第5讲 PCB设计基础及单面板设计

第1章 广播电视技术基本,1.1 显象管与显象原理,1.2 电视信号的产生,*,*,PCB,辅助设计,PCB,辅助设计,制作：,联系方式：,1,第,5,讲,PCB,设计基础及单面板设计,主 要 内 容,一、,PCB,定义与分类,二、,PCB,设计基本组件,三、,PCB,编辑器,四、,PCB,工作层,五、规划,PCB,六、装载元件库,七、元件放置与布局调整,八、放置焊盘、过孔,九、手工布线,2,PCB,的定义,印制电路板,(Printed Circuit Board,，简称,PCB,，也称印制线路板、印制板,),是指以绝缘基板为基础材料加工成一定尺寸的板，在其上面至少有一个导电图形及所有设计好的孔（如元件孔、机械安装孔及金属化孔等），以实现元器件之间的电气互连。,在电子设备中，印制电路板通常起三个作用。,为电路中的各种元器件提供必要的机械支撑。,提供电路的电气连接。,用标记符号将板上所安装的各个元器件标注出来，便于插装、检查及调试。,一、,PCB,定义与分类,3,单面印制板,单面印制板指仅一面有导电图形的印制板，板的厚度约在,0.2,5.0mm,，它是在一面敷有铜箔的绝缘基板上，通过印制和腐蚀的方法在基板上形成印制电路。它适用于一般要求的电子设备。,目前的印制电路板一般以铜箔覆在绝缘板（基板）上，故亦称覆铜板。,1.,根据,PCB,导电板层划分,4,双面印制板,双面印制板指两面都有导电图形的印制板，板的厚度约为,0.2,5.0mm,，它是在两面敷有铜箔的绝缘基板上，通过印制和腐蚀的方法在基板上形成印制电路，两面的电气互连通过金属化孔实现。,它适用于要求较高的电子设备，如计算机、电子仪表等，由于双面印制板的布线密度较高，所以能减小设备的体积。,5,多层印制板,多层印制板是由交替的导电图形层及绝缘材料层层压粘合而成的一块印制板，导电图形的层数在两层以上，层间电气互连通过金属化孔实现。多层印制板的连接线短而直，便于屏蔽，但印制板的工艺复杂，由于使用金属化孔，可靠性下降。它常用于计算机的板卡中。,6,图示为四层板剖面图。通常在电路板上，元件放在顶层（元件面），而底层（焊接面）一般是焊接用的。对于,SMD,元件，顶层和底层都可以放元件。,元件也分为两大类，传统的元件是通孔式元件，通常这种元件体积较大，且电路板上必须钻孔才能插装；较新的设计一般采用体积小的表面贴片式元件（,SMD,），这种元件不必钻孔，利用钢模将半熔状锡膏倒入电路板上，再把,SMD,元件放上去，即可焊接在电路板上。,7,2.,根据,PCB,所用基板材料划分,刚性印制板。刚性印制板是指以刚性基材制成的,PCB,，常见的,PCB,一般是刚性,PCB,，如计算机中的板卡、家电中的印制板等，如前图。,常用刚性,PCB,有以下几类：,纸基板。价格低廉，性能较差，一般用于低频电路和要求不高的场合。,玻璃布板。价格较贵，性能较好，常用作高频电路和高档家电产品中。,合成纤维板。价格较贵，性能较好，常用作高频电路和高档家电产品中。,当频率高于数百兆赫时，必须用介电常数和介质损耗更小的材料，如聚四氟乙烯和高频陶瓷作基板。,8,挠性印制板（也称柔性印制板、软印制板）。挠性印制板是以软性绝缘材料为基材的,PCB,。由于它能进行折叠、弯曲和卷绕，因此可以节约,60,90,的空间，为电子产品小型化、薄型化创造了条件，它在计算机、打印机、自动化仪表及通信设备中得到广泛应用。,刚,-,挠性印制板。刚,-,挠性印制板指利用软性基材，并在不同区域与刚性基材结合制成的,PCB,，主要用于印制电路的接口部分。,刚,-,挠性印制板样图,挠性印制板样图,9,二、,PCB,设计基本组件,1.,板层（,Layer,）,板层分为敷铜层和非敷铜层，平常所说的几层板是指敷铜层的层面数。一般在敷铜层上放置焊盘、线条等完成电气连接；在非敷铜层上放置元件描述字符或注释字符等；还有一些层面（如禁止布线层）用来放置一些特殊的图形来完成一些特殊的作用或指导生产。,敷铜层一般包括顶层（又称元件面）、底层（又称焊接面）、中间层、电源层、地线层等；非敷铜层包括印记层（又称丝网层、丝印层）、板面层、禁止布线层、阻焊层、助焊层、钻孔层等。,10,对于一个批量生产的电路板而言，通常在印制板上铺设一层阻焊剂，阻焊剂一般是绿色或棕色，除了要焊接的地方外，其它地方根据电路设计软件所产生的阻焊图来覆盖一层阻焊剂，这样可以快速焊接，并防止焊锡溢出引起短路；而对于要焊接的地方，通常是焊盘，则要涂上助焊剂。