EDA技术基础CB设计基础概述

EDA技术基础（第2版）第7章PCB设计基础

本章要点7.1印制电路板概述7.2Protel99SE印制板编辑器7.3印制电路板的工作层面本章要点●印制板的作用、种类、概念●印制板的结构与相关组件●PCB99SE的基本操作和设置返回7.1印制电路板概述

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。7.1.1印制电路板的发展

在十九世纪，由于不存在复杂的电子装置和电气机械，只是大量需要无源元件，如：电阻、线圈等，因此没有大量生产印制电路板的问题。经过几十年的实践，英国PaulEisler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。五十年代中期，随着大面积的高粘合强度覆铜板的研制，为大量生产印制板提供了材料基础。1954年，美国通用电气公司采用了图形电镀－蚀刻法制板。六十年代，印制板得到广泛应用，并日益成为电子设备中必不可少的重要部件。在生产上除大量采用丝网漏印法和图形电镀－蚀刻法（即减成法）等工艺外，还应用了加成法工艺，使印制导线密度更高。目前高层数的多层印制板、挠性印制电路、金属芯印制电路、功能化印制电路都得到了长足的发展。我国在印制电路技术的发展较为缓慢，五十年代中期试制出单面板和双面板，六十年代中期，试制出金属化双面印制板和多层板样品，1977年左右开始采用图形电镀--蚀刻法工艺制造印制板。1978年试制出加成法材料--覆铝箔板，并采用半加成法生产印制板。八十年代初研制出挠性印制电路和金属芯印制板。在电子设备中，印制电路板通常起三个作用。⑴为电路中的各种元器件提供必要的机械支撑。⑵提供电路的电气连接。⑶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。

但是，更为重要的是，使用印制电路板有四大优点。

⑴具有重复性。⑵板的可预测性。⑶所有信号都可以沿导线任一点直接进行测试，不会因导线接触引起短路。⑷印制板的焊点可以在一次焊接过程中将大部分焊完。正因为印制板有以上特点，所以从它面世的那天起，就得到了广泛的应用和发展，现代印制板已经朝着多层、精细线条的方向发展。特别是八十年代开始推广的SMD（表面封装）技术是高精度印制板技术与VLSI（超大规模集成电路）技术的紧密结合，大大提高了系统安装密度与系统的可靠性7.1.2印制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⑴单面印制板（SingleSidedPrintBoard）。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。⑵双面印制板（DoubleSidedPrintBoard）。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，由于双面印制板的布线密度较高，所以能减小设备的体积。⑶多层印制板（MultilayerPrintBoard）。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，可靠性稍差。它常用于计算机的板卡中。对于电路板的制作而言，板的层数愈多，制作程序就愈多，失败率当然增加，成本也相对提高，所以只有在高级的电路中才会使用多层板。图7-1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。元件也分为两大类，插针式元件和表面贴片式元件（SMD）。2.根据PCB所用基板材料划分⑴刚性印制板（RigidPrintBoard）。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。常用刚性PCB有：纸基板、玻璃布板和合成纤维板，后连者价格较贵，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。

⑵柔性印制板（FlexiblePrintBoard，也称挠性印制板、软印制板）。柔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。

⑶刚-柔性印制板（Flex-rigidPrintBoard）。刚-柔性印制板指利用柔性基材，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。

7.1.3PCB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。为了让电路路板更具有有可看性，，便于安装装与维修顶层丝网层底层丝网层顶层连线底层连线图7-2某电路局部印制板图2.焊盘（（Pad）焊盘用于固固定元器件件管脚或用用于引出连连线、测试试线等，它它有圆形、、方形等多多种形状。。焊盘的参参数有焊盘盘编号、X方向尺寸、、Y方向尺寸、、钻孔孔径径尺寸等。。焊盘分为插插针式及表表面贴片式式两大类，，其中插针针式焊盘必必须钻孔，，表面贴片片式焊盘无无须钻孔，，图7-3所示为焊焊盘示意图图。3.元件的的封装（ComponentPackage）元件的封装装是指实际际元件焊接接到电路板板时所指示示的外观和和焊盘位置置。不同的的元件可以以使用同一一个元件封封装，同种种元件也可可以有不同同的封装形形式。在进行电路路设计时要要分清楚原原理图和印印制板中的的元件，原原理图中的的元件指的的是单元电电路功能模模块，是电电路图符号号；PCB设计中的元元件则是指指电路功能能模块的物物理尺寸，，是元件的的封装。元件的封装装形式可以以分为两大大类：插针针式元件封封装（THT）和表面安装装式封装（（SMT），，图7-4所所示为双列列14脚IC的封装图，，它们的区区别主要在在焊盘上。。钻孔

