电子产品工艺与管理实训2.ppt

项目目标 项目二的任务目标是利用电子CAD软件protelDXP完成该电路的PCB设计与制作 项目参考结果如图2 1所示 图2 1语音放大器的PCB图 任务分解 二 设置PCB工作环境 公 英制换算关系如下 1mil 0 0254mm 1mm 39 37mil 100mil 2 54mm 1000mil 25 4mm 2 54cm公英制切换建议使用快捷键 Q 一 指定元件封装 元件封装是指实际元件焊接到电路板时所指示的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 某些元件的外轮廓形状及引脚尺寸完全一致 那么这些元件可以共用同一个封装 如74LS20和74LS00 它们都是双列直插14脚器件 那么它们的封装形式都是DIP14 另一方面 同种元件可有不同的封装 如原理图中RES2代表电阻 如有AXIAL0 3 AXIAL0 4 AXIAL0 6等等 设计时需要根据不同的功率选择合适的电阻封装 设计PCB时 不仅要知道元件名称 还要知道其封装形式 一般我们会在绘制原理图时指定元件封装 即在任务一绘制电路图的编辑元件序号和参数过程中一同指定元件封装 也可在事后加以补充指定 一 指定元件封装 元件封装形式分两大类 针脚式封装和表面贴装式 即贴片式 元件 针脚式元件焊盘的中心有孔 焊盘属性对话框中 Layer 板层为Multilayer 多层 而贴片式元件焊盘的中心没有孔 焊盘属性对话框中 Layer 板层为Toplayer 顶层 有时根据设计需要可以修改成底层 但必须为单一的面 图2 15元件封装的分类 一 指定元件封装 元件封装的编号一般为 元件类型 焊盘距离 焊盘数 元件外形尺寸 根据元件封装编号可以判别元件封装的编号规格 如AXIAL0 4表示此元件为轴状 两焊盘间距为400mil DIP14表示此元件为双列直插元件 共有14脚 常见的分立元件封装有以下几种 电阻的封装名为 AXIAL 数字 其中的数字表示两个焊盘之间的间距 如AXIAL0 3 AXIAL1 0 二极管的封装名为 DIODE 数字 其中的数字表示两个焊盘之间的间距 如DIODE0 4 DIODE0 7 扁平状电容的封装名为 RAD 数字 其中的数字表示两个焊盘之间的间距 如RAD0 1 RAD0 4 筒状电容的封装名为 RB 数字 数字 其中的第一个数字表示两个焊盘之间的间距 第二个数字表示圆筒的直径 如RB 2 4 RB 5 1 0 图所示 直插型电阻元件封装 固定电阻常用的封装模型为 AXIAL 系列的其后缀的数字表示封装模型中两个焊盘的间距 单位为 英寸 1英寸 1000mil 2 54cm 贴片电阻封装模型0805指的是80mil 50mil 常用电容封装 无极性电容的封装模型为RAD系列 例如 RAD 0 1 RAD 0 2 RAD 0 3 等 其后缀的数字表示封装模型中两个焊盘间的距离 单位为 英寸 电解电容的封装模型为RB系列 例如从 RB 2 4 到 RB 5 10 其后缀的第一个数字表示封装模型中两个焊盘间的距离 第二个数字表示电容外形的尺寸 单位为 英寸 二极管 封装属性为diode 0 4 小功率 diode 0 7 大功率 其中的数字亦指两管脚间的距离 英寸 发光二极管 管脚间距为2 54mm 则可以选用0805或1206或RB 1 2等三极管 常见的封装属性为to 18 普通三极管 to 22 大功率三极管 to 3 大功率达林顿管 由于形式众多 具体可以看datasheet中 如9013是T0 92 元件封装的绘制 1 测量实际元件的尺寸大小 如果库里面有就从库里面找 2 按照实际尺寸或PDF文档标注的尺寸来绘制元器件的封装 3 注意电解电容 二极管 LED 蜂鸣器的正负极 注意三极管的EBC极 4 注意芯片的引脚排序及序号 protel在利用原理图或网络表更新PCB图时是根据元件序号来放置相应的元件封装 因此原理图中的元件序号一栏不能省略 引脚和引脚之间的电气连接转换成了PCB中的焊盘和焊盘之间的电气连接 所以还必须严格要求引脚序号和焊盘序号一致 如图2 22中所示元件和元件封装都是对应的 极性电容元件符号中1脚是正极 那么元件封装中也必须是1号焊盘是正极 图2 22元件和元件封装对应实例 1 元件引脚序号必须和封装引脚序号一致 丝印层 但也有一些元件符号和元件封却是不对应的 如图2 23所示 出现这种情况时必须通过两种常用的方法解决 一是修改元件符号 二是修改元件封装符号 图2 23元件和元件封装不对应实例 表2 2网络表修改提示 三 修改网络表 