,11,2.,焊盘（,Pad,）,焊盘用于固定元器件管脚或用于引出连线、测试线等，它有圆形、方形等多种形状。焊盘的参数有焊盘编号、,X,方向尺寸、,Y,方向尺寸、钻孔孔径尺寸等。,焊盘分为插针式及表面贴片式两大类，其中插针式焊盘必须钻孔，表面贴片式焊盘无须钻孔。,12,3.,金属化孔（,Via,）,金属化孔也称过孔，在双面板和多层板中，为连通各层之间的印制导线，通常在各层需要连通的导线的交汇处钻上一个公共孔，即过孔，用以连通中间各层需要连通的铜箔，而过孔的上下两面做成圆形焊盘形状，过孔的参数主要有孔的外径和钻孔尺寸。,过孔可以是通孔式和掩埋式。通孔式是指穿通所有敷铜层的过孔；掩埋式过孔则仅穿通中间几个敷铜层面，仿佛被其它敷铜层掩埋起来。,13,印制导线用于印制板上的线路连接，通常印制导线是两个焊盘（或过孔）间的连线，而大部分的焊盘就是元件的管脚，当无法顺利连接两个焊盘时，往往通过跳线或过孔实现连接。,4.,连线（,Track,、,Line,）,连线是指有宽度、有位置方向（起点和终点）、有形状（直线或弧线）的线条。在敷铜面上的线条一般用来完成电气连接，称为印制导线或铜膜导线；在非敷铜面上的连线一般用作元件描述或其它特殊用途,。,14,5.,元件的封装（,Component Package,）,元件的封装是指实际元件焊接到电路板时所指示的元件外形轮廓和引脚焊盘的间距。不同的元件可以使用同一个元件封装，同种元件也可以有不同的封装形式。,印制元件的封装是显示元件在,PCB,上的布局信息，为装配、调试及检修提供方便。在,Protel 2004,中元件的图形符号被设置在丝印层（也称丝网层）上。,15,元件封装的命名一般与管脚间距和管脚数有关，如电阻的封装,AXIAL0.3,中的,0.3,表示管脚间距为,0.3,英寸或,300mil,（,1,英寸,=1000mil,）；双列直插式,IC,的封装,DIP8,中的,8,表示集成块的管脚数为,8,。元件封装中数值的意义如图,4-7,所示。,16,电路原理图元件与印制板元件的比较,电路原理图中的元件是一种电路符号，有统一的标准，而印制板中的元件代表的是实际元件的物理尺寸和焊盘，集成电路的尺寸一般是固定的，而分立元件一般没有固定的尺寸，可根据需要设定。,17,6.,网络（,Net,）和网络表（,Netlist,）,从一个元器件的某一个管脚上到其它管脚或其它元器件的管脚上的电气连接关系称作网络。每一个网络均有唯一的网络名称，有的网络名是人为添加的，有的是系统自动生成的，系统自动生成的网络名由该网络内两个连接点的管脚名称构成。,网络表描述电路中元器件特征和电气连接关系，一般可以从原理图中获取，它是原理图设计和,PCB,设计之间的纽带。,18,7.,飞线（,Connection,）,飞线是在电路进行自动布线时供观察用的类似橡皮筋的网络连线，网络飞线不是实际连线。通过网络表调入元件并进行布局后，可以看到网络飞线，不断调整元件的位置，使网络飞线的交叉最少，以提高自动布线的布通率。,自动布线结束，未布通的网络上仍然保留网络飞线，此时可以可用手工连接的方式连通这些网络。,8.,安全间距（,Clearance,）,在进行印制板设计时，为了避免导线、过孔、焊盘及元件的相互干扰，必须在它们之间留出一定的间距，这个间距称为安全间距。,9.,栅格（,Grid,）,栅格用于,PCB,设计时的位置参考和光标定位，栅格有公制和英制两种。,19,三、,PCB,编辑器,1.,启动,PCB99SE,进入,Protel99SE,的主窗口后，执行菜单建立新的设计项目，单击,OK,按钮，在出现的新界面中指定文档位置，再次执行，屏幕弹出新建文件的对话框，单击图标 ，系统产生一个,PCB,文件，默认文件名为,PCB1.PCB,，此时可以修改文件名，双击该文件进入,PCB99SE,编辑器。,2.PCB,编辑器的画面管理,窗口显示,在,PCB99SE,中，窗口管理可以执行菜单,View,下的命令实现，窗口的排列可以通过执行,Windows,菜单下的命令来实现，常用的命令如下。,20,21,执行菜单,ViewFit Board,实现全板显示。,执行菜单,ViewRefresh,可以刷新画面。,执行菜单,ViewBoard in 3D,可以显示整个,PCB,的,3D,模型，使用该功能可以观察元件的布局或布线是否合理。