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1、,主编 龙立钦 范泽良,中等职业学校教学用书（电子技术专业）,电子产品工艺（第2版）电子教案,3.1 印制电路板设计基础3.2 印制电路的设计3.3 印制电路板的制造工艺 3.4 印制电路板的手工制作,第3章 印制电路板设计与制作,3.1 印制电路板（PCB）设计基础,随着电子技术的不断发展，PCB（Printed Circuit Board）设计具有越来越重要的地位。一个电路的实现必须依赖于其载体，即PCB板。电路的设计功能能否有效地实现，是由PCB的设计与制造决定的。而在PCB设计的过程中，遵循一定的设计规则和技巧，可以有效地提高PCB信号的质量，从而实现设计的功能。本章主要对PCB设计的
2、一些基本的知识作为入门介绍，同时介绍PCB的制作方法，以供学生学习具体的设计。,3.1.1 印制电路的基本概念,在进行PCB的设计与制作前，先了解一下印制电路板的结构，理解一些基本概念，尤其是涉及到布线规则时，这些概念很重要。1.印制电路板结构 一个普通的PCB板由镀铜的树脂玻璃材料或一层铜箔与树脂材料粘贴在一起，如图3-1所示。,图3-1 PCB板的结构示例,铜层,介电绝缘层,图3-1 PCB板的结构示例,铜层,一般来说，印制电路板的结构有单面板、双面板和多层板三种。单面板：单面板是一种一面有敷铜，另一面没有敷铜的电路板，用户只可在敷铜的一面布线并放置元件。单面板由于成本低、不用打孔而被广泛
3、应用。由于单面走线只能在一面上进行，因此，它的设计往往比双面板或多层板困难得多。双面板：双面板包括顶层（Top Layer）和底层（Bottom Layer），顶层一般为元件面，底层一般为焊锡层面，双面板的双面都可以敷铜，都可以布线。双面板的电路一般比单面板的电路复杂，但布线比较容易，是制作电路板比较理想的选择。,多层板：多层板是包含了多个工作层的电路板。除了上面讲到的顶层、底层以外，还包括中间层、内部电源或接地层等。随着电子技术的高速发展，电子产品越来越精密，电路板也就越来越复杂，多层电路板的应用也越来越广泛。多层电路板一般指三层以上的电路板。2.元件封装 通常设计完成印制电路板后，将它拿到
4、专门制作电路板的单位，制作电路板。取回制好的电路板后，要将元件焊接上去。那么如何保证取用元件的引脚和印制电路板上的焊盘一致呢？那就得靠元件封装了。元件封装是指元件焊接到电路板时所指的外观和焊盘位置。,既然元件封装只是元件的外观和焊盘位置，那么纯粹的元件封装仅仅是空间的概念，因此，不同的元件可以共用同一个元件封装；另一方面，同种元件也可以有不同的封装，所以在取用焊接元器件时，不仅要知道元件名称，还要知道元件的封装。（1）元件封装的分类 元件的封装形式可以分成两大类，即针脚式（直插式）元件封装和SMT（表面贴装式）元件封装。针脚式元件封装焊接时先要将元件针脚插入焊盘导通孔，然后再焊锡。针脚式元件封
5、装的焊盘和过孔贯穿整个电路板，SMT元件封装的焊盘只限于表面层。（2）元件封装的编号一般为“元件类型+焊盘距离（焊盘数）+元件外形尺寸”。可以根据元件封装编号来判别元件封装的规格。,图3-2 常见的元器件封装,3.铜膜导线 铜膜导线也称铜膜走线，简称导线，用于连接各个焊盘，是印制电路板最重要的部分。印制电路板设计都是围绕如何布置导线来进行的。4.助焊膜和阻焊膜 按“膜”所处的位置及其作用，“膜”可分为元件面（或焊接面）助焊膜和元件面（或焊接面）阻焊膜两类。助焊膜是涂于焊盘上，提高可焊性能的一层膜。阻焊膜的情况正好相反，为了使制成的PCB适应波峰焊等焊接形式，要求板子上非焊盘处的铜箔不能粘锡，因
6、此在焊盘以外的各个部位都要涂覆一层涂料，用于阻止这些部位上锡。可见，这两种膜是一种互补关系。,5.层 现今，由于电子线路的元件密集安装、抗干扰和布线等特殊要求，一些较新的电子产品中所用的印制板不仅上下两面可供走线，在板的中间还设有能被特殊加工的夹层铜箔。例如，现在的计算机主板所用的印制电路板材料大多在4层以上。这些层因加工相对较难而大多用于设置走线较为简单的电源布线层，并常用大面积填充的办法来布线。上下位置的表面层与中间各层需要连通的地方用“过孔（Via）”来沟通。,6.焊盘和过孔（1）焊盘：焊盘的作用是放置焊锡、连接导线和元件引脚。选择元件的焊盘类型要综合考虑该元件的形状、大小、布置形式、振
