加、移除元件库对话框2.点击【Footprints】单选按钮，可以看到库文件面板中将显示当前封装库中的引脚封装。3.打开添加、