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1、第5章 印制电路板设计初步,5.1 印制板设计基础 5.2 Protel99 PCB的启动及窗口认识5.3 手工设计单面印制板Protel99 PCB基本操作,5.1 印制板设计基础,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。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，并钻出元件引脚的安装孔、
2、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。,图5-1 单面、双面及多面印制电路板剖面,(a)单面,单面板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Protel99 PCB编辑器中被称为“B
3、ottom”（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Protel99 PCB编辑器中被称为“Top”（顶）层。,图5-1 单面、双面及多面印制电路板剖面,(b)双面,双面板的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、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。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
4、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。,图5-1 单面、双面及多面印制电路板剖面,(c)多面,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
5、经过特定工艺处理后，不会造成短路。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
6、环氧纸质层压板。其电气性能和机械性能均比前者好，目前使用最广泛，也主要用在收音机、电视机以及其他低频电子设备中。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。其各方面性能均比较好，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。,5.2 Protel99 PCB的启动及窗口认识,在Protel99状态下，单击“File”菜单下的“New”命令，然后直接双击“PCB Document”（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。,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
7、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5-3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）、“Auto Route”（自动布线）等菜单命令。,图5-3 Protel99 PCB编辑器窗口,与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。PCB编辑器提供了主工具栏（Main Toolbar）、放置工具（Placement Tools）栏
8、（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）。,图5-4 放置工具窗口内的工具,启动后，PCB编辑区内显示的栅格线是第二栅格线，大小为1000 mil，即25.4 mm。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（Browse PCB）内显示的信息及按钮种类与浏览对象有关，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）、“Net Classes”（节点组）、“Component Classes”（元件组）、
9、“Violations”（违反设计规则）等。,在Protel99 PCB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：1 mil=0.0254 mm 10 mil=0.254 mm 100 mil=2.54 mm 1000 mil（1英寸）=25.4 mm,5.3 手工设计单面印制板Protel99 PCB基本操作,为了便于理解PCB编辑器的基本概念,掌握PCB设计的基本操作方法，下面以手工设计一个简单的电路的印制板为例，介绍Protel99 PCB印制板编辑器的基本操作。如图所示的电路很简单，元件数量少，完全可以使用单面板，并假设元件尺寸
10、也不大，电路板尺寸为2000 mil1500 mil（相当于50.8 mm38.1 mm）。,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“Document Options”（文档选项）窗内，单击“Layers”标签（如下图所示），选择工作层。,各层含义如下：1)Signal Layers（信号层）Protel99 PCB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，
11、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。Mid1Mid14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。,2)Internal Plane（内电源/地线层）Protel99 PCB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