7、动和受热情况、受力方向等因素。焊盘的形状有圆、方、八角、圆方、定位用焊盘和特殊焊盘，特殊焊盘需要单独设计。自行设计焊盘时还要考虑以下原则：形状上长短不一致时，要考虑边线宽度与焊盘定边长的大小差异不能过大。需要在元件引脚之间走线时，选用长短不对称的焊盘往往事半功倍。各元件焊盘孔的大小要按元件引脚粗细分别编辑确定，原则是孔的尺寸比引脚直径大0.20.4mm。,（2）过孔：为连通各层之间的线路，在各层需要连通的导线的交汇处钻上一个公共孔，这就是过孔。过孔有三种，即从顶层贯通到底层穿透式过孔、从顶层通到内层或从内层通到底层的盲过孔以及内层间的隐藏过孔。过孔从上面看上去，有两个尺寸，即通孔直径和过孔直径
8、，如图3-3所示。通孔和过孔之间的孔壁，用于连接不同层的导线。,过孔直径,通孔直径,图3-3 过孔尺寸,7.丝印层 为方便电路的安装和维修，要在印制板的上下两表面印上必要的标志图案和文字代号等，例如元件标号和标称值、元件轮廓形状和厂家标志、生产日期等，这就称为丝印层。不少初学者设计丝印层的有关内容时，只注意文字符号放置得整齐美观，而忽略了实际制出的PCB效果。在他们设计的印制板上，字符不是被元器件档住就是侵入了助焊区而被抹除了，还有把元件标号打在相邻元件上，如此种种的设计都将会给装配和维修带来很大不便。正确的丝印层字符布置原则是：不出歧义，见缝插针，美观大方。,8.敷铜 对于抗干扰要求比较高的
9、电路板，常常需要在PCB上敷铜。敷铜可以有效地实现电路板信号屏蔽作用，提高电路板信号的抗电磁干扰的能力。通常敷铜有两种方式：一种是实心填充方式；另一种是网格状的填充。在实际应用中，实心式的填充比网格状的更好，建议使用实心式的填充方式。如图3-4所示。,（a）实心式（b）网状式图3-4 敷铜实心式和网状式填充图,3.1.2 印制焊盘,焊盘也叫连接盘，是指印制导线在焊接孔周围的金属部分，供元件引线跨接线焊接用。连接盘的尺寸：连接盘的尺寸取决于焊接孔的尺寸。焊接孔是指固定元件引线或跨接线面贯穿基板的孔。显然，焊接孔的直径应该稍大于焊接元件的引线直径。焊接孔径的大小与工艺有关，当焊接孔径大于或等于印制
10、板厚度时，可用冲孔；当焊接孔径小于印制板厚度时，可用钻孔。一般焊接孔的规格不宜过大，可按表3.1来选用（表中有*者为优先选用）,表3.1 焊接孔的规格,连接盘直径D应大于焊接孔内径d，D=(23)d，如图3-5所示。为了保证焊接及结合强度，建议采用表3.2的尺寸。,表3.2连接盘直径与焊接孔关系,连接盘的形状。根据不同的要求选择不同形状的连接盘，圆形连接盘用得最多，因为圆焊盘在焊接时，焊锡将自然堆焊成光滑的圆锥形，结合牢固、美观。但有时，为了增加连接盘的粘附强度，也采用正方形、椭圆形和长圆形连接盘。连接盘的常用形状如图3-6所示。,岛形焊盘。焊盘与焊盘间的连线合为一体，如同水上小岛，故称为岛形
11、焊盘，如图3-7所示。常用于元件的不规则排列中，其有利于元器件密集固定，并可大量减少印制导线的长度与数量。此外，焊盘与印制线合为一体后，铜箔面积加大，使焊盘和印制线的抗剥强度增加。所以，多用在高频电路中，它可以减少接点和印制导线电感，增大地线的屏蔽面积，以减少连接点间的寄生耦合。,图3-7 岛形焊盘,定位孔。定位孔是用于印制电路板制板制作时的加工基准。根据定位精确度要求的不同，有不同的定位方法。印制电路板上的定位孔，应该用专门图形符号表示。当要求不高时，也可采用印制线路板内较大的装配孔代替。图3-8给出了三种定位孔图形符号。,3.1.3 印制导线,设计印制电路板时，当元件布局和布线的方案初步确
12、定后，就要具体地设计印制导线与印制板图形。这时必然会遇到印制线宽度、导线间距等设计尺寸的确定以及图形的格式等问题。设计尺寸和图形格式不能随便选择，它关系到印制板的总尺寸和电路性能。印制导线的宽度 一般情况下，印制导线应尽可能宽一些，这有利于承受电流和制造时方便。表3.3为0.05mm厚的导线宽度与允许电流量、电阻的关系。,表3.3 导线宽度与允许电流量、电阻的关系,在决定印制导线宽度时，除需要考虑载流量外，还应注意它在板上的剥离强度，以及与连接盘的协调，如图3-3所示，线宽b=(1/32/3)D。一般的导线宽度可在0.32.0 mm之间，建议优先采用0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0m
13、m,其中0.5mm主要用于微小型化设备。,印制导线具有电阻，通过电流时将产生热量和电压降。印制导线的电阻在一般情况下可不予考虑，但当作为公共地线时，为避免地线电位差而引起寄生回授时要适当考虑。印制电路的电源线和接地线的载流量较大，因此，设计时要适当加宽，一般取1.52.0mm。当要求印制导线的电阻和电感小时，可采用较宽的信号线；当要求分布电容小时，可采用较窄的信号线。印制导线的间距 一般情况下，建议导线间距等于导线宽度，但不小于1mm，否则浸焊就有困难。对微型化设备，导线的最小间距就不小于0.4mm。导线间距与焊接工艺有关，采用浸焊或波峰焊时，间距要大一些，手工焊接时的间距可小一些。,在高压电
