印制电路板设计初步.ppt

第5章印制电路板设计初步,5.1印制板设计基础5.2Protel99SEPCB的启动及界面认识5.3手工设计单面印制板Protel99SEPCB基本操作习题,5.1印制板设计基础,5.1.1印制板种类及结构印制板种类很多，根据导电层数的不同，可将印制板分为单面电路板(简称单面板)、双面电路板(简称双面板)和多层电路板；根据覆铜板基底材料的不同，又可将印制板分为纸质覆铜箔层压板和玻璃布覆铜箔层压板两大类。此外，采用挠性塑料作基底的印制板称为挠性印制板，常用做印制电缆，主要用于连接可移动部件，例如DVD机内激光头与电路板之间就通过挠性印制电缆连接。,单面板的结构如图5-1(a)所示，所用的覆铜板只有一面敷铜箔，另一面空白，因而也只能在敷铜箔面上制作导电图形。单面板上的导电图形主要包括固定、连接元件引脚的焊盘和实现元件引脚互连的印制导线，该面称为“焊锡面”在Protel99/99SEPCB编辑器中被称为“Bottom”(底)层。没有铜膜的一面用于安放元件，因此该面称为“元件面”在Protel99PCB编辑器中被称为“Top”(顶)层。由于单面板结构简单，没有过孔，生产成本低，因此，线路相对简单、工作频率较低的电子产品，如收录机、电视机、计算机显示器等电路板一般采用单面板。,尽管单面板生产成本低，但单面板布线设计难度最大，原因是只能在一个面上布线，布通率比双面板、多面板低；可利用的电磁屏蔽手段也有限，电磁兼容性指标不易达到要求。理论上，对于平面网孔电路，在单面板上布线时，布通率为100%；对于非平面网孔电路，在单面板上，无法通过印制导线连接的少量节点可使用“飞线”连接，但飞线数目必须严格限制在一定范围内，否则电路性能会下降。,双面板结构如图5-1(b)所示，基板的上、下两面均覆盖铜箔。因此，上、下两面都可以印制导电图形。导电图形中除了焊盘、印制导线外，还有用于使上、下两面导电图形互连的“金属化过孔”。在双面板中，元件也只能安装在其中的一个面上，该面同样称为“元件面”，另一面称为“焊锡面”。在双面板中，需要制作连接上、下面印制导线的金属化过孔，生产工艺流程比单面板多，成本高。但由于可以两面走线，因而布线相对容易，布通率高。借助与地线相连的敷铜区即可较好地解决电磁干扰问题，因此应用范围很广，多数电子产品，如VCD机、单片机控制板等均采用双面板结构。,(a),(b),(c),图5-1单面、双面及多面印制电路板剖面,随着集成电路技术的不断发展，元器件集成度越来越高，引脚数目迅速增加，电路图中元器件连接关系越来越复杂。此外，器件工作频率也越来越高，双面板已不能满足布线和电磁屏蔽要求，于是就出现了多层印制板。在多层印制板中，导电层的数目一般为4、6、8、10等，例如在四层板中，上、下面(层)是信号层(信号线布线层)，在上、下两层之间还有内电源层、内地线层，如图5-1(c)所示。在多层印制板中，可充分利用电路板的多层结构解决电磁干扰问题，提高了电路系统的可靠性。多层印制板可布线层数多，走线方便，布通率高，连线短，印制板面积也较小(印制导线占用面积小)。目前，计算机设备，如主机板、内存条、显示卡等均采用4或6层印制电路板。,在多层电路板中，层与层之间的电气连接通过元件引脚焊盘和金属化过孔实现，除了元件引脚焊盘孔外，用于实现不同层电气互连的金属化过孔最好贯穿整个电路板(经特定工艺处理后，不会造成短路)，以方便钻孔加工。图5-1(c)所示的四层板中，给出了五种不同类型的金属化过孔。例如，用于元件面上印制导线与电源层相连的金属化过孔中，为了避免与地线层相连，在该过孔经过的地线层上少了一个比过孔大的铜环(很容易通过刻蚀工艺实现)，这样该金属化过孔就不会与地线层相连。,5.1.2印制板材料根据覆铜板基底材料的不同，可以将印制板分为纸质覆铜箔层压板和玻璃布覆铜箔层压板两大类。使用粘结树脂将纸或玻璃布粘在一起，然后经过加热、加压工艺处理就形成了纸质覆铜箔层压板和玻璃布覆铜箔层压板。目前，常用的粘结树脂主要有酚醛树脂、环氧树脂和聚四氟乙烯树脂三种。使用酚醛树脂粘结的纸质覆铜箔层压板称为覆铜箔酚醛纸质层压板，其特点是成本低，主要用作收音机、电视机以及其他电子设备的印制电路板。,使用环氧树脂粘结的纸质覆铜箔层压板称为覆铜箔环氧纸质层压板。覆铜箔环氧纸质层压板的电气性能和机械性能均比覆铜箔酚醛纸质层压板好，也主要用作收音机、电视机以及其他低频电子设备的印制电路板。使用环氧树脂粘结的玻璃布覆铜箔层压板称为覆铜箔环氧玻璃布层压板。这是目前使用最广泛的印制电路板材料之一，它具有良好的电气和机械性能，耐热，膨胀系数小，尺寸稳定，可在较高温度下使用，可广泛用作各种电子设备、仪器的印制电路板。,使用聚四氟乙烯树脂粘结的玻璃布覆铜箔层压板称为覆铜箔聚四氟乙烯玻璃布层压板。覆铜箔聚四氟乙烯玻璃布层压板介电性能好(介质损耗小、介电常数低)，耐高温(工作温度范围宽)，耐潮湿(可以在潮湿环境下使用)，耐酸、碱(即化学稳定性高)，是制作高频、微波电子设备印制电路板的理想材料，只是价格较高。此外，对防火有特殊要求的电子设备，如计算机主机电源，使用的印制板材料还必须具有阻燃或自熄性能。覆铜箔层压板有时也简称为覆铜板，主要性能指标有基板厚度、铜箔厚度、铜膜抗剥强度、翘曲度、介电常数、介质损耗角正切等，常用纸质、玻璃布覆铜箔层压板厚度为1.52.0mm，铜箔厚度为3550m。,5.2Protel99SEPCB的启动及界面认识,5.2.1启动PCB编辑器1创建新的PCB文件在Protel99SE状态下，可通过如下方式之一创建新的PCB文件，进入PCB编辑状态：任何时候，单击“File”菜单下的“New”命令，在图1-6所示窗口内直接双击“PCBDocument”(PCB文档)文件图标，即可创建新的、空白的PCB文件，进入印制板编辑状态，如图5-2所示。