第7章 印制电路板基础.ppt

第7章 印制电路板PCB基础,第7章 PCB基础,教学提示：本章介绍PCB的基础知识，工作层、封装和图件的概念，这些概念应该准确把握，设计PCB的流程可以先简单介绍，在第9章结合实例再加强印象。在演示操作中尽量使用快捷键。在完全手工方式设计中，强调网络表的作用。学习效果在上机操作中检验。 教学目标：通过学习，熟悉PCB绘制界面，了解PCB基本元素并掌握基本绘图工具的使用；熟练掌握工作层和图件的相关操作，能用手工方式制作简单的PCB并在操作中有意识地使用快捷键，进一步提高制作速度。,第7章 PCB设计基础,7.1 PCB的基础知识 7.2 PCB编辑器 7.3 图件放置与编辑 7.4 PCB设计流程 7.5 上 机 指 导,7.1 PCB的基础知识,7.1.1 PCB的结构 7.1.2 PCB的基本元素 7.1.3 PCB工作层与管理 7.1.4 元件封装,7.1.1 PCB的结构,在进行PCB设计前，了解一些PCB的结构，理解一些基本概念和专业术语，对后面章节的学习将有很大的帮助。 PCB根据电路板的结构可以分为单面板(Signal Layer)PCB、双面板(Double Layer)PCB和多层板(Multi Layer)PCB 3种。 单面板也称单层板，即只有一个导电层，在这个层中包含焊盘及印制导线，这一层也称作焊接面，另外一面则称为元件面。单面板的成本较低，但由于所有导线集中在一个面中，所以很难满足复杂连接的布线要求。适用于线路简单及对成本敏感的场合，如果存在一些无法布通的网络，通常可以采用导线跨接的方法。 双面板也叫双层板，是一种包括顶层(Top Layer)和底层(Bottom Layer)的电路板，双面都有覆铜，都可以布线。通常情况下，元件一般处于顶层一侧，顶层和底层的电气连接通过焊盘或过孔实现，无论是焊盘还是过孔都进行了内壁的金属化处理。相对于单面板而言，两面布线极大地提高了布线的灵活性和布通率，可以适应高度复杂的电气连接的要求，双面板在目前应用最为广泛。,多层板是在顶层和底层之间加上若干中间层构成，中间层包含电源层或信号层，各层间通过焊盘或过孔实现互连。多层板适用于制作复杂的或有特殊要求的电路板。多层板包括顶层(Top Layer)、底层(Bottom Layer)、中间层(MidLayer)及电源接地层(Internal Plane)等，层与层之间是绝缘层，绝缘层用于隔离电源层和布线层，绝缘层的材料要求有良好的绝缘性能、可挠性及耐热性等。 通常在PCB上布上铜膜导线后，还要在上面印上一层防焊层(Solder Mask)，防焊层留出焊点的位置，而将铜膜导线覆盖住。防焊层不粘焊锡，甚至可以排开焊锡，这样在焊接时，可以防止焊锡溢出造成短路。另外，防焊层有顶层防焊层(Top Solder Mask)和底层防焊层(Bottom Solder Mask)之分。 有时还要在PCB的正面或反面印上一些必要的文字，如元件标号、公司名称等，能印这些文字的一层为丝印层(Silkscreen Layers)，该层又分为顶层丝印层(Top Overlay)和底层丝印层(Bottom Overlay)。,1. 铜膜导线 铜膜导线是覆铜板经过加工后在PCB上的铜膜走线，又简称为导线，处于所有的导电层，用于连接各个焊点，是PCB重要的组成部分。导线的主要属性为宽度，它取决于承载电流的大小和铜箔的厚度。 值得指出的是导线与布线过程中出现的预拉线(又称为飞线)有本质的区别：飞线只是形式上表示出网络之间的连接，没有实际的电气连接意义。网络和导线也有所不同，网络上还包括焊点，因此在提到网络时不仅指导线而且还包括和导线连接的焊盘。 2. 焊盘 焊盘用于焊接元件实现电气连接并同时起到固定元件的作用。焊盘的基本属性有形状、所在层、外径及孔径。双层板及多层板的焊盘都经过了孔壁的金属化处理。对于插脚式元件，Protel 2004将其焊盘自动设置在MultiLayer层；对于表面贴装式元件，焊盘与元件处于同一层。Protel 2004允许设计者将焊盘设置在任何一层，但只有设置在实际焊接面才是合理的。,Protel 2004中焊盘的标准形状有3种，即圆形(Round)、方形(Rectangle)和八角形(Octagonal)，允许设计者根据需要进行自定义(Customize)或自行设计。主要有两个参数：孔径尺寸(Hole Size)和焊盘尺寸(X- 尺寸，Y-尺寸)，如图7.1所示。,图7.1 焊盘形状和尺寸,3. 过孔 过孔用于实现不同工作层间的电气连接，过孔内壁同样做金属化处理。应该注意的是，过孔仅是提供不同层间的电气连接，与元件引脚的焊接及固定无关。过孔分为三种：从顶层贯穿至底层的称为穿透式过孔；只实现顶层或底层与中间层连接的过孔称为盲孔；只实现中间层连接，而没有穿透顶层或底层的过孔称为埋孔。过孔可以根据需要设置在任意导电层之间，但过孔的起始层和结束层不能相同。