14、路中，相邻导线间存在着高电位梯度，必须考虑其影响。印制导线间的击穿将导致基板表面炭化、腐蚀和破裂。在高频电路中，导线之间的距离将影响分布电容的大小，从而影响着电路的损耗和稳定性。因此导线间距的选择要根据基板材料、工作环境、分布电容大小等因素来确定。最小导线间距还同印制板的加工方法有关，选用时就综合考虑。印制导线形状 印制导线的形状可分为：平直均匀形；斜线均匀形；曲线均匀形；曲线非均匀形。如图3-9所示。,印制导线的图形除要考虑机械因素、电气因素外，还要考虑美观大方。所以在设计印制导线的图形时，应遵循以下原则（如图3-10所示）：,(a)避免采用,(b)优先采用图3-10 印制导线的形状,a同一
15、印制板的导线宽度（除地线外）最好一样。b印制导线应走向平直，不应有急剧的弯曲和出现尖角，所有弯曲与过渡部分均须用圆弧连接。c印制导线应尽可能避免有分支，如必须有分支，分支处应圆滑。d印制导线尽避免长距离平行，对双面布设的印制线不能平行，应交叉布设。e如果印制板面需要有大面积的铜箔，例如电路中的接地部分，则整个区域应镂空成栅状，见图3-11。这样在浸焊时能迅速加热，并保证涂锡均匀。此外还能防止板受热变形，防止铜箔翘起和剥脱。f当导线宽度超过3mm时，最好在导线中间开槽成两根并行的连接线，见图3-12。,3.2 印制电路的设计,3.2.1 PCB设计流程,PCB的设计就是将设计的电路在一块板上实现
16、。一块PCB板上不但要包含所有必需的电路，而且还应该具有合适的元件选择、元件的信号速度、材料、温度范围、电源的电压范围以及制造公差等信息，一块设计出来的PCB必须能够制造出来，所以PCB的设计除了满足功能要求外，还要满足制造工艺要求以及装配要求。为了有效地实现这些设计目标，我们需要遵循一定的设计过程和规范。,图3-13 PCB项目的设计流程,1）产生设计要求和规范。通常，一个新的设计要从新的系统规范和功能要求开始。产生了设计的系统规范和功能要求等说明后，就可以进行功能分析，并且产生成本目标、开发计划、开发成本、需要应用的相关技术以及各种必需的要求。例如，一个电机控制系统的开发项目，它的设计要求
17、和规范可能包括控制电机的类型（永磁同步电机，PMSM）、电机的功率（100W）、电压和电流的要求（24V，5A）、控制精度要求、平均无故障时间（MTBF）、通信接口的要求、应用环境等。这些设计规范将是整个设计的起点，后续的设计过程将要严格满足这此规范要求。2）将系统组成结构框图。一旦获得了系统的设计规范，我们就可以产生为实现该系统所要求的主要功能的结构框图。这个系统组成的结构框图描述了所设计的系统如何进行功能分解，各个功能模块之间的关系如何。,3）将系统按实现的功能分解到各个PCB。主要功能确定后，就可以按照可应用的技术，将实现的电路分解到PCB模块中，在一个PCB中的功能必须可以有效地实现。
18、各个PCB之间可以通过数据总线或其他通信模式进行连接。多数情况下，是通过背板上的总线将各个子PCB连接起来，比如LabView的背板和数据采集子卡之间的连接。再如计算机的主板和内存条、显示驱动、硬盘控制器以及PCMCIA卡的接口。4）绘制PCB的原理图。根据各个PCB的功能模块，绘制PCB实现的原理图电路图，从而在原理上实现其功能。在这个过程中，需要PCB实现所需要的合适元件以及元件之间的连接方式。,5）确定PCB的尺寸和结构。确定了原理后，就可以规划PCB。可以根据电路的复杂度和成本要求，确定PCB板的大小。PCB板的大小和层数也有关系。增加板层可以更容易实现复杂电路的布线，从而可以减小PC
19、B板的尺寸。但是板层的增加会增加板的成本。因此，设计人员要折中考虑，如果板的信号要求比较高，而且线路复杂，可以使用多层板。如果线路不复杂，则可以使用双面板。具体设计应该综合考虑双面板、多层板的尺寸和制造成本。6）将元件封装布置到PCB上。在确定了PCB的尺寸和结构后，就可以将元件封装布置到PCB上。在放置元件封装时，应该尽可能将具有相互关系的元件靠近；数字电路和模拟电路应该分放在不同的区域；对发热的元件应该进行散热处理；敏感信号应该避免产生干扰或被干扰，比如时钟信号，引线要尽可能短，所以要靠近其连接的芯片。,7）确定PCB的设计布线规则。在PCB布线前，应该确定布线的规则，比如信号线之间的距离