,图5-2Protel99SEPCB编辑器窗口,通过上述方式创建的PCB文件没有自动生成印制板的边框，只适用于创建非标准尺寸印制板。对于标准规格印制板，如对于ISA、PCI总线扩展卡来说，最好通过“PrintedCircuitBoardWizard”(印制板向导)创建标准尺寸的PCB文件，然后通过原理图编辑器窗口内的“UpdatePCB(更新PCB)”命令，把原理图中元件封装图、电气连接直接装入PCB文件内。有关通过“PrintedCircuitBoardWizard”(印制电路板向导)创建新PCB文件的操作过程在第6章中将做详细介绍。,5.2.2PCB编辑器界面Protel99SE印制板编辑窗口如图5-2所示，菜单栏内包含了“File”(文件)、“Edit”(编辑)、“View”(浏览)、“Place”(放置)、“Design”(设计)、“Tools”(工具)、“AutoRoute”(自动布线)等，这些菜单命令的用途随后会逐一介绍。与原理图编辑器相似，在印制板编辑、设计过程中，除了可使用菜单命令操作外，PCB编辑器也将一系列常用的菜单命令以工具“按钮”形式罗列在“工具栏”内，用鼠标单击“工具栏”上的某一“工具”按钮，即可迅速执行相应的操作，使用起来方便、快捷。PCB编辑器提供了主工具栏(MainToolbar)、放置工具(PlacementTools)栏(窗)。必要时可通过“View”菜单下的“Toolbars”命令打开或关闭这些工具栏(窗)。缺省时这两个工具栏均处于打开状态。,主工具栏(窗)内各工具的作用与SCH编辑器主工具栏相同或相近，在此不再介绍。放置工具栏内的工具名称如图5-3所示。启动后，PCB编辑区内显示的栅格线是第二栅格线，大小为1000mil(即1英寸)，即25.4mm。在编辑区下方列出了目前已打开的工作层和当前所处的工作层。,图5-3放置工具栏内的工具,启动后，PCB编辑区内显示的栅格线是第二栅格线，大小为1000mil(即1英寸)，即25.4mm。在编辑区下方列出了目前已打开的工作层和当前所处的工作层。PCB浏览窗(BrowsePCB)内显示的信息及按钮种类与当前浏览对象有关，如图5-4所示，单击“Browse”栏内的下拉按钮，即可选择相应的浏览对象，如“Library”(元件封装库)、“Components”(元件)、“Nets”(节点)、“NetClasses”(节点组)、“ComponentClasses”(元件组)、“Violations”(违反设计规则)、“Rules”(设计规则)等。,图5-4不同浏览对象对应的浏览窗,浏览对象的选择又与当前操作状态有关，例如在手工放置元件封装图时，可选择“Library”(元件封装图库)作为浏览对象(如图5-2所示)；在手工调整元件布局过程中，可选择“Components”(元件)作为浏览对象；在手工调整布线过程中，可选择“Nets”(节点)作为浏览对象；在元件组管理操作(如在组内增加或删除元件)过程中，可选择“ComponentClasses”(元件组)作为浏览对象；在节点组管理操作(如在组内增加或删除节点)过程中，可选择“NetClasses”(节点组)作为浏览对象；而在浏览、纠正设计错误时，可选择“Violations”(违反设计规则)作为浏览对象。,PCB编辑器内工具栏的位置也可移动，例如将鼠标移到工具栏上的空白位置，按下鼠标左键不放，移动鼠标器，即可调整工具栏位置。当工具栏移到工作区内时，就会自动变成“工具窗”；反之，将“工具窗”移到工作区边框时又会自动变成工具栏。在Protel99SEPCB编辑器中，单击“Design”菜单下的“Options”命令，在“Options(选项)”标签窗口内，选择英制(单位为mil)或公制(单位为mm)作为长度计量单位，彼此之间的换算关系如下：,1mil=0.0254mm10mil=0.254mm100mil=2.54mm1000mil(1英寸)=25.4mm,5.3手工设计单面印制板Protel99SEPCB基本操作,5.3.1工作参数的设置与电路板尺寸规划1设置工作层执行“Design”菜单下的“Options”命令，并在弹出的“DocumentOptions”(文档选项)窗内单击“Layers”标签(如图5-5所示)，选择工作层。各层含义如下：,1)Signallayers(信号层)Protel99SEPCB编辑器最多支持32个信号层，其中：TopLayer(顶层)，即元件面，是元器件主要的安装面。在单面板中，不能在元件面内布线，只有在双面板或多面板中才允许在元件面内进行少量布线。在单面板中，由于元件面内没有印制导线，表面封装元件只能安装在焊锡面内；而在多面板中，包括表面封装元件在内的所有元件，应尽可能安装在元件面上，只有在特殊情况下，才考虑在焊锡面上安装表面封装元件。,图5-5选择PCB编辑器的工作层,BottomLayer(底层)，即焊锡面，主要用于布线。焊锡面是单面板中惟一可用的布线层，同时也是双面板、多面板的主要布线层。MidLayer1MidLayer30是中间信号层，主要用于放置信号线。只有多层电路板才需要在中间信号层内布线(对于双面板来说，图5-5中将不出现中间信号层)。2)Internalplanes(内电源/地线层)Protel99/99SEPCB编辑器最多支持16个内电源/地线层，主要用于放置电源/地线网络。在4层以上电路板中，信号层内需要与电源或地线相连的印制导线可通过元件引脚焊盘或过孔与内电源/地线层相连，极大地减少了电源/地线的连线长度。,另一方面，在多层电路板中，能充分利用内地线层对电路板中容易产生辐射或受干扰部位进行屏蔽，电磁兼容性指标容易达到要求。