过孔只有圆形，主要有两个参数：即孔径大小(Hole Size)和过孔直径(Diameter)，如图8.2所示。 4. 元件的图形符号 元件的图形符号反映了元件外形轮廓的形状及尺寸，与元件的引脚布局一起构成元件的封装形式。印制元件图形符号的目的是显示元件在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。,5. 其他辅助性说明信息 为了阅读PCB或装配、调试等需要，可以加入一些辅助信息，包括图形或文字。这些信息一般应设置在丝印层，但在不影响顶层或底层布线的情况下，也可以设置在这两层。,图7.2 过孔的形状和尺寸,7.1.3 PCB工作层与管理,1. 工作层 在Protel 2004的PCB编辑器中，采用层管理模式，无论是多层板、双层板还是单层板都包含多个工作层，不同的工作层有不同的用途并采用不同的颜色加以区分。设计时，设计者应合理配置工作层。从比较实用和够用的角度出发，对于初学者而言，单层板和双层板的配置应重点掌握。 信号层(Signal Layers)用于布线，分为顶层、底层和中间层。单层板的信号层为底层，双面板为顶层和底层，多层板情况相对复杂，简单情况下只用到顶层和底层，当这两层仍然不能满足设计需要时再增加中间信号层。顶层的默认颜色为红色，底层的默认颜色为蓝色，系统为每个中间层设置了彼此不同的颜色。 电源接地层(Internal Plane)也称内电层，专门用于系统供电，信号层内需要与电源或地线相连接的网络通过焊盘或过孔实现连接，这样可以大幅度缩短供电线路的长度，降低电源阻抗。同时，专门的电源层在一定的程度上隔离了不同的信号层，有助于降低不同信号层间的干扰，只有多层板才用到该层。,机械层(Mechanical Layers)用于放置电路板的物理边界、关键尺寸信息及电路板生产过程中所需要的对准孔等，它不具备导电性质。 防护层(Mask Layers)分为顶层助焊层(Top Paste)、底层助焊层(Bottom Paste)、顶层阻焊层(Top Solder)和底层阻焊层(Bottom Solder)。设置助焊层(Paste)是为了安装贴片元件。设置阻焊层的目的是防止焊锡的粘连，避免在焊接相邻但不同网络焊点时发生短路。 丝印层(Silkscreen Layers)用于显示元件的外形轮廓、编号或放置其他的文本信息。丝印层分为顶层丝印层(Top Overlay)和底层丝印层(Bottom Overlay)，丝印层的默认颜色为 黄色。 在其他工作层(Other Layers)中，禁止布线层(Keep Out Layer)用于定义PCB的电气边界，即限制了印制导线的布线区域。设计时，电气边界应不超出PCB的物理边界。多层(Multi-Layer)为贯穿每一个信号层的工作层，在多层上放置的焊盘或过孔将会自动添加到所有的信号层中。禁止布线层的默认颜色为粉红色，多层的默认颜色为灰色。,2. 板层和颜色的设置 按快捷键D|L弹出设置工作层的【板层和颜色】对话框，如图7.3所示。,图7.3 【板层和颜色】对话框,在【板层和颜色】对话框中，有六个区域分别设置在PCB编辑区要显示的工作层及其颜色。在每个区域中有一个【表示】复选框，选中工作层，在PCB编辑区中将显示该层标签页；单击【颜色】下的颜色，弹出【颜色】对话框，在该对话框中可以对电路板层的颜色进行编辑。 在系统颜色栏中，可以对网络连接预拉线(Connections and From Tos)、DRC错误标记(DRC Error Markers)、选择目标后的颜色(Selections)、可视栅格(Visible Grid)、焊盘内孔(Pad Holes)、过孔内孔(Via Holes)、PCB边框颜色(Board Line Color)、PCB区域颜色(Board Area Color)、图纸边框颜色(Sheet Line Color)、图纸区域颜色(Sheet Area Color)、工作窗口起始颜色(Workspace Start Color)及工作窗口结束颜色(Workspace End Color)等内容进行颜色设置和是否显示设置。,图7.4 板层管理器,3. 工作层的管理 按快捷键D|K弹出【图层堆栈管理器】对话框，如图7.4所示。在该对话框中，可以为顶部或底部添加绝缘层(【顶部绝缘体】)、(【底部绝缘体】)；可以追加层(【追加层】)、添加内部电源/接地层(【加内电层】)、将选中的工作层上移(【向上移动】)或下移(【向下移动】)、删除当前层(【删除】)、设置属性参数(【属性】)和配置钻孔对，单击【菜单】按钮弹出的菜单，和面板上的命令按钮相同。,(1) 添加信号层。选定顶层(Top Layer)，单击【追加层】按钮，单击一次，完成一层的添加，添加的工作层将位于顶层下面，如图7.5所示。,图7.5 添加信号层,(2) 添加内部电源/接地层。