印刷电路板设计基础

印刷电路板设计基础（一）宋晓虹印刷电路板介绍•印刷电路板就是一个载体，是用于焊接实际电子元件、具有电气特性的板子，称PCB板（PrintedCircuitBoard）印刷电路板介绍•印刷电路板的制作材料主要有绝缘材料（一般是SiO2）、金属铜以及焊锡等。制作时，先将印制电路板建立在一块绝缘基板上，再将电路原理图中的导线制作成铜膜走线，元件引脚处则被制成过孔和焊盘。印刷电路板的组成印刷电路板主要由焊盘、过孔、安装孔、导线、元器件、接插件、填充等组成，如图所示。印刷电路板的板层结构印刷电路板常见的板层结构包括单层板（SingleLayerPCB）、双层板（DoubleLayerPCB）和多层板（MultiLayerPCB）三种。单面板一面有敷铜，一面没有敷铜，设计时，只能在一面进行布线并放置元件。不需要打过孔。单面板由于成本低而被广泛采用。但是由于只能在一面上进行走线，所以设计要比双面板或多层板困难得多。印刷电路板的板层结构•双面板：双面板包括顶层（TopLayer）和底层（BottomLayer）两层，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，但布线容易操作，是制作电路板比较理想的选择•多层板：多层板包含了多个工作层的电路板。除了顶层、底层以外，还包括中间层、内部电源或接地层等。印刷电路板的板层结构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。印刷电路板的“层”不是虚拟的，而是印刷板材料本身实实在在的铜箔层。Protel的PCB板包括许多类型的工作层，如信号层（SignalLayers）、内部电源层（InternalPlanes）、机械层（MechanicalLayers）等。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。信号层：主要用于布线，也可以放置一些与电气信号有关的电气实体。ProtelDXP2004提供了32个信号层，包括顶层、底层和30个中间层（Mid）。其中顶层一般用于放置元件，底层放置焊锡元件，中间层主要用于放置信号走线/PCB中的层PCB中的层•内部电源层（InternalPlanes）主要用于连接电源网络和接地网络，也可连接其他网络。ProtelDXP2004提供了16个内部电源层，以满足使用。•对于多板层设计，需要使用大面积的电源和地，从而导致电源和接地网络很复杂，因此需要用整片铜膜建立一个内部电源层，再通过过孔与电路板的表层电源层网络连接，从而简化电源布线。PCB中的层•（3）机械层（MechanicalLayers）机械层主要用于放置标注和说明等，例如尺寸标记、过孔信息、数据资料、装配说明等。ProtelDXP2004提供了16个机械层，它们是Mechanical1~Mechanical16。可以在打印或绘制其他层时加上机械层，这样机械层上的基准信息也可以被打印或绘制出来。PCB中的层•（4）阻焊层和锡膏防护层（Mask）阻焊层用于放置阻焊剂，防止在焊接时由于焊锡扩张引起短路，ProtelDXP2004提供了TopSolder（顶层）和BottomSolder（底层）两个阻焊层，设计时如果使用阻焊层，将匹配焊盘和过孔•锡膏防护层主要用于安装表面粘贴元件（SMD），ProtelDXP2004提供了TopPaste（顶层）和BottomPaste（底层）两个锡膏防护层。这是表帖元器件的安装工艺所需要的，无表帖元器件时不需要使用该层PCB中的层•（5）丝印层（Silkscreen）丝印层主要用于绘制元件封装的轮廓线和元件封装文字，以便于用户读板，如元器件的外形轮廓、标号和参数等。ProtelDXP2004提供了TopOverlayer（顶层）和BottomOverlayer（底层）两个丝印层，在丝印层（Silkscreen）做的所有标志都是用绝缘材料印制到电路板上，不具有导电特性，不会影响到电路的连接。PCB中的层•（6）其他层（Other）其他层主要包括钻孔层、禁止布线层等，主要有：Drilllayer（钻孔层）：用于绘制钻孔图及标注钻孔的位置，包括DrillGuide（钻孔引导）和DrillDrawing（钻孔图层）两种。前者基本不用，后者通常用来生成制作PCB时的钻孔图片，在PCB设计页面的DrillDrawing层是看不到钻孔符号的，在输出的时候会自动生成。KeepOut（禁止布线层）：用于在电路板布局时设定放置元件和导线的区域边界。MultiLayer（多层）：用于设置多层面，此层上放置的对象将贯穿所有信号板层，内层板层和阻焊层等，常用于放置跨板层对象，如焊盘、导孔等Connect（飞线层）：用于显示飞线（导入网络表时产生的预拉线）PCB中的层•对于手工绘制双面印制电路板来说，使用最多的是TopLayers(顶层铜箔布线)、BottomLayers（底层铜箔布线）和TopSilkscreen(顶层丝印层)。一般顶层用红色、底层用蓝色、文字及符号用绿色或白色、焊盘和过孔用黄色。PCB设计中的图件1.元件封装（也称元件）元件封装指实际元件焊接到电路板时指示的外观和焊点位置，它是实际元件引脚和印制电路板上的焊点一致的保证。由于元件封装只是元件的外观和焊点位置，即仅仅是空间的概念，因此不同的元件可共用一个封装；另一个方面，同一种元件也可有不同的封装。