插针式焊盘

表面贴片式焊盘图7-3焊盘示意图元件封装的的命名一般般与管脚间间距和管脚脚数有关，，如电阻封封装AXIAL0.3中的0.3表示管脚脚间距为0.3英寸寸或300mil（1英寸=1000mil）；；双列直插式式IC封装DIP8中的8表示示集成块的的管脚数为为8。元件件封装中数数值的意义义如图7-5所示。。常用元件的的封装对照照表如表7-1所示示。4.金属属化孔（Via）金属化孔也也称过孔，，在双面板板和多层板板中，为连连通各层之之间的印制制导线，通通常在各层层需要连通通的导线的的交汇处钻钻上一个公公共孔，即即过孔，在在工艺上，，过孔的孔孔壁圆柱面面上用化学学沉积的方方法镀上一一层金属，，用以连通通中间各层层需要连通通的铜箔，，而过孔的的上下两面面做成圆形形焊盘形状状。过孔不仅可可以是通孔孔，还可以以是掩埋式式。所谓通通孔式过孔孔是指穿通通所有敷铜铜层的过孔孔；掩埋式式过孔则仅仅穿通中间间几个敷铜铜层面，仿仿佛被其它它敷铜层掩掩埋起来。。图7-6为六层板板的过孔剖剖面图，包包括顶层、、电源层、、中间1层层、中间2层、地线线层和底层层。5.连线（（Track、Line）连线是指有有宽度、有有位置方向向（起点和和终点）、、有形状（（直线或弧弧线）的线线条。在敷敷铜面上的的线条一般般用来完成成电气连接接，称为印印制导线或或铜膜导线线；在非敷敷铜面上的的连线一般般用作元件件描述或其其它特殊用用途。印制导线用用于PCB上的线路连连接，通常常印制导线线是两个焊焊盘（或过过孔）间的的连线，而而大部分的的焊盘就是是元件的管管脚，当无无法顺利连连接两个焊焊盘时，往往往通过跳跳线或过孔孔实现连接接。图7-7所示为为双面板印印制导线的的走线图。。采用垂直直布线法，，一层水平平走线，另另一层垂直直走线，两两层间印制制导线的连连接由过孔孔实现。6.网络（（Net）和网络表（（Netlist）从一个元器器件的某一一个管脚上上到其它管管脚或其它它元器件的的管脚上的的电气连接接关系称作作网络。每每一个网络络均有唯一一的网络名名称，有的的网络名是是人为添加加的，有的的是系统自自动生成的的，系统自自动生成的的网络名由由该网络内内两个连接接点的管脚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。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，就可以看到该布局下的网络飞线的交叉状况，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。自动布布线结结束，，未布布通的的网络络上仍仍然保保留网网络飞飞线，，此时时可以以可用用手工工连接接的方方式连连通这这些网网络。。8.安安全间间距（（Clearance）在进行行印制制板设设计时时，为为了避避免导导线、、过孔孔、焊焊盘及及元件件的相相互干干扰，，必须须在它它们之之间留留出一一定的的间距距，这这个间间距称称为安安全间间距。。9.栅栅格（（Grid））栅格用用于PCB设计时时的位位置参参考和和光标标定位位，Protel99SE中的栅栅格有有公制制（Metric，，单位为为mm））和英制制（Imperial，，单位为为mil）两种。。返回7.2Protel99SE印制板板编辑辑器进入Protel99SE的主窗窗口，，执行行File→→New建立新新的设设计项项目，，再次次执行行File→→New，，屏幕弹弹出新新建文文件对对话框框，单单击图图标，，系系统产产生一一个PCB文件，，默认认文件件名为为PCB1.PCB，，此时可可修改改文件件名，，双击击该文文件进进入PCB99SE编辑器器，如如图7-8所示示。7.2.1启启动动PCB99SE编辑器器7.2.2PCB编辑器器的画画面管管理1.PCB窗口管管理在PCB99SE中，窗窗口管管理常常用命命令如如下。。执行View→→FitBoard可以实实现全全板显显示线线路。。执行View→→Refresh可以刷刷新画画面，，消除除画面面残缺缺。执行View→→Boardin3D可以显显示整整个印印制板板的3D模型，，在电电路布布局或或布线线完毕毕，可可以观观察元元件的的布局局或布布线是是否合合理。。2.PCB99SE坐标系系PCB99SE的工作作区是是一个个二维维坐标标系，，其绝绝对原原点位位于电电路板板图的的左下下角，，一般般在工工作区区的左左下角角附近近设计计印制制板。。