第四章印制电路板设计初步

第四章印制电路板设计初步5.1印制板设计基础5.2Protel99PCB的启动及窗口认识5.3手工设计单面印制板——Protel99PCB基本操作5.1印制板设计基础•定义:印制板也称为印制线路板或印制电路板，通过印制板上的印制导线、焊盘及金属化过孔实现元器件引脚之间的电气连接。由于印制板上的导电图形（如元件引脚焊盘、印制连线、过孔等）以及说明性文字（如元件轮廓、序号、型号）等均通过印制方法实现，因此称为印制电路板。•通过一定的工艺，在绝缘性能很高的基材上覆盖一层导电性能良好的铜薄膜，就构成了生产印制电路板所必需的材料——覆铜板。按电路要求，在覆铜板上刻蚀出导电图形，并钻出元件引脚安装孔、实现电气互连的过孔以及固定整个电路板所需的螺丝孔，就获得了电子产品所需的印制电路板。•5.1.1印制板种类及结构•印制板种类很多，根据导电层数目的不同，可以将印制板分为单面电路板（简称单面板）、双面电路板（简称双面板）和多层电路板；根据覆铜板基底材料的不同，又可将印制板分为纸质覆铜箔层压板和玻璃布覆铜箔层压板两大类。此外，采用挠性塑料作基底的印制板称为挠性印制板，常用做印制电缆。•单面板的结构如图5-1(a)所示，所用的覆铜板只有一面敷铜箔，另一面空白，因而也只能在敷铜箔面上制作导电图形。单面板上的导电图形主要包括固定、连接元件引脚的焊盘和实现元件引脚互连的印制导线，该面称为“焊锡面”——在Protel99PCB编辑器中被称为“Bottom”（底）层。没有铜膜的一面用于安放元件，因此该面称为“元件面”——在Protel99PCB编辑器中被称为“Top”（顶）层。(a)图5-1单面、双面及多面印制电路板剖面(b)图5-1单面、双面及多面印制电路板剖面(c)图5-1单面、双面及多面印制电路板剖面•双面板的结构如图5-1(b)所示，基板的上下两面均覆盖铜箔。因此，上、下两面都含有导电图形，导电图形中除了焊盘(pad)、印制导线外，还有用于使上、下两面印制导线相连的金属化过孔(via)。在双面板中，元件也只安装在其中的一个面上，该面同样称为“元件面”，另一面称为“焊锡面”。在双面板中，需要制作连接上、下面印制导线的金属化过孔，生产工艺流程比单面板多，成本高。•随着集成电路技术的不断发展，元器件集成度越来越高，引脚数目迅速增加，电路图中元器件连接关系越来越复杂。此外，器件工作频率也越来越高，双面板已不能满足布线和电磁屏蔽要求，于是就出现了多层板。在多层板中导电层的数目一般为4、6、8、10等，例如在四层板中，上、下面（层）是信号层（信号线布线层），在上、下两层之间还有电源层和地线层，如图5-1(c)所示。•在多层板中，可充分利用电路板的多层结构解决电磁干扰问题，提高了电路系统的可靠性；由于可布线层数多，走线方便，布通率高，连线短，印制板面积也较小（印制导线占用面积小），目前计算机设备，如主机板、内存条、显示卡等均采用4或6层印制电路板。•在多层电路板中，层与层之间的电气连接通过元件引脚焊盘和金属化过孔实现，除了元件引脚焊盘孔外，用于实现不同层电气互连的金属化过孔最好贯穿整个电路板，以方便钻孔加工，在经过特定工艺处理后，不会造成短路。在如图5-1(c)所示的四层板中，给出五个不同类型的金属化过孔。例如，用于元件面上印制导线与电源层相连的金属化过孔中，为了避免与地线层相连，在该过孔经过的地线层上少了一个比过孔大的铜环（很容易通过刻蚀工艺实现）。•5.1.2印制板材料•根据覆铜板基底材料的不同，可以将印制板分为纸质覆铜箔层压板和玻璃布覆铜箔层压板两大类。它们都是使用粘结树脂将纸或玻璃布粘在一起，然后经过加热、加压工艺处理而成。•目前常用的粘结树脂主要有酚醛树脂、环氧树脂和聚四氟乙烯树脂三种。•使用酚醛树脂粘结的纸质覆铜箔层压板称为覆铜箔酚醛纸质层压板，其特点是成本低，主要用作收音机、电视机以及其他电子设备的印制电路板。•使用环氧树脂粘结的纸质覆铜箔层压板称为覆铜箔环氧纸质层压板。