1、126第 9 章 PCB 设计基础9.1 印刷电路板基础印刷电路板是电子设备中的重要部件之一。从收音机、电视机、手机、微机等民用产品到导弹、宇宙飞船，凡是存在电子元件，它们之间的电气连接就要使用印刷电路板。而印刷电路板的设计和制造也是影响电子设备的质量、成本和市场竞争力的基本因素之一。在学习印刷电路板设计之前，我们先了解一下有关印刷电路板的概念、结构和设计流程。对于初学者，这些知识是十分必要的。9.1.1 印刷电路板的结构印刷电路板（Printed Circuit Board，简称 PCB） ，它是以一定尺寸的绝缘板为基材，以铜箔为导线，经特定工艺加工，用一层或若干层导电图形（铜箔的连接关系）
2、以及设计好的孔（如元件孔、机械安装孔、金属化过孔等）来实现元件间的电气连接关系，它就象在纸上印刷上去似的，故得名印刷电路板或称印刷线路板。在电子设备中，印刷电路板可以对各种元件提供必要的机械支撑，提供电路的电气连接并用标记符号把板上所安装的各个元件标注出来，以便于插件、检查及调试。按照在一块板上导电图形的层数，印刷电路板可分为以下三类：1. 单面板指仅一面有导电图形的电路板，也称单层板。单面板的特点是成本低，但仅适用于比较简单的电路设计，如收音机、电视机。对于比较复杂的电路，采用单面板往往比双面板或多层板要困难。2. 双面板指两面都有导电图形的电路板，也称双层板。其两面的导电图形之间的电气连接
3、通过过孔来完成。由于两面均可以布线，对比较复杂的电路，其布线比单面板布线的布通率高，所以它是目前采用最广泛的电路板结构。3. 多层板由交替的导电图形层及绝缘材料层叠压粘合而成的电路板。除电路板两个表面有导电图形外，内部还有一层或多层相互绝缘的导电层，各层之间通过金属化过孔实现电气连接。它主要应用于复杂的电路设计，如在微机中，主板和内存条的 PCB 采用 46 层电路板设计。看一看：观察收音机、电视机或微型计算机等电子设备中的电路板,并比较有何不同？9.1.2 元件的封装（Footprint）电路原理图中的元件使用的是实际元件的电气符号；PCB 设计中用到的元件则是实际元件的封装。元件的封装由元
4、件的投影轮廓、管脚对应的焊盘、元件标号和标注字符等组成。在原理图中，同类元件的电气符号往往是相同的，仅仅是元件的型号不同；而在 PCB 图中，同类元件也可以有不同的封装形式，如电阻，其封装形式就有 AXIAL0.3、AXIAL0.4、AXIAL0.6 等；不同类的元件也可以共用一个元件的封装，如封装 TO-220，三极管和集成稳压器都可采用。所以，在进行印刷电路板设计时，不仅要知道元件的名称，而且还要确定该元件的封装，这一点是非常重要的。元件的封装最好在进行电路原理图设计时指定。常见元件的封装如图 9.1 所示。127（a） AXIAL0.4（电阻类） (b)DIODE0.4（二极管类） (c
5、)RAD0.4（无极性电容类） (d) FUSE（保险管）(e)XATAL1（晶振类） (f)VR5（电位器类） (g) SIP8（单列直插类）(h) RB.2/.4（极性电容类） (i)DB9/M（D 型连接器） (j) TO-92B（小功率三极管）(k) LCC16（贴片元件类） (l) DIP16（双列直插类） (m)TO-220（三极管类）图 9.1 常见元件封装1 元件封装的分类元件的封装形式可分为两大类：针脚式元件封装和表面粘贴式元件封装。针脚式元件封装：常见的元件封装，如电阻、电容、三极管、部分集成电路的封装就属于该类形式。这类封装的元件在焊接时，一般先将元件的管脚从电路板的顶层
6、插入焊盘通孔，然后在电路板的底层再进行焊接。由于针脚式元件的焊盘通孔贯通整个电路板，故在其焊盘的属性对话框内，Layer（层）的属性必须为 Multi Layer（多层） 。表面粘贴式元件封装：现在，越来越多的元件采用此类封装。这类元件在焊接时元件与其焊盘在同一层。故在其焊盘属性对话框中，Layer 属性必须为单一板层（如 Top layer 或 Bottom layer） 。看一看：观察印刷电路板上针脚式和贴片式元件，它们的焊接方式有何不同？2 元件封装的编号元件封装的编号规则一般为元件类型+焊盘距离（或焊盘数）+元件外形尺寸。根据元件封装编号可区别元件封装的规格。如 AXIAL0.6 表示