如电阻的封装形式有AXIAL-0.3AXIAL-0.4AXIAL-0.5电阻的封装形式如图所示，后面的数字表示形状大小，数字越大，形状越大1KR?Res1PCB设计中的图件•二极管的封装•三极管的封装•双列直插式集成电路封装•ProtelDXP连接件封装PCB设计中的图件铜膜导线：铜膜导线也称“铜膜走线”，简称“导线”，用于连接各个焊点，是印制电路板最重要的部分。印制电路板设计均围绕如何布置导线进行。与导线有关的另一种线常称为“飞线”，即预拉线。飞线是在引入Netlist后系统根据规则生成的，用来指引布线的一种连线。飞线与导线有本质区别，它在形式上表示各个焊点间的连接关系，但没有电气的连接意义；导线则根据飞线指示的焊点间的连接关系而布置，是具有电气连接意义的连接线路。PCB设计中的图件•焊盘焊盘的作用是放置焊锡、连接导线和元件引脚；可以单独放在一层或多个板层上。焊盘的形状有圆形、矩形、圆角矩形或八边形等，根据元件本身来确定。其中焊盘直径和焊盘孔径可在0~1000mil之间变化。焊盘直径焊盘孔径PCB设计中的图件•导孔（也称过孔）过孔的作用是连接不同板层的导线，有3种，即从顶层贯通到底层的穿透式导孔，从顶层到内层或从内层通到底层的盲导孔和层间的隐藏导孔。导孔有两个尺寸，即导孔直径和通孔直径。通孔的孔壁由与导线相同的材料构成，用于连接不同板层的导线。PCB设计中的图件除了上面介绍的元件、导线、焊盘、过孔外，还有一些印制电路板上的其他图件，以后在详细介绍。PCB设计方法PCB设计方法主要有三种：全自动设计、全手工设计和半自动设计全自动设计：利用protel提供的各种自动化工具进行印制电路板的设计工作。优缺点：周期短，但是由于但是人工智能还不完善，因此设计还有缺陷全手工设计：利用protel提供的各种PCB绘制工具进行设计工作优缺点：设计从实际出发，产品比较完美，但是设计费时费力，有时还有人为的错误半自动布局：是目前用得比较多的方式，结合了自动化设计和手工设计的特点，省时省力，设计的灵活性也比较大。PCB设计流程准备网络报表规划印制电路板导入网络报表及元件封装设置相关参数元件布局、自动布线手工调整保存及输出准备网络报表：主要指电路原理图的设计及网络报表的生成。有时也可以不进行原理图绘制，直接进入PCB设计系统规划印制电路板：主要是对电路板的初步规划，如板的大小，采用几层电路、元件采用什么封装形式等。确定电路板设计的框架设置相关参数：设置元件的布置参数、板层参数和布线参数等导入网络表及元件封装：网络报表是电路板布线的灵魂，也是原理图设计系统与印制电路板设计系统的接口。只有将网络报表装入后，才可能完成对电路板的自动布线。元件封装就是元件的外形，每个装入的元件都必须有相应的外形封装元件的布局：可以由protel自动进行，并自动将元件布置在电路板边框内自动布线：protelDXP2004引入了先进的技术，只要参数设置得当，元件布局面合理，自动布线成功率很高（几乎是100%）手工调整：在自动布线结束后，对不满意的地方进行手工调整文件保存及输出：完成布线后，可以将完成的PCB文件保存，利用输出设备（打印机或绘图仪）输出电路板的布线图。PCB设计实例•创建项目“多谐振荡器.PRJPCB”•新建原理图文件“多谐振荡器.Schdoc”，绘制如下原理图VCCQ22N3904Q12N3904R11KR21KR310KR410KD1LED0D2LED0C147uFC247uF生成网络表文件菜单：设计——设计项目中的网络表——protel，在project面板中可以看到网络表文件。创建PCB文件•创建新的PCB文件，保存文件为“多谐振荡器.Pcbdoc•在PCB工作区设置原点（PCB的参考基占，方便操作）执行菜单命令：编辑——原点——设定，用鼠标在区域内单击如果原点没有显示，可以执行：工具——优先设定，在ProtelPCB项中选取“显示原点标记”，确定即可。设置工作层•执行菜单命令：设计——PCB板层次颜色，在弹出的窗口中选择TopLayer、BottomLayer、Topoverlay、Keep-outLayer、Multi-Layer和Mechanical1共6个层在工作区下边显示6个工作层标签，任一时刻只能对一个工作层进行操作。加载网络表•执行菜单：设计——ImportChangesForm多谐振荡器.PRJPCB，弹出如下对话框：单击“执行变化”命令，可以看到检查状态都显示正确，此时元件调入工作区。单击“关闭按钮”注意：一定要将原理图与PCB文档保存在同一个项目中查看元件•将工作区缩小，看到元件整齐排列在一个紫色矩形框中，中间有一个红色的“多谐振荡器”字样。表示这些元件属于该原理图。将所有元件移入工作区中查看元件•单击矩形框任意位置，用Delete键将其删除掉•调整元件位置（一般原则如下：）–元件布局要集中、紧凑–元件要呈一定方向排列–接插件要分布在电路板的边沿，集成电路和关键元件要靠近电路板的中心区域–元件的标号要呈一定方向排列，且不得放置在元件或焊盘上，也不得放置于电路板边之外–布局时要根据“飞线”连接设置电路板尺寸•在元件布局完成后，发现电路板比较大，需要重新设置电路板尺寸。•选择Mechanical1层，从原点开始绘制矩形框•再选择Keep-OutLayer层，绘制一个较小的矩形选择所有元件，执行菜单“设计——PCB板形状——根据选定的元件定义”自动布线•执行菜单：自动布线——全部对象，弹出如下对话框直接点击“RouteAll”，计算机开始计算并进行布线。布线过程中会弹出布线进程及相关信息布好后的电路板其中顶层是红色连线，底层是蓝色连线其他步骤•其他步骤还包括手工调整、覆铜、DRC检测和输出文件等，以后再逐一介绍上机操作内容请大家按WORD文档提示进行PCB设计快速入门