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1、计算机辅助电路设计 Protel,制作：华北水利水电学院 师树恒联系方式：,第4章 印制电路板设计基础,4.1 印制电路板概述4.2 印制电路板布局和布线原则4.3 Protel99SE印制板编辑器4.4 印制电路板的工作层面本章小节,在实际电路设计中，完成原理图绘制和电路仿真后，最终需要将电路中的实际元件安装在印制电路板（Printed Circuit Board，简称PCB）上。原理图的绘制解决了电路的逻辑连接，而电路元件的物理连接是靠PCB上的铜箔实现。 随着中、大规模集成电路出现，元器件安装朝着自动化、高密度方向发展，对印制电路板导电图形的布线密度、导线精度和可靠性要求越来越高。为满足
2、对印制电路板数量上和质量上的要求，印制电路板的生产也越来越专业化、标准化、机械化和自动化，如今已在电子工业领域中形成一门新兴的PCB制造工业。 印制电路板(也称印制线路板，简称印制板)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。,4.1 印制电路板概述,4.1.1 印制电路板的发展,印制电路技术虽然在第二次世界大战后才获得迅速发展，但是“印制电路”这一概念的来源，却要追溯到十九世纪。 在十九世纪，由于不存在复杂的电子装置和电气机械，因此没有大量生产印制电路板的问题，只是大量需要无源元件，
3、如：电阻、线圈等。 1899年，美国人提出采用金属箔冲压法，在基板上冲压金属箔制出电阻器，1927年提出采用电镀法制造电感、电容。 经过几十年的实践，英国Paul Eisler博士提出印制电路板概念，并奠定了光蚀刻工艺的基础。 随着电子元器件的出现和发展，特别是1948年出现晶体管，电子仪器和电子设备大量增加并趋向复杂化，印制板的发展进入一个新阶段。,4.1.2 印制电路板种类,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 单面印制板（Single Sided Print Board）。单面印制板指仅一面有导电图形的印制板，板的厚度约在0.25.0
4、mm，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。 双面印制板（Double Sided Print Board）。双面印制板指两面都有导电图形的印制板，板的厚度约为0.25.0mm，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，由于双面印制板的布线密度较高，所以能减小设备的体积。,图4-1所示为四层板剖面图。通常在电路板上，元件放在顶层，所以一般顶层也称元件面，而底层一般是焊接用的，所以又称焊接面。对于SMD元件，顶层和底层都可以放元件。元件也分为
5、两大类，插针式元件和表面贴片式元件（SMD）。,4.1.3 PCB设计中的基本组件,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数。一般敷铜层上放置焊盘、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）、板面层、禁止布线层、阻焊层、助焊层、钻孔层等。 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
6、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。,为了让电路板更具有可看性，便于安装与维修，一般在顶层上要印一些文字或图案，如图4-2中的R1、C1等，这些文字或图案用于说明电路的，通常放在丝网层上，在顶层的称为顶层丝网层（Top Overlay），而在底层的则称为底层丝网层（Bottom Overlay）。,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
7、须钻孔，表面贴片式焊盘无须钻孔，图4-3所示为焊盘示意图。,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。,4.1.4 印制电路板制作生产工艺流程,制造印制电路板最初的一道基本工序是将底图或照相底片上的图形，转印到敷铜箔层压板上。最简单的一种方法是印制蚀刻法，或称为铜箔腐蚀法，即用防护性抗蚀材料在敷铜箔层压板上形成正性的图形，那些没有被抗蚀材料防护起来的不需要的铜箔随后经化学蚀刻而被去掉，蚀刻后将抗蚀层
8、除去就留下由铜箔构成的所需的图形。一般印制板的制作要经过CAD辅助设计、照相底版制作、图像转移、化学镀、电镀、蚀刻和机械加工等过程，图4-8为双面板图形电镀蚀刻法的工艺流程图。 单面印制板一般采用酚醛纸基覆铜箔板制作，也采用环氧纸基或环氧玻璃布覆铜箔板，单面板图形较简单，一般采用丝网漏印正性图形，然后蚀刻出印制板，也有采用光化学法生产。 双面印制板通常采用环氧玻璃布覆铜箔板制造，双面板制造一般分为工艺导线法、堵孔法、掩蔽法和图形电镀蚀刻法。,多层印制板一般采用环氧玻璃布覆铜箔层压板。为提高金属化孔的可靠性，尽量选用耐高温、基板尺寸稳定性好、厚度方向热线膨胀系数较小，并和铜镀层热线膨胀系数基本匹
9、配的新型材料。制作多层印制板，先用铜箔蚀刻法做出内层导线图形，然后根据要求，把几张内层导线图形重叠，放在专用的多层压机内，经过热压、粘合工序，制成具有内层导电图形的覆铜箔的层压板。 目前已基本定型的主要工艺以下两种。 减成法工艺。它是通过有选择性地除去不需要的铜箔部分来获得导电图形的方法。减成法是印制电路制造的主要方法，它的最大优点是工艺成熟、稳定和可靠。 加成法工艺。它是在未覆铜箔的层压板基材上，有选择地淀积导电金属而形成导电图形的方法。加成法工艺的优点是避免大量蚀刻铜，降低了成本；生产工序简化，生产效率提高；镀铜层的厚度一致，金属化孔的可靠性提高；印制导线平整，能制造高精密度PCB。,返回