7、该元件封装为轴状，两个管脚焊盘的间距为 0.6 英寸（600mil） ；RB.3/.6 表示极性电容类元件封装，两个管脚焊盘的间距为 0.3 英寸（300mil ） ，元件直径为 0.6 英寸(600mil)；DIP14 表示双列直插式元件的封装，两列共 14 个引脚。看一看：观察一块印刷电路板，看一看板上各种元件的封装图形与所焊接的元件是否相似？9.1.3 焊盘（Pad）与过孔（Via）焊盘（Pad）的作用是用来放置焊锡、连接导线和焊接元件的管脚。Protel 99 SE 在封装库中给出了一系列不同形状和大小的焊盘，如圆形、方形、八角形焊盘等。根据元件封装的类型，焊盘也分为针脚式和表面粘贴式
8、两种，其中针脚式焊盘必须钻孔，而表面粘贴式无需钻孔。在选择元件的焊盘类型时，要综合考虑元件的形状、引脚粗细、放置形式、受热情况、受力方向和振动大小等因素。例如，对电流、128发热和受力较大的焊盘，可设计成“泪滴状” 。图 9.2 为常用的焊盘的形状和尺寸。圆形焊盘 方形焊盘 八角形焊盘 表面粘贴式焊盘 针脚式焊盘的尺寸图 9.2 常见焊盘的形状与尺寸对于双层板和多层板，各信号层之间是绝缘的，需在各信号层有连接关系的导线的交汇处钻上一个孔，并在钻孔后的基材壁上淀积金属（也称电镀）以实现不同导电层之间的电气连接，这种孔称为过孔（Via） 。过孔有三种，即从顶层贯通到底层的穿透式过孔；从顶层通到内层
9、或从内层通到底层的盲过孔；在内层间的隐藏过孔。过孔的内径（Hole size）与外径尺寸（Diameter）一般小于焊盘的内外径尺寸。图9.3 为过孔的尺寸与类型。(a) 过孔的尺寸 (b) 穿透式过孔 (c) 盲过孔图 9.3 过孔的尺寸与类型看一看：观察一块双面电路板，找到板上的焊盘与过孔，仔细查看它们的形状、大小是否相同；在电路板上它们的用途是否一样？9.1.4 铜膜导线（Track）印刷电路板上，在焊盘与焊盘之间起电气连接作用的是铜膜导线，简称导线（Track） 。它也可以通过过孔把一个导电层和另一个导电层连接起来。PCB 设计的核心工作就是围绕如何布置导线。在 PCB 设计过程中，还
10、有一种与导线有关的线，它是在装入网络表后，系统根据规则自动生成的，用来指引系统自动布线的一种连线，俗称飞线。飞线只在逻辑上表示出各个焊盘间的连接关系，并没有物理的电气连接意义；导线则是利用飞线指示的各焊盘和过孔间的连接关系而布置的，是具有电气连接意义的连接线。导线与飞线的不同，我们将在自动布线中看到。看一看：在一块印刷电路板上，找到用来连接焊盘和过孔的导线，刮开导线上面的涂层，就露出了铜质材料。认真观察各条导线的粗细是否一样，并思考为什么有此差异？9.1.5 安全间距（Clearance）进行印刷电路板设计时，为了避免导线、过孔、焊盘及元件间的距离过近而造成相互干扰，就必须在他们之间留出一定的
11、间距，这个间距就称为安全间距。图 9.4 为安全间距示意图。图 9.4 安全间距9.1.6 PCB 设计流程印刷电路板的设计的一般步骤如下：1291 绘制电路原理图主要任务是绘制电路原理图，确保无错误后，生成网络表，用于 PCB 设计时的自动布局和自动布线。对于比较简单的电路，也可不绘制原理图，而直接进入 PCB 设计。2 规划电路板主要完成确定电路板的物理边界、电气边界、电路板的层数、各种元件的封装形式和布局要求等任务。3. 设置参数主要是设置软件中电路板的工作层的参数、PCB 编辑器的工作参数、自动布局和布线参数等。4. 装入网络表及元件的封装形式网络表是 PCB 自动布线的核心，也是电路
12、原理图设计与印刷电路板设计系统的接口。只有正确装入网络表后，才能对电路板进行自动布局和自动布线的操作。5. 元件的布局元件的布局包括自动布局和手工调整两个过程。在规划好电路板和装入网络表之后，系统能自动装入元件，并自动将它们放置在电路板上。自动布局是系统根据某种算法在电气边界内自动摆放元件的位置。如果自动布局不尽人意，则再进行手工调整。另外，Protel 99 SE 也支持用户的手工布局。6. 自动布线系统根据网络表中的连接关系和设置的布线规则进行自动布线。只要元件的布局合理，布线参数设置得当，Protel 99 SE 的自动布线的布通率几乎是 100%。7. 调整自动布线成功后，用户可对不太
13、合理的地方进行调整。如调整导线的走向、导线的粗细、标注字符和添加输入/输出焊盘、螺丝孔等。8. 文件的保存及输出将绘制好的 PCB 图保存在磁盘上，然后利用打印机或绘图仪输出。也可利用 E-mail 将文件直接传给生产厂家进行加工生产。9.2 PCB 编辑器进入 PCB 设计系统，实际上就是启动 Protel 99 SE 的 PCB 编辑器。启动 PCB 编辑器与启动原理图编辑器的方法类似。9.2.1 PCB 编辑器的启动与退出1 启动 PCB 编辑器启动 Protel 99 SE 后，执行菜单命令 File|Open 或 File|New，都可以进入 PCB 编辑器。启动 PCB 编辑器的操