现以表2 2中的第一个修改为例说明操作过程 第一步 在图2 24左侧文本编辑器的Find一栏输入VD 1 表示快速查找网络表文件中的VD 1字符串 第二步 单击Search按钮 搜索结果如图2 25所示 表示在网络表的第343行出现了一次该字符 第三步 光标移至 0343 Y 上单击选中该行 网络表文件中将快速显示出该行 第四步 光标移至网络表文件中 将VD 1修改成VD A即可 结果如图2 26所示 四 加载网格表后常见错误 常见的错误提示如下 Netnotfound 找不到对应的网络 Componentnotfound 找不到对应的元件 Newfootprintnotmatchingoldfootprint 新的元件封装与旧的元件封装不匹配 FootprintnotfoundinLibrary 在PCB元件库中找不到对应元件的封装 WarningAlternativefootprintxxxusedinsteadof 警告信息 用xxx封装替换 一般用户应该根据错误提示回到原理图进行修改 重新生成网络表 直至没有错误提示为止 完成网络表和元件的装入 板框规划 值得注意的是 对于机器制板或需要自动布线的PCB图 系统在识别时需要有一个由KeepoutLayer 禁止布线层 框出的封闭区域 即布线区 布线区要小于板框尺寸 一般至少在板框内50mil处 对于采用导轨固定的印制板上的导电图形与导轨边缘的距离则要大于100mil 因此 建议大家在板框规划后习惯性的在禁止布线层作一个封闭区域 操作方法与板框规划相似 不同的是工作层应该切换到KeepoutLayer 绘制完成后如图2 8所示 图2 8具有布线区的板框规划结果 工作层标签可以用来切换PCB不同的工作层 印制线路板设计时 层是一个十分重要的概念 顶层 TopLayer 又名元件面 是元器件主要的安装层面 对单面板 元件都安装在该面 该层没有印制导线 一 板框规划 底层 BottomLayer 又名焊锡面 是布线的主要层面 对于单面板 该层面是唯一能布线的一层 在PCB中 底层的印制导线默认显示的颜色是蓝色 一 板框规划 禁止布线层 KeepoutLayer 用于定义在电子线路板上能够有效放置元件和布线的区域 在该层绘制一个封闭区域作为布线有效区 在该区域外是不能自动布局和布线的 在自动布线时 该层的设置显得尤为重要 有时就是因为忘了设置布线区域 而不能实现自动布线 丝印层 SilkscreenLayer 主要用于放置印制信息 如元件的轮廓和标注 各种注释字符等 Protel99SE提供了TopOverlay和BottomOverlay两个丝印层 一般情况下 各种标注字符都在顶层丝印层 多层 MultiLayer 电子线路板上焊盘和穿透式过孔要穿透整个电子线路板 与不同的导电图形层建立电气连接关系 因此系统专门设置了一个抽象的层 多层 一般情况下 焊盘与过孔都要设置在多层上 如果关闭此层 焊盘与过孔就无法显示出来 二 设置PCB工作环境 执行 Design Rules 命令 弹出如图2 9所示的DocumentOptions对话框 单击Layer选项卡 可以发现窗口中有很多工作层 每个层前都有一个复选框 如果相应工作层前的复选框中被选中打 则表明该层被打开 否则该层处于关闭状态 一般我们根据设计需要打开要用的工作层即可 图2 9DocumentOptions对话框 二 设置PCB工作环境 DRCErrors 用于设置是否显示电路板上违反DRC的检查标记 当电路设计中有出现违反设计规则的地方时 PCB图中将显示为高亮度的绿色 对设计者起到很好的提示作用 所以一般选择打 Connections 用于设置是否显示飞线 飞线是在从原理图更新到PCB中后提示电路电气连接关系的 飞线 在元件布局和布线过程中都给工作带来很大的方便 所以一般选择打 PadHoles 用于设置是否显示焊盘通孔 一般需要打 ViaHoles 用于设置是否显示过孔的通孔 一般需要打 VisibleGrid1 用于设置第一组可视网格间距以及是否显示出来 VisibleGrid2 用于设置第二组可视网格间距以及是否显示出来 PCB中可视网格的作用和SCH环境中可视网格的作用是一样的 不同的是PCB中有两组网格 一般我们在工作窗口看到的网格为第二组网格 放大画面之后 如果第一组网格也打 才可见到第一组网格 图2 30载入网络表效果 元件之间有很多预拉线 又称 飞线 它反映了原理图中的电气连接关系 为以后的手工布线引路 逻辑上表示了各元件焊盘间的电气连接关系 并不具备真正意义上的电气属性 三 UpdatePCB 元件的布局非常重要 