第2章--PCB的设计与制作

第2章PCB的设计与制作本章要点能描述覆铜板的结构与特点、PCB设计中抑制干扰的措施能描述PCB的设计规则、生产工艺和制作的基本过程能描述Protel99SE软件设计PCB的步骤能描述手工制作PCB的常用方法会熟练使用Protel99SE软件设计单面PCB、双面PCB会熟练使用快速制板机手工制作单、双面PCB-1-第2章PCB的设计与制作2.1PCB设计基础无论是采用分离器件的传统电子产品或是采用大规模集成电路的现代数码产品，都少不了印制线路板（PCB——PrintedCircuitBoard）。PCB是在覆铜板上完成印制线路工艺加工的成品板，它起电路元件和器件之间的电气连接的作用。在电子产品中，PCB与各类电子器件一样，处于非常重要的地位，故PCB也是电子部件之一。随着微电子技术的不断发展，现代电子产品的体积已趋小型化和微型化，而PCB也由单面板发展到双面板、多层板以及挠性板；其设计也由传统制作工艺发展到计算机辅助设计。目前，应用最广泛的是单面板与双面板。为此，掌握单、双面PCB的设计便成了电子技术人员的一项重要技能。2.1.1覆铜板概述1．覆铜板简介印制板（PCB）的主要材料是覆铜板，而覆铜板（敷铜板）是由基板、铜箔和粘合剂构成的。第2章PCB的设计与制作基板是由高分子合成树脂和增强材料组成的绝缘层板；在基板的表面覆盖着一层导电率较高、焊接性良好的纯铜箔，常用厚度35～50μm；铜箔覆盖在基板一面的覆铜板称为单面覆铜板，基板的两面均覆盖铜箔的覆铜板称双面覆铜板；铜箔能否牢固地覆在基板上，则由粘合剂来完成。常用覆铜板的厚度有1.0mm、1.5mm和2.0mm三种。覆铜板的种类也较多。按绝缘材料不同可分为纸基板、玻璃布基板和合成纤维板；按粘结剂树脂不同又分为酚醛、环氧、聚脂和聚四氟乙烯等；按用途可分为通用型和特殊型。2．国内常用覆铜板（1）覆铜箔酚醛纸层压板（2）覆铜箔酚醛玻璃布层压板（3）覆铜箔聚四氟乙烯层压板（4）覆铜箔环氧玻璃布层压板（5）软性聚酯敷铜薄膜第2章PCB的设计与制作2.1.2PCB常用术语介绍一块合格的电路PCB是由焊盘、过孔、安装孔、定位孔、印制线、元件面、焊接面、阻焊层和丝印层等组成。印制电路板的组成如图所示。第2章PCB的设计与制作2.1.3PCB设计规则1．元器件的布局（1）元器件布局要求：保证电路功能和性能指标；满足工艺性、检测、维修等方面的要求；元器件排列整齐、疏密得当，兼顾美观性。（2）元器件布局原则：见p78页（3）元器件布局顺序（4）常用元器件的布局方法2．元器件的排列方式元器件在PCB上的排列可采用不规则、规则和网格等三种排列方式中的一种，也可同时采用多种。3．元器件的间距与安装尺寸（1）元器件的引脚间距元器件不同，其引脚间距也不相同。但对于各种各样的元器件的引脚间距大多都是：100mil（英制）的整数倍（1mil=1×10-3in=25.4×10-6m），第2章PCB的设计与制作（2）元器件的安装尺寸是根据引脚间距来确定焊孔间距。它有软尺寸和硬尺寸之分。第2章PCB的设计与制作4．印制导线布线布线是指对印制导线的走向及形状进行放置，它在PCB的设计中是最关键步骤，而且是工作量最大的步骤。PCB布线有单面布线、双面布线及多层布线；布线的方式也有自动布线和手动布线两种。印制导线的走向及形状如表所示。第2章PCB的设计与制作在PCB的设计中，为了获得比较满意的布线效果，则应遵循如下基本原则：1）印制线的走向——尽可能取直，以短为佳，不要绕远。2）印制线的弯折——走线平滑自然，连接处用圆角，避免用直角。3）双面板上的印制线——两面的导线应避免相互平行；作为电路输入与输出用的印制导线应尽量避免相互平行，且在这些导线之间最好加接地线。4）印制线作地线——尽可能多地保留铜箔作公共地线，且布置在PCB的边缘。5）大面积铜箔的使用——使用时最好镂空成栅格，有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体；导线宽度超过3mm时中间留槽，以利于焊接。