选定顶层(Top Layer)，单击【加内电层】按钮，单击一次，完成一层的添加，和添加信号层一样都是添加在顶层的下面。添加的两层(内部电源层和接地层)如图7.6所示。 (3) 工作层的属性修改。单击【属性】按钮，打开内部工作层的【编辑层】(Edit Layers)对话框：对信号层可以设置该层的名称(Name)、印刷铜的厚度(Copper Thickness)；对内电层可以设置工作层的名字、印刷铜的厚度、网络名(Net Name)和定义去掉边铜宽度(Fullback)。这两个工作层的属性编辑项目是不完全相同的，如图7.7所示。 (4) 内电层的命名。在没有将SCH网络表的信息传输过来的情况下，内电层是不能命名的。在有网络节点的情况下，可以对内电层进行命名，如图7.8所示。 (5) 内电层的分割。当需要几个网络共享一个电源层时，可以将其分割成几个区域。通常的做法是将引脚最多的网络最先指定到电源层，然后再为将要连接到电源层的其他网络定义各自的区域，每个区域由被分割网络中所有引脚的特定边界规定。任何没有在边界线中的引脚仍然显示飞线，表示它们必须要连线连接。,图7.6 添加内部电源/接地层,(6) 工作层的移动和删除。移动工作层需要先选中操作对象，再执行相应的命令，包括向上移动一层(Move Up)、向下移动一层(Move Down)和删除一层(Delete)。,图7.7 信号层与内电层属性修改,图7.8 内电层命名,7.1.4 元件封装,元件封装是指元件焊接到电路板时所指的外观和焊盘位置，它是实际的电子元件或集成电路的外形尺寸、引脚的直径及引脚的距离等，它是使元件引脚和PCB上的焊盘一致的保证。元件封装只是元件的外观和焊盘的位置，纯粹的元件封装只是一个空间的概念，不同的元件可以有相同的封装，同一个元件也可以有不同的封装。所以在取用焊接元件时，不仅要知道元件的名称，还要知道元件的封装。 1. 元件封装的分类 元件的封装可以分为针脚式封装和表面粘贴式(SMT)封装两大类。 (1) 针脚式封装 针脚式封装是针对针脚类元件的，针脚类元件焊接时先要将元件针脚插入焊盘导孔中，然后再焊锡。由于焊点导孔贯穿整个电路板，所以在其焊盘的属性对话框中，Layer板层属性必须为Multi Layer。针脚类元件封装如图7.9所示。,图7.9 针脚类元件封装,图7.10 表面粘贴式封装,(2) 表面粘贴式封装 表面粘贴式封装的焊盘只限于表面板层，即顶层或底层。在其焊盘的属性对话框中，Layer板层属性必须为单一表面，表面粘贴式封装如图7.10所示。,2. 元件封装的编号 元件封装的编号原则为：元件类型焊盘距离(焊盘数)元件外形尺寸。可以根据元件的编号来判断元件封装的规格。例如电阻的封装为AXIAL-0.4，表示此元件封装为轴状，两焊盘间的距离为400mil(100mil=2.54mm)；RB7.6-15表示极性电容类元件封装，引脚间距为7.6mm，元件直径为15mm；DIP-24表示双列直插式元件封装，24个焊盘引脚。 3. 常用元件的封装 常用的分立元件封装有二极管类(DIODE-0.5DIODE-0.7)、极性和非极性电容类(RB5-10.5RB7.6-15、RAD-0.1RAD-0.4)、电阻类(AXIAL-0.3AXIAL-1.0)和可变电阻类(VR1VR5)等，这些封装在Miscellaneous Devices PCB.PcbLib元件库中。常用的集成电路有DIP-xxx封装和SIL-xxx封装等。 (1) 二极管类(DIODE) 二极管常用的封装名称为DIODE-xx，xx表示二极管引脚间的距离，如DIODE-0.7。,(2) 电容类 电容分为有极性电容和无极性电容，与其对应的封装形式也有两种，有极性电容的封装形式名称为RB5-10.5等，无极性电容封装形式名称为RAD-xx，xx表示两个焊盘间的距离，如RAD-0.2。 (3) 电阻类 电阻类常用的封装形式名称为AXIAL-xx，xx表示两个焊盘间的距离，如AXIAL-0.4。 (4) 集成电路封装 集成块的封装形式名称为DIP-xx(双列直插式)和SIL-xx(单列直插式)，xx表示集成电路的引脚数，如DIP-6、SIL-4。 (5) 晶体管类 该类封装形式比较多，名称为BCY-W3D4.7。 (6) 电位器 电位器常用的封装名称为VRxxx，如VR5等。 以上各种常用元件的封装如图7.11所示。,7.1.4 元件封装,二极管封装形式 电解电容封装形式 无极性电容封装形式 电阻封装形式,7.1.4 元件封装,集成电路封装形式(双排直插) (单排直插) 小功率晶体封装形式 电位器封装形式,图7.11 常用元件的封装,7.2 PCB编辑器,通过创建或打开PCB文件，即可启动PCB编辑器，初始界面包括菜单栏、工具栏、工作区、命令栏、状态栏和各种面板按钮，如图7.12所示。 1. 主菜单栏 PCB编辑器的菜单栏和原理图编辑器的菜单栏基本相似，操作方法也类似。绘制原理图主要是对元件的操作和连线，而进行PCB设计主要是针对元件封装的操作和布线工作。