是印制板成败的关键之一 布局首先要考虑产品的电气性能 同时还要考虑整体装配的工艺要求 比如插座的位置会影响整机装配连线是否方便 也要考虑便于操作 调试与维护 如电位器的方向与位置等 还要兼顾布线是否方便 尤其对单面板 要确保高的布通率 以减少额外放置跳线 最后还要考虑元件布局的美观 四 元件布局 1 自动布局 适合少量元件电路 2 自动布局 复杂多种元件电路 调整元件的位置 最终使得电路中的元件布局符合上述基本原则 且预拉线交叉尽可能的少 以使后续的手工布线比较方便 图2 34手工布局结果 2 手工布局 四 元件布局 元件布局的基本规则主要有以下几点 按电路模块进行布局 实现同一功能的相关电路称为一个模块 电路模块中的元件应采用就近集中原则 同时数字电路和模拟电路分开 元器件离印制线路板机械边框的最小距离必须大于2mm 80mil 如果安装空间允许 最好保留5mm 200mil 除微波电路外 一般印制线路板上元件只能沿水平或垂直方向排列 否则不利于插件或贴片 元件间距要结合插件 焊接工艺 散热 干扰以及成本等综合考虑 例如 对于发热量大的功率元件 元件间距要足够大 以利于散热 当元件间电位差较大时 应加大它们之间的距离 以免放电引起意外短路 带强电的元件应尽量布置在调试时手接触不到的地方等 四 元件布局 尽可能缩短高频器件之间的连线 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靠得太近 输入和输出元件应尽量远离 质量过重的元器件应当用支架加以固定 然后焊接 发热元件不能紧邻导线和热敏元件 高热器件要均衡分布 对于需要调节的元件 如电位器 微调电阻 可调电感等的安装位置应充分考虑整机结构要求 对于需要机外调节的元件 其安装位置与可调节旋钮在机箱面板上的位置要一致 对于机内调节的元件 其放置位置以打开机盖后即可方便调节为原则 时钟电路元件应尽量靠近芯片的时钟引脚 尽量将去耦电容和滤波电容等放置在对应元件的周围 四 元件布局 贴装元件焊盘的外侧与相邻插装元件的外侧距离大于2mm 贴片焊盘上不能有通孔 以免焊膏流失造成元件虚焊 重要信号线不准从插座脚间穿过 金属壳体元器件和金属件 屏蔽盒等 不能与其他元器件相碰 不能紧贴印制导线 焊盘 其间距应大于2mm 定位孔 紧固件安装孔 椭圆孔及板中其他方孔外侧距板边的尺寸大于3mm 有极性的器件在同一板上的极性标示方向尽量保持一致 焊盘是元件固定和电气连接的部位 是影响产品质量和性能的重要指标 印制板中大多焊盘都是元件封装图中的一部分 也有少量焊盘是作为跳线 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 这些焊盘不归属于某个元件封装 我们称之为孤立焊盘 五 设定焊盘 1 单个焊盘的设置 图2 35焊盘属性对话框 2 焊盘设置规则 五 设定焊盘 焊盘形状有三种选择 Round 圆形 Rectangle 方形 和Octagonal 八角形 当X Y方向外径尺寸不同时 还有椭圆形 长方形和长八角形 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 在高密度布线情况下 常采用圆形或方形焊盘 有时也要根据需要灵活选择某个元件或某个元件中个别焊盘的形状 总之 要尽量保证焊盘的附着力 一般焊盘铜环的外径比内径要大2倍以上 焊盘的铜环不能太小 尤其是单面板 当铜环面积太小时 焊盘很容易脱落 表2 3常用焊盘设置尺寸 单位 mm 双击其中任意一个焊盘 弹出如图2 35所示对话框 修改焊盘外径X Size和Y Size均为80mil 单击Global按钮 弹出如图2 36所示对话框 在AttributesToMatchBy 编辑条件 区域中 不作任何条件约束 表示所有焊盘均需要编辑 在CopyAttributes 编辑内容 区域中 将X Size和Y Size前面打 在最下方的ChangeScope 操作范围 中选择 Allprimitives 表示操作范围是所有焊盘 另一选项是 AllFreeprimitives 表示操作范围仅仅局限于自由焊盘 设置完后单击 OK 即可 五 设定焊盘 2 同类焊盘的批量处理 以80mil为例 五 设定焊盘 图2 36全局编辑所有焊盘外径 另外 为提高焊盘的牢固性 对密度高 焊盘本身不允许大的PCB 可以通过补泪滴的方法进行弥补 印制导线的走向要尽可能取直 以短为佳 不要绕远 印制导线的弯折处走线平滑自然 连接处用圆角 避免用直角 因为直角或夹角会在高频电路中影响电路性能 