1、電子工程CAD設(shè)計(jì),第四章PCB設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院 王民慧,第四章 PCB設(shè)計(jì)基礎(chǔ),本章主要內(nèi)容： PCB基礎(chǔ)知識(shí) PCB圖設(shè)計(jì)流程 PCB編輯器及其界面 設(shè)置PCB板工作層面及參數(shù) 元件庫(kù)與網(wǎng)絡(luò)表的裝入,4.1 PCB基礎(chǔ)知識(shí),印刷電路板（Printed circuit board，PCB）簡(jiǎn)介 印刷板種類及結(jié)構(gòu) 印刷板材料,印刷板也稱為印刷線路板或印刷電路板，通過印刷板上的印刷導(dǎo)線、焊盤及金屬化過孔實(shí)現(xiàn)元器件引腳之間的電氣連接。由于印刷板上的導(dǎo)電圖形（如元件引腳焊盤、印刷連線、過孔等）以及說明性文字（如元件輪廓、序號(hào)、型號(hào)）等均通過印刷方法實(shí)現(xiàn)，因此稱為印刷電路板。,通過一定的

2、工藝，在絕緣性能很高的基材上覆蓋一層導(dǎo)電性能良好的銅薄膜，就構(gòu)成了生產(chǎn)印刷電路板所必需的材料覆銅板。按電路要求，在覆銅板上刻蝕出導(dǎo)電圖形，并鉆出元件引腳安裝孔、實(shí)現(xiàn)電氣互連的過孔以及固定整個(gè)電路板所需的螺絲孔，就獲得了電子產(chǎn)品所需的印刷電路板。,4.1.1 印刷電路板簡(jiǎn)介,PCB的主要功能： 固定電子零件 提供印刷電路板上各項(xiàng)零件的相互電氣連接,如今每一種電子 設(shè)備中幾乎都會(huì)出現(xiàn) 印刷電路板,印刷電路板,裸板也稱“印刷線路板Printed Wiring Board（PWB）”。,印刷電路板ABC（之一） 印刷電路板的基板是由絕緣隔熱、不易彎曲的材質(zhì)作成。在表面的細(xì)小線路材料是銅箔，銅箔原是覆蓋

3、在整個(gè)板子上的，而在制造過程中部份被蝕刻處理掉，留下來的部份就變成網(wǎng)狀的細(xì)小線路了。這些線路被稱作導(dǎo)線（conductor pattern）或稱布線，并用來提供PCB上零件的電路連接。 為了將零件固定在PCB上面，通常將它們的接腳直接焊在布線上。在PCB（單面板）上，零件都集中在其中一面，導(dǎo)線則都集中在另一面。因此需要在板子上打洞，這樣零件的引腳才能穿過板子到另一面，零件的引腳是焊在另一面上的。因?yàn)槿绱?，PCB的正反面分別被稱為零件面（Component Side）與焊接面（Solder Side）。,焊接在印制電路板上的一般元器件，以板面為基礎(chǔ)，通常有直立式安裝、水平式安裝兩種形式。,印刷電

4、路板ABC（之二） 若PCB上有某些零件，需要在制作完成后也可以拿掉或裝回去，那么該零件安裝時(shí)會(huì)用到插座（Socket）。由于插座是直接焊在板子上的，零件可以任意拆裝。右面是ZIF（Zero Insertion Force，零拔插力式）插座，它可以讓零件（如CPU）輕松地插進(jìn)插座，也可以拆下來。插座旁的固定桿，可以在插進(jìn)零件后將其固定。,印刷電路板ABC（之三） 如果要將兩塊PCB相互連結(jié)，一般會(huì)用到俗稱金手指的邊接頭（edge connector）。金手指上包含了許多裸露的銅墊，這些銅墊事實(shí)上也是PCB布線的一部份。通常連接時(shí)，我們將其中一片PCB上的金手指插進(jìn)另一片PCB上合適的插槽上（一