5．印制导线的宽度及间距（1）印制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。第2章PCB的设计与制作PCB的电源线和接地线因电流量较大，设计时要适当加宽，一般不要小于lmm。对于安装密度不大的PCB，印制导线宽度最好不小于0.5mm，手工制板应不小于0.8mm。（2）印制导线间距由它们之间的安全工作电压决定。相邻导线之间的峰值电压、基板的质量、表面涂覆层、电容耦合参数等都影响印制导线的安全工作电压。为满足电气安全要求，印制导线宽度与间隙一般不小于lmm。6．焊盘的形状PCB设计时可根据不同的要求选择不同形状的焊盘，常见焊盘形状及用途如下表所示：第2章PCB的设计与制作第2章PCB的设计与制作7．焊盘的孔径焊盘的外径决定焊盘的大小，用D表示；焊盘的内径由元件引线直径、孔金属化电镀层厚度等方面决定，用d表示，一般不小于0.6mm，否则开模冲孔时不易加工。对于单面板D≥（d十1.5）mm；对于双面板D≥（d十1.0）mm。2.1.4PCB高级设计在PCB的设计过程，只懂得一些设计基础只能解决简单及低频方面的PCB设计问题，而对于复杂与高频方面的PCB设计却要困难得多。往往解决由设计而考虑不周的问题所花费的时间是设计时的很多倍，甚至可能重新设计。为此，在PCB的设计中还应解决如下问题：1．热干扰及抑制元器件在工作中都有一定程度的发热，尤其是功率较大的器件所发出的热量会对周边温度比较敏感的器件产生干扰，若热干扰得不到很好的抑制，那么整个电路的电性能就会发生变化。为了对热干扰进行抑制，可采取以下措施：第2章PCB的设计与制作（1）发热元件的放置不要贴板放置，可以移到机壳之外，也可以单独设计为一个功能单元，放在靠近边缘容易散热的地方。比如微机电源、贴于机壳外的功放管等。另外，发热量大的器件与小热量的器件应分开放置。（2）大功率器件的放置应尽量靠近印制板边缘布置，在垂直方向时应尽量布置在印制板上方。（3）温度敏感器件的放置对温度比较敏感的器件应安置在温度最低的区域，千万不要将它放在发热器件的正上方。（4）器件的排列与气流非特定要求，一般设备内部均以空气自由对流进行散热，故元器件应以纵式排列；若强制散热，元器件可横式排列。另外，为了改善散热效果，可添加与电路原理无关的零部件以引导热量对流。器件的排列与气流关系如图2-3所示。第2章PCB的设计与制作2．共阻抗干扰及抑制共阻干扰是由PCB上大量的地线造成。当两个或两个以上的回路共用一段地线时，不同的回路电流在共用地线上产生一定压降，此压降经放大就会影响电路性能；当电流频率很高时，会产生很大的感抗而使电路受到干扰。为了抑制共阻抗干扰，可采用如下措施：（1）一点接地（2）就近多点接地第2章PCB的设计与制作（3）汇流排接地汇流排是由铜箔板镀银而成，PCB上所有集成电路的地线都接到汇流排上。汇流排具有条形对称传输线的低阻抗特性，在高速电路里，可提高信号传输速度，减少干扰。汇流排接地示意图如图所示：第2章PCB的设计与制作（4）大面积接地在高频电路中将PCB上所有不用面积均布设为地线，以减少地线中的感抗，从而削弱在地线上产生的高频信号，并对电场干扰起到屏蔽作用。大面积接地示意图如图所示。第2章PCB的设计与制作（5）加粗接地线若接地线很细，接地电位则随电流的变化而变化，致使电子设备的定时信号电平不稳，抗噪声性能变坏，其密度至应大于3mm。（6）D/A（数/模）电路的地线分开两种电路的地线各自独立，然后分别与电源端地线相连，以抑制它们相互干扰。3．电磁干扰及抑制电磁干扰是由电磁效应而造成的干扰，由于PCB上的元器件及布线越来越密集，如果设计不当就会产生电磁干扰。为了抑制电磁干扰，可采取如下措施：（1）合理布设导线印制线应远离干扰源且不能切割磁力线；避免平行走线，双面板可以交叉通过，单面板可以通过“飞线”跨过；避免成环，防止产生环形天线效应；时钟信号布线应与地线靠近，对于数据总线的布线应在每两根之间夹一根地线或紧挨着地址引线放置；第2章PCB的设计与制作为了抑制出现在印制导线终端的反射干扰，可在传输线的末端对地和电源端各加接一个相同阻值的匹配电阻。