14、作方法如下：（1）通过打开已存在的设计数据库文件启动130打开一个已有的设计数据库文件(.ddb 文件)。 展开设计导航树，双击 Documents 文件夹，找到扩展名为“.PCB”的文件，单击该文件，就可启动 PCB 编辑器，同时将该 PCB 图纸载入工作窗口中。 （2）通过新建一个设计数据库文件进入 执行菜单命令 File|New，新建一个设计数据库文件。 打开新建立的设计数据库中的 Documents 文件夹，再次执行菜单命令 File|New，或在 Documents文件夹的工作窗口中单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择 New 命令，都可弹出如图 9.5 所示的 New Docume
15、nt (新建设计文档 )对话框，选取其中的 PCB Document 图标，单击 OK 按钮，即在 Documents 文件夹中建立一个新的 PCB 文件，默认名为 “PCB1”，扩展名为 .PCB，此时可更改文件名。图 9.5 New Document (新建设计文档)对话框 双击工作窗口中的或单击设计导航树中的 PCB1.PCB 文件图标，就可启动 PCB 编辑器，如图 9.6所示。图中左边是 PCB 管理窗口，右边是工作窗口。启动 PCB 编辑器后，菜单栏和工具栏将发生变化，并添加几个浮动的工具栏。图 9.6 PCB 编辑器2. 退出 PCB 编辑器退出 PCB 编辑器，相对于进入 PC
16、B 编辑器要容易。在 PCB 编辑器状态下，执行菜单命令File|Close，或在 PCB 管理器中，用鼠标右键单击要关闭的 PCB 文件，在弹出的快捷菜单中，单击 Close命令，都可关闭 PCB 编辑器。另外，在该快捷菜单中，还可实现 PCB 文件的导出（Export） 、拷贝（Copy ）和查看属性（Properties）的操作。练一练：通过打开一个已存在的 PCB 文件和新建一个 PCB 文件两种方法，进入 PCB 编辑器。PCB 管理器窗口 浮动工具栏工作窗口工作层标签文件标签1319.2.2 PCB 编辑器的画面管理PCB 编辑器的画面管理与原理图编辑器的画面管理类似，包括画面的显
17、示、窗口管理、工具栏和状态栏的打开与关闭操作等。1画面显示设计者在进行电路板图的设计时，经常用到对工作窗口中的画面进行放大、缩小、刷新或局部显示等操作，以方便设计者的工作。这些操作既可以使用主工具栏中的图标，也可以使用菜单命令或快捷键。（1）画面的放大放大画面有 5 种方法。 用鼠标左键单击主工具栏的 按钮。 执行菜单命令 View|Zoom in。 使用快捷键 Page Up 键。 在工作窗口中的某一点，单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择 Zoom in 命令，或直接按Page Up 键，则画面以该点为中心进行放大。 在 PCB 管理器中，单击 Browse PCB 选项卡，在 Brows
18、e 下拉列表框中，选择浏览类型（如网络或元件） ，再选择浏览对象（如网络名、节点名或焊盘名） ，单击 Zoom 或 Jump 按钮，也可对被选中对象进行放大。（2）画面的缩小缩小画面有 4 种方法。 用鼠标左键单击主工具栏的 按钮。 执行菜单命令 View|Zoom out。 使用快捷键 Page Down 键。 在绘图工作区的某一点，单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择 Zoom out，或直接按下 Page Down 键，则画面以该点为中心进行缩小。（3）对选定区域放大此种放大有两种操作方法。 区域放大： View|Area 或用鼠标单击主工具栏的 图标，具体操作见 4.1.4 中的相同命
19、令。 中心区域放大： View|Around Point，具体操作见 4.1.4 中的相同命令。（4）显示整个电路板/整个图形文件 显示整个电路板：View|Fit Board ，在工作窗口显示整个电路板，但不显示电路板边框外的图形。 显示整个图形文件：View|Fit Document 或单击图标 ，可将整个图形文件在工作窗口显示。如果电路板边框外有图形，也同时显示出来。图 9.7 是两个命令执行后的结果对比。（a） 执行菜单命令 View|Fit Board (b) 执行菜单命令 View|Fit Document132图 9.7 两条命令的效果对比（5）采用上次显示比例显示 View|Z
