第5章 印制电路板设计初步

第5章 印制电路板设计初步 尽管单面板生产成本低,但单面板布线设计难度 最大,原因是只能在一个面上布线,布通率比双面板, 多面板低;可利用的电磁屏蔽手段也有限,电磁兼容 性指标不易达到要求.理论上,对于平面网孔电路, 在单面板上布线时,布通率为100%;对于非平面网孔 电路,在单面板上,无法通过印制导线连接的少量节 点可使用"飞线"连接,但飞线数目必须严格限制在 一定范围内,否则电路性能会下降.
第5章 印制电路板设计初步 单面板的结构如图5-1(a)所示,所用的覆铜板只有 一面敷铜箔,另一面空白,因而也只能在敷铜箔面上 制作导电图形.单面板上的导电图形主要包括固定, 连接元件引脚的焊盘和实现元件引脚互连的印制导线, 该面称为"焊锡面"——在Protel99/99 SE PCB编辑器 中被称为"Bottom"(底)层.没有铜膜的一面用于安放 元件,因此该面称为"元件面"——在Protel99 PCB编 辑器中被称为"Top"(顶)层.由于单面板结构简单,没 有过孔,生产成本低,因此,线路相对简单,工作频 率较低的电子产品,如收录机,电视机,计算机显示 器等电路板一般采用单面板.
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印印印地
过过 焊焊
字字字 坐坐 注坐注注 设设坐坐设设
元元 圆圆(从从从从) 圆圆(从从从从) 填填敷
粘粘 内设内内/地地地 敷敷敷
图5-3 放置工具栏内的工具
第5章 印制电路板设计初步 启动后,PCB编辑区内显示的栅格线是第二栅格 线,大小为1000mil(即1英寸),即25.4mm.在编辑 区下方列出了目前已打开的工作层和当前所处的工作 层. PCB浏览窗(Browse PCB)内显示的信息及按钮种类 与当前浏览对象有关,如图5-4所示,单击"Browse" 栏内的下拉按钮,即可选择相应的浏览对象,如 " Library"( 元 件 封 装 库 ) , " Components"( 元 件 ) , "Nets"(节点),"Net Classes"(节点组),"Component Classes"( 元 件 组 ) , " Violations"( 违 反 设 计 规 则 ) , "Rules"(设计规则)等.
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5.1 印制板设计基础 5.2 Protel99 SE PCB的启动及界面认识 的启动及界面认识 5.3 手工设计单面印制板 手工设计单面印制板——Protel99 SE PCB基本操作 基本操作 习题
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5.1 印制板设计基础
第5章 印制电路板设计初步 5.2.2 PCB编辑器界面 Protel99 SE印制板编辑窗口如图5-2所示,菜单栏内包含 了 " File"( 文 件 ) , " Edit"( 编 辑 ) , " View"( 浏 览 ) , "Place"(放置),"Design"(设计),"Tools"(工具),"Auto Route"(自动布线)等,这些菜单命令的用途随后会逐一介绍. 与原理图编辑器相似,在印制板编辑,设计过程中,除 了可使用菜单命令操作外,PCB编辑器也将一系列常用的菜 单命令以工具"按钮"形式罗列在"工具栏"内,用鼠标单 击"工具栏"上的某一"工具"按钮,即可迅速执行相应的 操作,使用起来方便,快捷.PCB编辑器提供了主工具栏 (Main Toolbar),放置工具(Placement Tools)栏(窗).必要时可 通过"View"菜单下的"Toolbars"命令打开或关闭这些工具 栏(窗).缺省时这两个工具栏均处于打开状态.
第5章 印Байду номын сангаас电路板设计初步
5.2 Protel99 SE PCB的启动及界面认识
5.2.1 启动PCB编辑器 1.创建新的PCB文件 .创建新的 文件 在Protel99 SE状态下,可通过如下方式之一创建新 的PCB文件,进入PCB编辑状态: ● 任何时候,单击"File"菜单下的"New"命令, 在图1-6所示窗口内直接双击"PCB Document"(PCB文 档)文件图标,即可创建新的,空白的PCB文件,进入 印制板编辑状态,如图5-2所示.