3)Mechanicallayers(机械层)机械层没有电气特性，主要用于放置电路板上一些关键部位的标注尺寸信息、印制板边框以及电路板生产过程中所需的对准孔。打印时往往与其他层套叠打印，以便对准。Protel99SE允许同时使用4个机械层，但一般只需使用12个机械层。例如，将对准孔、印制板边框等放在机械层4(Mechanical4)内(打印时，一般需要与其他层套叠打印，以便对准)；而标注尺寸、注释文字等放在机械层1内，打印时不一定要套叠打印。,但在印制电路板上固定大功率元件所需的螺丝孔以及电路板安装、固定所需的螺丝孔一般以孤立焊盘形式出现，并放在元件面或焊锡面内。这样焊盘的铜环可作垫片使用，另外对于需要接地的元件，如三相稳压器散热片的固定螺丝孔焊盘可直接放在接地网络节点处。,4)Mask(掩膜层)Mask包括SolderMask(阻焊层)和PasteMask(焊锡膏层)。TopSolder(元件面阻焊层)和BottomSolder(焊锡面阻焊层):设置阻焊层的目的是为了防止波峰焊接时，连线、填充区、敷铜区等不需焊接的地方也粘上焊锡。在电路板上，除了需要焊接的地方(主要是元件引脚焊盘、连线焊盘)外，均涂上一层阻焊漆(阻焊漆一般呈绿色或黄色，因此涂阻焊漆工艺也称为“上绿漆”工艺)。这样将元件插入电路板(这一工序称为“插件”)后，送入锡炉焊接时，没有阻焊漆覆盖的导电图形，如元件引脚焊盘，将粘上焊锡，使元件引脚与焊盘连在一起，而被阻焊漆覆盖的导电图形就不会粘上焊锡。对于手工焊接的电路板，在阻焊层保护下，焊点也会均匀、光滑一些。此外，阻焊漆对印制电路板导电图形也有一定的保护作用，如提高了电路板的防潮性能、抗腐蚀性能等。,TopPaste(元件面焊锡膏层)和BottomPaste(焊锡面焊锡膏层)：设置焊锡膏层的目的是为了便于进行贴片式元器件的安装。随着集成电路技术的飞速发展，电子产品体积越来越小，集成电路芯片传统封装方式，如双列直插式(DIP)、单列直插式(SIP)、PLCC、引脚网格阵列(PGA)等芯片封装方式已明显不适应电子产品小型化、微型化的要求。在一些电子产品，如笔记本电脑、计算器、便携式CD唱机、各类家电遥控器等产品的电路板上，广泛采用表面封装元件，如贴片式封装集成电路芯片，甚至电阻、电容、电感、二极管、三极管等分立元件也广泛采用无引线封装的片状元件。,贴片式元件(包括无引线封装的分立元件)的安装方式与传统穿通式元件的安装方式不同，贴片式元件安装过程包括刮锡膏贴片(手工贴片或在专用的贴片机上进行)回流焊。在“刮锡膏”工艺中就需要一块掩膜板，其上有很多方形小孔，每一方形小孔对应贴片式封装元件引脚的一个方形焊盘。在刮锡膏过程中，锡膏的主要成分是松香和锡末，呈黏糊状，具有一定的粘结性，可将贴片式元件、无引线小功率分立元件等粘贴固定在PCB板上。刮锡时，锡膏通过掩膜板上的小孔均匀地涂覆在贴片式元件引脚焊盘位置。贴片时，利用锡膏的粘性，贴片式元件引脚被粘结到PCB板上。,但贴片后，贴片式元件引脚并没有真正焊接在PCB板相应焊盘上，用手轻轻一抹，元件就会移位，甚至脱落，必须送到回流焊接炉加热，使焊锡膏中的锡末熔化变成焊点(在加热焊接过程中，焊锡膏中的松香首先熔化，变成液态，一方面保护锡末不受氧化，另一方面，高温下的松香能提高焊锡活性，它是电子产品焊接工艺中常用的助焊剂，保证元件引脚与焊盘可靠连接)，以完成贴片式元件的焊接过程。PasteMask(焊锡膏层)就是刮锡膏操作时所需的掩膜板。可见，只有在采用贴片式元件的印制板上，才需要PasteMask层。,5)Silkscreen(丝印层)通过丝网印刷方式将元件外形、序号以及其他说明文字印制在元件面或焊锡面上，以方便电路板生产过程的插件(包括表面封装元件的贴片)以及日后产品的维修操作。丝印层一般放在顶层(TopOverlayer)，但对于故障率较高、需要经常维修的电子产品，如电视机、计算机显示器、打印机等的主机板在元件面和焊锡面内均可设置丝印层。6)Other(其他)图5-5中的“Other”设置框包括了：KeepoutLayer，即禁止布线层。一般在该层内绘出电路板的边框，以确定自动布局、布线的范围。,Multilayer，即多层(多个导电层的简称)。焊盘一般放在“Multilayer”层。对于双面板来说，Multilayer包含了焊锡面、元件面；对于四层板来说，Multilayer包含了焊锡面、元件面、内信号层、内电源/地线层。它允许或禁止在屏幕上显示多个导电层信息。当该复选项处于选中状态时，在屏幕上可同时观察到已打开的导电层上的导电图形、文字信息等。反之，当“Multilayer”选项处于关闭状态时，在屏幕上只能观察到当前工作层上的导电图形。Drillguide(钻孔指示层)及Drilldrawing(钻孔层)，这两层主要用于绘制钻孔图以及孔位信息。,7)System(系统)VisibleGrid：可视栅格线(点)开关。Protel99SEPCB编辑器提供了两种可视栅格，即可视栅格1和可视栅格2，前一个VisibleGrid选项对应Visible1,后一个VisibleGrid选项对应Visible2。PadHoles：焊盘孔显示开关。当焊盘孔处于关闭状态时，编辑区内只显示焊盘外形及编号，不显示焊盘内的引线孔。缺省时，不显示焊盘孔径，建议选中该选项，以便在PCB编辑过程中能直观地看到元件引脚焊盘孔径的大小。ViaHoles：金属化过孔的孔径显示开关。当金属化过孔的孔径处于关闭状态时，只显示过孔的外形及编号，不显示过孔的孔径。缺省时，不显示过孔的孔径，建议选中该选项，以便在PCB设计、编辑过程中，直观地看到过孔的孔径大小。,Connection：“飞线”显示开关。