5、般叫做擴(kuò)充槽Slot）。,金手指,印刷電路板ABC（之四） PCB上的綠色或棕色，是阻焊漆（solder mask）的顏色。這層是絕緣的防護(hù)層，可以保護(hù)銅線，也可以防止零件被焊到不正確的地方。在阻焊層上另外會(huì)印刷上一層絲網(wǎng)印刷面（silk screen）。通常在這上面會(huì)印上文字與符號(hào)（大多是白色的），以標(biāo)示出各零件在板子上的位置。絲網(wǎng)印刷面也被稱作圖標(biāo)面（legend）。,有白色 圖標(biāo)面 的綠色 PCB,沒有圖 標(biāo)面的 棕色PCB,PCB的種類 單面板（Single-Sided Boards） 零件集中在其中一面，導(dǎo)線則集中在另一面上。因?yàn)閷?dǎo)線只出現(xiàn)在其中一面，所以我們就稱這種PCB叫作單面板

6、（Single-sided）。,單面PCB表面,單面PCB底面,雙面板（Double-Sided Boards） 這種電路板的兩面都有布線。不過要用上兩面的導(dǎo)線，必須在兩面間有適當(dāng)?shù)碾娐愤B接才行。這種電路間的橋梁叫做導(dǎo)孔（via）。導(dǎo)孔是在PCB上，充滿或涂上金屬的小洞，它可以與兩面的導(dǎo)線相連接。因?yàn)殡p面板的面積比單面板大了一倍，而且因?yàn)椴季€可以互相交錯(cuò)（可以繞到另一面），它更適合用在比單面板更復(fù)雜的電路上。,多層板（Multi-Layer Boards） 為了增加可以布線的面積，多層板用上了更多單或雙面的布線板。多層板使用數(shù)片雙面板，并在每層板間放進(jìn)一層絕緣層后黏牢（壓合）。板子的層數(shù)就代表

7、了有幾層獨(dú)立的布線層，通常層數(shù)都是偶數(shù)，并且包含最外側(cè)的兩層。大部分的主機(jī)板都是4到8層的結(jié)構(gòu)，技術(shù)上可以做到近100層的PCB板。大型的超級(jí)計(jì)算機(jī)大多使用相當(dāng)多層的主機(jī)板，不過因?yàn)檫@類計(jì)算機(jī)已經(jīng)可以用許多普通計(jì)算機(jī)的集群代替，超多層板已經(jīng)漸漸不被使用了。因?yàn)镻CB中的各層都緊密的結(jié)合，一般不太容易看出實(shí)際數(shù)目，不過如果仔細(xì)觀察主機(jī)板，也許可以看出來。,接下頁(yè),前面提到的導(dǎo)孔（via），如應(yīng)用在雙面板上，那么一定都是打穿整個(gè)板子。但在多層板當(dāng)中，如果只想連接其中一些線路，那么導(dǎo)孔可能會(huì)浪費(fèi)一些其它層的線路空間。埋孔（Buried vias）和盲孔（Blind vias）技術(shù)可以避免這個(gè)問題，因

8、為它們只穿透其中幾層。盲孔是將幾層內(nèi)部PCB與表面PCB連接，不須穿透整個(gè)板子。埋孔則只連接內(nèi)部的PCB，所以光是從表面是看不出來的。 在多層板PCB中，整層都直接連接上地線與電源。所以我們將各層分類為信號(hào)層（Signal），電源層（Power）或是地線層（Ground）。如果PCB上的零件需要不同的電源供應(yīng)，通常這類PCB會(huì)有兩層以上的電源與電線層。,印制板種類很多，根據(jù)導(dǎo)電層數(shù)目的不同，可以將印制板分為單面電路板（簡(jiǎn)稱單面板）、雙面電路板（簡(jiǎn)稱雙面板）和多層電路板；根據(jù)覆銅板基底材料的不同，又可將印制板分為紙質(zhì)覆銅箔層壓板和玻璃布覆銅箔層壓板兩大類。此外，采用撓性塑料作基底的印制板稱為撓性

9、印制板，常用做印制電纜。,4.1.2 印刷板種類及結(jié)構(gòu),單面板所用的覆銅板只有一面敷銅箔，另一面空白，因而也只能在敷銅箔面上制作導(dǎo)電圖形。單面板上的導(dǎo)電圖形主要包括固定、連接元件引腳的焊盤和實(shí)現(xiàn)元件引腳互連的印制導(dǎo)線，該面稱為“焊錫面”在Protel PCB編輯器中被稱為“Bottom”（底）層。沒有銅膜的一面用于安放元件，因此該面稱為“元件面”在Protel PCB編輯器中被稱為“Top”（頂）層。,(a),圖 單面、雙面及多面印制電路板剖面,(b),單面、雙面及多面印制電路板剖面,(c),單面、雙面及多面印制電路板剖面,雙面板基板的上下兩面均覆蓋銅箔。因此，上、下兩面都含有導(dǎo)電圖形，導(dǎo)電圖