20、oom Last（6）画面刷新 View|Refresh 或使用快捷键 END 键，可清除因移动元件等操作而已留下的残痕。注意，在工作窗口，单击鼠标右键后弹出的菜单，也收集了 View 菜单中最常用的画面显示命令。练一练：在 PCB 编辑器中，打开系统自带的范例 PCB Benchmark 94.ddb，练习上面所讲的画面管理的操作，并比较各命令执行的效果，以达到熟练操作。2 窗口管理窗口管理的有关操作，可参见 1.4.5。图 9.8 View|Toolbars 弹出的子菜单3 PCB 的工具栏、状态栏、管理器的打开与关闭（1）工具栏的打开与关闭执行菜单命令 View|Toolbars，弹出一
21、个子菜单如图 9.8 所示。其中包括 PCB 设计常用工具栏：Main Toolbar（主工具栏） 、Placement Tools（放置工具栏） 、Component Placement（元件位置调整工具栏）和 Find Selection (查找被选择元件工具栏) 。各种工具栏的打开与关闭可通过执行相应的菜单命令来实现。（2）状态栏与命令栏的打开与关闭执行菜单命令 View|Status Bar ,可打开和关闭状态栏。在状态栏将显示出当前光标的坐标位置。执行菜单命令 Viw|Command Status，可打开与关闭命令栏。在命令栏将显示当前正在执行的命令。注意，在菜单命令前有“” ，表示
22、该栏已被打开。（3）PCB 管理器的打开与关闭执行菜单命令 View|Design Manager，或用鼠标单击主工具栏的 图标，可打开与关闭 PCB 管理器。打开 PCB 管理器，可利用它的浏览功能实现快速查看 PCB 文件、查找和定位元件和网络等操作；关闭它，可以增加工作窗口的视图面积，具体功能在后面讲解。打开了工具栏、状态栏、命令栏和 PCB 管理器的 PCB 编辑器的画面如图 9.6 所示。练一练：练习主工具栏、三个浮动工具栏、状态栏和命令栏的打开与关闭的操作。9.3 电路板的工作层印刷电路板呈层状结构，不同的印刷电路板具有不同的工作层。印刷电路板中的各层有何用途？如何设置和选择所用到
23、的工作层？这是我们下面讲解的内容。9.3.1 工作层的类型Protel 99 SE 提供了多个工作层供用户选择。当进行工作层设置时，在 PCB 编辑器中，执行菜单命令Design|Option，系统将弹出如图 9.9 所示的 Document Options 对话框。各层的含义及应用介绍如下。133图 9.9 Document Options 对话框1 Signal layer(信号层)信号层主要用于布置电路板上的导线。Protel 99 SE 提供了 32 个信号层，包括 Top layer（顶层） 、Bottom layer（底层）和 30 个 MidLayer（中间层） 。顶层是电路板主
24、要用于放置元件和布线的一个表面，底层是电路板主要用于布线和焊接的另一个表面，中间层位于顶层与底层之间，在实际的电路板中是看不见的。2 Internal plane layer（内部电源/接地层）Protel 99 SE 提供了 16 个内部电源层 /接地层。该类型的层仅用于多层板，主要用于布置电源线和接地线。我们称双层板、四层板、六层板，一般指信号层和内部电源/接地层的数目。3. Mechanical layer（机械层）Protel 99 SE 提供了 16 个机械层，它一般用于设置电路板的外形尺寸、数据标记、对齐标记、装配说明以及其它的机械信息。这些信息因设计公司或 PCB 制造厂家的要求
25、而有所不同。执行菜单命令Design|Mechanical Layer 能为电路板设置更多的机械层。另外，机械层可以附加在其它层上一起输出显示。4. Solder mask layer（阻焊层）为了让电路板适应波峰焊等机器焊接形式，要求电路板上非焊接处的铜箔不能粘锡。所以在焊盘以外的各部位都要涂覆一层涂料，如防焊漆，用于阻止这些部位上锡。阻焊层用于在设计过程中匹配焊盘，是自动产生的。Protel 99 SE 提供了 Top Solder（顶层）和 Bottom Solder（底层）两个阻焊层。5 Paste mask layer（锡膏防护层）它和阻焊层的作用相似，不同的是在机器焊接时对应的表面
