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1、一、教学回顾n1、原理图编辑器、工具栏的使用等；n2、简单原理图设计；n3、层次原理图设计；第第7 7章章 PCB设计基础一设计基础一n二、教学内容：二、教学内容：1、PCB设计的基本原则设计的基本原则 n2、PCB的设计流程的设计流程 n3、利用向导创建、利用向导创建PCB n4、设置、设置PCB设计参数设计参数 n5、导入网络表、导入网络表n三、教学要求：三、教学要求：n1熟练掌握设计流程及基本原则；熟练掌握设计流程及基本原则；n2、熟练掌握利用向导创建、熟练掌握利用向导创建PCB 文件。文件。一、一、 PCB板的分类与结构板的分类与结构nPCB根据电路板的结构可以分为单面板根据电路板的结
2、构可以分为单面板(Signal Layer)PCB、双层板、双层板(Double Layer)PCB和多层板和多层板(Multi Layer)PCB 3种。种。n单面板单面板即只有一个导电层，在这个层中包含焊盘及印即只有一个导电层，在这个层中包含焊盘及印制导线，这一层也称作焊接面，另外一面则称为元件制导线，这一层也称作焊接面，另外一面则称为元件面。单面板的成本较低，但由于所有导线集中在一个面。单面板的成本较低，但由于所有导线集中在一个面中，所以很难满足复杂连接的布线要求。适用于线面中，所以很难满足复杂连接的布线要求。适用于线路简单及对成本敏感的场合，如果存在一些无法布通路简单及对成本敏感的场合
3、，如果存在一些无法布通的网络，通常可以采用导线跨接的方法。的网络，通常可以采用导线跨接的方法。四、教学过程四、教学过程n双层板双层板，是一种包括顶层，是一种包括顶层(Top Layer)和和底层底层(Bottom Layer)的电路板，的电路板，双面双面都都有覆铜，都可以有覆铜，都可以布线布线。通常情况下，元件。通常情况下，元件一般处于顶层一侧，顶层和底层的电气连一般处于顶层一侧，顶层和底层的电气连接通过焊盘或过孔实现，无论是焊盘还是接通过焊盘或过孔实现，无论是焊盘还是过孔都进行了内壁的金属化处理。相对于过孔都进行了内壁的金属化处理。相对于单面板而言，两面布线极大地提高了布线单面板而言，两面布
4、线极大地提高了布线的灵活性和布通率，可以适应高度复杂的的灵活性和布通率，可以适应高度复杂的电气连接的要求，双面板在目前应用最为电气连接的要求，双面板在目前应用最为广泛。广泛。n多层板多层板是在顶层和底层之间加上若干中间层构成，是在顶层和底层之间加上若干中间层构成，中间层包含电源层或信号层，各层间通过焊盘或过中间层包含电源层或信号层，各层间通过焊盘或过孔实现互连。多层板适用于制作复杂的或有特殊要孔实现互连。多层板适用于制作复杂的或有特殊要求的电路板。多层板包括顶层求的电路板。多层板包括顶层(Top Layer)、底层、底层(Bottom Layer)、中间层、中间层(MidLayer)及电源及电
5、源接接地层地层(Internal Plane)等，层与层之间是绝缘层，等，层与层之间是绝缘层，绝缘层用于隔离电源层和布线层，绝缘层的材料要绝缘层用于隔离电源层和布线层，绝缘层的材料要求有良好的绝缘性能、可挠性及耐热性等。求有良好的绝缘性能、可挠性及耐热性等。2、 PCB板的组成板的组成 n PCB 板包含一系列元器件、由印刷电板包含一系列元器件、由印刷电路板材料支持并通过铜箔层进行电气连接路板材料支持并通过铜箔层进行电气连接的电路板，首先来认识一些重要的组成部的电路板，首先来认识一些重要的组成部分。分。n1)、元器件图形符号：元器件图形符号： 元器件的参数、封装外形，用白色文字印刷在元器件的参
6、数、封装外形，用白色文字印刷在PCB板板上的丝印层上的丝印层(overlay)。 PCB中元器件主要有元器件图形（即封装外形）、焊中元器件主要有元器件图形（即封装外形）、焊盘及元器件属性三部分组成。盘及元器件属性三部分组成。元器件属性元器件属性元器件图形元器件图形焊盘焊盘n元器件图形：元器件图形：一般是印刷在顶层丝印层（一般是印刷在顶层丝印层（Top Overlay）或底层丝印层（或底层丝印层（Bottom Overlay)上的图形，无电气意义。上的图形，无电气意义。电路原理图中的元器件与电路原理图中的元器件与PCBPCB中的元器件是中的元器件是一一对应一一对应的。的。元器件焊盘元器件焊盘元器
7、件封装元器件封装DIP8封装封装元器件序号元器件序号元器件名称元器件名称元器件管脚元器件管脚元器件图形元器件图形2)、导线导线/飞线飞线： 在在PCB设计中，线有二种设计中，线有二种: 一种称一种称铜膜走线铜膜走线，也叫导线，也叫导线,用于连接各个焊盘用于连接各个焊盘; 一种叫一种叫飞线飞线,也叫也叫 预拉线预拉线.飞线是系统生成用来飞线是系统生成用来指引布线的一种连线指引布线的一种连线.飞线飞线已布好已布好的线的线3）、）、焊盘焊盘： 主要用于固定元器件，也可用来作为信号进主要用于固定元器件，也可用来作为信号进入元器件的组成部分。入元器件的组成部分。n 焊盘的标准形状有焊盘的标准形状有3种，