10、,4.2 印制电路板布局和布线原则,有时电路从原理上是能实现的，但由于元件布局不合理或走线存在问题，致使设计出来的电路可靠性下降，甚至无法实现预定的功能，因此印制板的布局和布线必须遵循一些原则。 为保证印制板的质量，在设计前的一般要考虑PCB的可靠性、工艺性和经济性问题。 可靠性。印制板可靠性是影响电子设备的重要因素，在满足电子设备要求的前提下，应尽量将多层板的层数设计得少一些。 工艺性。设计者应考虑所设计的印制板的制造工艺尽可能简单。一般来说宁可设计层数较多、导线和间距较宽的印制板，而不设计层数较少、布线密度很高的印制板，这和可靠性的要求是矛盾的。 经济性。印制板的经济性与其制造工艺直接相关
11、，应考虑与通用的制造工艺方法相适应，尽可能采用标准化的尺寸结构，选用合适等级的基板材料，运用巧妙的设计技术来降低成本。,4.2.1 印制电路板布局原则,元件布局是将元件在一定面积的印制板上合理地排放，它是设计PCB的第一步。布局是印制板设计中最耗费精力的工作，往往要经过若干次布局比较，才能得到一个比较满意的布局。 一个好的布局，首先要满足电路的设计性能，其次要满足安装空间的限制，在没有尺寸限制时，要使布局尽量紧凑，减小PCB设计的尺寸，减少生产成本。 为了设计出质量好、造价低、加工周期短的印制板，印制板布局应遵循下列的一般原则。 1.元件排列规则 在通常条件下，所有的元件均应布置在印制板的同一
12、面上，只有在顶层元件过密时，才能将一些高度有限并且发热量小的器件，如贴片电阻、贴片电容、贴片IC等放在底层。,在保证电气性能的前提下，元件应放置在栅格上且相互平行或垂直排列，以求整齐、美观，一般情况下不允许元件重叠，元件排列要紧凑，输入和输出元件尽量远离。 某些元器件或导线之间可能存在较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免因放电、击穿引起以外短路。 带高压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。 位于板边缘的元件，离板边缘至少2个板厚。 元器件在整个板面上分布均匀、疏密一致。 2.按照信号走向布局原则 通常按照信号的流程逐个安排各个功能电路单元的位置，以每个功能电路的核心元件为中心，围绕
13、它进行布局。 元件的布局应便于信号流通，使信号尽可能保持一致的方向。多数情况下，信号的流向安排为从左到右或从上到下，与输入、输出端直接相连的元件应当放在靠近输入、输出接插件或连接器的地方。,3.防止电磁干扰 对辐射电磁场较强的元件，以及对电磁感应较灵敏的元件，应加大它们相互之间的距离或加以屏蔽，元器件放置的方向应与相邻的印制导线交叉。 尽量避免高低电压器件相互混杂、强弱信号的器件交错在一起。 对于会产生磁场的元器件，如变压器、扬声器、电感等，布局时应注意减少磁力线对印制导线的切割，相邻元件的磁场方向应相互垂直，减少彼此间的耦合。 对干扰源进行屏蔽，屏蔽罩应良好接地。 高频下工作的电路，要考虑元
14、器件间分布参数的影响。 4.抑制热干扰 对于发热的元器件，应优先安排在利于散热的位置，必要时可以单独设置散热器或小风扇，以降低温度，减少对邻近元器件的影响。,一些功耗大的集成块、大或中功率管、电阻等元件，要布置在容易散热的地方，并与其它元件隔开一定距离。 热敏元件应紧贴被测元件并远离高温区域，以免受到其它发热元件影响，引起误动作。 双面放置元件时，底层一般不放置发热元件。 5.提高机械强度 要注意整个PCB板的重心平衡与稳定，重而大的元件尽量安置在印制板上靠近固定端的位置，并降低重心，以提高机械强度和耐振、耐冲击能力，以及减少印制板的负荷和变形。 重15克以上的元器件，不能只靠焊盘来固定，应当
15、使用支架或卡子加以固定。 为便于缩小体积或提高机械强度，可设置“辅助底板”，将一些笨重的元件，如变压器、继电器等安装在辅助底板上，并利用附件将其固定。,板的最佳形状是矩形（长宽比为3:2或4:3），板面尺寸大于200150mm时，要考虑板所受的机械强度，可以使用机械边框加固。 要在印制板上留出固定支架、定位螺孔和连接插座所用的位置。 6.可调节元件的布局 对于电位器、可变电容器、可调电感线圈或微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求，若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应；若是机内调节，则应放置在印制板上能够方便调节的地方。,4.2.2 印制电路板布线原则,布线和布局是密
16、切相关的两项工作，布局的好坏直接影响着布线的布通率。布线受布局、板层、电路结构、电性能要求等多种因素影响，布线结果又直接影响电路板性能。进行布线时要综合考虑各种因素，才能设计出高质量的PCB图。 基本布线方法 直接布线。传统的印制板布线方法起源于最早的单面印制线路板。其过程为：先把最关键的一根或几根导线从始点到终点直接布设好，然后把其它次要的导线绕过这些导线布下，通用的技巧是利用元件跨越导线来提高布线效率，布不通的线可以通过短路线(飞线)解决，如图4-9所示。 XY坐标布线。XY坐标布线指布设在印制板一面的所有导线与印制线路板边沿平行，而布设在另一面的则与前一面的导线正交，两面导线的连接通过金属化孔实现，如图4-10所示。,