10、形中除了焊盤、印制導(dǎo)線外，還有用于使上、下兩面印制導(dǎo)線相連的金屬化過孔。在雙面板中，元件也只安裝在其中的一個(gè)面上，該面同樣稱為“元件面”，另一面稱為“焊錫面”。在雙面板中，需要制作連接上、下面印制導(dǎo)線的金屬化過孔，生產(chǎn)工藝流程比單面板多，成本高。,隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，元器件集成度越來越高，引腳數(shù)目迅速增加，電路圖中元器件連接關(guān)系越來越復(fù)雜。此外，器件工作頻率也越來越高，雙面板已不能滿足布線和電磁屏蔽要求，于是就出現(xiàn)了多層板。在多層板中導(dǎo)電層的數(shù)目一般為4、6、8、10等，例如在四層板中，上、下面（層）是信號(hào)層（信號(hào)線布線層），在上、下兩層之間還有電源層和地線層。,在多層板中，可充分利用

11、電路板的多層結(jié)構(gòu)解決電磁干擾問題，提高了電路系統(tǒng)的可靠性；由于可布線層數(shù)多，走線方便，布通率高，連線短，印制板面積也較?。ㄓ≈茖?dǎo)線占用面積小），目前計(jì)算機(jī)設(shè)備，如主機(jī)板、內(nèi)存條、顯示卡等均采用4或6層印制電路板。,在多層電路板中，層與層之間的電氣連接通過元件引腳焊盤和金屬化過孔實(shí)現(xiàn)，除了元件引腳焊盤孔外，用于實(shí)現(xiàn)不同層電氣互連的金屬化過孔最好貫穿整個(gè)電路板，以方便鉆孔加工，在經(jīng)過特定工藝處理后，不會(huì)造成短路。在前面所示的四層板中，給出五個(gè)不同類型的金屬化過孔。例如，用于元件面上印制導(dǎo)線與電源層相連的金屬化過孔中，為了避免與地線層相連，在該過孔經(jīng)過的地線層上少了一個(gè)比過孔大的銅環(huán)（很容易通過刻蝕

12、工藝實(shí)現(xiàn)）。,4.1.3 印制板材料 根據(jù)覆銅板基底材料的不同，可以將印制板分為紙質(zhì)覆銅箔層壓板和玻璃布覆銅箔層壓板兩大類。它們都是使用粘結(jié)樹脂將紙或玻璃布粘在一起，然后經(jīng)過加熱、加壓工藝處理而成。 目前常用的粘結(jié)樹脂主要有酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂和聚四氟乙烯樹脂三種。,使用酚醛樹脂粘結(jié)的紙質(zhì)覆銅箔層壓板稱為覆銅箔酚醛紙質(zhì)層壓板，其特點(diǎn)是成本低，主要用作收音機(jī)、電視機(jī)以及其他電子設(shè)備的印制電路板。 使用環(huán)氧樹脂粘結(jié)的紙質(zhì)覆銅箔層壓板稱為覆銅箔環(huán)氧紙質(zhì)層壓板。覆銅箔環(huán)氧紙質(zhì)層壓板的電氣性能和機(jī)械性能均比覆銅箔酚醛紙質(zhì)層壓板好，也主要用在收音機(jī)、電視機(jī)以及其他低頻電子設(shè)備中。,使用環(huán)氧樹脂粘結(jié)的玻璃布覆

13、銅箔層壓板稱為覆銅箔環(huán)氧玻璃布層壓板。這是目前使用最廣泛的印制電路板材料之一，它具有良好的電氣和機(jī)械性能，耐熱，尺寸穩(wěn)定性好，可在較高溫度下使用。因此，廣泛用作各種電子設(shè)備、儀器的印制電路板。 使用聚四氟乙烯樹脂粘結(jié)的玻璃布覆銅箔層壓板稱為覆銅箔聚四氟乙烯玻璃布層壓板。由于其介電性能好（介質(zhì)損耗小、介電常數(shù)低），耐高溫（工作溫度范圍寬），耐潮濕（可以在潮濕環(huán)境下使用），耐酸、堿（即化學(xué)穩(wěn)定性高），是制作高頻、微波電子設(shè)備印制電路板的理想材料，只是價(jià)格較高。,4.2 PCB圖設(shè)計(jì)流程,新建PCB圖文件。 設(shè)置PCB圖紙：確定PCB板尺寸、設(shè)置布線區(qū)、設(shè)置PCB板層等。 從原理圖導(dǎo)入設(shè)計(jì)。 元件布