第5章 印制电路板设计初步 使用环氧树脂粘结的纸质覆铜箔层压板称为覆铜 箔环氧纸质层压板.覆铜箔环氧纸质层压板的电气性 能和机械性能均比覆铜箔酚醛纸质层压板好,也主要 用作收音机,电视机以及其他低频电子设备的印制电 路板. 使用环氧树脂粘结的玻璃布覆铜箔层压板称为覆 铜箔环氧玻璃布层压板.这是目前使用最广泛的印制 电路板材料之一,它具有良好的电气和机械性能,耐 热,膨胀系数小,尺寸稳定,可在较高温度下使用, 可广泛用作各种电子设备,仪器的印制电路板.
第5章 印制电路板设计初步 主工具栏(窗)内各工具的作用与SCH编辑器主工具 栏相同或相近,在此不再介绍.放置工具栏内的工具 名称如图5-3所示. 启动后,PCB编辑区内显示的栅格线是第二栅格 线,大小为1000mil(即1英寸),即25.4mm.在编辑 区下方列出了目前已打开的工作层和当前所处的工作 层.
第5章 印制电路板设计初步
安安元内安元元 元地过 元元元地 元元元 基基 敷铜铜 焊设 焊焊元
(a)
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安安元内安元元 元地过 元元元地 元元元 敷铜铜 基基 敷铜铜 元元元过过 焊设
(b)
焊焊元
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元元元 内内地 地地地 焊焊元 绝绝地
元元元元焊焊元地过 元元元印地元内内地元元元元元元过过 元元元印地元地地地元元元元元元过过 元元元印地元焊焊元印地元元元元元元过过 焊焊元印地元内内地元元元元元元过过 焊焊元印地元地地地元元元元元元过过
第5章 印制电路板设计初步 1 mil=0.0254 mm 10 mil=0.254 mm 100 mil=2.54 mm 1000 mil(1英寸)=25.4 mm
第5章 印制电路板设计初步 使用聚四氟乙烯树脂粘结的玻璃布覆铜箔层压板称为覆 铜箔聚四氟乙烯玻璃布层压板.覆铜箔聚四氟乙烯玻璃布层 压板介电性能好(介质损耗小,介电常数低),耐高温(工作温 度范围宽),耐潮湿(可以在潮湿环境下使用),耐酸,碱(即 化学稳定性高),是制作高频,微波电子设备印制电路板的 理想材料,只是价格较高. 此外,对防火有特殊要求的电子设备,如计算机主机电 源,使用的印制板材料还必须具有阻燃或自熄性能. 覆铜箔层压板有时也简称为覆铜板,主要性能指标有基 板厚度,铜箔厚度,铜膜抗剥强度,翘曲度,介电常数,介 质损耗角正切等,常用纸质,玻璃布覆铜箔层压板厚度为 1.5～2.0 mm,铜箔厚度为35～50m.
(c) 图5-1 单面,双面及多面印制电路板剖面
第5章 印制电路板设计初步 随着集成电路技术的不断发展,元器件集成度越来越 高,引脚数目迅速增加,电路图中元器件连接关系越来越 复杂.此外,器件工作频率也越来越高,双面板已不能满 足布线和电磁屏蔽要求,于是就出现了多层印制板.在多 层印制板中,导电层的数目一般为4,6,8,10等,例如在 四层板中,上,下面(层)是信号层(信号线布线层),在上, 下两层之间还有内电源层,内地线层,如图5-1(c)所示.在 多层印制板中,可充分利用电路板的多层结构解决电磁干 扰问题,提高了电路系统的可靠性.多层印制板可布线层 数多,走线方便,布通率高,连线短,印制板面积也较小 (印制导线占用面积小).目前,计算机设备,如主机板,内 存条,显示卡等均采用4或6层印制电路板.