当不选择该选项时，执行“UpdatePCB”命令或装入网络表文件后在PCB编辑区内观察不到表示元件引脚电气连接关系的“飞线”。在手工调整元件布局操作过程中，借助“飞线”可以即时了解平移、旋转元件操作的效果，例如旋转某一元件后，“飞线”交叉比旋转前少，说明旋转后连线变短，可保留旋转操作，反之就放弃。DRCError：设计规则检查开关。当选中该选项时，在移动/放置元件、印制导线、焊盘、过孔等导电图形操作过程中，如果两导电图形(印制导线、焊盘或过孔)间距小于设定值(即“安全间距”)时，则与导电图形相连的导线、焊盘等显示为绿色，提示操作者这两个导电图形间距不够。安全间距缺省值为10mil，即0.254mm。单击“Design”菜单下的“Rules”命令，在“DesignRules”窗口内即可修改安全间距设置。,2设置可视栅格大小及格点锁定距离执行“Design”菜单下的“Options”命令，并在弹出的“DocumentOptions”(文档选项)窗内单击“Options”标签(如图5-6所示)，选择可视元件最小间距、栅格形状以及锁定格点距离等。,图5-6设置PCB编辑区可视格点大小,可视格点形状可以选择点(Dot)或线(Line)形式。格点锁定距离为10mil，电气格点自动搜索范围缺省时为8mil。在以集成电路为主的电路板中，为了便于在集成电路引脚之间走线，可将格点锁定距离设为10mil，相应地电气格点自动搜索范围设为4mil。格点锁定距离(Snap)的选择与最小布线宽度及间距有关，例如当最小布线宽度为d1，最小布线间距为d2时，可将格点锁定距离设为(d1+d2)/2，这样连线时，可保证最小线间距为d2。,测量单位可以选择公制(Metric)或英制(Imperial)。选择公制时，所有尺寸以mm为单位；选择英制时，以mil作单位。尽管我国采用公制，长度单位用mm，但由于元器件，如集成电路芯片尺寸、引脚间距等均以mil为单位，因此，选择英制单位，操作更方便，定位更精确。3选择工作层、焊盘、过孔等在屏幕上的显示颜色工作层、焊盘、过孔等在屏幕上的颜色可以采用系统给定的缺省设置。在缺省状态下，元件面为红色，焊锡面为蓝色。执行“Tools”菜单下的“Preferences”命令，并在弹出的“Preferences”(特性选项)窗内单击“Colors”标签，如图5-7所示，即可重新设置各工作层、焊盘、过孔等的显示颜色。,图5-7设置各层、焊盘、过孔等在屏幕上的显示颜色,将鼠标移到相应工作层颜色框内，单击左键，即可调出“ChooseColor”(颜色选择)配置窗，单击其中某一颜色后，再单击“OK”按钮关闭即可。单击“DefaultsColors”(缺省)按钮，即恢复所有工作层的缺省色；单击“ClassicColors”按钮，即可按系统最佳配置设定工作层的颜色。4选择光标形状、移动方式等执行“Tools”菜单下的“Preferences”命令，并在弹出的“Preferences”(特性选项)窗内，单击“Options”标签(如图5-8所示)，即可重新设置光标形状、屏幕自动更新方式等。,图5-8设置光标形状、移动方式,1)Editingoptions(编辑选项)OnlineDRC：允许/禁止“设计规则”在线检查。SnapToCenter：对准中心，缺省时处于禁止状态。当该项处于选中状态时，在移动元件操作过程中，光标自动对准操作对象的原点。例如，将鼠标移到元件封装图上，按下左键时，光标自动移到元件第一引脚焊盘的中心(元件的原点一般是元件第一引脚焊盘的中心)；将鼠标移到元件序号、注释信息等字符串上，按下左键时，光标自动移到字符串左下角。反之，当“SnapToCenter”选项处于禁止状态时，在移动操作对象过程中，当前鼠标所在位置就是光标与操作对象相连的位置。该项设为禁止或允许状态，对编辑操作均影响不大。,ExtendSelection：允许/禁止同时存在多个选择框，缺省时处于允许状态。当“ExtendSelection”选项处于禁止状态时，在编辑操作过程中，选定某一区域后，再选择另一区域时，前一区域的选中标记自动消失，即最多只存在一个选择框。RemoveDuplicate：禁止/允许自动删除重复元件。当该选项处于选中状态时，将自动删除序号重复的元件。ConfirmGlobal：当该项处于选中状态时，修改操作对象前将给出提示信息。ProtectLockedObjects：保护被锁定的对象。,2)AutopanOptions(屏幕刷新方式)Style：选择屏幕自动移动方式。Speed：定义屏幕刷新速度。3)Other(其他)RotationStep：设置旋转操作的旋转角，缺省时为90。例如，将鼠标移到某一操作对象上，按住鼠标左键不放，每按空格键一次，操作对象就按顺时针方向旋转由“RotationStep”选项指定的角度。一般不需要修改旋转角，但当元件沿圆弧均匀分布时，可选设置旋转角，然后再通过旋转、平移等操作使元件均匀分布在圆弧上。,Undo/Redo：撤消/重复操作步数。CursorType：光标形状。光标形状的选择与当前操作方式有关，例如在手工调整元件布局、手工修改布线等过程中，最好选择大90光标，这样容易判别元件引脚焊盘是否在同一水平或垂直线上。4)Interactiveroution(交互布线模式)Mode：选择相互作用布线模式。当该项设为“IgnoreObstacle”(忽略)时，连线操作过程中即使两者的距离小于安全间距，也同样可以画线。为了保证连线与连线、焊盘或过孔等之间的距离大于安全间距，最好采用“AvoidObstacle”(避开)方式。,AutomaticallyRemove：自动清除回路布线。