12、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。,3)Mechanical（机械层）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。,4)Drill Laye
13、rs（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、打印机等的主机板在元件面和焊锡面内均可设置丝印层。,6)Solder Mask（阻焊层）设置阻焊层的目的是为了防止进行焊接时，连线、填充区、敷铜区等不需焊接的地方也粘上焊锡。在电路板上，除了需要焊接的地方（主要是元件引脚焊盘、连线焊盘）外，均涂上一层阻焊漆（阻焊漆一般呈绿色
14、或黄色）。,7)Paste Mask（焊锡膏层）设置焊锡膏层的目的是为了便于贴片式元器件的安装。随着集成电路技术的飞速进步，电子产品体积越来越小，传统穿通式集成电路芯片封装方式，如双列直插式（DIP）、单列直插式（SIP）、引脚网格阵列（PGA）等芯片封装方式已明显不适应电子产品小型化、微型化要求。,8)Other（其他）图中的“Other”设置框包括以下各项：Keep Out Layer，即禁止布线层。Multi Layer，允许或禁止在屏幕上显示各层信息。Visible Grid，可视栅格线（点）开/关。Pad Holes，焊盘孔显示开/关。Via Holes，金属化过孔的孔径显示开/关。
15、Connection，“飞线”显示开/关。DRC Error，设计规则检查开/关。,2.设置可视栅格大小及格点锁定距离 执行“Design”菜单下的“Options”命令，并在弹出的“Document Options”（文档选项）窗内，单击“Options”标签，选择可视栅格大小、形状以及锁定格点距离等。,第一组可视格点间距缺省值为20 mil，第二组可视格点间距缺省值为1000 mil；可视格点形状可以选择线（Line）或点（Dot）形式。格点锁定距离为20 mil，电气格点自动搜索范围缺省值为8 mil。在以集成电路为主的电路板中，为了便于在集成电路引脚之间走线，可将格点锁定距离设为10
16、mil，相应的电气格点自动搜索半径设为4 mil。,3.选择工作层、焊盘、过孔等在屏幕上的显示颜色 工作层、焊盘、过孔等在屏幕上的颜色可以采用系统给定的缺省设置。在缺省状态下，元件面为红色，焊锡面为蓝色。执行“Tools”菜单下的“Preferences”命令，并在弹出的“Preferences”(特性选项)窗内，单击“Color”标签，即可重新设置各工作层、焊盘、过孔等的显示颜色。,4.选择光标形状、移动方式等 执行“Tools”菜单下的“Preferences”命令，并在弹出的“Preferences”（特性选项）窗内，单击“Options”标签，即可重新设置光标形状、屏幕自动更新方式等。
17、,1)Editing（编辑设置）Snap To Center：对准中心，缺省时处于禁止状态。Extend Selection：允许/禁止同时存在多个选择框，缺省时处于允许状态。Remove Duplicate：禁止/允许自动删除重复元件。Confirm Global：当该项处于选中状态时，修改操作对象前将给出提示信息。Rotation Step：设置旋转操作的旋转角，缺省时为90。Cursor Type：光标形状。,2)Auto Pan屏幕自动移动方式设置 Style：选择屏幕自动移动方式。Step Size：定义移动步长。Shift Step Size：定义按下Shift键不放时的移动步长。
18、3)Interactive Routing Mode：选择相互作用布线模式。,4)显示方式设置 显示方式选项较多，比较重要且常需要重新选择的有：Highlight in Full：允许/禁止选取的图元高亮度显示充满整个屏幕。Use Net Color For Highlight：设置是否使用网络颜色显示高亮度图元。Single Layer Mode：设置是否只显示当前工作层。Redraw Layer：重新绘制工作层。Transparent Layer：设置透明显示模式。,5.3.2 元件封装库的装入 PCB99元件封装图形库存放在“Design Explorer 99LibraryPCB”文件
19、夹内三个不同的子目录内，其中Generic Footprints文件夹中存放了通用元件封装图，Connectors文件夹中存放了连接类元件封装图，IPC Footprints文件夹中存放了IPC封装元件图。,常用元器件封装图形存放在Design Explorer 99LibraryPCBGeneric FootprintsAdvpcb.ddb图形库文件中，因此在PCB编辑器中一般需要装入Advpcb.ddb 元件封装图形库。,所谓元件封装图形，就是元件外轮廓形状及引脚尺寸，它由元件引脚焊盘大小、相对位置及外轮廓形状、尺寸等部分组成。下图给出了电阻、电容、三极管和14引脚双列直插式DIP14的封
20、装图外形及各部分名称。,5.3.3 画图工具的使用 装入元件封装图形库，设置工作层及有关参数后，不断单击主工具栏内的“放大”按钮，适当放大编辑区，然后就可以在编辑区内放置元件和连线。1.放置元件 手工放置元件操作与后面介绍的元件手工布局操作要领相同，先确定电路中核心或对放置位置有特殊要求的元件位置。在所画的电路中，首先放置的元件应该是9013三极管，序号为Q101，假设封装形式为TO-92A。,在PCB99编辑器中，放置元件的操作过程如下：(1)单击“画图”工具栏内的“放置元件”工具，在如下图所示的窗内，直接输入元件的封装形式、序号和注释信息。封装形式和序号是不能省略的，注释信息文本盒内可以输