（2）采用屏蔽措施可设置大面积的屏蔽地线和专用屏蔽线以屏蔽弱信号不受干扰，屏蔽线防止电磁干扰如图所示。第2章PCB的设计与制作（3）去耦电容的配置在直流供电电路中，负载的变化会引起电源噪声并通过电源及配线对电路产生干扰。为抑制这种干扰，可在单元电路的供电端接一个10～100µF的电解电容器；可在集成电路的供电端配置一个680pF～0.1µF的陶瓷电容器或4～10个芯片配置一个l～10µF的电解电容器；对ROM、RAM等芯片应在电源线（VCC）和地线（GND）间直接接入去耦电容等。2.2PCB设计实例随着PCB的走线愈加精密和复杂，传统的手工方式设计和制作PCB已显得越来越难了。如今不管是工厂制板或是实验室制板，都采用CAD软件，因它们能够协助用户完成电子产品线路的设计，具备自动布线、自动布局、逻辑检测、逻辑模拟等功能。实际中广泛使用的制图制板的软件是Protel99SE。一般来说，利用Protel99SE设计PCB可以分为3个主要步骤。第2章PCB的设计与制作2.2.1电路原理图的设计及流程电路原理图的设计主要是利用Protel99SE的原理图设计系统（AdvancedSchematic）来绘制一张电路原理图，它是整个电路设计的基础。在这一过程中，要充分利用Protel99SE所提供的各种绘图工具和各种编辑功能。其设计流程如图所示。第2章PCB的设计与制作1．启动Protel99SE电路原理图编辑器单击Windows任务栏的【开始】图标，在【程序】菜单中选择Protel99SE命令，便启动了Protel99SE。2．设置电路图纸尺寸以及版面用户可以设置图纸的尺寸、方向、网格大小以及标题栏等。3．在图纸上放置设计需要的元器件用户根据实际电路的需要，从元器件库里取出所需元器件放置到工作平面上，并对元器件的位置进行调整、修改。4．对所放置的元器件进行布局布线将工作平面上的器件用有电气意义的导线、符号连接起来，构成一个完整的电路原理图。5．对布局布线后的元器件进行调整为了保证原理图的美观和正确，就需要对元件位置进行重新调整。导线位置进行删除、移动、更改图形尺寸、属性及排列等。6．保存文档并打印输出第2章PCB的设计与制作2.2.2网络表的产生网络表是电路原理图设计（Sch）与印制电路板设计（PCB）之间的一座桥梁。网络表可以从电路原理图中获得，也可以从印制电路板中提取。1．产生ERC表电气规则检查（ERC），以便能够找出人为的疏忽。可以检查电路图中是否有电气特性不一致的情况，会按照用户的设置以及问题的严重性分别给以错误或警告信息来提醒用户注意。2．产生网络表在AdvancedSchematic所产生的各种报告中，以网络表（Netlist）最为重要。绘制电路图的主要目的就是为了将设计电路转换出一个有效的网络表，以供其他后续处理程序使用。比如，PCB程序或仿真程序。2.2.3印制电路板的设计及流程印制电路板的设计是Protel99SE的另外一个重要部分。在这个过程中，可以借助Protel99SE提供的强大功能实现电路板的版面设计，完成高难度的布线工作。第2章PCB的设计与制作在PCB设计中，一般采用双面板或多面板，每一层的功能区分都很明确。在多层结构中零件的封装有两种情况，一种是针式封装，即焊点的导孔是贯穿整个电路板的；另一种是STM封装，其焊点只限于表面层；元器件的跨距是指元器件成形后的端子之间的距离。利用Protel99SE设计PCB的流程如图所示。第2章PCB的设计与制作1．PCB设计前的准备工作绘制原理图，然后生成网络表。当然，如果是一个非常简单的电路图，可以直接进行PCB的设计。2．进入PCB设计系统根据个人习惯设置设计系统的环境参数，如格点的大小和类型、光标的大小和类型等，一般来说可以采用系统的默认值。3．设置电路板的有关参数对电路板的大小、电路板的层数等