选中该项时，在手工高速布线操作过程中，在两电气节点间重新连线后，PCB会自动删除原来的连线。5)Componentdrag(元件拖动方式)可选择“None”(只移动指定元件)或“ConnectedTracks”(与元件相连的导线)，一般选择None方式。6)显示方式设置单击图5-8中的“Display”(显示)标签，选择显示方式。显示方式选项较多，比较重要且常需要重新设定的有：,HighlightinFull：设置选取图元高亮度显示是否充满整个屏幕。UseNetColorForHighlight：设置是否使用网络颜色显示高亮度图元。SingleLayerMode：设置是否只显示当前工作层。在这种情况下，屏幕上仅观察到当前工作内的图形符号。RedrawLayer：重新绘制工作层。TransparentLayer：设置透明显示模式。,5.3.2元件封装库的装入PCB元件封装图形库存放在“DesignExplorer99SELibraryPcb”文件夹内三个不同的子目录下，其中GenericFootprints文件夹存放了通用元件封装图，Connectors文件夹存放了连接类元件封装图，IPCFootprints文件夹内存放了表面安装元件的封装图。常用元器件封装图形存放在“DesignExplorer99SELibraryPcbGenericFootprintsAdvpcb.ddb”图形库文件中，因此在PCB编辑器中一般需要装入Advpcb.ddb元件封装图形库，操作过程如下：,(1)单击“BrowsePCB”按钮，进入PCB编辑界面；在PCB编辑器窗口内，单击“Browse”(浏览)窗内的下拉按钮，选择“Libraries”(元件封装图形库)作为浏览对象。(2)如果元件库列表窗内没有列出所需元件封装图形库，如PCBFootprints.Lib，可单击“Add/Remove”按钮。在如图5-9所示的“PCBLibraries”窗口内，不断单击“搜寻(I)”下拉列表窗内目录，将DesignExplorer99SELibraryPcbGenericFootprints目录作为当前搜寻目录，在PCB库文件列表窗内，寻找并单击相应的库文件包，如Advpcb.ddb，再单击“Add”按钮，即可将指定图形库文件加入到元件封装图形库列表中，然后再单击“OK”按钮，退出如图5-9所示的“PCBLibraries”窗。,图5-9“PCBLibraries”管理窗口,当然，直接双击文件包列表窗口内对应的库文件包，同样可以将指定库文件(包)加入到元件封装图形库(包)列表中。(3)在元件库列表窗内，找出并单击“PCBFootprints.Lib”，将它作为当前元件封装图形库，库内的元件封装图形即显示在“Components”(元件列表)窗内，如图5-2所示。所谓元件封装图形，就是元件外轮廓形状及引脚尺寸，它由元件引脚焊盘大小、相对位置及外轮廓形状、尺寸等部分组成。图5-10给出了电阻、电容、三极管和14引脚双列直插式DIP14的封装图外形及各部分名称。,图5-10元件常见封装图举例,5.3.3画图工具的使用1放置元件手工放置元件操作与后面介绍的元件手工布局操作要领相同，都是先确定电路中核心元件位置或对放置位置有特殊要求的元件位置。在图2-35所示电路中，首先放置的元件应该是9013三极管，序号为Q101，假设封装形式为TO-92A。在PCB99SE编辑器中，放置元件的操作过程与原理图编辑SCH中放置元件的操作相同。例如，在图5-2所示的“BrowsePCB”窗口内，在“Components”(元件列表)窗口内找出并单击元件封装图，如TO-92A后，再单击“Components”(元件列表)窗口下的“Place”按钮，将元件直接拖进PCB编辑区内。用这种方式放置元件操作起来简单、快捷。,当然，也可以利用“画图”工具栏内的“放置元件”工具放置元件封装图，操作过程如下：(1)单击“画图”工具栏内的“放置元件”工具，在图5-11所示对话窗内，直接输入元件的封装形式、序号和注释信息。封装形式和序号不能省略，可在“Comment”(注释信息)文本盒内输入元件的型号(如“9013”)或元件的大小(如“51”、“1k”)等。但注释信息并不必需，有时为了保密，故意不给出元件型号、大小，或制版时隐藏注释信息。,如果操作者不能确定元件的封装形式，可单击图5-11中的“Browse”(浏览)按钮。单击“Browse”按钮后，将出现如图5-12所示的对话窗。,图5-12浏览元件封装形式,在元件列表窗内单击不同元件(或按键盘上的上、下光标控制键)，即可迅速观察到库内元件的封装图，找到指定元件后，单击“Close”按钮，关闭浏览窗口，返回图5-11所示的放置元件对话窗。(2)单击“OK”按钮，所选元件的封装图即出现在PCB编辑区内，如图5-13所示。,图5-13处于浮动状态的元件封装图,(3)移动光标，将元件移到适当位置后，单击鼠标左键固定即可。在PCB中放置元件封装图的操作过程与在SCH编辑器中放置元件电气图形符号的操作过程基本相同，在元件未固定前，可按如下键调整方向：空格键：旋转元件的方向。X键：使元件关于X轴对称。Y键：使元件关于Y轴对称。这里需要说明的是：在PCB编辑器中，尽管可以通过X、Y键使处于激活状态的元件左右或上下对称，但一般不能进行对称操作，否则可能造成元件无法安装。按Tab键，进入元件属性对话窗，以便修改元件序号、注释信息等内容。元件属性对话窗如图5-14所示。,图5-14元件属性对话窗,元件一般要放在顶层(TopLayer，即元件面内)，只有单面板中的表面封装元件才需放在底层(BottomLayer，即焊锡面内)，而其他层均不能放置元件。对于带引脚、以穿通方式固定的元件来说，原则上不允许将元件放在焊锡面内。