二者很多的操作编辑方法都相同。PCB编辑器的菜单栏如图7.13所示。 2. 工具栏 PCB编辑器中的工具栏有以下几种：标准工具栏(PCB Standard)、放置工具栏(Placement)、工程工具栏(Project)、过滤器工具栏(Filter)、尺寸工具栏(Dimensions)、元件排列工具栏(Component Placement)、寻找选择对象工具栏(Find Selection)、间距设置工具栏(Rooms)和仿真工具栏(SI)。所有的工具栏都可在编辑区内任意浮动，并设定放在任何适当的位置，也可以根据使用习惯，将不同的工具栏按一定顺序摆放。在真正进行PCB设计时，并不是所有的工具栏都会用到，将不使用的工具栏关闭，可以使工作界面更加清晰整洁。一般都会把标准工具栏、工程工具栏和放置工具栏打开，如图7.14所示。,图7.12 PCB编辑器,7.2 PCB编辑器,图7.13 PCB编辑器的菜单栏,图7.14 PCB工程工具栏、放置工具栏和标准工具栏,实用工具栏,放置工具栏,标准工具栏,7.2 PCB编辑器,3. 文档标签 每个打开的文档都会在设计窗口顶部有自己的标签，右击标签可以关闭、修改或平铺打开的窗口，如图7.15所示。 4. 工作层标签 在PCB编辑器中，工作区主要用于设计者绘制电路板。在工作区的下方有工作层面切换标签，通过单击相应的工作层，可在不同的工作层之间进行切换，当前工作层为顶层(Top Layer)，如图7.16所示。 PCB编辑器里的标签栏位于工作桌面的右下方，其使用方法同原理图中的标签栏。【屏蔽程度】按钮允许改变屏蔽对象的模糊程度，也可以单击【清除】按钮清除当前屏蔽。,7.2 PCB编辑器,图7.15 文档标签,图7.16 工作层面切换标签,7.3 PCB电路参数设置 设置PCB电路参数是电路板设计过程中非常重要的一步。系统参数包括光标显示、层颜色、系统默认设置、PCB设置等。执行Tools/Preference菜单命令，进行参数设置，对话框中共有4个选项卡，即General、Display、Show/Hide和Defaults选项卡。 1、General选项卡的设置 用于设置一些常用的功能，包含Editing Options（编辑选项）、Autopan Options（自动移动）、Polygon Repour（多边形推挤）、Interactive Routing（交互布线）和Other（其他）设置等。,图7.17,2、 Display选项卡的设置 用于设置屏幕显示和元件显示模式。,3、Show/Hide选项卡的设置 用于设置各种图形的显示模式。,4、 Defaults选项卡的设置 用于设置各个组件的系统默认值。,各个组件包括：Arc（圆弧）、Component（元件封装）、Coordinate（坐标）、Dimension（尺寸）、Fill（金属填充） Pad（焊盘）、Polygon（多边形敷铜）、String（字符串）、Track（铜膜导线）和Via（过孔）,7.4 PCB设计的环境设置,按快捷键O|G进入【PCB板选择项】对话框，可以进行如下设置： (1) 测量单位(Measurement Unit)设置 可以设置PCB工作中的度量单位。单击选项右侧的下三角按钮可选择英制单位(Imperial)或公制单位(Metric)。 (2) 捕获网格(Snap Grid)设置 捕获网格是指光标每次移动的最小距离。单击选项右侧的下三角按钮可设置其大小。一般将捕获网格设置为100mil的约数，如50mil、25mil等，这样所有的元件引脚焊盘可以很容易地放在网格上。 (3) 可视网格(Visible Grid)设置 在【可视网格】选项组中，【标记】设置网格显示类型，其中有两种选择，即线状(Lines)和点状(Dots)；【网格1】和【网格2】分别设置可见网格1和可见网格2，通常将【网格1】设置为50mil(1.27mm)，【网格2】设置为100mil(2.54mm)，单击选项右侧的下三角按钮对其设置或直接输入数值。 (4) 电气网格(Electrical Grid)设置 电气网格是系统在给出的范围内自动搜索电气节点。该选项组有允许电气网格捕获和捕获的范围两项设置。设置方法同上。 另外，还有图纸属性设置等，均可选择默认值，各项设置如图7. 所示。,图7. 【PCB板选择项】对话框,7.5 PCB设计流程,1、 绘制原理图 2、规划电路板 3、设置参数（包括元件的布置参数、层参数、布线参数等） 4、 装入网络表及元件封装 5、 元件的布局 6、 手动预布线，锁定手动预布的线 7、 自动布线，Protel采用最先进的无网格、基于形状的对角线自动布线技术 8、 手动调整布线 9、文件 保存与输出,7.6 PCB设计的基本原则,印制电路板(PCB)是电子产品中电路元件和器件的支撑件。它提供电路元件和器件之间的电气连接。