1、大庆石油学院应用技术学院毕业论文 I 前 言 电子设计自动化 EDA （ Electronic Design Automation） EDA 如今已成为不可逆转的时代潮流。 利用 EDA 工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出 IC 版图或 PCB 版图的整个过程 在 计算机上自动处理完成 。 Protel设计系统就是一套建立在 IBM 兼容 PC环境下的 EDA电路集成设计系统，Protel 设计系统是世界上第一套将 EDA 环境引入 Windows 环境的 EDA 开发工具，是具有强大功能的电 子线
2、路设计 CAD 软件，它一向以其高度的集成性和扩展性著称于世。本论文介绍的 Protel 99 SE 是 澳大利亚 Protel Technology 公司推出的 EDA 综合设计环境， 它是一个基于 Windows 平台的 32 位 EDA 设计系统。 该软件功能强大，它具有丰富多样的编辑功能、强大便捷的自动化设计能力、完善有效的检测工具、灵活有序的设计管理手段，它提供了及其丰富的原理图元器件库、 PCB 元器件库以及出色的在线库编辑和库管理，良好的开放性还使它可以兼容多种格式的设计文件。 使用该软件设计者可以容易地 设 计电路原理图、画元件 图、设计电路板图、画元件封装图和电路仿真等，是业
3、界人士首选的电路图 设计 工具。 电解铜箔是制作印制电路板 (PCB)的主要原料。 PCB 主要用于计算机及辅助设备和电子工业等领域。随着电子、信息产业的迅猛发展 ,我国对印制电路板的需求量也日益增长 ,这为电解铜箔行业带来了良好的市场前景。作为一种重要的铜加工产品 ,铜箔在工业、国防现代化建设中的重要性 。 国内外专家对未来电路板生产制造技术发展趋势的论述基本是一致的，在性能上向高密度、高精度、细孔径、细导线、小间距、高可靠、多层化、高速传输，轻量、薄型方向发展。 全论文的特点 是“易懂、实用”，主要介绍了 Protel 99 SE 的各种基本功能和一些应用技巧。 论文 共分为 4 章，详细
4、介绍了印制电路板的设计规则与制作要点， Protel 99 SE 印制电路板设计系统，人工设计印制电路板的基本流程，并详细讲解了实例的设计过程 和 布局、 布线 全 过程 。 全论文内容编排合理、逻辑性强，通俗易懂，图文并茂，本论文的核心是突出针对性和实用性。 本论文是结合理论知识，按照业界 布板布线 标准完成的。 大庆石油学院应用技术学院毕业论文 II 摘 要 在现代电子设备中 ,印刷电路板 (Printed Circuit Board)发挥着越来越重要的作用 ,其质量的好坏在一定程度上决定了电子产品的性能。 印刷电路板（ Printing Circuit Board, PCB）是电子产品中
5、电路元件的支撑件，它提供了电路元件和元件之间的电气连接。 印刷电路板 (Printed Circuit Board)在电子领域中有着广泛的应用 ， 是电子信息制造业的重要基础和组成部分。 近年来 ,PCB 的 制作 层数越来越多、密度越来越高 ,性能越来越强，其发展趋势 也 越来越可观。 本 文 对印刷电路板 的发展趋势 、印刷电路板的基础 知识 介绍 、印刷电路板的 功能 及 基本 使用 、人工作电路板及 基本 制 作流程 、 手工制板 过 程中的注意事项 作出了较全面的 介绍 ， 本文最后 通过实例 制作 电子技术 实验板， 总结 了制作过程中 出现的问题 。同时具体介绍了 电路板的功能及
6、使用 。 该电路板是一块多功能的 双面 电路板，其 功能 包括 232、 485 串行口通信、 1602、 12864 液晶显示、 4*4 按键 、单片机 进行 控制、 18B20 温度传感器、红外 传输 功能， 1302 定 时功能等几 大 部分，增加了排针外扩展功能。 该电路板的每部分都是独立的，即可单独使用，也可同时工作实现更多功能。 关键字： 发展趋势 性能要求 制作流程 串口 通信 单片机控制 I2C 总线 SPI 总线 红外传输 大庆石油学院应用技术学院毕业论文 III 目录 前 言 . I 摘 要 . II 目 录 . III 第 1 章 PCB 印刷电路板基础知识 . 1 1.
