印制电路板设计初步【精品-ppt】.ppt
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1、印制电路板设计初步一、一、印制板设计基础印制板设计基础 二、二、Protel99 PCB的启动及窗口认识的启动及窗口认识三、三、手工设计单面印制板手工设计单面印制板Protel99 PCB基本操作基本操作格 物 致 新 厚 德 泽 人一、印制板设计基础l印制板也称为印制线路板或印制电路板，通过印制板上的印制导线、焊盘及金属化过孔实现元器件引脚之间的电气连接。由于印制板上的导电图形（如元件引脚焊盘、印制连线、过孔等）以及说明性文字（如元件轮廓、序号、型号）等均通过印制方法实现，因此称为印制电路板。格 物 致 新 厚 德 泽 人l通过一定的工艺，在绝缘性能很高的基材上覆盖一层导电性能良好的铜薄膜，
2、就构成了生产印制电路板所必需的材料覆铜板。按电路要求，在覆铜板上刻蚀出导电图形，并钻出元件引脚安装孔、实现电气互连的过孔以及固定整个电路板所需的螺丝孔，就获得了电子产品所需的印制电路板。格 物 致 新 厚 德 泽 人l1、印制板种类及结构印制板种类及结构l印制板种类很多，根据导电层数目的不同，可以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。格 物 致 新 厚 德 泽 人l单面板的结构如图1(a)所示，所用的覆铜板只
3、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Protel99PCB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。格 物 致 新 厚 德 泽 人 图1(a)单面、双面及多面印制电路板剖面格 物 致 新 厚 德 泽 人 图1（b）单面、双面及多面印制电路板剖面格 物 致 新 厚 德 泽 人图1(c)单面、双面及多面印制电路板剖面格 物 致 新 厚 德 泽 人l双面板的结构如图1(b
4、)所示，基板的上下两面均覆盖铜箔。因此，上、下两面都含有导电图形，导电图形中除了焊盘、印制导线外，还有用于使上、下两面印制导线相连的金属化过孔。在双面板中，元件也只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。格 物 致 新 厚 德 泽 人l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，于是就出现了多层板。在多层板中导电层的数目一般为4、6、8、10等，例如在四层板中
5、，上、下面（层）是信号层（信号线布线层），在上、下两层之间还有电源层和地线层，如图1(c)所示。格 物 致 新 厚 德 泽 人l在多层板中，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；由于可布线层数多，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。格 物 致 新 厚 德 泽 人l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，以方便钻孔加工，在经过特定工艺处理后，不会造成短路。在如图1
6、(c)所示的四层板中，给出五个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）。格 物 致 新 厚 德 泽 人l2、印制板材料印制板材料l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。它们都是使用粘结树脂将纸或玻璃布粘在一起，然后经过加热、加压工艺处理而成。l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。格 物 致 新 厚 德 泽 人l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
7、收音机、电视机以及其他电子设备的印制电路板。l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，也主要用在收音机、电视机以及其他低频电子设备中。格 物 致 新 厚 德 泽 人l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，尺寸稳定性好，可在较高温度下使用。因此，广泛用作各种电子设备、仪器的印制电路板。l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。由于其介电性能好（介质损耗小、介电常数低），耐高温
8、（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。格 物 致 新 厚 德 泽 人二、Protel99 PCB的启动及窗口认识l在Protel99状态下，单击“File”菜单下的“New”命令，然后在如图1-6中所示的窗口直接双击“PCBDocument”（PCB文档）文件图标，即可创建新的PCB文件并打开印制板编辑器。格 物 致 新 厚 德 泽 人l当然，如果设计文件包(.ddb)内已经含有PCB文件，在“设计文件管理器”窗口内直接单击相应文件夹下的PCB文件图标来打开PCB编辑器，并进入对应PCB文件的