26、粘贴式元件的焊盘。Protel 99 SE 提供了Top Paste（顶层）和 Bottom Paste（底层）两个锡膏防护层。6. Keep out layer（禁止布线层）禁止布线层用于定义在电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。7. Silkscreen layer（丝印层）134丝印层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。Protel 99 SE 提供了 Top Overlay 和 Bottom Overlay 两个丝印层。一般，各种标注字符都在顶层丝印层，底层丝印层可关闭。8. Multi l
27、ayer（多层）电路板上焊盘和穿透式过孔要穿透整个电路板，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，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。9. Drill layer（钻孔层）钻孔层提供电路板制造过程中的钻孔信息（如焊盘、过孔就需要钻孔） 。Protel 99 SE 提供了 Drill gride（钻孔指示图）和 Drill drawing（钻孔图）两个钻孔层。10系统设置用户还可以在对话框中的 System 区域中设置 PCB 系统设计参数，各选项功能如下： Connections：用于设置是否显示飞线。在绝大多数情况下，在
28、进行布局调整和布线时都要显示飞线。 DRC Errors：用于设置是否显示电路板上违反 DRC 的检查标记。 Pad Holes： 用于设置是否显示焊盘通孔。 Via Holes ： 用于设置是否显示过孔的通孔。 Visible Grid1：用于设置第一组可视栅格的间距以及是否显示出来。 Visible Grid2：用于设置第二组可视栅格的间距及是否显示出来。一般我们在工作窗口看到的栅格为第二组栅格，放大画面之后，可见到第一组栅格。9.3.2 工作层的设置Protel 99 SE 允许用户自行定义信号层、内部电源层/接地层和机械层的显示数目。1.设置 Signal layer 和 Intern
29、al plane layer执行菜单命令 Design|Layer Stack Manager，可弹出图 9.10 所示的 Layer Stack Manager（工作层堆栈管理器）对话框。图 9.10 Layer Stack Manager（工作层堆栈管理器）对话框（1） 添加层的操作135选取 TopLayer，用鼠标单击对话框右上角的 Add Layer（添加层）按钮，就可在顶层之下添加一个信号层的中间层（MidLayer） ，如此重复操作可添加 30 个中间层。单击 Add Plane 按钮，可添加一个内部电源/接地层，如此重复操作可添加 16 个内部电源/ 接地层。（2） 删除层的操
30、作先选取要删除的中间层或内部电源/接地层，单击 Delete 按钮，在确认之后，可删除该工作层。（3） 层的移动操作先选取要移动的层，单击 Move Up（向上移动）或 Move Down（向下移动）按钮，可改变各工作层间的上下关系。（4） 层的编辑操作先选取要编辑的层，单击 Properties（属性）按钮，弹出如图 9.11 所示的 Edit Layer（工作层编辑）对话框，可设置该层的 Name （名称）和 Copper thickness （覆铜厚度） 。图 9.11 Edit Layer（工作层编辑）对话框（5） 钻孔层的管理单击图 9.10 中右下角的 Drill Pairs 按钮
31、，弹出如图 9.12 所示的 Drill-Pair Manager（钻孔层管理）对话框，其中列出了已定义的钻孔层的起始层和终止层。分别单击 Add、Delete 、Edit 按钮，可完成添加、删除和编辑任务。图 9.12 Drill-Pair Manager(钻孔层管理)对话框另外，系统还提供一些电路板实例样板供用户选择。单击图 9.10 中左下角的 Menu 按钮，在弹出的菜单中选择 Example Layer Stack 子菜单，通过它可选择具有不同层数的电路板样板。2 设置 Mechanical layer执行菜单命令 Desigen|Mechanical Layer，弹出如图 9.13 所示的 Setup Mechanical Layers (机械层设置)对话框，其中已经列出 16 个机械层。单击某复选框，可打开相应的机械层，并可设置层的名称、是否可见、是否在单层显示时放到各层等参数。