7、1 印刷电路板概述 . 1 1.1.1 PCB 介绍 . 1 1.1.2 电路板的发展及功能 . 1 1.2 印制电路板的分类 . 2 1.3 印刷电路板的发展趋势 . 4 1.3.1 印制电路板要求 . 4 1.3.2 国内外电路板的发展趋势 . 4 第 2 章 PCB 印刷电路设计基础 . 6 2.1.1 布局、布线设计的基本原则 . 6 2.2 印刷电路板设计要求 . 8 2.2.1 电路板设计的基本要求及走线要求 . 8 2.2.2 印制导线间距及接地的设置 . 8 2.3 PCB 设计流程 . 9 2.3.1 电路原理图的设计 . 10 2.3.2 布线的原则 . 11 2.4 设置
8、电路板的工作层面和栅格 . 12 2.4.1 电路板层的设置 . 12 2.4.2 电路板栅格的设置 . 13 第 3 章 人工设计 PCB 电路板 . 15 3.1 如何设计一款好的电路板 . 15 3.2 定义电路板 . 15 3.2.1 设置电路板层及电路板边缘尺寸 . 16 3.3 人工制 PCB 电路板设计指导 . 17 3.4 手工布线规则设置 . 18 3.4.1 安全间距及走线 . 18 3.4.2 敷铜设置 . 19 3.5 EMC 和 EMI . 19 第 4 章 PCB 电路板设计实例 . 20 4.1 电路板工作原理分析 . 20 大庆石油学院应用技术学院毕业论文 IV
9、 4.1.1 电路板原理图分析（电路图画法采用的是层次原理图） . 20 4.1.2 PCB 电路板实例 . 24 总结 . 26 附录 . 28 附录 A 常用元器件封装 . 28 附录 B PROTEL 99SE 快捷键大全 . 29 致谢 . 30 参考文献 . 31 大庆石油学院应用技术学院毕业论文 1 第 1 章 PCB 印刷电路板基础知识 1.1 印刷电路板 概 述 印刷电路板（ Printed Circuit Board, 简称 PCB） 又称印制板 ， 是重要的 电子 部件，是 电子元器件 的支撑体，是电子元 器件电气连接的提供者。由于它是采用电子印刷术制作的，故被称为 “印刷
10、 ”电路板 。 印制电路板的设计是以电路原理图为根据，实现电路设计者所需要的功能。印刷电路板的设计主要指版图设计，需要考虑外部连接的布局、内部 电子元件 的优化布局、 金属 连线和通孔的优化布局、电 磁 保护、热耗散等各种因素。优秀的版图设计可以节约生产成本，达到良好的电路性能和散热性能。 这才是有价值的 印刷 电路板 。 1.1.1 PCB 介绍 PCB 是电子产品的重要部件之一 ，几乎每种电子设备，小到电子手表、计算器，大到计算机、通信电子设备、自动化控制系统，只要存在电子元器件、它们之间的电气互连就要使用 PCB。在电子产品的研发过程中，影响电子产品成功的最基本因素之一是该产品的 PCB
11、 的 设计和制造， PCB 的设计和制造质量直接影响到整个电子产品的质量和成本，甚至影响电子产品在市场竞争中的竞争力。 在电子技术发展早期，元件都是用导线连接的，而元件的固定是在空间中立体进行的。电路由电源、导线、开关和元器件构成，就像实验室里电工 实验电路那样。 随着电子技术的发展，电子产品的功能、结构变得很复杂，元件布局、 互连布线都不能像以往那样随便，否则检查起来就会眼花缭乱；因此，人们对元件和线路进行了规划。用一块板子为基础，在板上分配元件的布局，确定元件的接点 ，使用铆钉、接线柱作为接点，用导线把接点 按照电 路要求，在板的一面布线，另一面装元件，这就是最原始的电路板。这种类型的电路