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 两种方法解决 作为电路输入与输出用的印制导线应尽量避免相互平行 且在这些导线之间最好加接地线 六 手工布线 布线就是利用印制导线完成原理图中的元件连接关系 不良的布线可能会降低电路系统抗干扰性能指标 甚至不能工作 因此 布线对操作者要求较高 1 布线基本规则 尽可能多地保留铜箔作公共地线 且布置在PCB的边缘 大面积铜箔在使用时最好镂空成栅格 以利于排除铜箔与基板间黏合剂受热产生的挥发性气体 导线宽度超过3mm时中间留槽 以利于焊接 尽量加粗电源线的宽度 以便减少环路电阻 接地线也尽量加粗 若接地线用很细的线条 则接地电位随电流的变化而变化 会使电路抗噪音性能降低 一般应满足地线宽度 电源线宽度 信号线宽度 六 手工布线 印制线路板导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的黏稠度和流过它们的电流值决定 导线间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 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 在双面板中 由于没有地线层屏蔽 应尽量避免在时钟下方走线 双面板上两面的导线应避免相互平行 高频电路中必须严格限制平行走线的最大长度 六 手工布线 六 手工布线 图2 39布线举例 布线规则设置主要包括安全间距设置 布线拐角方式设置 板层设置 线宽设置等 其它基本用默认设置即可 在PCB编辑器中 执行菜单命令 Design Rules 将弹出如图2 40所示的的DesignRules 设计规则 对话框 六 手工布线 图2 40设计规则对话框 1 设置安全间距 ClearanceConstraint 安全间距用于设置同一个工作层上的导线 焊盘 过孔等电气对象之间的最小间距 双击图2 35中第一条安全间距规则 弹出如图2 36所示的ClearanceConstraint设置对话框中 六 手工布线 图2 41设置安全间距对话框 RuleScope指规则的适用范围 一般情况下 指定该规则适用于整个电路板 WholeBoard 即可 RuleAttributes指规则属性 用来设置最小间距的数值 如10mil 及其所适用的网络 包括DifferentNetsOnly 仅不同网络 SameNetOnly 仅同一网络 和AnyNet 任何网络 本例可以将安全间距设为15mil 适用整板WholeBoard numClearnce后输入15mil 所适用的网络选用默认的DifferentNetsOnly 六 手工布线 图2 42布线拐角模式设置对话框 2 设置布线的拐角模式 RoutingCorners 主要用于设置布线时拐角的形状及拐角走线垂直距离的最小和最大值 双击图2 40中RuleClasses中的RoutingCorners 将弹出如图2 42所示的布线拐角方式设置对话框 本例采用该默认设置即可 采用45度拐角 拐角走线的垂直距离为100mil 3 设置布线工作层 RoutingLayers 图2 43布线工作层设置对话框 4 设置布线宽度 WidthConstraint 用于设置布线时的导线宽度 双击图2 40中RuleClasses中的WidthConstraint 将弹出如图2 44所示的布线宽度设置对话框 图2 44布线宽度设置对话框 同理可以设置地线的线宽 所有规则设置后 设计规则窗口将显示如图2 46所示 图2 46线宽规则设置结果 每条规则前面有一个Enable使能项 可以控制使其启用规则或禁用规则 线宽设置时一般可以把最大值和最小值的范围设得大一点 印制导线的宽度与流过导线的电流大小有关 如果导线线宽太小 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20A mm2计算 当敷铜箔厚度为0 05mm时 敷铜板铜箔厚度一般为0 05mm 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 除了电流容量要求外 印制导线宽度还与焊盘直径有关 否则不仅影响美观 也容易造成虚焊 焊盘直径D与印制导线宽度W关系大致为 例如 焊盘直径为62mil 则与焊盘相连的印制导线宽度为20 40mil 六 手工布线 印制导线转折内角不能小于90 一般选择135 或圆角 原因是由于工艺原因 在印制导线的小尖角处 印制导线有效宽度小 电阻增大 另一方面 小于135 的转角会使印制导线总长度增加 