9、编辑状态。lProtel99印制板编辑窗口如图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将在后续操作中逐一介绍。格 物 致 新 厚 德 泽 人图图2 Protel99 PCB编辑器窗口编辑器窗口格 物 致 新 厚 德 泽 人l与电原理图编辑器相似，在印制板编辑、设计过程中，除了可以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
10、速执行相应的操作。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（缺省时这两个工具栏均处于打开状态）这些工具栏（窗）。格 物 致 新 厚 德 泽 人l主工具栏（窗）内有关工具的作用与SCH编辑器主工具栏的相同或相近，在此不再介绍。放置工具栏内的工具名称如图3所示。格 物 致 新 厚 德 泽 人图图3 放置工具窗口内的工具放置工具窗口内的工具格 物 致 新 厚 德 泽 人l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25.4mm。在编辑区下方显示
11、目前已打开的工作层和当前所处的工作层。lPCB浏览窗（BrowsePCB）内显示的信息及按钮种类与浏览对象有关，如图4所示，单击浏览对象选择框下拉按钮，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）等。格 物 致 新 厚 德 泽 人图图4 不同浏览对象对应的浏览窗不同浏览对象对应的浏览窗格 物 致 新 厚 德 泽 人l浏览对象的选择与当前的操作状态有关，例如在手工放置元件封装图时，可选择“Library”作为浏览对
12、象（如图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；而纠正设计错误时，可以选择“Violations”（违反设计规则）作为浏览对象。格 物 致 新 厚 德 泽 人lPCB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，即可移动工
13、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。l在Protel99PCB编辑器中，可以选择英制（单位为mil）或公制（单位为mm）两种长度计量单位，彼此之间的换算关系如下：格 物 致 新 厚 德 泽 人l1mil=0.0254mml10mil=0.254mml100mil=2.54mml1000mil（1英寸）=25.4mm格 物 致 新 厚 德 泽 人三、手工设计单面印制板Protel99 PCB基本操作l为了便于理解PCB编辑器的基本概念,掌握PCB设计的基本操作方法，下面以手工设计如图2-35所示的电路的印制板为例，介绍Pr
14、otel99PCB印制板编辑器的基本操作。l如图2-35所示的电路很简单，元件数量少，完全可以使用单面板，并假设元件尺寸也不大，电路板尺寸为2000mil1500mil（相当于50.8mm38.1mm）。格 物 致 新 厚 德 泽 人l3.1 工作参数的设置与电路板尺寸规划工作参数的设置与电路板尺寸规划l 1.设置工作层设置工作层l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所示），选择工作层。格 物 致 新 厚 德 泽 人图图5 选择选择 PCB编辑器的工作层编辑器的工作层格 物 致 新 厚
15、 德 泽 人l各层含义如下：l1)Signal Layers（信号层）（信号层）lProtel99PCB编辑器最多支持以下16个信号层：lTop，即顶层，也称为元件面，是元器件的安装面。在单面板中不能在元件面内布线，只有在双面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，表面安装元件只能安装在焊锡面上；而在多面板中，包括表面安装元件在内的所有元件，应尽可能安装在元件面上，但表面安装元件也可以安装在焊锡面上。格 物 致 新 厚 德 泽 人lBottom，即底层，也称为焊锡面，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、多面板的主要布线层。lMid
16、1Mid14是中间信号层，主要用于放置信号线。只有5层以上电路板才需要在中间信号层内布线。格 物 致 新 厚 德 泽 人l 2)Internal Plane（内电源（内电源/地线层）地线层）lProtel99PCB编辑器最多支持4个内电源/地线层，主要用于放置电源/地线网络。在3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，从而极大地减少了电源/地线的连线长度。另一方面，在多层电路板中，充分利用内地线层对电路板中容易产生辐射或受干扰部分进行屏蔽。在单面板和双面板中，电源线/地线与信号线在同一层内走线，因此也就不存在内电源/地线层。格 物 致
17、 新 厚 德 泽 人l 3)Mechanical（机械层）（机械层）l机械层没有电气特性，主要用于放置电路板一些关键部位的注标尺寸信息、印制板边框以及电路板生产过程中所需的对准孔（但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，这样焊盘的铜环可作垫片使用，另外对于需要接地的，如三端稳压器散片的固定螺丝孔焊盘可直接放在接地网络节点处）。打印时往往与其他层套叠打印，以便对准。格 物 致 新 厚 德 泽 人lProtel99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（Mech4）内（打印时，一般需要与其