12、板在真空电子管时代非常盛行。线路的接法 有直线连接（接点到接点的连线拉直）和曲线连接。后来，大多数人采用曲线连接 ，尽量减少使用直线 连接。线路都在同一个平面分布，没有太多的遮盖点，检查起来容易。这时电路板已初步形成了“层”的概念。 单面敷铜板的发明，成为电路板设计与制作新时代的标志。布线设计和制作技术都已发展成熟。先在敷铜板上用模板印刷防腐蚀膜图，然后再腐蚀刻线，这种技术就像在纸上印刷那么简便，“ 印刷电路板 ” 因此得名，英文 Printed Circuit Board,简称 PCB。印刷电路板的应用大幅度降低了生产成本，从晶体管时代到现在，这种单面印刷电路板一直得到了广泛的应用。随着技术
13、进步，人们又发明了双面板，即在板子两面都敷铜，两面都可腐蚀刻线。 1.1.2 电路板的发展 及功能 大庆石油学院应用技术学院毕业论文 2 一、电路板的发展 由于电路的复杂性，有时也用到“飞线”。但电路的布线不是把元件按电路原理简单连接起来就可以，电路工作时电磁感应、电阻效应、电容效应的都会影响电路的性能，甚至会引起严重的质量问题，如自激、信号不完整传输、电磁干扰等问题。飞线 的方法只能解决少量的信号交错问 题，数量太多是不可取的。而且，硬要把所有线路都排在有限的两个面上，又要降低电磁感应、电阻效应、电容效应，使得布线设计的任务十分艰巨。线太细太密，不但加工困难、干扰大，而且容易烧断和发生断路故
14、障。若保证了线宽和线间距， 电路板的面积就可能太大，不利于精密设备的小型化。这些问题的出现促使了印制电路板设计和制作工艺的发展。 随着电子产品生产技术的发展，开始在双面电路板的基础上发展夹层，其实就是在双面板的基础上叠加上一块单面板，这就是多层电路板。起初，夹层多用做大面积的地线、电源线的布线， 表层都 用于信号布线 。后来，要 求夹层用于信号布线的情况越来越多，这要求电路板的层数也要增加。但夹层不能无限增加，主要原因是成本 和厚度问题。电子产品设计要考虑性价比这个矛盾的综合体，而最实际的设计方法仍然是以表层做信号布线层为首选。高频电路的元件也不能排的太密，否则元件本身的辐射会直接对其他元件产
15、生干扰。层与层之间的布线应错开成十字走向，以减少布线电容和电感。 二、 印刷电路板的功能 印制电路板在电子设备中具有如下功能： 提供集成电路等各种电子元器件固定、装配的机械支撑；实现集成电路等各种电子元器件之间的布线和电气连接或电绝缘；提供所要求的电 气特性，如特性阻抗等；为自动焊锡提供阻焊图形，为元件插装、检查、维修提供识别字符和图形 。 有关印制板的一些基本术语如下；在绝缘基材上，按预定设计，制成印刷线路、印制元件或由两者结合而成的导电图形，称为印刷线路，它不包括印制元件。印制电路或者印制线路的成品板称为印制电路板或印制线路板，也称印制板。 电子设备采用印制板后，由于同类印制板的一致性，避
16、免了人工接线的差错，并可实现电子元器件 自动插装或贴装、自动焊锡、自动监测，保证了电子产品的质量，提高了劳动生产率、降低了成本，且便于维修。 1.2 印制电路板的分类 根 据电路层数分类：分为 单面板 、 双面板 和多层板。常见的多层板一般为 4 层板或 6 层板，复杂的多层板可达十几层。 1.2.1 印制电路板分类 一、 单面板 单面板（ Single-Sided Boards） 在最基本的 PCB 上，零件集中在其中一面，导线大庆石油学院应用技术学院毕业论文 3 则集 中在另一面上。因为导线只出现在其中一面，所以这种 PCB 叫作单面板（ Single-sided）。因为单面板在设计线路上
