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第8章PCB设计基础•教学提示：本章介绍PCB的基础知识，工作层、封装和图件的概念，这些概念应该准确把握，设计PCB的流程可以先简单介绍，在第9章结合实例再加强印象。在完全手工方式设计中，强调网络表的作用。•教学目标：通过学习，熟悉PCB绘制界面，了解PCB基本元素并掌握基本绘图工具的使用；熟练掌握工作层和图件的相关操作，能用手工方式制作简单的PCB。8.1.1PCB的结构•PCB根据电路板的结构分为单面板、双面板和多层板3种。•单面板也称单层板，即只有一个导电层，在这个层中包含焊盘及印制导线，这一层也称焊接面，另外一面则称为元件面。单面板的成本较低，所以很难满足复杂连接的布线要求。•双面板也叫双层板，是一种包括TopLayer和BottomLayer的电路板，双面都有覆铜，都可以布线。通常情况下，元件一般处于顶层一侧，顶层和底层的电气连接通过焊盘或过孔实现。两面布线极大地提高了布线的灵活性和布通率，双面板在目前应用最为广泛。•多层板是在顶层和底层之间加上若干中间层构成，中间层包含电源层或信号层，各层间通过焊盘或过孔实现互连。多层板包括TopLayer、BottomLayer、MidLayer及电源\接地层(InternalPlane)等，层与层之间是绝缘层，绝缘层用于隔离电源层和布线层。8.1.1PCB的结构•通常在PCB上布上铜膜导线后，还要在上面印上一层防焊层(SolderMask)，防焊层留出焊点的位置，而将铜膜导线覆盖住。防焊层不粘焊锡，甚至可以排开焊锡，这样在焊接时，可以防止焊锡溢出造成短路。•有时还要在PCB的正面或反面印上一些必要的文字，如元件标号、公司名称等，能印这些文字的一层为丝印层(SilkscreenLayers)，该层又分为顶层丝印层(TopOverlay)和底层丝印层(BottomOverlay)。8.1.2PCB的基本元素1.铜膜导线+铜膜导线是覆铜板经过加工后在PCB上的铜膜走线，又简称为导线，处于所有的导电层，用于连接各个焊点，是PCB重要的组成部分。导线的主要属性为宽度，它取决于承载电流的大小和铜箔的厚度。+值得指出的是导线与布线过程中出现的预拉线(又称为飞线)有本质的区别：飞线只是形式上表示出网络之间的连接，没有实际的电气连接意义。2.焊盘+焊盘用于焊接元件实现电气连接并同时起到固定元件的作用。焊盘的基本属性有形状、所在层、外径及孔径。双层板及多层板的焊盘都经过了孔壁的金属化处理。对于插脚式元件，Protel2004将其焊盘自动设置在MultiLayer层；对于表面贴装式元件，焊盘与元件处于同一层。8.1.2PCB的基本元素•Protel2004中焊盘的标准形状有3种，即圆形(Round)、方形(Rectangle)和八角形(Octagonal)，允许设计者根据需要进行自定义(Customize)或自行设计。图8.1焊盘形状和尺寸8.1.2PCB的基本元素3.过孔+过孔用于实现不同工作层间的电气连接，过孔内壁同样做金属化处理。+过孔分为三种：从顶层贯穿至底层的穿透式过孔；只实现顶层或底层与中间层连接的盲孔；只实现中间层连接，而没有穿透顶层或底层的埋孔。+过孔只有圆形，主要有两个参数：即孔径大小(HoleSize)和过孔直径(Diameter)。8.1.2PCB的基本元素4.元件的图形符号元件的图形符号反映了元件外形轮廓的形状及尺寸，与元件的引脚布局一起构成元件的封装形式。印制元件图形符号的目的是显示元件在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。8.1.3PCB工作层与管理1.工作层•在Protel2004的PCB编辑器中，采用层管理模式，无论是多层板、双层板还是单层板都包含多个工作层，不同的工作层有不同的用途并采用不同的颜色加以区分。•信号层(SignalLayers)用于布线，分为顶层、底层和中间层。