执行Edit→→Origin→Set，将光标标移到到要设设置为为新的的坐标标原点点的位位置，，单击击左键键，即即可自自定义义新的的坐标标原点点，执行Edit→→Origin→Reset，可恢复复到绝绝对坐坐标原原点。。3.单单位制制设置置PCB99SE有Imperial（（英制，，单位位为mil）和Metric（（公制，，单位位为mm））两种单单位制制，执行View→→ToggleUnits可以实实现英英制和和公制制的切切换。。执行Design→→Options，，在弹出出对话话框中中选中中Options选项卡卡，在在MeasurementUnits下拉列表框框中也可选选择所用的的单位制。。4.PCB浏览器使用用在PCB设计管理器器中（执行行菜单View→→DesignManager可设置是否否打开管理理器）选中中BrowsePCB选项可以打打开PCB浏览器，Browse下拉列表框框中可以选选择浏览器器的类型，，常用的如如下。⑴Nets。。网络浏览器器，显示板板上所有网网络名。如如图7-9所示，选选中某个网网络，单击击【Edit】】按钮可以编编辑该网络络属性；单单击【Select】按钮可以选选中网络，，单击【Zoom】】按钮则放大大显示选取取的网络，，同时在节节点浏览器器中显示此此网络的所所有节点。。选择某个节节点，单击击此栏下的的【Edit】】按钮可以编编辑当前焊焊盘属性；；单击【Jump】】按钮可以将将光标跳跃跃到当前节节点上，一一般在印制制板比较大大时，可以以用它查找找元件。在节点浏览览器下方，，还有一个个微型监视视器，如图图示，在监监视器中，，虚线框为为当前工作作区所显示示的范围，，显示出所所选择的网网络，若按按下【Magnifier】按钮，光标标变成了放放大镜形状状，将光标标在工作区区中移动，，便可放大大显示光标标所在的工工作区域。。在监视器器的下方，，有一个CurrentLayer下拉列表框框，可用于于选择当前前工作层，，在被选中中择的层边边上会显示示该层的颜颜色。⑵Component。元件浏览器器，在将显显示当前电电路板图中中的所有元元件名称和和选中元件件的所有焊焊盘。⑶Libraries。元件库浏览览器，显示示当前设置置的元件库库中的所有有元件。在在放置元件件时，必须须使用元件件库浏览器器，这样才才会显示元元件的封装装名。⑷Violations。选取此项设设置为违规规错误浏览览器，可以以查看当前前PCB上的违规信信息。⑸Rules。选取此项设设置为设计计规则浏览览器，可以以查看并修修改设计规规则。7.2.3工作环境设设置1.设置栅栅格执行Design→Options，在弹出的对对话框中选选中Options选项卡，出出现图7-10所示示的对话框框。图7-10栅格设置Options选项卡设置置捕获栅格格（Snap））、元件移动栅栅格（Component）、电气栅格（（ElectricalGrid）、、可视栅格样样式（VisibleKind））和单位制（（MeasurementUnit））；Layers选项卡中可可以设置可可视栅格（（VisibleGrid））。⑴捕获栅格格设置。SnapX：设置光标在在X方向上的位位移量和SnapY：设置光标在在Y方向上的位位移量。⑵元件移动动栅格设置置。ComponentX：设置元件在在X方向上的位位移量，ComponentY：设置元件在在Y方向上的位位移量。⑶电气栅格格设置。选选中Enable复选框，设设置电气栅栅格间距。⑷可视栅格格样式设置置。Dots（（点状）和Lines（线状）。⑸可视栅格格间距和显显示状态设设置。可视视栅格显示示设置在Layers选项卡的System区中，如图图7-11所示。图7-11可视栅格设置主要有VisibleGrid1：第一组可视视栅格间距距，这组可可视栅格只只有在工作作区放大到到一定程度度时才会显显示，一般般设置为比比第二组可视栅格间间距小；VisibleGrid2：第二组可视视栅格间距距。选中栅栅格设置前前的复选框框，可以将将该栅格设设置为显示示状态。由于系统默默认的显示示状态为只只显示VisibleGrid2，故进入PCB编辑器时看看到的栅格格是第二组组可视栅格格。2.设置优优先项执行Tools→Preferences，打开图7-12所示示优选项设设置对话框框。图7-12优选项设置⑴Options选项卡此选项卡的的主要设置置内容如下下。RotationStep：设置图件旋旋转一次的的角度。CursorType：设置光标显显示的形状状。