20、、走线宽度、信号线的拐角、走线的最长长度等规则的要求。8）对PCB进行布线。通常的做法是先对重要信号进行布线，其次为特殊元器件的布线，然后才是普通元器件的布线，最后对电源和地进行走线。9）设计规则检查和调整PCB。在完成了布线后，还需要对布线后的PCB进行设计规则检查，看布线是否符合定义的设计规则的电气要求。根据检查的结果再调整PCB的走线。10）时序和信号完整性分析。一个优秀的PCB设计，其时序应该满足设计要求。为了检查信号的时序以及信号的完整性，我们需要对布线后的PCB进行时序和信号完整性分析。对于时序分析，我们通常对一个关键信号的时序和信号完整性进行分析，比如总线、时钟等信号。,11）P
21、CB的制造和装配。PCB的制造是将设计完整表现在一块实际的PCB板上，包括所有的信号连线、封装及层等。然后就可以将芯片焊接装配到PCB上。这样就完成了PCB的设计和制造。12）PCB产品的测试。根据设计规范，对PCB进行现场测试，以便评估设计是否达到设计规范的要求。以上是PCB设计的一般过程，在通常的设计中，我们都可以遵循这个设计流程。同时随着EDA软件的快速发展，虚拟的设计环境已经在软件平台中实现，它能有效地实现设计的仿真以及信号的虚拟分析，有助于设计的成功实现以及产品的快速开发，降低产品的开发成本。,3.2.2 PCB设计应遵循的原则,PCB设计的好坏对电路板抗干扰能力影响很大。因此，在进
22、行PCB设计时，必须遵守PCB设计的一般原则，并应符合抗干扰设计的要求。要使电子线路获得最佳性能，元件的布局及导线的布设是很重要的。为了设计出质量好、造价低的PCB，应遵循下面讲述的一般原则。1.布局应遵循的原则 首先，要考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过大时，印制线路长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。在确定PCB尺寸后，再确定特殊元器件的位置。最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。,一般说来，布局应遵循以下原则：1）尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出
23、元器件应尽量远离。2）某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。带强电的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。3）重量超过15g的元器件，应当用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件，不宜装在印制电路板上，而应装在整机的机箱底板上，且应考虑散热问题。热敏元件应远离发热元件。,4）对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。若是机内调节，应放在印制电路板上方便于调节的地方；若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。5）应留出印制电路板的定位孔和固定支架所占用的位置。6）按照电路的
24、流程来安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。7）以每个功能电路的核心元器件为中心，围绕它来进行布局。元器件要均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。,8）在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观，而且焊接容易，易于批量生产。9）位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm。电路板的最佳形状为矩形，长宽比为32或43。电路板面尺寸大于200mm150mm时，应考虑电路板所受的机械强度。,布线的方法以及布线的结果对PCB的性能影响也很大，一般布线要遵循以下原则：
25、1）输入和输出端的导线应尽量避免相邻平行。最好添加线间地线，以免发生反馈耦合。2）印制电路板导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流过它们的电流值决定。对于集成电路，尤其是数字电路，通常选0.20.3mm导线宽度。当然，只要允许，还是尽可能用较宽的线，特别是电源线和地线。导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。对于集成电路。尤其是数字电路，只要工允许，可使间距小于0.6 mm。,2.布线应遵循的原则,3）印制电路板导线拐弯一般取圆弧形，而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。此外，尽量避免使用大面积铜箔，否则，长时间受热时，易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用大面积铜