18、他层套叠打印，以便对准）；而注标尺寸、注释文字等放在机械层1内，打印时不一定需要套叠打印。格 物 致 新 厚 德 泽 人l4)Drill Layers（钻孔层）（钻孔层）l该层主要用于绘制钻孔图以及孔位信息。l 5)Silkscreen（丝印层）（丝印层）l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（Top），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。格 物 致 新 厚 德 泽 人l 6)Solder
19、 Mask（阻焊层）（阻焊层）l设置阻焊层的目的是为了防止进行波峰焊接时，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）。格 物 致 新 厚 德 泽 人l 7)Paste Mask（焊锡膏层）（焊锡膏层）l设置焊锡膏层的目的是为了便于贴片式元器件的安装。随着集成电路技术的飞速进步，电子产品体积越来越小，传统穿通式集成电路芯片封装方式，如双列直插式（DIP）、单列直插式（SIP）、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、微型化要求。格 物 致 新 厚 德 泽 人l
20、 8)Other（其他）（其他）l图5中的“Other”设置框包括以下各项：lKeepOutLayer，即禁止布线层。lMultiLayer，允许或禁止在屏幕上显示各层信息。lVisibleGrid，可视栅格线（点）开/关。lPadHoles，焊盘孔显示开/关。lViaHoles，金属化过孔的孔径显示开/关。lConne，“飞线”显示开/关。lDRCError，设计规则检查开/关。格 物 致 新 厚 德 泽 人l 2.设置可视栅格大小及格点锁定距离设置可视栅格大小及格点锁定距离l执行“Design”菜单下的“Options”命令，并在弹出的“DocumentOptions”（文档选项）窗内，单
21、击“Options”标签（如图6所示），选择可视栅格大小、形状以及锁定格点距离等。格 物 致 新 厚 德 泽 人图图6 设置设置PCB编辑区可视格点大小编辑区可视格点大小格 物 致 新 厚 德 泽 人l第一组可视格点间距缺省值为20mil，第二组可视格点间距缺省值为1000mil；可视格点形状可以选择线（Line）或点（Dot）形式。l格点锁定距离为20mil，电气格点自动搜索范围缺省值为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，相应的电气格点自动搜索半径设为4mil。格 物 致 新 厚 德 泽 人l格点锁定距离（Snap）的选择与最
22、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。l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。格 物 致 新 厚 德 泽 人l 3.选选择择工工作作层层、焊焊盘盘、过过孔孔等等在在屏屏幕幕上上的的显示颜色显示颜色l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
23、缺省状态下，元件面为红色，焊锡面为蓝色。l执行“Tools”菜单下的“Preferences”命 令，并 在 弹 出 的“Preferences”(特 性 选 项)窗 内，单 击“Color”标签，如图7所示，即可重新设置各工作层、焊盘、过孔等的显示颜色。格 物 致 新 厚 德 泽 人图图7 设置各层、焊盘、过孔等在屏幕上的显示颜色设置各层、焊盘、过孔等在屏幕上的显示颜色格 物 致 新 厚 德 泽 人l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，单击其中某颜色后，再单击“OK”按钮关闭即可。l单击“Schemes”（方案）设置框内的“Defau
24、lts”（缺省）按钮，即恢复所有工作层的缺省色；单击“Classic”按钮，即可按系统最佳配置设定工作层的颜色。格 物 致 新 厚 德 泽 人l 4.选择光标形状、移动方式等选择光标形状、移动方式等l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8所示），即可重新设置光标形状、屏幕自动更新方式等。格 物 致 新 厚 德 泽 人图图8 设置光标形状、移动方式设置光标形状、移动方式格 物 致 新 厚 德 泽 人l 1)Editing（编辑设置）（编辑设置）lSnapToCenter：对准中心
25、，缺省时处于禁止状态。lExtendSelection：允许/禁止同时存在多个选择框，缺省时处于允许状态。lRemoveDuplicate：禁止/允许自动删除重复元件。lConfirmGlobal：当该项处于选中状态时，修改操作对象前将给出提示信息。lRotationStep：设置旋转操作的旋转角，缺省时为90。lCursorType：光标形状。格 物 致 新 厚 德 泽 人l2)AutoPan屏幕自动移动方式设置l Style：选择屏幕自动移动方式。l StepSize：定义移动步长。lShiftStepSize：定义按下Shift键不放时的移动步长。格 物 致 新 厚 德 泽 人l 3)P
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