,PCB99SE,坐标系,用户可自定义新的坐标原点，执行菜单,EditOrigin,Set,，将光标移到要设置为新的坐标原点的位置，单击左键，即可设置新的坐标原点。,执行菜单,EditOriginReset,，可恢复绝对坐标原点。,22,单位制设置,执行,ViewToggle Units,可以实现英制和公制切换。,浏览器使用,执行菜单,ViewDesign Manager,打开管理器，选中,Browse PCB,选项打开浏览器，在浏览器的,Browse,下拉列表框中可以选择浏览器类型。,Nets-,网络浏览器，显示板上所有网络名。,Component-,元件浏览器，在将显示当前电路板图中的所有元件名称和选中元件的所有焊盘。,Libraries-,元件库浏览器，在放置元件时，必须使用元件库浏览器，这样才会显示元件的封装名。,Violations-,违规错误浏览器，查看当前违规信息。,Rules-,设计规则浏览器，可以查看并修改设计规则。,23,四、,PCB,工作层,1.,工作层的类型,在,Protel99SE,中进行印刷电路板设计时，系统提供了多个工作层面，主要层面类型如下。,信号层,(Signal layers),。信号层主要用于放置与信号有关的电气元素，共有,32,个信号层。其中顶层（,Top layer,）和底层（,Bottom layer,）可以放置元件和铜膜导线，其余,30,个为中间信号层（,Mid layer1,30,），只能布设铜膜导线，置于信号层上的元件焊盘和铜膜导线代表了电路板上的敷铜区。,内部电源,/,接地层,(Internal plane layers),。共有,16,个电源,/,接地层（,Plane1,16,），主要用于布设电源线及地线，可以给内部电源,/,接地层命名一个网络名，在设计过程中,PCB,编辑器能自动将同一网络上的焊盘连接到该层上。,24,机械层,(Mechanical layers),。共有,16,个机械层，用于设置板的物理尺寸、数据标记、装配说明等。,丝印层,(Silkscreen layers),。主要用于放置元件的外形轮廓、标号和注释等信息，包括顶层丝印层,(Top Overlay),和底层丝印层（,Bottom Overlay,）两种。,阻焊层（,Solder Mask layers,）。放置其上的焊盘和元件代表电路板上未敷铜的区域，分为顶层阻焊层和底层阻焊层。,锡膏防护层（,Paste mask layers,）。主要用于,SMD,元件的安装，分为顶层防锡膏层和底层防锡膏层。,钻孔层（,Drill Layers,）。钻孔层提供制造过程的钻孔信息，包括钻孔指示图（,Drill Guide,）和钻孔图（,Drill Drawing,）。,25,禁止布线层（,Keep Out Layer,）。禁止布线层定义放置元件和布线区域范围，一般禁止布线区域必须是一个封闭区域。,多层（,Multi Layer,）。用于放置电路板上所有的穿透式焊盘和过孔。,2.,定义工作层,执行,DesignLayer Stack Manager,定义信号层、内部电源层,/,接地层的数目。,26,27,执行菜单,DesignMechanical Layers,，设置机械层。,设置完信号层、内部电源,/,接地层和机械层后，执行菜单,DesignOptions,，选中,Layers,选项卡，选中的层将出现在工作层设置对话框中，如图,4-22,所示。,28,五、规划,PCB,手工设计,PCB,是用户直接在,PCB,软件中根据原理图进行手工放置元件、焊盘、过孔等，并进行线路连接的操作过程，手工设计的一般步骤如下。,规划印制电路板。,放置元件、焊盘、过孔等图件。,元件布局。,手工布线。,电路调整。,输出,PCB,。,以下采用阻容耦合放大电路为例介绍手工布线方法，电路样图如图,5-1,所示。,29,30,在,PCB,设计中，首先要规划印制板，即定义印制板的机械轮廓和电气轮廓。,印制板的机械轮廓是指电路板的物理外形和尺寸，需要根据公司和制造商的要求进行相应的规划，机械轮廓定义在,4,个机械层上，比较合理的规划机械层的方法是在一个机械层上绘制电路板的物理轮廓，而在其它的机械层上放置物理尺寸、队列标记和标题信息等。,印制板的电气轮廓是指电路板上放置元件和布线的范围，电气轮廓一般定义在禁止布线层上，是一个封闭的区域。,通常在一般的电路设计中仅规划,PCB,的电气轮廓，本例中采用公制规划。