26、箔时，最好用栅格状。这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。,印制电路板的抗干扰设计与具体电路有着密切的关系，这里仅就PCB抗干扰设计的几项常用措施做一些说明。1）电源线设计。根据印制电路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻，同时，使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。2）地线设计。保证数字地与模拟地分开。若电路板上既有逻辑电路也有线性电路，应使它们尽量分开。低频电路的地线应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分串联后再并联接地。高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而粗，高频元件周围尽量用栅格状的大面积铜箔。,3.印制电路板电路的抗干
27、扰措施,接地线应尽量加粗。若接地线用很细的线条，则接地电位随电流的变化而变化，使抗噪声性能降低。因此应将接地线加粗，使它能通过三倍于印制电路板上的允许电流。如有可能，接地线的宽度应在23mm以上。接地线构成闭环路。只由数字电路组成的印制电路板，其接地电路构成环能提高抗噪声能力。,PCB设计的常规做法之一是在印制电路板的各个关键部位配置适当的去耦电容。去耦电容的一般配置原则是：1）电源输入端跨接10100F的电解电容器。如有可能，接100F以上的更好。2）原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01F的瓷片电容，如PCB空隙不够，可每48个芯片布置一个110F的钽电容。3）对于抗噪能力弱、关断时电
28、源变化大的元器件，如RAM、ROM存储元器件，应在芯片的电源线和地线之间接入去耦电容。,4.去耦合电容配置,4）电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。此外应注意以下两点：在PCB中有接触器、继电器、按钮等元器件时，操作它们时均会产生较大火花放电，必须采用RC电路来吸收放电电流。一般R取12K，C取2.247F。CMOS的输入阻抗很高，且易受感应，因此对不使用的输入端口要接地或接正电源。,按照原理图，将各元器件位置初步确定下来，然后经过不断调整布局更加合理，最后就需要对PCB中各元器件进行接线，元器件之间的接线安排方式如下：1）PCB中不允许有交叉电路，对于可能交叉的线条，可以用“钻”
29、、“绕”两种方法解决。即让某引线从别的电阻、电容、晶体管脚下的空隙处“钻”过去，或从可能交叉的某条引线的一端“绕”过去。2）电阻、二极管、管状电容器等元器件有“立式”和“卧式”两种安装方式。立式指的是元器件体垂直于电路板安装、焊接，其优点是节省空间；卧式指的是元件体平均并紧贴于电路板安装、焊接，其优点是元器件安装的机械强度较好。这两种不同的安装元器件，PCB上的元器件孔距是不一样的。,5.各元器件之间的接线,3）同一级电路的接地点应尽量靠近，并且本级电路的电源滤波电容也应接在该级接地点上。特别是本级晶体管基极、发射极的接地不能离得太远，否则因两个接地间的铜箔太长会引起干扰与自激，采用这样“一点
30、接地法”电路，工作较稳定，不易自激。4）总地线必须严格按高频、中频、低频逐级按弱电到强电的顺序排列原则，切不可随便翻来覆去乱接，级间宁可接线长点，也要遵守这一规定。特别是变频头、再生头、调频头的接地线安排要求更为严格，如有不当就会产生自激以致无法工作。调频头等高频电路常采用大面积包围式地线，以保证有良好的屏蔽效果。5）强电流引线（公共地线、功放电源引线等）应尽可能宽些，以降低布线电阻及其电压降，可减小寄生耦合而产生的自激。,6）阻抗高的走线尽量短，阻抗低的走线可长一些，因为阻抗高的走线容易发射和吸收信号，引起电路不稳定。电源线、地线、无反馈元器件的基极走线、发射极等均属低阻抗走线。7）电位器安