随着电于技术的飞速发展，PCB的密度越来越高。PCB设计的好坏对抗干扰能力影响很大。因此，在进行PCB设计时必须遵守PCB设计的一般原则，并应符合抗干扰设计的要求。要使电子电路获得最佳性能，元器件的布局及导线的布设是很重要的。为了设计质量好、造价低的PCB，应遵循以下一般原则： 1、布局 首先，要考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。在确定PCB尺寸后再确定特殊元件的位置。最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。 （1）在确定特殊元件的位置时要遵守以下原则：,尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。 某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。 重量超过15g的元器件、应当用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件，不宜装在印制板上，而应装在整机的机箱底板上，且应考虑散热问题。热敏元件应远离发热元件。 对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。若是机内调节，应放在印制板上方便于调节的地方；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。,应留出印制扳定位孔及固定支架所占用的位置。 （2）根据电路的功能单元对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则： 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。 以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。 在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观而且装焊容易易于批量生产。 位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm。电路板的最佳形状矩形，长宽比为3：2成4：3。电路板面尺寸大于200x150mm时，应考虑电路板所受的机械强度。,（3）印制电路板的厚度：厚度应根据印制板的功能及所装元件的重量、印制板插座规格、印制板的外形尺寸和所承受的机械负荷来决定。多层印制板的总厚度及各层间厚度的分配应根据电气和结构性能的需要以及覆箔板的标准规格来选取。常见的印制电路板厚度有0.5mm、1mm、1.5mm和2mm等。,2、布线 布线的方法以及布线的结果对PCB的性能影响也很大，一般布线要遵循以下原则： 输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行。最好添加线间地线，以免发生反馈藕合。 印制板导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流过它们的电流值决定。导线宽度应以能满足电气性能要求而又便于生产为宜，它的最小值由承受的电流大小而定，但最小不宜小于0.2mm（8mil），在高密度、高精度的印制线路中，导线宽度和间距一般可取0.3mm；导线宽度在大电流情况下还要考虑其温升，单面板实验表明，当铜箔厚度为 0.05mm、宽度为11.5mm 时。通过2A的电流，温升很小，温度不会高于3，因此，一般选用导线宽度为11.5mm可满足要求。对于集成电路，尤其是数字电路，通常选0. 20.3mm导线宽度。当然，只要允许，还是尽可能用宽线尤其是电源线和地线。 印制导线的公共地线应尽可能地粗，可能的话，使用大于23mm的导线，这点在带有微处理器的电路中尤为重要，因为当地线过细时，由于流过的电流的变化，地单位变动，造成微处理器定时信号的电平不稳，会使噪声容限劣化。,在DIP封装的IC脚间走线，可应用10-10与12-12原则，即当两脚间通过两根线时，焊盘直径可设为50mil（1mil=0.0254mm），线宽与线距都为10mil；当两脚间只通过1根线时，焊盘直径可设为64mil，线宽与线距都为12mil。 印制导线拐弯处一般取圆弧形，而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。此外，尽量避免使用大面积铜箔，否则长时间受热时，易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用大面积铜箔时，最好用栅格状，这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。 