21、入元件的型号，如“9013”或元件的大小，如“51”、“1k”等。但注释信息并不是必需的，有时为了保密，故意不给出元件型号、大小，或制版时隐藏注释信息。,如果操作者不能确定元件的封装形式，可单击“Browse”（浏览）按钮。在元件列表窗内单击不同元件（或按键盘上的上、下光标控制键），即可迅速观察到库内元件的封装图，找到指定元件后，单击“Close”按钮，关闭浏览窗口，返回放置元件对话窗。,(2)然后单击“OK”按钮，所选元件的封装图即出现在PCB编辑区内，其实，在“Browse PCB”窗口中，在“Components”（元件列表）窗口内找出并单击元件封装图（如TO-92A）后，再单击“Com
22、ponents”（元件列表）窗口下的“Place”按钮，将元件直接拖进PCB编辑区内。这样来完成元件放置操作会更简单（这与在SCH编辑状态下，放置元件的操作方法完全相同）。,(3)移动光标，将元件移到适当位置后，单击鼠标左键固定即可。在PCB中放置元件封装图的操作过程与在SCH编辑器中放置元件电气图形符号的操作过程基本相同，在元件未固定前，可按如下键移动元件位置：空格键：旋转元件的方向。X键：使元件关于X对称翻转。Y键：使元件关于Y对称翻转。,这里需要说明的是：在PCB编辑器中，尽管可以通过X、Y键使处于激活状态的元件关于左右或上下对称，但一般不能进行对称操作，否则可能造成元件无法安装。按Ta
23、b键，激活元件属性对话窗，以便修改元件序号、注释信息等内容。,用同样方法将电阻R101R104封装图（封装形式为AXIAL0.5）、电容C101C103的封装图（封装形式为RB.2/.4）放在三极管Q101附近，如下图所示。,2.连线前的准备进一步调整元件位置 手工布局操作只是大致确定了各元件的相对位置，布线（无论是手工连线还是自动布线）前，要进一步调整元件位置，使元件在印制板上的排列满足下列要求：(1)为了方便自动插件操作，除个别特殊元件外，元件沿水平或垂直方向排列，且所有元件（至少是同类元件）在板上排列方向要一致，即所有电阻、IC芯片等必须横排或竖排。,(2)印制电路板上的元件，尽可能呈“
24、井”字形排列，即垂直排列的元件，尽可能靠左或右对齐；水平排列的元件，必须靠上或下对齐。这样不仅美观，连线长度也短。(3)布线或连线前，所有引脚焊盘必须位于栅格点上，使连线与焊盘之间的夹角为135或180，以保证连线与元件引脚焊盘连接处的电阻最小。,3.放置印制导线 对于手工编辑来说，完成了元件位置的精确调整后，就可以进入布线操作；对于自动布线来说，完成了元件位置的精确调整后，就可以进入预布线操作。手工布线操作过程如下：(1)选择布线层：在PCB编辑器窗口下已打开的工作层列表中，单击印制导线放置层。对于单面板来说，只能在Bottom Layer（即焊锡面）上连线。,(2)执行“Design”菜单
25、下的“Rules”命令，单击“Routing”标签，再单击“Rule Classes”（规则类型）选项框内的“Width Constraint”（布线宽度），即可显示线宽设定状态。(3)单击放置工具栏内的“放置导线”工具，然后按下Tab键，激活“Track Properties”（导线属性）选项设置窗。,(4)将光标移到连线的起点，单击鼠标左键固定，移动光标到印制导线转折点，单击鼠标左键固定，再移动光标到印制导线的终点，单击鼠标左键固定，再单击右键终止（但这时仍处于连线状态，可以继续放置其他印制导线。当需要取消连线操作时，必须再单击鼠标右键或按下Esc键），即可画出一条印制导线。,4.焊盘 焊
26、盘也称为连接盘，与元件相关，或者说焊盘是元件封装图的一部分。在印制板上，仅使用少量孤立焊盘，以便放置少量飞线、电源/地线或输入/输出信号线的连接盘以及大功率元件固定螺丝孔、印制板固定螺丝孔等。在Protel99 PCB编辑器中，元件引脚焊盘的大小、形状均可重新设置。,焊盘形状可以是圆形、长方形、椭圆、八角形等。为了增加焊盘的附着力，在中等密度布线条件下，一般采用椭圆形或长圆形焊盘，因为在环宽相同的情况下，长圆形、椭圆形焊盘面积比圆形和方形大；在高密度布线情况下，常采用圆形或方形焊盘。(1)单击“放置工具”栏内的“焊盘”工具，然后按下Tab键，激活“Pad Properties”（焊盘属性）选项
27、设置窗。,(2)移动光标到指定位置后，单击左键固定即可。重复焊盘放置操作，即可连续放置其他的焊盘。在放置焊盘操作过程中，焊盘的中心必须位于与它相连的印制导线中心上，否则不能保证焊盘与印制导线之间可靠连接。,放置了三个焊盘后的结果,5.过孔 在双面或多层印制电路板中，通过金属化“过孔”使不同层上的印制图形实现电气连接。放置过孔的操作方法与焊盘相同。单击“放置工具”栏内的“过孔”工具，然后按下Tab键，即可激活“Via Properties”（过孔属性）设置框。,Diameter：过孔外径。Hole Size：过孔内径。对于只作贯穿连接而不需要安装元件的金属化过孔，孔径尺寸可以小一些，但必须大于板
28、厚的1/3，否则加工会较困难。Layer Pair：连接层，缺省时是元件面到焊锡面（这适合于双面板），在多层板中应根据实际情况选定。,6.画电路边框 单击PCB编辑器窗口下工作层列表栏内的“Mechanical Layer”（机械层），将其作为当前工作层，然后利用“画线”工具在机械层4内画出电路板的边框。7.利用“圆弧”、“画线”工具画出对准孔 单击PCB编辑器窗口下的Mech，将机械层（Mechanical Layer）作为当前工作层，然后利用“圆弧”工具在机械层内画出定位孔。,8.编辑、修改丝印层上的元件序号、注释信息 在放置元件、手工布局以及手工调整布线等操作过程中，为了不影响视线，常将元件的注释信息（如序号及型号等）隐藏起来。因此，最后需要调整丝印层上的元件序号、注释信息文字的位置与大小。调整元件序号、注释信息后也就完成了这一简单电路印制板的编辑工作。,