17、有许多严格的限制（因为只有一面，布线间不能交叉而必须绕独自的路径），所以只有早期的电路才使用这类的板子。 单面板结构比较简单，制作成本较低，因此通常批量生产的电子产品会采用单面板，例如电视机、显示器的电路板。但是对于复杂的电路，由于只能在一个面上走线并且不允许交叉，单面板布线难度很大，布通率往往较低，当然如果剩下的未布通的导线不多，可以通过焊接飞线来连接。不过如果飞线太多，不但焊接印制电路板的 工作量加大， 而且焊接飞线本来就是一种隐患，时间久了，飞线容易脱落。因此，通常只有电路比较简单时才采用单面板的布线方案 。 二、 双面板与多层板 双面板（ Double-Sided Boards） 这种
18、电路板的两面都有布线，不过要用上两面的导线，必须要在两面间有适当的电路连接才行。这种电路间的 “桥梁 ”叫做导孔（ via）。导孔是在 PCB 上，充满或涂上金属的小洞，它可以与两面的导线相连接。因为双面板的面积比单面板大了一倍，而且因为布线可以互相交错（可以绕到另一面），它更适合用在比单面板更复杂的电路上。 目前，表面贴装（ 不钻孔，直接焊接在 PCB 表面上）的使用越来越广泛，在使用表面贴装时，可以根据需要将元器件焊接在任意一面上，这时候元器件面和焊接面的区别就不是很明显了，但是作为一种标识， PCB 仍然会区分元器件面和焊接面。 多层板（ Multi-Layer Boards） 为了增加
19、可以布线的面积，多层板用上了更多单或双面的布线板。用一块双面作内层、二块单面作外层或二块双面作内层、二块单面作外层的印刷线路板，通过定位系统及绝缘粘结材料交替在一起且导电图形按设计要求进行互连的印刷线路板就成为四层、六层印刷电路板了，也称为多层印刷线路 板。板子的层数就代表了有几层独立的布线层，通常层数都是偶数，并且包含最外侧的两层。大部分的主机板都是 4 到 8 层的结构，不过技术上理论可以做到近 100 层的 PCB 板。大型的超级计算机大多使用相当多层的主机板，不过因为这类计算机已经可以用许多普通计算机的集群代替，超多层板已经渐渐不被使用了。因为 PCB 中的各层都紧密的结合，一般不太容
20、易看出实际数目，不过如果仔细观察主机板，还是可以看出来 。 三、 其他电路板 根据制作材料的不同， PCB 可以分为刚性印制板和挠性印制板 刚性印制板包括酚醛纸质层压板、环氧纸质层压板、聚酯玻璃 毡层压板、环氧玻璃布层压板等；挠性印制板包括聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜、 氟化乙丙烯（ FEP）薄膜等。 挠性印制板又称软件印制电路板，即 FPC, 软性电路板是以聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成的一种具有高可靠性和较高曲挠性的印制板。挠性印制板散热性能好 ，具有可弯曲、折叠、卷绕等优点，也可在三维空间随 意移动和伸缩。可利用 FPC 缩小体积，实现轻量化、小型化、薄型化，从而实现元器件装置和导线连接一体化。