第5章 印制电路板设计初步 PCB编辑器内工具栏的位置也可移动,例如将鼠标 移到工具栏上的空白位置,按下鼠标左键不放,移动 鼠标器,即可调整工具栏位置.当工具栏移到工作区 内时,就会自动变成"工具窗";反之,将"工具窗" 移到工作区边框时又会自动变成工具栏. 在Protel99 SE PCB Protel99 PCB编辑器中,单击"Design"菜单 Design" 下的"Options…"命令,在"Options(选项)"标签窗口 内,选择英制(单位为mil)或公制(单位为mm)作为长度 计量单位,彼此之间的换算关系如下:
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图5-2 Protel99 SE PCB编辑器窗口
第5章 印制电路板设计初步 ● 通过上述方式创建的PCB文件没有自动生成印 制板的边框,只适用于创建非标准尺寸印制板.对于 标准规格印制板,如对于ISA,PCI总线扩展卡来说, 最好通过"Printed Circuit Board Wizard"(印制板向导) 创建标准尺寸的PCB文件,然后通过原理图编辑器窗 口内的"Update PCB…(更新PCB)"命令,把原理图中 元件封装图,电气连接直接装入PCB文件内. 有关通过"Printed Circuit Board Wizard"(印制电路 板向导)创建新PCB文件的操作过程在第6章中将做详细 介绍.
第5章 印制电路板设计初步 在多层电路板中,层与层之间的电气连接通过元 件引脚焊盘和金属化过孔实现,除了元件引脚焊盘孔 外,用于实现不同层电气互连的金属化过孔最好贯穿 整个电路板(经特定工艺处理后,不会造成短路),以方 便钻孔加工.图5-1(c)所示的四层板中,给出了五种不 同类型的金属化过孔.例如,用于元件面上印制导线 与电源层相连的金属化过孔中,为了避免与地线层相 连,在该过孔经过的地线层上少了一个比过孔大的铜 环(很容易通过刻蚀工艺实现),这样该金属化过孔就不 会与地线层相连.
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图5-4 不同浏览对象对应的浏览窗
第5章 印制电路板设计初步 浏览对象的选择又与当前操作状态有关,例如在手工放置 元件封装图时,可选择"Library"(元件封装图库)作为浏览对 象 ( 如 图 5-2 所 示 ) ; 在 手 工 调 整 元 件 布 局 过 程 中 , 可 选 择 "Components"(元件)作为浏览对象;在手工调整布线过程中, 可选择"Nets"(节点)作为浏览对象;在元件组管理操作(如在 组内增加或删除元件)过程中,可选择"Component Classes"(元 件组)作为浏览对象;在节点组管理操作(如在组内增加或删除 节点)过程中,可选择"Net Classes"(节点组)作为浏览对象; 而在浏览,纠正设计错误时,可选择"Violations"(违反设计规 则)作为浏览对象.
5.1.1 印制板种类及结构 印制板种类很多,根据导电层数的不同,可将印 制板分为单面电路板(简称单面板),双面电路板(简称 双面板)和多层电路板;根据覆铜板基底材料的不同, 又可将印制板分为纸质覆铜箔层压板和玻璃布覆铜箔 层压板两大类.此外,采用挠性塑料作基底的印制板 称为挠性印制板,常用做印制电缆,主要用于连接可 移动部件,例如DVD机内激光头与电路板之间就通过 挠性印制电缆连接.
第5章 印制电路板设计初步 5.1.2 印制板材料 根据覆铜板基底材料的不同,可以将印制板分为 纸质覆铜箔层压板和玻璃布覆铜箔层压板两大类.使 用粘结树脂将纸或玻璃布粘在一起,然后经过加热, 加压工艺处理就形成了纸质覆铜箔层压板和玻璃布覆 铜箔层压板. 目前,常用的粘结树脂主要有酚醛树脂,环氧树 脂和聚四氟乙烯树脂三种. 使用酚醛树脂粘结的纸质覆铜箔层压板称为覆铜 箔酚醛纸质层压板,其特点是成本低,主要用作收音 机,电视机以及其他电子设备的印制电路板.
第5章 印制电路板设计初步 双面板结构如图5-1(b)所示,基板的上,下两面均覆 盖铜箔.因此,上,下两面都可以印制导电图形.导电图 形中除了焊盘,印制导线外,还有用于使上,下两面导电 图形互连的"金属化过孔".在双面板中,元件也只能安 装在其中的一个面上,该面同样称为"元件面",另一面 称为"焊锡面".在双面板中,需要制作连接上,下面印 制导线的金属化过孔,生产工艺流程比单面板多,成本高. 但由于可以两面走线,因而布线相对容易,布通率高.借 助与地线相连的敷铜区即可较好地解决电磁干扰问题,因 此应用范围很广,多数电子产品,如VCD机,单片机控制 板等均采用双面板结构.