如果错将本该放在元件面上的元件放到焊锡面内，则元件左右将颠倒，安装时也只能从焊锡面插入，这对于单面板来说，由于元件引脚焊盘孔内没有金属化，也没有可以固定元件引脚的焊盘无法通过引脚焊盘固定元件，即使勉强固定，也不能使引脚与印制导线相连。因此，在单面板中放在焊锡面内、以穿通方式安装的元件，将无法安装。而在双面板中，尽管元件面内存在固定元件引脚的焊盘，但放在焊锡面内的元件，插件、焊接均需要特殊处理，非常不便。,“LockPrims”选项的含义是锁定元件边框内的图件。一般要选中，否则在移动元件操作过程中，很可能只移动了元件边框内的单一图件，如引脚焊盘，从而改变了元件封装图边框内各图件(如引脚焊盘)的相对位置。必要时，也可以单击图5-14中的序号标签和注释标签，修改元件序号和注释属性(直接双击元件序号或注释信息本身也能迅速激活序号或注释属性对话窗)。元件序号、注释信息属性设置窗与元件属性设置窗类似，一般情况下，序号、注释信息放在TopOverlay(即元件面的丝印层)上。用同样方法将电阻R101R104的封装图(假设封装形式为AXIAL0.5)、电容C101C103的封装图(假设封装形式为RB.2/.4)放在三极管Q101附近，如图5-15所示。,图5-15放置元件后,在放置元件、手工布局、连线操作过程中，为了便于观察，可将元件型号或大小等注释信息，甚至序号暂时隐藏起来，待连线结束后，编辑丝印层时再逐一修改元件属性，将隐藏的注释信息显示出来(在“元件属性”窗口内，单击“Comment”(注释)标签，选中“Hide”，即隐藏当前或全部元件型号、大小等注释信息)。在PCB编辑器中，只能通过“Edit”菜单下的“Delete”命令，删除多余的元件、导线、焊盘等图件。元件序号、注释信息等是元件的组成成分之一，不能单独删除(除非删除元件本身)，只可以修改、移动或旋转。,2连线前的准备进一步调整元件位置手工布局操作只是大致确定了各元件的相对位置，布线(无论是手工连线还是自动布线)操作前，需要进一步调整元件位置，使元件在印制板上的排列满足下列要求：(1)导线与导线、引脚焊盘之间距离大于安全间距(即最小间距)。执行“Design”(设计)菜单下的“Rule”命令，在如图5-16所示的窗口内设置安全间距。,图5-16安全间距设置,如果安全间距太小，可单击图5-16中的“Properties”按钮，进入安全间距设置窗(如图5-17所示)，重新设定安全间距。,图5-17修改安全间距,安全间距不仅与工艺有关，还与两导线间电位差、长短有关。线间距以及印制导线与焊盘、过孔之间的最小距离由最坏情况下彼此之间的绝缘电阻和击穿电压决定。导线长度越短，间距越大，线间绝缘电阻也越大。实验证实：导线间距为1.5mm(约60mil)时，线间绝缘电阻大于20M，线间最大耐压可达300V；当导线间距为1mm(约40mil)时，线间最大耐压为200V。因此，在中低压(线间电位差不大于200V)的印制电路板上，线间距取1.01.5mm(即4060mil)；在低压电路，如数字电路系统的印制电路板上，不必考虑击穿电压，只要生产工艺允许，线间距可以很小(与最小线宽相同)。,(2)为了方便自动插件操作，除个别特殊元件外，元件沿水平或垂直方向排列，且所有元件，但至少是同类元件在板上排列方向要一致，即所有电阻、IC芯片等必须横排或竖排。完成元件装入、初步布局后，可通过平移、旋转等操作方式调整元件及其序号的位置。在PCB编辑器调整元件及其序号的操作方法与SCH编辑器基本相同，关于移动、旋转、删除等操作方法可参阅第2章的有关内容，这里不再重复。例如，将鼠标移到元件框内任一点，按住鼠标左键不放，移动鼠标即可将元件移到另一位置(当然，也可以通过菜单命令实现)，在移动过程中也可以通过空格键、X键、Y键旋转或对称(在印制板上，一般不允许对称操作)。,(3)印制电路板上的元件，尽可能呈“井”字形排列，即垂直排列的元件尽可能靠左或右对齐，水平排列的元件必须靠上或下对齐。这样不仅美观，连线长度也短。执行“Edit”菜单下的“SelectToggleSelection”命令后，不断单击同一列上需要重排的元件，当同一列上所有需要重新排列的元件被选定后，单击鼠标右键退出选定操作命令；执行“Tools”菜单下的“AlignComponentsAlignLeft”(靠左)或“AlignComponentsAlignRight”(靠右)命令，使同一列上的元件靠左或靠右对齐；单击主工具栏内的“解除选定”工具或执行“Edit”菜单下的“DeSelectAll”命令，解除选中状态。,不同重复上述操作，继续调整其他列上元件的排列位置。(4)布线或连线前，所有引脚焊盘必须位于栅格点上，使连线与焊盘之间的夹角为135或180，以保证连线与元件引脚焊盘连接处的电阻最小。操作方法：执行“Edit”菜单下的“SelectAll”命令，选定所有元件，再执行“Tools”菜单下的“AlignComponentsMoveToGrid”(移到栅格点)命令，将所有元件引脚焊盘移到栅格点上；单击主工具栏内的“解除选定”工具或执行“Edit”菜单下的“DeSelectAll”命令。调整结果如图5-18所示。,图5-18调整元件位置后,3放置印制导线手工布线操作过程如下：(1)选择布线层。在PCB编辑器窗口下已打开的工作层列表中，单击印制导线放置层。对于单面板来说，只能在BottomLayer(即焊锡面)上连线。(2)执行“Design”菜单下的“Rules”命令，单击“Routing”标签，再单击“RuleClasses”(规则类别)选项框内的“WidthConstraint”(布线宽度)，即可显示线宽设定状态，如图5-19所示。