31、放位置应当满足整机结构安装及面板布局的要求，因此应可能放在板的边缘，旋转柄向外。8）设计PCB图时，在使用IC座的场合下，一定要特别注意IC座上定位槽旋转的方位是否正确，并注意各个IC脚位置是否正确，例如第1脚下位于IC座的右下角或者左上角，而且紧靠定位槽（从焊接面看）。9）在对进出接线端布置时，相关联的两引线端的距离不要太大，一般为58mm英寸较合适。进出接线端尽可能集中在12个板上，不要过于分散。,10）在保证电路性能要求的前提下，设计时应力求合理走线，并按一定顺序要求走线，力求直观，便于安装和检修。11）设计应按一定顺序方向进行，例如可以按由左往右和由上而下的顺序进行。,3.2.3 计算
32、机辅助设计介绍,1.CAD软件简介 随着大规模、超大规模集成电路的应用，使印制电路板的走线愈来愈精密和复杂。同时，各种类型印制板的需求也越来越大，要求设计制造印制板电路的周期越短越好。在这种情况下，传统的手工方式设计和制作印制电路板已显得越来越难以适应形势了。因此，印制电路板的计算机辅助设计（CAD）应运而生。电路印制板的CAD方法很大程度避免了传统的缺点，大大缩短了设计周期，改进了产品的质量。CAD方法精简了工艺标准检查，且修改可以在同一图纸上反复进行，从而缩短了制造环节，提高了工作效率。,近几年来，计算机技术取得了飞速的发展。硬件的整体性能几乎成几何级数增长，电子线路CAD（Compute
33、r Aided Design计算机辅助设计）软件也取得了极大的发展，其种类也很多。现对近期广为流行的Protel 2004软件为例，对CAD系统进行简介。Protel 2004是Altium公司于2004年2月推出的板卡级设计系统。它是在早期TANGO软件包的基础上，历经DOS、Windows的多种版本发展起来的，它具有丰富多样的编辑功能、更为便捷的自动化设计能力、完善有效的检测工具、灵活有序的设计院管理手段，具有丰富的原理图元件库、PCB元件库，有良好的开放性和兼容性，支持Windows平台上的所有外设。,（1）Protel 2004的特点 1）分层次组织的设计环境。使用者可以将待设计的电路
34、划分成若干部分（子系统），各部分再划分成若干功能模块，功能模块再划分成基本模块，然后分层逐级进行设计。这使得电路设计条理清晰、简单可靠，这也叫“自顶向下（Top-down）”的设计方法。同时，Protel也可以进行“自底向上”的设计，其设计方法与“自顶向下”相反。2）强大的元件库及元件库的组织功能。Protel 2004提供了6万8千多种元器件的元件库和丰富的PCB封装形式库。同时，使用者可以创建自己的元件库，并可自由地在各库之间移动、拷贝元件。对于新升级的封装库可以直接从Protel 的互连网点下载得到。3）手动布线。Protel 2004的原理图和印制图设计均设置方便易用手动布线功能。,4
35、）易用的编辑环境，强大的编辑功能。Protel 2004的原理图编辑器和PCB编辑器使用标准化编辑方式，使用者能够直观地控制整个编辑过程。可以方便地进行拖动、剪切、拷贝、粘贴等。5）丰富的印制图设计法则。Protel 2004的PCB编辑器提供超过25种设计方法与类别，覆盖了像元件位置、走线宽度、走线角度、过孔直径、网络阻抗等设计过程的方方面面。6）原理图设计与印制图设计紧密连接。在Protel 2004中，只需要单击一下Protel 的设计同步器，就可以将原理图中的信息传送到印制电路图设计系统中去。设计同步器在整个设计过程中发挥作用，在原理图中添加元件或改变某个元件的属性都将引起PCB图的相
36、应变化。另一方面，PCB图的改变也会反馈到原理图上来。,7）自定义原理图模板。在Protel 2004中，使用者还可创建自定义的原理图模块，它可以作为自定义的元素应用于原理图中。8）设计检验。Protel 2004丰富的电气法则检测（ERC）功能可以对大型复杂的设计进行快速的检验。设计法则检验器（DRC）能够按照用户指定的设计法则对电路板进行检验，然后产生全面的检验报告，指出设计中与设计法则相矛盾的地方。9）高智能的基于形状的自动布线功能。使用者只需进行简单、直观的设置，Protel 2004的自动布线器将分析你的设计并且选择最佳的布线策略。,（2）Protel 2004的基本配置操作系统：W
37、indows XP硬件配置：CPU P4，1.7GHz或更高 内存 256MB以上 硬盘空间 620MB 最低显示分辨率为1024768，显存32MB（3）Protel 2004的安装 Protel 2004的安装与Windows应用程序的安装方法相似，只要按照Protel 2004的安装向导的提示一步步进行下去就能完成安装工作。,2.CAD与EDA EDA（Electronics Design Automation）电子设计自动化。EDA是在计算机辅助设计（CAD）技术的基础上发展起来的计算机软件系统，可看作是电子CAD的高级阶段。与早期的CAD软件相比，EDA软件的自动化程度更高、功能更完