21、 FPC 广泛应用于计算机、通信、航天及家电等行业。 大庆石油学院应用技术学院毕业论文 4 1.3 印刷电路板的发展趋势 印制电路板从单层板发展到双面板、多层板和挠制 板，并不断地向高精度、高密度和高可靠性方向发展。不断缩小体积、减少成本、提高性能，使得印制板在未来电子产品的发展过程中，仍然保持强大的生命力 。 1.3.1 印制 电路板要求 对于双面板和多层板而言，印制板技术水平的标志是把大批量生产的印制板在 2.50mm 或 2.54mm 标准网格交点上的两个焊盘之间，能布设导线的根数作为标志。在两个焊盘之间布设一根导线，为低密度印制板，其导线宽度 大于 0.3mm。在两个焊盘之间布设 2
22、根导线，为中密度印制板，其导线宽度约为 0.2mm。在两个焊盘之间布设 3 根导线，为高密度印制板， 其导线宽度为 0.10.15mm。在两个焊盘之间布设 4 根导线，可算超高密度印制板，线宽度为 0.050.08mm。对于多层板来说，还应以孔径大小、层数多少作为综合衡量标志。 密集组装板面打线（ WireBond）盛行，镀镍镀金越来越重要，柱状溴化镍将兴起，PCB 设计与制作技术难度加大，薄板、大尺寸排板、小孔剧增，纵横比（ AspeetRatio）加大，水平反脉冲与 垂直反脉冲供电方式被广泛应用，盲孔镀铜则以垂直自走涡流搅拌方式为宜，如 UCON。 细线制作困难，特性阻抗要求也越来越严格，
23、对线边齐直度要求也逐渐苛求。 方式如：采用薄铜皮、平行光曝光、湿膜薄光阻、部分蚀刻法（ PartialEtching） 或砂带削薄法等进行批量生产。 要考虑印制电路板尺寸大小，如果尺寸过大会使印制线条长，阻抗增加，不仅抗噪声能力下降，成本也高；但尺寸过小，则散热不好，同时易受临近线条干扰。要求其尺寸要适中。因此，设计电路板首先对 PCB 的大小和外形，给出一个合理的定位。再确定特殊元件的位置和单元电路等，要按电路的流程把整个电路分为几个单元电路或模块，并以每个单元电路的核心元件 (如集成电路 )为中心，其它的元件要按一定的顺序均匀、整齐紧凑地排列在 PCB 板上，但不要太靠近这些大的元件，要有
24、一定的距离，特别一些比较大、比较高的元件周围要保持一定的距离，这样有助于焊接和返修。一些开关、微调元件等应该放在易于操作的地方。同一块印制板上的器件应尽可能按其发热量大小及散热程度分区排列，发热量小或耐热性差的器件 (如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等 )放在冷却气流的最上流 (入口处 )，发热量大或耐热性好的器件放在冷却气流最下游。在同频电路中应考虑元器件之间的分布参数，一般高频电路中应考虑元器件之间的分布参数，一般电路尽可能使元器件平行排列，这样不但美观，而且易 于装焊，同时易于批量生产。 1.3.2 国内外电路板的发展趋势 目前，全球 PCB 产业产值占电子元件产业总产值的四分之
25、一以上，是各个电子元大庆石油学院应用技术学院毕业论文 5 件细分产业中比重最大的产业，产业规模达 400 亿美元。同时，由于其在电子基础产业中的独特地位，已经成为当代电子元件业中最活跃的产业， 2003 和 2004 年，全球PCB 产值分别是 344 亿美元和 401 亿美元，同比增长率分别为 5.27%和 16.47%。 我国的 PCB 研制工作始于 1956 年， 1963-1978 年，逐步扩大形成 PCB 产业。改革开放后 20 多年，由于引进国外先进技术和设备， 单面板、双面板和多层板均获得快速发展，国内 PCB 产业由小到大逐步发展起来。 2002 年，成为第三大 PCB 产出国