导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。对于集成电路，尤其是数字电路，只要工艺允许，可使间距小至0.50.8mm。 3.焊盘大小 焊盘的内孔尺寸必须从元件引线直径和公差尺寸以及焊锡层厚度、孔径公差、孔金属电镀层厚度等方面考虑，焊盘的内孔要比器件引线直径稍大一些，一般不小于0.6mm，因为小于0.6mm的孔开模冲孔时不易加工，通常情况下以金属引脚直径加上0.2mm作为内孔直径。,表7-4 孔直径与焊盘直径对照,如电阻的金属引脚直径为05mm时，其焊盘内孔直径对应为07mm，焊盘太大易形成虚焊。焊盘直径取决于内孔直径。如表7-4所示。 对于超出表7-4范围的焊盘直径可按下列公式选取： 直径小于04mm的孔：Dd=053 直径大于2mm的孔：Dd=152 式中，D为焊盘直径，d为内孔直径。,4、印制电路板电路的抗干扰措施 印制电路板的抗干扰设计与具体电路有着密切的关系，这里仅就PCB抗干扰设计的几项常用措施做一些说明。 （1）电源线设计 根据印制线路板电流的大小，尽量加租电源线宽度，减少环路电阻。同时、使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。 （2）地线设计 数字地与模拟地分开。若线路板上既有逻辑电路又有线性电路，应使它们尽量分开。低频电路的地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分串联后再并联接地。高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而租，高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔。,接地线应尽量加粗。若接地线用很细的线条，则接地电位随电流的变化而变化，使抗噪性能降低。因此应将接地线加粗，使它能通过三倍于印制板上的允许电流。如有可能，接地线应在23mm以上。 接地线构成闭环路。只由数字电路组成的印制板，其接地电路布成团环路大多能提高抗噪声能力。 （3）大面积敷铜 印制电路板上的大面积的敷铜有两种作用：一种是散热；一种是通过屏蔽来减小干扰。初学者设计印制电路板时常犯的一个错误是大面积敷铜上没有开窗口，而由于印制电路板板材的基板与铜箔间的粘合剂在浸焊或长时间受热时，会产生挥发性气体无法排除，热量不易散发，以致产生铜箔膨胀、脱落现象。因此在使用大面积的敷铜时，应将其开窗口设计成网状。,5、退藕电容配置 PCB设计的常规做法之一是在印制板的各个关键部位配置适当的退藕电容。退藕电容的一般配置原则是： (1)电源输入端跨接10100uf的电解电容器。如有可能，接100uF以上的更好。 (2)原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01pF的瓷片电容，如遇印制板空隙不够，可每48个芯片布置一个110pF的电容。 (3)对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件，如 RAM、ROM存储器件，应在芯片的电源线和地线之间直接接入退藕电容。,(4)电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。此外，还应注意以下两点： 在印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时操作它们时均会产生较大火花放电，必须采用RC电路来吸收放电电流。一般R取 12K，C取2.247uF。 CMOS的输入阻抗很高，且易受感应，因此在使用时对不用端要接地或接正电源。 6. 各元件之间的接线 按照原理图，将各个元件位置初步确定下来，然后经过不断调整使布局更加合理，最后就需要对印制电路板中各元件进行接线，元件之间的接线安排方式如下： 印制电路中不允许有交叉电路，对于可能交叉的线条，可以用“钻”、“绕，两种办法解决。即让某引线从别的电阻、电容、三极管脚下的空隙处“钻”过去，或从可能交叉的某条引线的一端“绕”过去。在特殊情况下，如果电路很复杂，为简化设计也允许用导线跨接，解决交叉电路问题。,电阻、二极管、管状电容器等元件有“立式”和“卧式”两种安装方式。立式指的是元件体垂直于电路板安装、焊接，其优点是节省空间；卧式指的是元件体平行并紧贴于电路板安装、焊接，其优点是元件安装的机械强度较好。这两种不同的安装元件，印制电路板上的元件孔距是不一样的。 同一级电路的接地点应尽量靠近，并且本级电路的电源滤波电容也应接在该级接地点上。特别是本级晶体管基极、发射极的接地不能离得太远，否则因两个接地间的铜箔太长会引起干扰与自激，采用这样“一点接地法”的电路，工作较稳定，不易自激。 总地线必须严格按高频-中频-低频逐级按弱电到强电的顺序排列原则，切不可随便翻来覆去乱接，级间宁可接线长点，也要遵守这一规定。