,图5-19导线宽度设置,线宽适用范围一般是Board(即整个电路板)，如果最小线宽与最大线宽相同，可单击图5-19中的“Properties”按钮，进入线宽设置对话窗，如图5-20所示。,图5-20最大-最小线宽度设置,在最大值、最小值窗口内分别输入最大线宽和最小线宽，并确定适用范围后，单击“OK”按钮，返回图5-19所示窗口。(3)在图5-19所示窗口内，找出并单击“RoutingCorners”(布线转角规则)，显示当前布线转角方式，如图5-21所示。,图5-21布线转角方式,一般可以选择45转角方式，必要时可单击“Properties”按钮修改。(4)单击“放置”工具栏内的“放置导线”工具，将光标移到连线的起点，单击鼠标左键固定，移动鼠标，即可看到一条活动的连接。如果导线宽度不满足要求，在固定导线起点后，未按左键固定导线转折点、终点前，可按Tab键，激活“InteractiveRouting”(交互式规则)，在如图5-22所示的窗口内设置导线宽度。,图5-22导线宽度设置窗,印制导线的最小宽度与流过导线的电流大小有关：线宽太小，则印制导线电阻大，印制导线上的电压降也就大，影响电路性能，严重时会使印制导线发热而损坏；相反，印制导线太宽，则布线密度低，板面积增加，除了增加成本外，也不利于小型化。如果电流负荷以每平方毫米20A计算，当覆铜箔厚度为0.05mm时(覆铜板铜箔厚度一般为0.0350.050mm)，则1mm(约40mil)线宽的电流负荷大约为1A这就是所谓的“毫米安培”经验，其含义是1mm线宽的电流负荷能力为1A(当铜箔厚度为0.035mm时，1mm线宽电流负荷能力降为0.7A)。因此，线宽取12.54mm(40100mil)即能满足一般应用要求。大功率设备印制板上的地线和电源，根据功率大小，可适当增加线宽；而在小功率的数字电路印制板上，为了提高布线密度，最小线宽取0.2541.27mm(1050mil)即能满足要求，换句话说，小功率电路印制板的最小线宽仅受印制板生产工艺的限制。,同一电路板内，电源线、地线比信号线粗。选定了导线宽度、所在层后，单击“OK”按钮，退出“导线宽度”交互式设置窗。(5)移动光标到印制导线转折点，单击鼠标左键固定，再移动光标到印制导线的终点，单击鼠标左键固定，再单击鼠标右键终止(但这时仍处于连线状态，可以继续放置其他印制导线。当需要取消连线操作时，必须再单击鼠标右键或按下Esc键返回)，即可画出一条印制导线，如图5-23所示。重复以上操作，继续放置其他连线。,图5-23在焊锡面上绘制的一条导线,重复以上操作，继续放置其他连线。(6)当需要改变已画好的导线宽度时，可将鼠标移到已画好的印制导线上，双击鼠标左键，激活“Track”(导线)属性设置窗(如图5-24所示)，重新选择导线宽度、所在层等。,图5-24导线属性设置窗,4焊盘焊盘也称为连接盘，与元件相关联，或者说焊盘是元件封装图的一部分。在印制板上，仅使用少量孤立焊盘，作为少量飞线、电源/地线或输入/输出信号线的连接盘以及大功率元件固定螺丝孔、印制板固定螺丝孔等。在Protel99SEPCB编辑器中，元件引脚焊盘的大小、形状均可重新设置。焊盘内的引线孔贯穿整个电路板，焊盘孔径与元件引脚大小有关，需根据元件引脚直径尺寸选择，例如对于1/8W电阻来说，焊盘孔径为28mil(0.71mm)足够，而对于1/2W电阻来说，焊盘孔径为32mil。,引线孔径大，焊盘铜环宽度相对减小，这会降低焊盘的附着力，焊接时容易脱落。引线孔径太小，则元件插装困难，甚至元件引脚无法插入焊盘孔内。一般说来，焊盘孔径比元件引脚直径大0.20.4mm(即815mil)。为了便于钻孔，即使元件引脚不是圆柱形，也尽量采用圆形引线孔(即尽量避免使用异形焊盘孔)。焊盘形状可以是圆形、长方形、长圆形、椭圆、八角形等，如图5-25所示。为了增加焊盘的附着力，在中等密度布线条件下，一般采用椭圆形或长圆形焊盘，因为在环宽相同的情况下，长圆形、椭圆形焊盘面积比圆形和方形大；在高密度布线情况下，常采用圆形或方形焊盘。,图5-25常用焊盘形状,为了保证焊盘与焊盘之间，焊盘与印制导线之间的最小距离不小于设定值，在高密度布线电路板设计中，需要灵活设置焊盘形状。例如，当需要在集成电路引脚之间走线时，可能需要将元件焊盘由圆形改为长方形或椭圆形，以便在不降低焊盘附着力条件下，减小焊盘尺寸(但不能随意改变引线孔大小)，为在引脚间走线提供方便。必要时，选用尺寸相同，焊盘形状不同的器件封装形式，如将DIP封装改为ILEAC封装。,在中等密度布线条件下，圆形焊盘的直径或其他形状焊盘的最小宽度在1.51.6mm之间(即6065mil)；在高密度布线条件下，最小焊盘直径可选50mil或55mil。圆形焊盘铜环的外径比引线孔径大23倍，铜环不宜太小，尤其是在单面电路板中，当焊盘铜环面积太小时，焊接(包括生产和维修过程中的焊接)过程中焊盘容易脱落。为了提高钻孔工效，降低成本，同一电路板上除了少数大尺寸元件外，元件焊盘孔径尽可能一致。对于竖立安装的大尺寸元件的引脚，可采用大岛形焊盘(通过放置“敷铜区”实现)。,对于DIP封装的集成电路芯片来说，引脚间距为100mil，在缺省状态下，焊盘外径为50mil，即1.27mm，引线孔径为28mil，即0.71mm，当需要在引脚间走一条连线时，最小线宽可取20mm，即0.508mil，这时印制导线与焊盘之间的最小距离为15mil。在高密度布线情况下,当最小线宽为10mil,最小间距也是10mil时,可以在引脚间走两条印制导线。焊盘直径与引线孔标准尺寸如表5-1所示。,表5-1最小焊盘直径与引线孔直径的关系,对于大功率元件，固定螺丝孔、印制板固定螺丝孔焊盘尺寸与固定螺丝尺寸有关(一般均采用标准尺寸的螺丝、螺帽)。