26、。2003 年， PCB 产值和进出口额均超过 60 亿美元，成为世界第二大 PCB 产出国。我国PCB 产业近年来保持着 20%左右的高速增长，并预计在 2010 年左右超过日本，成为全球 PCB 产值最大和技术发展最活跃的国家。 从产量构成来看，中国 PCB 产业的主要产品已经由单面板、双面板转向多层板，而且正在从 4 6 层向 6 8 层以上提升。随着多层板、 HDI 板 、柔性板的快速增长，我国的 PCB 产业结构正在逐步得到优化和改善。 在北美的许多印制板制造商们企盼着美国电子工业衰退的终结，但未见明显回升，美国的印制板制造商们除了采取在本土裁员或关厂等应急措施外，为了长远的发展，他
27、们将战略重点转移到亚洲。西方厂商看重东方市场，电子制造业在亚洲获得空前发展，尤其是在中国。目前，中国已经成为电子制造业大国。 随着改革开放的深入，以及中国的长治久安和社会的稳定，吸引了越来越多的境外厂商。这是中国企业难 得的机遇，只有牢牢抓住这个机遇，寻找差距，迅速提高自己，才能使中国的电子电路行业真正攀登世界高峰。 大庆石油学院应用技术学院毕业论文 6 第 2 章 PCB 印刷电路设计基础 2.1 印刷电路板设计的基本原则 印制电路板的设计， 要 从确定板的尺寸大小开始，印制电路板的尺寸因受机箱大小限制，以能恰好放入机箱为宜。其次，应考虑印制电路板与外接元器件（如电位器、按键、插口或其他印制
28、电路板）的连接方式。印制电路板与外接元器件一般是通过塑料导线或金属隔离线进行连接，有时也设计成插座形式连接。在设备内安装插入式 印制板时要留出充当插 口的接触位置。对于安装印制电路板上较大的元器件时，要加金属附件固定，以提高耐震、耐冲击性能。 2.1.1 布局、 布线设计的基本原则 首先需要完 全了解所选用元器件及各种插座的规格、尺寸、面积等。 合理地、仔细地考虑各部件的位置安排 （ 从电磁兼容性、 抗干扰性、走线要短、交叉要少、电源和地线的路径及去耦等发明考虑。）， 各部件位置定出后，就是各部件的连线，按照电路图连接有关引脚。 布局和布线两者都很重要。 一、 印制电路板板上各元器件的布局应遵
29、循以下基本原则 : 1. 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。 2.定位孔、标准孔等非安装孔周围 1.27mm 内不得贴装元、器件，螺钉等安装孔周围 3.5mm（对于 M2.5）、 4mm（对于 M3）内不得贴装元器件。 3. 电阻、二极管、管状电容器等元器件有“立式”和“卧式”两种安装方式。立式指的是元器件体垂直于电路板安装、焊接，其优点是节省空间；卧式指的是元器件体平行并紧贴于电路板安装、焊接，其优点是元器件安装的机械强度较好。这两种不同的安装元器件，印制电路板上的元器件孔距是不一样的。 卧装电阻、电感
30、（插件）、电解电容等元件的下方避免布过孔，以免波峰焊后过孔与元件壳体短路。 4. 元器件的外侧距板边的距离为 5mm。 5. 贴装元件焊盘的外侧与相邻插装元件的外侧距离大于 2mm。 6. 金属壳体元器件和金属件（屏蔽盒等）不能与其它元器件相碰，不能紧贴印制线、焊盘，其间距应大于 2mm。定位孔、紧固件安装孔、椭圆孔及板中其它方孔外侧距板边的尺寸大于 3mm。 7. 发热元件不能紧邻导线和热敏元件；高热器件要均衡分布。 8. 电源插座要尽量布置在印制板的四周，电源插座与其相连的汇流条接线端应布置在同侧。特别应注意不要把电源插 座及其它焊接连接器布置在连接器之间，以利于这些插座、连接器的焊接及电源线缆设计和扎线。电源插座及焊接连接器的布置间距应考虑方便电源插头的插拔； 9. 其它元器件的布置： 所有 IC 元件单边对齐，有极性元件极性标示明确，同一