38、善、运行速度更快、操作界面友好，有良好的数据开放性和互换性。利用EDA设计工具，设计者可以预知设计结果，减少设计的盲目性，极大地提高设计的效率。,（1）EDA技术的基本特征 采用并行工程和“层次原理图”设计方法。所谓并行工程是指一种系统化的、集成化的、并行的产品相关过程的开发模式（相关过程指制造和维护）。这一模式使开发者从开始就要考虑到产品生存周期的诸多方面，包括质量、成本、开发时间及用户的需求等。采用硬件描述语言（HDL）。其优点是：语言的公开可利用性；设计与工艺的无关性；宽范围的描述能力；便于组织大规模系统的设计；便于设计的复用和继承等。目前最常用的配件描述语言有VHDL 和VERILOG
39、-HDL。它们都是IEEE标准。,采用开放式框架（框架是一种软件平台结构，它为EDA工具提供了操作环境。框架的关键在于提供与硬件平台无关的图形用户界面以及工具之间的通信、设计数据和设计流程的管理等，此外还应包括各种与数库相关的服务项目）和标准化结构，利于利用其它厂商的EDA工具。,（2）EDA的基本工具 1）逻辑器。逻辑器包括文字逻辑器和图形逻辑器。2）仿真器。仿真器又称为模拟器，主要用来帮助设计者验证设计的正确性。3）检查/分析工具。在集成电路设计的各个层次都会用到检查/分析工具。4）优化/综合工具。优化/综合工具用来把一种硬件描述转换为另一种描述，这里的转换过通常伴随着设计的某种改进。,（
40、3）EDA的软件简介 虚拟电子工作台（Electronics Workbench，简记为EWB）是加拿大Interactive Image Technologies公司于80年代末90年代初推出的电路分析和设计软件（也称电子线路仿真）。EWB仿真的手段切合实际，选用元器件和仪器与实际情形非常相近。绘制原理图所需的元器件、电路仿真需求的测试仪器均可直接从屏幕上选取。EWB提供了示波器、万用电表、波特图示仪、函数发生器、逻辑分析仪、数字信号发生器等到常用仪器，而且仪器的操作开关、按键同实际仪器极为相似。EWB的元器件库不仅提供了数千种电路元器件供选用，而且还提供了各种元器件的理想参数，因此仿真的结
41、果就是该电路的理论值，这对于验证电路原理、自学电路内容、开发设计新的电路极为方便。,EWB提供了非常丰富的电路分析功能，包括电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、线性和非线性分析、噪声和失真分析等常规分析方法，而且还提供了离散傅立叶分析、电路零点分析和交直流灵敏度分析等多种电路高级分析方法，以帮助设计人员研究电路性能。另外，它还可以对被仿真电路中的元器件人为设置故障，如开路、短路和不同程序的漏电等，针对不同的故障可以观察电路的各种状态，从而加深对电路的理解。在该软件下完成的电路文件，可以直接输出至常见的印刷板排版软件，如PROTEL、ORGAD、TANGO等软件自动排出印制电路板，从而大大
42、加快了产品的开发速度，提高了设计人员的工作效率。,3.3 印制电路板的制造工艺,制造印制电路板首先应将底图或照相底片上的图形，转印到覆铜箔层压板上，然后进行蚀刻。其中一种方法是印制蚀刻法，或叫做铜箔腐蚀法，即用防护性蚀材料在覆铜箔板上形成比较精确的正性图形，那些未被抗蚀材料保护起来的铜箔，经化学蚀刻后被去掉，蚀刻后清除抗蚀层，便留下由铜箔构成的印制电路图形。另一种方法是用抗蚀剂转印出负性图形，露出的铜表面就是需要的印制电路图形，其他部分形成抗镀层。对露出的印制电路图形进行清洗处理后，再电镀一层金属保护层（镀铜或镀锡），形成电镀图形。然后，将有机抗蚀层去掉，电镀金属保护层在蚀刻中起到了抗蚀层的作
43、用，蚀刻工序完成后再将电镀层去掉即可。,3.3.1 印制电路板原版底图的制作,在印制电路板生产过程中，离不开符合质量要求的11原版底片，获得原版底片的方法很多，目前大致可分为三种类型。1.计算机绘制黑白工艺图再照相成照相底片 随着计算机的发展和应用，选用适当的印制电路板设计软件（如Protel 2004），利用计算机系统进行布线，可得到任意比例、质量上乘的布线图，并可通过绘图仪或打印机绘制成印刷板黑白布线工艺图，最后利用照相技术将印制板布线图制成照相底片。该方法不仅可以生成一般的布线图，还能生成丝网膜图、阻焊图、模拟钻孔图等。,2.光绘图机直接制成照相底片 该方法是在第一种方法的基础上，利用光