也不利于减小印制导线的寄生电阻和寄生电感 如图2 47所示 六 手工布线 图2 47绘制完一根导线 单击放置工具栏的放置导线按钮 可以按shift 空格键改变走线样式 按空格键改变走线的朝向 也可以在画导线的过程中改变线的宽度 按TAB键 弹出如图2 48所示对话框 在TraceWidth一栏输入变细后的线宽即可 要注意的是 输入的线宽必须介于设计规则中的线宽最大值和最小值范围以内 六 手工布线 图2 48修改线宽对话框 布线的过程中某根线如果觉得走线不合理 用户无须先删除原来的线再重新布线 可以直接在原来布线的基础上重新布新的线 原来的线会自动消除 所有导线走通后 PCB如图2 44所示 六 手工布线 图2 50PCB手工布线完成 然后再检查和完善PCB图 比如图中元件序号C2的方向还需要再调整一下 三极管的型号最好显示出来等等 具体修改方法 按住文字C2同时 按空格键旋转使文字水平后松手即可 双击三极管 将Compnent选项卡中的Hide后的 去掉 最后PCB的设计结果如图2 51所示 至此 手工布线设计PCB已经基本完成 六 手工布线 图2 51修改完善后的PCB图 Protel具有一个有效的设计规则检查功能 该功能可以确认设计是否符合设计规则 一旦发现违规 违规的图件将被高亮绿色显示 并给出详细的违规报告 七 设计规则检查 1 实时检查 实时检查是在放置或移动图片的同时 系统自动利用规则进行检查 一旦发现违规 就会出现高亮绿色 同时如果PCB编辑器设为违规浏览模式 Violation 时 其中会显示违规的名称和具体内容 执行菜单命令 Tools DesignRuleCheck 命令 弹出如图2 55所示对话框 选中On line选项卡 一般检查项目如图示设置即可 需要说明的是 实时检查如果要显示高亮度绿色 必须要符合两个条件 一是打开在线检查功能 执行 Tools Preferences Option选项卡的OnlineDRC前打 二是显示在线检查错误提示 执行Design Options Layer选项卡的DRCErrors前打 七 设计规则检查 图2 55On line选项卡 执行菜单命令 Tools DesignRuleCheck 命令 弹出对话框 选中Report选项卡 如图2 56所示 一般用默认设置即可 单击RunDRC按钮 系统即进行设计规则检查 并产生报告文件 七 设计规则检查 图2 56Report选项卡 2 分批检查 常见的错误提示有如下几种 未布通 七 设计规则检查 上例提示电路中W2 1和R5 2两脚之间未布通 回到PCB可以发现 那里有一根预拉线 尚未走通 布通再次检查该错误提示即可消除 线宽超出线框范围 指定坐标处的导线线宽为5mil 而设计规则中规定的线宽范围为10 100mil 加粗该导线即可 违反安全间距 七 设计规则检查 指定坐标处的导线或焊盘与另一处的导线之间距离少于安全间距15mil 回到PCB图 加大两者之间的距离即可 PCB板具体要求 1 长9cmX宽6cm2 元件焊盘大小根据实际元件而定 并注意过孔大小 例如 电阻焊盘1 8mm 过孔0 8mm 3 元件库里面没有的封装要根据实际元件测量后 画出元件封装 特别注意焊盘间距离 4 信号线宽0 8 1mm 电源线1 0 1 2mm地线1 2 1 4mm5 在电路板上写出自己的学号 必须镜像 图2 63PCB设计结果 八 修改PCB 任务三热转印法制作单面板 实验室电路板主要制作方法 1 热转印法 2 菲林感光法 3 雕刻法 4 手描法 热转印制板的优点是快速 方便 安全 直观 成功率高 缺点是对激光打印机要求高 需原装墨盒 且损害大 硒鼓容易坏 有污染 所需主要材料是敷铜板 热转印纸 三氯化铁 环保腐蚀液或工业盐酸和双氧水 和松香水 松香 无水酒精 设备工具有热转印机 或电熨斗 激光打印机 裁板机 锉刀 剪刀 镊子 细砂纸 记号笔 此外还要注意劳动保护 要准备好橡胶手套和围裙 热转印法的具体操作流程是 打印 热转印 修补 腐蚀 钻孔 擦拭 清洗 涂松香水 一 PCB图的打印输出 DXP打印设置 页面设置 1 将多余的层去掉 一 PCB图的打印输出 图2 66设置打印工作层 2 只保留底层 布线层 焊盘层 禁止布线层3 将过孔的勾打上 打印预览效果 在预览中打印 在打印机中放上一张热转印纸 注意光面朝上 要让墨粉印到光面 打印结果如图2 57 a 所示 有时为了节约热转印纸 也可以在PCB环境下先将几个PCB图组合到一个文件中 再一起打印 如图2 57 b 所示 打印完毕后用剪刀将每一块电路板的图样剪开 一 PCB图的打印输出 打印