,31,工作层,Keepout Layer,Place,Line,闭合,32,六、装载元件库,在设计管理器中选中,Browse PCB,选项，在,Browse,下拉列表框中选择,Libraries,，将其设置为元件库浏览器。单击,Libraries,栏下方的,Add/Remove,按钮设置元件库。,PCB99SE,中，印制板库文件位于,Design Explorer 99 SELibraryPcb,目录下，常用的印制板库文件是,Generic Footprint,文件夹中的,Advpcb.ddb,，本例中元件均在该库。,元件也可以自行设计，调用时必须装载自定义的元件库。,33,七、元件放置与布局调整,1.,元件放置,从元件浏览器中选中元件后，单击右下角的,Place,按钮，放置该元件。,执行菜单,PlaceComponent,或单击放置工具栏上按钮 ，,放置元件。,34,双击元件，屏幕弹出图,5-4,所示的元件属性对话框，可以修改元件属性。,35,2.,手工移动元件,用鼠标拖动,执行菜单,EditMoveComponent,，移动元件,执行菜单,EditMoveDrag,，拖动元件，线一起动。,执行菜单,EditJumpComponent,，快速定位元件。,3.,旋转元件方向,选中元件，按住左键不放，按空格键进行旋转，旋转的角度可以通过执行菜单,ToolsPreferences,进行设置，在弹出的对话框中选中,Options,选项卡，在,Rotation Step,中设置旋转角度，系统默认为,90,度。,PCB,元件一般不进行翻转，以免出现管脚不对应。,4.,元件标注的调整,元件标注文字一般要求排列要整齐，文字方向要一致，不能将标注文字放在元件的框内或压在焊盘或过孔上。,36,37,5.3D,预览,执行,ViewBoard in 3D,，或单击 按钮，对,PCB,进行,3D,预览，产生,3D,预览文件，在图形左边的设计管理器的,Display,区中，拖动视图小窗口的坐标轴可以任意旋转,3D,视图。,38,八、放置焊盘、过孔,1.,放置焊盘,执行,PlacePad,或单击放置工具栏上按钮 ，进入放置焊盘状态，移动光标到合适位置后，单击左键，放下一个焊盘，单击鼠标右键，退出放置状态。,在焊盘处于悬浮状态时，按,Tab,键，调出焊盘的属性对话框，如图,5-11,所示。,39,40,2.,放置过孔,过孔用于连接不同层上的印制导线，执行菜单,Place,Via,或用单击放置工具栏上按钮 ，进入放置过孔状态，移动光标到合适位置后，单击左键，放下一个过孔，此时仍处于放置过孔状态，可继续放置过孔。,在放置过孔状态下，按,Tab,键，调出属性对话框。对话框中包括两个选项卡，其中,Properties,选项卡设置过孔直径、过孔钻孔直径、过孔所导通的层、过孔所在的网络等。,本例中由于是单面板设计，无须使用过孔。,41,九、手工布线,1.,为手工布线设置栅格,在进行手工布线时，如果栅格的设置不合理，布线可能出现锐角，或者印制导线无法连接到焊盘上，因此必须合理地设置捕获栅格尺寸。,设置捕获栅格尺寸可以在电路工作区中单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择,Snap Grid,，从对话框中选择捕获栅格尺寸。,2.,放置印制导线,导线可放置在任何工作层上，当放在信号层上时，具有电气特性，称为印制导线；当放置在其它层时，代表无电气特性的绘图标志线。本例中是单面板，故布线层为,Bottom Layer(,底层,),。,42,单击小键盘上的,键，将工作层切换到,Bottom Layer,。执行菜单,PlaceLine,或单击放置工具栏上按钮 ，放置印制导线。,在放置印制导线过程中，同时按下,Shift+,空格键，可以切换印制导线转折方式，共有六种，分别是,45,度、弧线、,90,度、圆弧角、任意角度和,1/4,圆弧转折。,43,3.,设置手工布线的线宽,在手工放置印制导线时，系统默认的线宽是,10mil,，在放置铜膜的过程中按下,键，屏幕弹出线宽设置对话框，如图,5-15,所示，可以定义线宽和连线的工作层。,手工布线后的电路如图,5-16,所示，其中印制导线的线宽设置为,1.5mm,，焊盘的直径为,2mm,。,44,4.,交互式布线,执行菜单,PlaceLine,或单击放置工具栏按钮 ，进行交互式布线，在布线过程中切换工作层会自动添加过孔。,45,