特别是变频头、再生头、调频头的接地线安排要求更为严格，如有不当就会产生自激以致无法工作。调频头等高频电路常采用大面积包围式地线，以保证有良好的屏蔽效果。,强电流引线(公共地线、功放电源引线等)应尽可能宽些，以降低布线电阻及其电压降，可减小寄生耦合而产生的自激。 阻抗高的走线尽量短，阻抗低的走线可长一些，因为阻抗高的走线容易发射和吸收信号，引起电路不稳定。电源线、地线、无反馈元件的基极走线、发射极引线等均属低阻抗走线。 电位器安放位置应当满足整机结构安装及面板布局的要求，因此应尽可能放在板的边缘，旋转柄朝外。 IC座，设计印制板图时，在使用IC座的场合下，一定要特别注意IC座上定位槽放置的方位是否正确，并注意各个IC脚位置是否正确，例如第1脚只能位于IC座的右下角或者 左上角，而且紧靠定位槽(从焊接面看)。 在对进出接线端布置时，相关联的两引线端的距离不要太大，一般为2310 in左右较合适。进出接线端尽可能集中在l2个侧面，不要过于分散。,在保证电路性能要求的前提下，设计时应力求合理走线，少用外接跨线，并按一定顺序要求走线，力求直观，便于安装和检修。 (11)设计应按一定顺序方向进行，例如可以按由左往右和由上而下的顺序进行。,7.8 在项目中建立PCB文件,在设计从原理图编辑器转换到PCB编辑器之前，需要创建一个有最基本轮廓的空白PCB文件。 1建立新的PCB文件 建立新的PCB文件不但可以直接执行NewPCB菜单命令，也可以使用PCB向导在Protel 2004中创建一个新的PCB文件。使用菜单命令的方法与建立原理图的方法相似，系统最后采用默认的图样格式建立文件。下面将使用向导来创建PCB文件。 使用向导来创建PCB文件将可以选择工业标准板轮廓并创建自定义的板子尺寸。在向导的任何阶段，用户都可以使用Back按钮来检查或修改前页中的内容。使用PCB向导来创建PCB的操作步骤如下： 在Files面板底部的New from Template单元单击PCB Board Wizard创建新的PCB。如果这个选项没有显示在屏幕上，单击向上的箭头图标园关闭上面的一些单元。 执行该命令后，则系统将PCB Board Wizard打开。首先看见的是介绍页。单击Next按钮继续，系统将弹出如图717所示的对话框。,7.7 印制电路板的叠层设计,PCB的叠层常常由板的目标成本、制造技术和所要求的布线通道数所决定。对于大部分工程设计，存在许多相互冲突的要求，通常最后的设计策略是在考虑各方面的折中后决定的。PCB板可以从最低成本的1层到高性能系统所要求的30层或更多层。 1. 多层板 具有许多层的PCB板常常用于高速、高性能的系统。其中多层用于DC电源或地参考平面。这些平面通常是没有任何分割的实体平面，因为有足够的层用作电源或地层，因此没有必要将不同的DC电压置于一层上。无论一个层的名称是什么(例如“Ground”、+5V、VCC或Digital Power等)，该平面将会用作与它们相邻的传输线上信号的返回电流通路。 构造一个好的低阻抗的返回电流通路是这些平面层的最重要的EMC目标。,信号层分布在实体参考平面层之间。它们可以是对称的带状线或非对称的带状线。在大部分设计中，会使用到这些配置的组合。 下面我们以一个12层板为例来说明多层板的结构和布局。如图7-9所示为一个流行的12层PCB板结构，其分层结构为T-P-S-P-P-S-P-S-S-P-B，这里“T”为顶层，“P”为参考平面层，“S”为信号层，“B”为底层。顶层和底层用作元件焊盘，信号在顶层和底层不会传输太长的距离，以便减少来自走线的直接辐射。该设计考虑可以用于其他任何叠层配置的设计。 下一个考虑就是确定哪个参考平面层将必须包含用于不同的DC电压的多个电源区。对于这个实例，假设第11层具有多个DC电压。这就意味着设计者必须将高速信号尽可能远离第10层和底层，因为返回电流不能流过第10层以上的参考平面，并且需要使用缝合电容(Stitching Capacitor)。在该实例中，第3、5、7和9层分别为高速信号的信号层。 然后就要规划最重要信号的布线。在大多数设计场合中，走线尽可能以一个方向进行布局，以便优化层上可能的布线通道数。第3层和第7层可以设定为“东西”走线，而第5层和第9层设置为“南北”走线。一走线布在哪一层上根据其到达目的的方向确定。,一个重要的考虑就是对于高速信号的走线时层的变化，并且哪些不同的层将用于一个独立的走线。另一个重要的考虑就是确保返回电流可以从一个参考平面流到需要流过的新参考平面。实际上，最好的设计并不要求返回电流改变参考平面，而是简单地从参考平面的一侧改变到另一侧。例如，下面信号层的组合可以一起用作信号层对：第3层和第5层；第5层和第7层；第7层和第9层。这就允许一个东西方向和一个南北方向的布线形成一个布线组合。但是像第3层和第9层这样的组合就不应该使用，因为这会要求一个返回电流从第4层流到第8层。