覆铜箔环氧纸质层压板的电气性能和机械性能均比覆铜箔酚醛纸质层压板好，也主要用在收音机、电视机以及其他低频电子设备中。•使用环氧树脂粘结的玻璃布覆铜箔层压板称为覆铜箔环氧玻璃布层压板。这是目前使用最广泛的印制电路板材料之一，它具有良好的电气和机械性能，耐热，尺寸稳定性好，可在较高温度下使用。因此，广泛用作各种电子设备、仪器的印制电路板。•使用聚四氟乙烯树脂粘结的玻璃布覆铜箔层压板称为覆铜箔聚四氟乙烯玻璃布层压板。由于其介电性能好（介质损耗小、介电常数低），耐高温（工作温度范围宽），耐潮湿（可以在潮湿环境下使用），耐酸、碱（即化学稳定性高），是制作高频、微波电子设备印制电路板的理想材料，只是价格较高。5.2Protel99PCB的启动及窗口认识•在Protel99状态下，单击“File”菜单下的“New”命令，然后在如图1-6中所示的窗口直接双击“PCBDocument”（PCB文档）文件图标，即可创建新的PCB文件并打开印制板编辑器。•当然，如果设计文件包(.ddb)内已经含有PCB文件，在“设计文件管理器”窗口内直接单击相应文件夹下的PCB文件图标来打开PCB编辑器，并进入对应PCB文件的编辑状态。•Protel99印制板编辑窗口如图5-2所示，菜单栏内包含了“File”（文件）、“Edit”（编辑）、“View”（浏览）、“Place”（放置）、“Design”（设计）、“Tools”（工具）、“AutoRoute”（自动布线）等，这些菜单命令的用途将在后续操作中逐一介绍。图5-2Protel99PCB编辑器窗口•电原理图编辑器相似，在印制板编辑、设计过程中，除了可以使用菜单命令操作外，PCB编辑器也将一系列常用的菜单命令以工具按钮形式罗列在“工具栏”内，用鼠标单击“工具栏”上的某一“工具”按钮，即可迅速执行相应的操作。PCB编辑器提供了主工具栏（MainToolbar）、放置工具（PlacementTools）栏（窗）。必要时可通过“View”菜单下的“Toolbars”命令打开或关闭（缺省时这两个工具栏均处于打开状态）这些工具栏（窗）。•主工具栏（窗）内有关工具的作用与SCH编辑器主工具栏的相同或相近，在此不再介绍。放置工具栏内的工具名称如图5-3所示。图5-3放置工具窗口内的工具工具使用注意事项：•在放置位置坐标（coordinate）前一定要选择工作平面。否则所设置的坐标值没有任何意义。•放置尺寸标注(dimension)前也需要选择工作层面。矩形填充(fill)的是整个区域，没有任何遗留空隙；多边形填充(polygon)是用铜膜线来填充区域，线与线之间是有空隙的（如果将格点尺寸GridSide和线宽TrackWidth设置成相同值则其效果和矩形填充相同）。矩形填充覆盖区域内的所有导线、焊盘和过孔，使它们具有电气连接关系，而多边形填充会绕开区域内的所有导线、焊盘、过孔等具有电气意义的图件，不改变他们原有的电气连接关系。矩形填充和多边形填充的区别：•启动后，PCB编辑区内显示的栅格线是第二栅格线，大小为1000mil，即25.4mm。在编辑区下方显示目前已打开的工作层和当前所处的工作层。•PCB浏览窗（BrowsePCB）内显示的信息及按钮种类与浏览对象有关，如图5-4所示，单击浏览对象选择框下拉按钮，即可选择相应的浏览对象，如Library(元件封装库)、Components（元件）、Nets（节点）、“NetClasses”（节点组）、“ComponentClasses”（元件组）、“Violations”（违反设计规则）等。图5-4不同浏览对象对应的浏览窗•在手工放置元件封装图时，可选择“Library”作为浏览对象（如图5-2所示）；•在手工调整元件布局过程中，可选择“Components”（元件）作为浏览对象；•在手工调整布线过程中，可选择“Nets”（节点）作为浏览对象；•在元件组管理操作（如在组内增加或删除元件）过程中，可选择“ComponentClasses”（元件组）作为浏览对象；•在节点组管理操作（如在组内增加或删除节点）过程中，可选择“NetClasses”（节点组）作为浏览对象；•而纠正设计错误时，可以选择“Violations”（违反设计规则）作为浏览对象。