为了使印制导线与焊盘、过孔的连接处过渡圆滑，避免出现尖角，在完成布线后，可在焊盘、过孔与导线连接处放置泪滴焊盘或泪滴过孔。下面以在图5-24中增加电源/地线连接盘、输入/输出信号连接盘为例，介绍放置、编辑焊盘的操作方法。(1)单击“放置”工具栏内的“焊盘”工具，然后按下Tab键，激活“Pad”(焊盘)属性设置窗，如图5-26所示。,图5-26焊盘属性设置窗,图中各选项含义如下：X-Size、Y-Size：其大小决定了焊盘的外形尺寸。对于形状为“Round”(圆形)的焊盘来说，当X、Y方向尺寸相同时，焊盘呈圆形；当X、Y方向尺寸不同时，焊盘呈椭圆形。对于形状为“Rectangle”(方形)的焊盘来说，当X、Y方向尺寸相同时，焊盘呈方形；当X、Y方向尺寸不同时，焊盘呈长方形。对于形状为“Octagonal”(八角形)的焊盘来说，当X、Y方向尺寸相同时，焊盘呈八角形；当X、Y方向尺寸不同时，焊盘呈长八角形，如图5-25所示。Shape：焊盘形状。HoleSize：焊盘引线孔直径。,Layer：对于单面板来说，焊盘可以放在“BottomLayer”(焊锡面)上，也可以放在“MultiLayer”(多层)上，但在双面、多层板中，焊盘只能放在MultiLayer上，使所有打开的信号层上均出现焊盘。在图5-26中，选择了焊盘的形状、尺寸以及引线孔直径后，单击“OK”按钮，关闭焊盘属性设置窗。Layer：对于单面板来说，焊盘可以放在“BottomLayer”(焊锡面)上，也可以放在“MultiLayer”(多层)上，但在双面、多层板中，焊盘只能放在MultiLayer上，使所有打开的信号层上均出现焊盘。在图5-26中，选择了焊盘的形状、尺寸以及引线孔直径后，单击“OK”按钮，关闭焊盘属性设置窗。,(2)移动光标到指定位置后，单击左键固定即可。重复焊盘放置操作，即可连续放置其他的焊盘，结果如图5-27所示。,图5-27放置了三个焊盘后的效果,5过孔在双面或多层印制电路板中，通过金属化“过孔”使不同层上的印制图形实现电气连接。放置过孔的操作方法与焊盘相同。单击“放置”工具栏内的“过孔”工具，然后按下Tab键，即可激活“Via”(过孔)属性设置框，如图5-28所示。图中各选项含义如下：Diameter：过孔外径。HoleSize：过孔内径。对于只作贯穿连接而不需要安装元件的金属化过孔，孔径尺寸可以小一些，但必须大于板厚的1/3，否则加工困难。StartLayer、EndLayer：定义连接层，缺省时是元件面到焊锡面(这适合于双面板)，在多层板中应根据实际情况选定。但一般情况下，尽量避免使用盲孔，因为盲孔加工成本高。,图5-28过孔属性设置框,6画电路边框单击PCB编辑器窗口下工作层列表栏内的“MechanicalLayer4”，将机械层4(MechanicalLayer4)作为当前工作层，然后利用“画线”工具在机械层4内画出电路板的边框。值得注意的是，边框线与元件引脚焊盘最小距离必须大于2mm(一般取5mm较合理)，否则下料比较困难。7利用“圆弧”、“画线”工具画出对准孔单击PCB编辑器窗口下的Mech4，将机械层(MechanicalLayer4)作为当前工作层，然后利用“圆弧”工具在机械层4内画出定位孔，操作过程如下：,(1)单击“放置”工具栏内的“从中心画圆弧”工具(采用中心画圆法或边缘画圆法均可，但用中心画圆法定位方便一些)。(2)将光标移到圆弧的圆心，单击鼠标左键固定圆弧的圆心。(3)移动光标调整圆弧半径，然后单击鼠标左键固定圆弧的半径。(4)将光标移到圆弧的起点，单击鼠标左键确定。(5)将光标移到圆弧的终点，单击鼠标左键确定。(6)重复画圆弧操作，画定位孔的内圆，再利用“画线”工具在定位孔内画出两条垂直的线段，于是就形成了对准孔，如图5-29所示。,在绘制对准孔时，画出第一个对准孔后，就可以利用“选定”、“复制”、“粘贴”等Windows应用程序特有的操作方法，复制出第二、三、四个对准孔。在放置对准孔操作过程中，最好用“放置”工具栏内的“坐标位置”工具，在四角上定出对准孔中心位置后，再将对准孔移到指定点上。,图5-29对准孔,8编辑、修改丝印层上元件序号、注释信息由于在放置元件、手工布局以及手工调整布线等操作过程中，为了不影响视线，常将元件的注释信息(如序号及型号等)隐藏起来，因此，以上操作完成后需要调整丝印层上的元件序号、注释信息文字的位置与大小。在调整元件序号、注释信息时必须注意：位于元件面丝印层上的元件序号以及型号或大小等注释信息可以放在连线上，但最好不要放在元件轮廓线边框内，以免元件安装后，元件体本身将元件序号、注释信息等遮住(焊接面上的元件序号可以放在元件轮廓的边框内)。但无论如何不能将元件序号、注释信息等放在焊盘或过孔上，原因是钻孔后焊盘引线孔、过孔等位置的基板将不复存在，无法印上文字信息。元件序号、型号、大小等信息尽可能靠近其外轮廓线，否则会出现误解。,调整元件序号、注释信息后的结果如图5-30所示，至此也就完成了这一简单电路印制板的编辑工作。,图5-30编辑结束后的单面印制板,习题,5-1常用元件封装图库存放在哪一文件夹下的哪一库元件包内？5-2元件一般放置在哪一工作层内？对于双面印制板来说，需要几个信号层？5-3如果系统中没有表面安装元件，是否需要焊锡膏层？5-4丝印层内的作用是什么？元件标号、型号等注释信息能否放在焊盘、过孔上？为什么？5-5机械层的作用是什么？一般在机械层内放置什么？,5-6为什么不能在PCB编辑区内对元件封装图进行对称操作？5-7如何删除PCB编辑区的一个元件？5-8印制导线宽度由哪一设计规则决定？如何修改？选择印制导线宽度的依据是什么？选择导电图形间距的依据是什么？5-9请用手工绘制图4-69所示电源电路的PCB图。,