单层板的信号层为底层，双面板为顶层和底层。顶层的默认颜色为红色，底层的默认颜色为蓝色，系统为每个中间层设置了彼此不同的颜色。•电源\接地层(InternalPlane)也称内电层，专门用于系统供电，信号层内需要与电源或地线相连接的网络通过焊盘或过孔实现连接，这样可以大幅度缩短供电线路的长度，降低电源阻抗。8.1.3PCB工作层与管理+机械层(MechanicalLayers)用于放置电路板的物理边界、关键尺寸信息及安装孔等，它不具备导电性质。+防护层(MaskLayers)分为助焊层(Paste)和阻焊层(Solder)。助焊层是为了安装贴片元件。阻焊层是防止焊锡的粘连，避免在焊接相邻但不同网络焊点时发生短路。+丝印层用于显示元件的外形轮廓、编号或放置其他的文本信息。丝印层分为顶层丝印层(TopOverlay)和底层丝印层(BottomOverlay)，丝印层的默认颜色为黄色。+在其他工作层(OtherLayers)中，禁止布线层(KeepOutLayer)用于定义PCB的电气边界，即限制了印制导线的布线区域。禁止布线层的默认颜色为粉红色。2.板层和颜色的设置•按Design/BoardLayers&Colors,弹出设置工作层的【板层和颜色】对话框。3.工作层的管理•按Design/LayerStackManager,弹出【图层堆栈管理器】对话框。•添加信号层。选定顶层(TopLayer)，单击【AddLayer】按钮，单击一次，完成一层的添加。8.1.4元件封装元件封装是指实际的电子元件的外形尺寸、引脚直径及引脚距离等。不同的元件可以有相同的封装，同一个元件也可以有不同的封装。1.元件封装的分类+元件封装分为针脚式封装和表面粘贴式(SMT)封装两大类。(1)针脚式封装+针脚式封装是针对针脚类元件的，针脚类元件焊接时先要将元件针脚插入焊盘导孔中，然后再焊锡。由于焊点导孔贯穿整个电路板，所以在其焊盘的属性对话框中，Layer板层属性必须为MultiLayer。(2)表面粘贴式封装+表面粘贴式封装的焊盘只限于表面板层，即顶层或底层。在其焊盘的属性对话框中，Layer板层属性必须为单一表面。针脚类元件封装表面粘贴式封装2.元件封装的编号•元件封装的编号原则为：元件类型＋焊盘距离(焊盘数)＋元件外形尺寸。可根据元件的编号来判断元件封装的规格。如电阻封装为AXIAL-0.4，表示此元件封装为轴状，两焊盘间的距离为400mil(100mil=2.54mm)；RB7.6-15表示极性电容类元件封装，引脚间距为7.6mm，元件直径为15mm；DIP-24表示双列直插式封装，24个焊盘引脚。8.1.4元件封装3.常用元件的封装+常用的分立元件封装有二极管类、极性和非极性电容类、电阻类和可变电阻类等，这些封装在MiscellaneousDevicesPCB.PcbLib元件库中。+常用的集成电路有DIP-xxx封装和SIL-xxx封装等。(1)二极管类(DIODE)：如(DIODE-0.5～DIODE-0.7)+二极管常用的封装名称为DIODE-xx，xx表示二极管引脚间的距离，如DIODE-0.7。(2)电容类：如(RB5-10.5～RB7.6-15、RAD-0.1～RAD-0.4)•电容分为有极性电容和无极性电容，与其对应的封装形式也有两种，有极性电容的封装形式名称为RB5-10.5等，无极性电容封装形式为RAD-xx，xx表示两焊盘间的距离，如RAD-0.2。(3)电阻类：如(AXIAL-0.3～AXIAL-1.0)•电阻类常用的封装形式名称为AXIAL-xx，xx表示两个焊盘间的距离，如AXIAL-0.4。(4)集成电路封装+集成块的封装形式名称为DIP-xx(双列直插式)和SIL-xx(单列直插式)，xx表示集成电路的引脚数，如DIP-6、SIL-4。(5)晶体管类（BCY-W3\D4.7）(6)电位器(VR1～VR5)8.1.4元件封装二极管封装形式电解电容封装形式无极性电容电阻封装形式集成电路(双排直插)(单排直插)小功率晶体电位器封装形式8.2PCB编辑器•打开PCB文件，即可启动PCB编辑器，初始界面包括菜单栏、工具栏、工作区、命令栏、状态栏和各种面板按钮。