14、局。 設(shè)置設(shè)計(jì)規(guī)則。 布線：手動(dòng)布線或自動(dòng)布線。,4.3 PCB編輯器及其界面,PCB編輯器的界面非常類似于原理圖編輯器界面，本節(jié)主要介紹： PCB工作空間； PCB面板； PCB網(wǎng)格； 坐標(biāo)系統(tǒng)和原點(diǎn)； 單位； 瀏覽PCB。,PCB面板可以選擇按以下方式瀏覽：,Components； Nets； Rules； From-To Editor； Split Plane Editor。,PCB網(wǎng)格,PCB網(wǎng)格共四種： 可視網(wǎng)格（Visible Grid）：可以看到的以點(diǎn)或線的形式顯示的網(wǎng)格。 捕獲網(wǎng)格（Snap Grid） ：在工作區(qū)中限制鼠標(biāo)移動(dòng)位置的網(wǎng)格（不可見）。 電氣網(wǎng)格（Electric

15、al Grid） ：移動(dòng)的電氣對(duì)象能夠跳到其他電氣對(duì)象的范圍。 元件網(wǎng)格（Component Grid） ：限制元件移動(dòng)位置的網(wǎng)格。,點(diǎn)擊菜單： Design Board Options 打開Board Options對(duì)話框可對(duì)可視網(wǎng)格、捕獲網(wǎng)格、電氣網(wǎng)格、元件網(wǎng)格進(jìn)行設(shè)置。,坐標(biāo)系統(tǒng)與原點(diǎn)設(shè)置,PCB中有兩個(gè)原點(diǎn)： 絕對(duì)原點(diǎn)：編輯區(qū)左下角。 相對(duì)原點(diǎn)：繪圖時(shí)使用的原點(diǎn)，可以由用戶設(shè)置。一般將相對(duì)原點(diǎn)設(shè)置為PCB板邊緣的某個(gè)位置。 相對(duì)原點(diǎn)的設(shè)置： 點(diǎn)擊菜單： Edit Origin Set,瀏覽PCB,利用PCB面板中的微瀏覽器瀏覽PCB。 單擊PCB面板上的Magnify按鈕瀏覽。 在編輯

16、區(qū)中按住鼠標(biāo)右鍵瀏覽。,4.4 設(shè)置PCB板工作層面及參數(shù),在PCB工作區(qū)的底部有一系列層標(biāo)簽； PCB編輯器是一個(gè)多層環(huán)境，我們做的大多數(shù)編輯工作都在一個(gè)特殊層上； 點(diǎn)擊菜單： Design Board Layers & Colors 打開Board Layers and Colors對(duì)話框可顯示、添加、刪除、重命名、及設(shè)置層的顏色。,在PCB編輯器中有三種類型的層：,電氣層 機(jī)械層 特殊層,1. 電氣層,包括32個(gè)信號(hào)層和16個(gè)平面層。 在設(shè)計(jì)中，電氣層的添加或移除是在板層管理器中進(jìn)行。 選擇菜單： Design Layer Stack Manager 顯示板層管理器對(duì)話框。,新層和平面添加在當(dāng)前所選擇的層下面。層的參數(shù)，如銅厚和非電參數(shù)都會(huì)用在信號(hào)完整分析中。 對(duì)用不上的層，可以關(guān)閉。,2. 機(jī)械層,機(jī)械層有16個(gè)，用來定義板輪廓、放置厚度，包括制造說明、或其它設(shè)計(jì)需要的機(jī)械說明。 這些層在打印和底片文件的產(chǎn)生時(shí)都是可選擇的。 在 Board Layers 對(duì)話框可以添加、移除和命名機(jī)械層。,3. 特殊層,包括頂層和底層絲印層、阻焊和助焊層、鉆孔層、禁止布線層（用于定義電氣邊界）、多層（用于多層焊盤和過孔）、連接層、DRC錯(cuò)誤層、柵格