•浏览对象的选择与当前的操作状态有关•PCB编辑器内工具栏的位置也可移动，例如将鼠标移到工具栏上的空白位置，按下鼠标左键不放，移动鼠标器，即可移动工具栏位置。当工具栏移到工作区内时就会自动变成“工具窗”；反之，将“工具窗”移到工作区边框时又会自动变成工具栏。•在Protel99PCB编辑器中，可以选择英制（单位为mil）或公制（单位为mm）两种长度计量单位，彼此之间的换算关系如下：•1mil=0.0254mm•10mil=0.254mm•100mil=2.54mm•1000mil（1英寸）=25.4mm5.3手工设计单面印制板•下面以手工设计如图2-35所示的电路的印制板.•如图2-35所示的电路很简单，元件数量少，完全可以使用单面板，并假设元件尺寸也不大，电路板尺寸为2000mil×1500mil（相当于50.8mm×38.1mm）。•5.3.1工作参数的设置与电路板尺寸规划•1.设置工作层•执行“Design”菜单下的“Options”命令，并在弹出的“DocumentOptions”（文档选项）窗内，单击“Layers”标签（如图5-5所示），选择工作层。图5-5选择PCB编辑器的工作层•1) SignalLayers（信号层）•Protel99PCB编辑器最多支持以下16个信号层：•Top，即顶层，也称为元件面，是元器件的安装面。在单面板中不能在元件面内布线，只有在双面或多面板中才允许在元件面内进行少量布线。在单面板中，由于元件面内没有印制导线，表面安装元件只能安装在焊锡面上；而在多面板中，包括表面安装元件在内的所有元件，应尽可能安装在元件面上，但表面安装元件也可以安装在焊锡面上。•Bottom，即底层，也称为焊锡面，主要用于布线。焊锡面是单面板中惟一可用的布线层，同时也是双面、多面板的主要布线层。•Mid1～Mid14是中间信号层，主要用于放置信号线。只有5层以上电路板才需要在中间信号层内布线。(对于四层板中间层分别为电源层和接地层)各层含义如下：•2)InternalPlane（内电源/地线层）•Protel99PCB编辑器最多支持4个内电源/地线层，主要用于放置电源/地线网络。在3层以上电路板中，信号层内需要与电源或地线相连的印制导线可通过元件引脚焊盘或过孔与内电源/地线层相连，从而极大地减少了电源/地线的连线长度。另一方面，在多层电路板中，充分利用内地线层对电路板中容易产生辐射或受干扰部分进行屏蔽。在单面板和双面板中，电源线/地线与信号线在同一层内走线，因此也就不存在内电源/地线层。机械层没有电气特性，主要用于放置电路板一些关键部位的注标尺寸信息、印制板边框以及电路板生产过程中所需的对准孔（但印制电路板上固定大功率元件所需的螺丝孔以及电路板安装、固定所需的螺丝孔一般以孤立焊盘形式出现，这样焊盘的铜环可作垫片使用，另外对于需要接地的，如三端稳压器散片的固定螺丝孔焊盘可直接放在接地网络节点处）。打印时往往与其他层套叠打印，以便对准。•Protel99允许同时使用4个机械层，但一般只需使用1～2个机械层。例如，将对准孔、印制板边框等放在机械层4（Mech4）内（打印时，一般需要与其他层套叠打印，以便对准）；而注标尺寸、注释文字等放在机械层1内，打印时不一定需要套叠打印。3)Mechanical（机械层）•4)DrillLayers（钻孔层）:该层主要用于绘制钻孔图以及孔位信息。•5)Silkscreen（丝印层）•通过丝网印刷方式将元件外形、序号以及其他说明文字印制在元件面或焊锡面上，以方便电路板生产过程的插件（包括表面封装元件的贴片）以及日后产品的维修操作。丝印层一般放在顶层（Top），对于故障率较高、需要经常维修的电子产品，如电视机、计算机显示器、打印机等的主