1.主菜单栏+PCB编辑器的菜单栏和原理图编辑器的菜单栏基本相似。2.工具栏+PCB编辑器中的工具栏有以下几种：标准工具栏、放置工具栏、工程工具栏、过滤器工具栏、元件排列工具栏等。所有的工具栏都可在编辑区内任意浮动，并设定放在任何适当的位置。在真正进行PCB设计时，并不是所有的工具栏都会用到，将不使用的工具栏关闭。+一般都会把标准工具栏、工程工具栏和放置工具栏打开。图8.14PCB工程工具栏、放置工具栏和标准工具栏8.2PCB编辑器8.2PCB编辑器3.文档标签•每个打开的文档都会在设计窗口顶部有自己的标签，右击标签可以关闭、修改或平铺打开的窗口。4.工作层标签•在PCB编辑器中，工作区主要用于设计者绘制电路板。在工作区的下方有工作层面切换标签，当前工作层为顶层(TopLayer)。8.3图件放置与编辑•在Protel2004中，提供了一个放置(Placement)工具栏。8.3.1导线的绘制与编辑1.导线的绘制2.导线属性的编辑+双击该导线弹出【导线】属性编辑对话框。8.3.1导线的绘制与编辑+导线可以放置在任意一层：放置在信号层作布线连接；放置在机械层作定义板轮廓；放置在丝印层用作绘制元件轮廓，在PCB编辑区中任何需要布线的地方都可以放置导线。+线段(Line)与导线不同，线段是用来布放没有电气特性的连线，属性中没有网络特性，即使从带有网络信息的焊盘上引出，系统也会显示错误标记。8.3.2圆弧的绘制与编辑+绘制圆弧(Arc)的4种方法：中心法、边缘法、任意角度边缘法和整圆法。1.中心法Place/Arc(Center)+先确定圆弧的中心，再确定半径，之后将确定起点和终点。2.边缘法Place/Arc(Edge)+先确定圆弧起点，再确定终点，这样就绘制好90°圆弧。3.任意角度边缘法Place/Arc(AnyAngle)+先确定圆弧的起点，再确定半径，最后确定终点。4.整圆法Place/FullCircle•圆可看成特殊的圆弧，先确定圆的中心，再确定圆的半径。5.圆弧的属性编辑+【圆弧】属性编辑对话框中，可以设置圆弧中心位置的坐标(【中心】X：Y：)、起始角和结束角、宽、半径、是否锁定、是否禁止布线区、网络标号(【网络】)及层等。8.3.2圆弧的绘制与编辑8.3.3焊盘和过孔的放置与编辑1.焊盘•按Place/Pad，鼠标指针呈十字形且中间带有一焊盘，移动鼠标指针到适当位置后单击，放置焊盘在当前位置。8.3.3焊盘和过孔的放置与编辑2.过孔的放置与属性编辑•按PlaceVia，鼠标指针呈十字形，可设置完成。•过孔有3种形式：通孔、盲孔和埋孔。8.3.4元件的放置与编辑•放置元件有两种方法：利用网络表载入元件和直接手动放置元件。此处介绍手动放置元件。1.元件的放置•按Place/Component将弹出【放置元件】对话框。可以设置放置类型、元件封装形式、标识符、注释等。图8.24【放置元件】对话框图8.27放置元件8.3.4元件的放置与编辑2.元件的属性编辑•双击元件弹出【元件V1】对话框。图8.28元件属性编辑对话框8.3.5字符串和尺寸标注的放置与编辑•字符串和尺寸标注都是没有电气特性的图件，对电路的连接没有任何影响，只起提醒的作用。•字符串主要用于必要的文字注释，尺寸标注常用于各种不同类型的标注尺寸。图8.29【字符串】属性编辑对话框图8.31【尺寸标注】对话框8.3.6矩形填充区和多边形填充区的绘制与编辑+在PCB的设计过程中，为了提高系统的抗干扰能力和考虑通过大电流等因素，通常需要放置大面积的电源和接地区域。通常的填充方式有两种：矩形填充(Fill)和覆铜。1.矩形填充区的放置与属性编辑+按Place/Fill，移动鼠标确定矩形填充区的一个坐标，继续移动鼠标确定另一个位置，完成填充区的绘制并按Tab键弹出【矩形填充】对话框。+在该对话框中，可以设置