通常为为了准确定定位，选择择大十字（（Large90））。AutopanOptions：自动滚屏设设置，一般般设置为Disable，这样拖动条条移动时，，显示的效效果较好。。ComponentDrag：设置拖动元元件时是否否拖动元件件所连的铜铜膜线，选选中None只拖动元件件本身；选选中ConnectedTracks则拖动元件件时，连接接在该元件件上的导线线也随之移移动。⑵Display选项卡用于设置显显示状态。。其中PadNets设置显示焊焊盘的网络络名，PadNumbers设置显示焊焊盘号，ViaNets设置显示过过孔的网络络名，一般般要选中。。⑶Show/Hide选项卡用于设置各各种图件的的显示模式式，其中共共有10个个图件：Arcs、Fills、Pads、Polygons、Dimensions、Strings、Tracks、Vias、Coordinates，Rooms。这10种图件件均有三三种显示示模式：：Final（精细显示示）、Draft（草图显示示）和Hidden（（不显示）），一般般设置为为Final。返回7.3印印制制电路板板的工作作层面1.工作作层的类类型在Protel99SE中进行印印刷电路路板设计计时，系系统提供供了多个个工作层层面，主主要层面面类型如如下。⑴信号层层(Signallayers)。信号层主主要用于于放置与与信号有有关的电电气元素素，其中中顶层（（Toplayer））和底层（（Bottomlayer））可以放置置元件和和铜膜导导线，中中间信号号层（Midlayer1～30）布设铜膜膜导线。。⑵内部电电源/接接地层(Internalplanelayers)。主要用于于布设电电源线及及地线，，可以给给内部电电源/接接地层命命名一个个网络名名，在设设计过程程中PCB编辑器能能自动将将同一网网络上的的焊盘连连接到该该层。⑶机械层层(Mechanicallayers)。。一般用于于设置印印制板的的物理尺尺寸、数数据标记记、装配配说明及及其它机机械信息息。⑷丝印层层(Silkscreenlayers)。。主要用于于放置元元件的外外形轮廓、元件件标号和和元件注注释等，，包括顶顶层丝印印层(TopOverlay)和底层丝丝印层（（BottomOverlay）两种。⑸阻焊层层（SolderMasklayers））。阻焊层是是负性的的，放置置其上的的焊盘和和元件代代表电路路板上未未敷铜的的区域，，分为顶顶层阻焊焊层和底底层阻焊焊层。⑹锡膏防防护层（（Pastemasklayers）。。主要用于于SMD元件的安安装，分分为顶层层防锡膏膏层和底底层防锡锡膏层。。⑺钻孔层层（DrillLayers））。提供钻孔孔信息，，包括钻钻孔指示示图（DrillGuide）和钻孔图图（DrillDrawing）。⑻禁止布线线层（KeepOutLayer）。。禁止布线线层定义义放置元元件和布布线区域域范围，，一般禁禁止布线线区域必必须是一一个封闭闭区域。。⑼多层（（MultiLayer）。。用于放置置电路板板上所有有的穿透透式焊盘盘和过孔孔。2.设置置工作层层在Protel99SE中，系统统默认打打开的信信号层仅仅有顶层层和底层层，在实实际设计计时应根根据需要要自行定定义工作作层的数数目。⑴定义信信号层、、内部电电源层/接地层层的数目目执行Design→→LayerStackManager，屏幕弹出出图7-13所所示工作作层管理理对话框框。选选中图中中的TopLayer，，单击【AddLayer】】按钮在顶顶层之下下添加中中间层MidLayer；单击【【AddPlane】】按钮可添添加内部部电源/接地层层。图7-14所示示为设置置了2个个中间层层，1个个内部电电源/接接地层的的工作层层面图。。如果要删删除某层层，可先先选中该该层，然然后单击击图中【【Delete】】按钮；单单击【MoveUp】按钮或【【MoveDown】】按钮可以以调节工工作层面面的上下下关系。。选中某个个工作层层，单击击【Properties】按钮，可可以改变变该工作作层面的的名称（Name）和敷铜的的厚度（（Copperthickness）。⑵定义机机械层的的显示数数目执行菜单单Design→→MechanicalLayers，，屏幕弹出出SetupMechanicalLayers（机械层设设置）对对话框，，如图7-15所示。。单单击击某个机机械层后后的复选选框选中中该层。设置完信信号层、、内部电电源/接接