尽管一个解耦电容可以放置在过孔附近，但是在高频时，由于存在引线和过孔电感而使电容失去作用。这种增加电容的布线策略也会增加元件的数量和产品的成本。,另一个重要的考虑就是为参考平面层选定DC电压。假设该实例中，一个处理器因为内部信号处理的高速特性，所以在电源地参考引脚上存在大量的噪声。因此，在为处理器提供的相同DC电压上使用解耦电容非常重要，并且尽可能有效地使用解耦电容。在后面的有关解耦的章节中，我们将会讨论板上解耦电容性能会严重地受到所连接的过孔、焊盘和连接走线所限制。降低这些元件的电感的最好方法就是使连接走线尽可能短和宽，并且尽可能使过孔短而粗。如果第2层分配为“Ground”并且第4层分配为处理器的电源，则过孔离放置处理器和解耦电容的顶层的距离应该尽可能短。延伸到板的底层的过孔剩余部分不包含任何重要的电流，并且非常短从而不会具有天线作用。图7-9所示就是这种叠层设计的描述，如果将一个电容放置在板的底层，则可以看出这样会产生更长的过孔，从而比将电容放置在顶层产生更大的电感。,图7-9 12层PCB的配置,T0p层 第2层(参考平面，地) 第3层(信号，东西方向) 第4层(参考平面，电源) 第5层(信号，南北方向) 第6层(参考平面) 第7层(信号，东西方向) 第8层(参考平面) 第9层(信号，南北方向) 第10层(信号，仅低速) 第11层(多电源参考平面) Bottom层,另外，如果将高速信号布在第3层和第5层，则建议使一个有效器件所驱动的信号走线具有相同的电源作为参考平面。也就是说，来自处理器例如存储单元的总线和其他高速总线的信号应该布在第3层和第5层，因此它们可以共享相同的电源，并且返回电流可以更加容易返回到它们的源。 尽管上面的讲述主要是着重于最重要的信号和IC，这些考虑也应该使用于其他信号和IC。在第10层上的信号应该是低速信号，因为第11层上的参考平面具有多个电源，并且被切分为多个部分。 2. 六层板 六层板是常用的叠层设计。通常，这种叠层用作低成本的产品并且包含4个信号层和两个参考平面层。图7-10所示为一个典型的六层板的叠层布局，其中包含4个信号层和两个参考平面层。很明显，这种配置比前一种配置具有较低的自由度。但是设计人员依然可以使用一些选择，从而有助于提高系统的EMC性能。,与前面的12层配置一样，可以使用一个东西方向和一个南北方向的布线。另外，建议使用不要求返回电流改变参考平面的布线层对。在这种情况下，我们可以选择第1层和第3层作为布线层对，第4层和第6层作为另一个布线层对。顶层和底层必须用作信号布线。为了得到一个好的EMC性能，建议将返回电流置于一个参考平面上，而不要将信号埋于两个参考平面之间。因此第3层和第4层不能用于高速信号的布线层对。,图7-10 六层PCB的配置,第2层和第5层为电源和地参考平面层。通常，在PCB上会有多个不同的DC电压，因此电源平面有可能会分割为许多个电源岛。如果第2层被用作地参考平面层，而设计人员必须保证所有高速信号布在第1层和第3层上，以便他们不会跨过分割的参考平面。当然，如果一个特定的信号通路不会跨过电源参考平面的分割区，则也可以把这些信号布在第4层和第6层上。 3. 四层板 四层板通常用于低成本的系统。通常，四层板只有两个信号层和两个参考平面层。图7-11描述了四层板的叠层配置。,图7-11 四层PCB的配置,布线通道数量的优化对于四层板来说是至关重要的，因为我们可以使用东西方向和南北方向的布线策略。无论如何在此时欲为返回电流保持相同的参考平面是不可能的。一个解耦电容必须放置在过孔附近，以便提供一个返回电流通路。连接电容焊盘和过孔的走线必须保持尽可能短并且尽可能宽，以便使电感阻抗最小化。 参考平面一般分配为地参考和电源。同样，电源参考也可能会分割为许多个不同的电压参考区。当电源参考平面用作一走线的信号参考时，则非常重要的考虑就是将走线布在实体参考区上，从而走线不会跨过那些分割区。如果必须跨过分割区，则需要在靠近走线跨过分割区的地方放置一个缝合电容(Stitching Capacitor)。另外，连接电容焊盘和过孔的走线必须保持尽可能短并且尽可能宽，以便使电感阻抗最小化。,4. 单面和双面板 单面和双面板对EMC设计不是很容易的。尽管不推荐使用这种叠层设计，但是这种设计还是经常被选用的。对于这种叠层设计，通常没有实体参考平面，并且所有信号和所有电源，以及电源的返回均通过走线的方式进行布置。在这种设计策略中的主要考虑就是使信号电流的环面积尽可能最小，不允许大的电流环面积存在，如图7-12所示。 尽管在这种叠层设计中，信号的速度要小于前面所讲述的几种叠层设计，但是依然会产生EMC问题。一个信号返回走线尽可能平行靠近信号走线，以便使环面积最小，从而最小化RF辐射。图7-13所示为这种设计策略的描述。另外，应该使信号走线尽可能短以最小化环面积。解耦电容应该尽可能放置在IC的附近，并且连接在电源和地引脚之间。 下面讲述两种典型的双面板布局策略。,图7-12 大