44、点扫描原理，将生成黑白布线图和照相翻拍底版这两个工序合二为一。其优点是：扫描图形均匀一致，边缘平直，有利于多层板特性阻抗的控制；照相底版黑白反差好，有利于感光制板；扫描出的正性底版可直接用于图形电镀工艺的图形转移。3.人工描绘或贴制黑白工艺图照相制版 人工描绘就是在铜版纸上用墨进行手工描图。人工描绘采用的油墨应注意其质量，注意避免出现因图形干燥引起的开裂或细线裂纹等，还应避免因图形发亮而引起的照相反光问题。该方法适用于单面和简单双面印制电路板的制图。,照相底片制好后，就可将照相底片上的图形转印到覆铜箔板上，即进行图形转移。在印制板的生产中，制造抗蚀或电镀掩膜图形一般有液体感光胶法、感光干膜法和
45、丝网漏印法等三种不同方法。液体感光胶法是一种比较传统的工艺方法，缺点是工艺流程繁杂，需要设备较多，生产效率低，难于实现自动化。丝网漏印法适用于批量较大、精度要求不高的单面和双面印制板生产。其操作方便，生产效率高，便于实现自动化。感光干膜法可用于制造精密细导线，它在提高生产效率，简化生产工艺，提高印制板质量等方面也优于其他方法。目前在图形电镀制造电路板工艺中，大多数厂家都采用感光干膜法和丝网漏印法制作掩膜图形。,3.3.2 印制电路板的印制,1.液体感光胶法 液体感光胶法是将抗蚀剂以液态的形式涂敷到经过清洁处理的覆铜箔板的铜表面上，干燥后形成一层有机感光层，把供图形转移用的照相底版覆盖在上面，经
46、曝光后，使得受光部分的感光材料固化，不再溶解于溶剂之中，起着抗蚀和掩膜的作用。把未感光部分的抗蚀材料冲洗干净，使不需要的铜箔露出来，经蚀刻后就得到所需要的电路图形。2.感光干膜法制造工艺 感光干膜法中所用干膜由干膜抗蚀剂、聚酯膜和聚乙烯膜组成。干膜抗蚀剂是一种耐酸的光聚合体；聚酯膜为基底膜，起支托干膜抗蚀剂和照相底片的作用，其厚度约30m左右；聚乙烯膜是在聚膜酯膜涂敷干膜蚀剂后覆盖的一层保护层，厚度约30m40m。,图形转移的工艺流程为：清洗印制板烘干贴膜对孔定位曝光显影晾干修版。具体操作方法如下：1）清洗覆铜箔板：覆铜箔表面因加工、储存、运输等环节，会形成一层氧化物，因此贴膜前应将覆铜箔板刷
47、洗干净，以去除板面上的油污或氧化物等，清洗一般采用刷洗机进行刷洗。刷洗后使整个铜箔面露出铜箔的原色及光泽。否则，覆铜箔板上的污物会使已贴好的干膜脱落或边缘起翘等。2）贴膜：贴膜主要借助贴膜机进行。贴膜时应注意贴膜温度、贴膜压力以及贴膜速度等对贴膜质量的影响。,贴膜的温度一般控制在90100适宜，夏季允许再低1020。若温度过高，会使干膜流胶或发脆；温度过低，会使得干膜与铜箔的结合力不好。贴膜压力的选择也非常重要，压力过小，会使干膜与铜箔结合不牢；压力过大，膜易变形起皱。生产过程中，应根据经验选择压力的大小。贴膜速度也影响贴膜质量，速度太快，膜易起皱；速度太慢，会使贴膜不牢。一般贴膜速度为0.8
48、1.6m/min。3）曝光：覆铜箔板贴膜后，将照相底版覆盖于其上进行曝光。曝光时，要严格控制曝光量，曝光过量，会造成显影困难，甚至细线条显不出来影来的现象；反之，会使线条边缘发毛，出现渗镀现象。,曝光量的大小与光源的强弱、灯距的远近、曝光时间的长短等有关。4）显影：显影一般在显影机里进行。显影液采用无水碳酸钠，浓度为1%2%。曝光后的覆铜箔板去掉聚酯膜，放在显影机里进行显影。显影时要注意时间不能太长，否则会造成过显，使边缘不整齐；显影时间也不能过短，否则会使显影不彻底，线条密集部分显不出图形。显影后未曝光部分的干膜不会聚合，可以被除去，曝光过的干膜则留下，形成抗蚀层。修版时用小毛笔蘸沥青修补缺
49、陷、沙眼等，孔偏移比较严重的要修好，使其达到技术要求。,丝网漏印是一种传统的工艺，它适用于分辨率和尺寸精度要求不高的印制电路板生产工艺中。丝网漏印的第一步是制造丝网模版，其基本方法是把感光胶均匀的涂在丝网上，经干燥后直接盖上照相底版上进行曝光、显影，从而制出电路图形模版。第二步用油墨通过丝网模版将电路图形漏印在铜箔板上，从而实现图形转移，形成耐腐蚀的保护层。最后经蚀刻，去除保护层后制成印制电路板。该工艺的特点是成本低廉、操作简单、生产效率高、质量稳定，因而被广泛应用于印制板制造中。,3.丝网漏印工艺,1）丝网准备丝网材料的选择：丝网的种类很多，常用的有真丝网、尼龙丝网、涤纶丝网和金属丝网（磷青
50、铜丝网、不锈钢丝网）等。丝网网框：网框有木制和金属制两种。木框平放桌面上时，不能有边角起翘现象。金属框主要由铝合金制成，金属网框具有尺寸稳定，强度高，寿命长的优点。丝网网框的大小可根据制作印制板的大小来确定，一般以比印制每边宽出812cm为宜，以便于手工操作时拿放和漏印的完整。,2）绷网 绷网是将丝网拉紧固定到网框上的过程，是网版制作中关键工序之一。绷网分为手工绷网和机械绷网两种。不管采用哪一种绷网方式，都要求将网绷紧、绷平、绷均匀。绷网质量的好坏直接影响到图形印制质量和丝网的使用寿命 绷网前应将丝网在5060的水中浸泡510min，以便于将网绷均匀。金属网可用火烧一下，以除去油污并使表面钝化