8、即圆形种，即圆形(Round)、方、方形形(Rectangle)和八角形和八角形(Octagonal)，可以根据，可以根据需要进行自定义。需要进行自定义。4）、）、过孔过孔： 在多层电路板中，为实现元器件之间信号的相同，在多层电路板中，为实现元器件之间信号的相同，通常需要在导线上设置过孔。通常需要在导线上设置过孔。 注意：过孔用于实现注意：过孔用于实现不同工作层间的电气连接，不同工作层间的电气连接，与与元件引脚的焊接及固定无关。元件引脚的焊接及固定无关。 过孔分为三种：过孔分为三种： 从顶层贯穿至底层的称为从顶层贯穿至底层的称为穿透式过孔穿透式过孔； 只实现顶层或底层与中间层连接的过孔称为只实
9、现顶层或底层与中间层连接的过孔称为盲孔盲孔； 只实现中间层连接，而没有穿透顶层或底层的过孔称为只实现中间层连接，而没有穿透顶层或底层的过孔称为埋埋孔孔。 过孔只有圆形，主要有两个参数：即孔径大小过孔只有圆形，主要有两个参数：即孔径大小(Hole Size)和过孔直径和过孔直径(Diameter)，如图，如图8.2所示。所示。图8.2 过孔的形状和尺寸顶层铜箔顶层铜箔底层铜箔底层铜箔中间沉铜中间沉铜5）、）、敷铜敷铜： 在电路板中需要的部位敷铜，可以减少电路阻抗，在电路板中需要的部位敷铜，可以减少电路阻抗，改善电路性能。改善电路性能。6）、绝缘材料板（）、绝缘材料板（机械层机械层）：）： 是是P
10、CB的基板，用来作为安装元器件时的支撑的基板，用来作为安装元器件时的支撑物。物。7）、助焊膜：）、助焊膜： 涂于焊盘上，提高可焊性的一层涂料膜。涂于焊盘上，提高可焊性的一层涂料膜。8）、阻焊膜：）、阻焊膜： 涂在焊盘以外的各部位，用于阻止这些部位上涂在焊盘以外的各部位，用于阻止这些部位上锡，防止波峰焊时产生桥接现象，提高焊接质量。锡，防止波峰焊时产生桥接现象，提高焊接质量。3. 元件封装元件封装n1）. 元件封装的分类元件封装的分类n 元件的封装可以分为针脚式封装和表面粘贴式(SMT)封装两大类。(1)插针式封装插针式封装 插针式封装是针对插针类元件的，针脚类元件焊接时先要插针式封装是针对插针
11、类元件的，针脚类元件焊接时先要将元件针脚插入焊盘导孔中，然后再焊锡。由于焊点导孔贯将元件针脚插入焊盘导孔中，然后再焊锡。由于焊点导孔贯穿整个电路板，所以在其焊盘的属性对话框中，穿整个电路板，所以在其焊盘的属性对话框中，Layer板层属板层属性必须为性必须为Multi Layer。(2)表面粘贴式封装表面粘贴式封装 表面粘贴式封装的焊盘只限于表面板层，即表面粘贴式封装的焊盘只限于表面板层，即顶层顶层或或底层底层。在其焊盘的属性对话框中，在其焊盘的属性对话框中，Layer板层属性必须为单一表面。板层属性必须为单一表面。2）、常用元件的封装）、常用元件的封装常用的分立元件封装有：常用的分立元件封装有
12、：n 二极管类二极管类(DIODE-0.5DIODE-0.7)、n 极性和非极性电容类极性和非极性电容类(RB5-10.5RB7.6-15、RAD-0.1RAD-0.4)、n 电阻类电阻类(AXIAL-0.3AXIAL-1.0)和可变电阻类和可变电阻类(VR1VR5)、n 集成电路有集成电路有DIP-xxx封装和封装和SIL-xxx封装。封装。3）、元件封装的编号）、元件封装的编号 元件封装的编号原则：元件封装的编号原则： 元件类型焊盘距离元件类型焊盘距离(焊盘数焊盘数)元件外形尺寸元件外形尺寸 例如：例如：（1）、电阻的封装为）、电阻的封装为AXIAL-0.4， 表示此元件封装为轴状，两焊盘
13、间的距离为表示此元件封装为轴状，两焊盘间的距离为400mil(100mil=2.54mm)；（2）、极性电容类元件封装）、极性电容类元件封装RB7.6-15 表示引脚间距为表示引脚间距为7.6mm，元件直径为，元件直径为15mm；（3）、）、DIP-24 表示双列直插式元件封装，表示双列直插式元件封装，24个焊盘引脚。个焊盘引脚。二极管封装形式二极管封装形式 电解电容封装形式电解电容封装形式 无极性电容封装形式无极性电容封装形式 电阻封装形式电阻封装形式元件封装图元件封装图元件封装图元件封装图集成电路封装形式集成电路封装形式(双排直插双排直插) (单排直插单排直插) 小功率晶体封装形式小功率晶
14、体封装形式 电位器封装形式电位器封装形式图图8.11 常用元件的封装常用元件的封装 XTAL1 XTAL1（晶振类）（晶振类） VR5VR5（电位器类）（电位器类） SIP-8SIP-8（单列直插类）（单列直插类） d FUSE（保险管）（保险管） DB9/MDB9/M（D D型连接器）型连接器） TO-92BTO-92B（小功率三极（小功率三极管）管） LCC16 LCC16（贴片元件类）（贴片元件类） DIP-16DIP-16（双列直插类）（双列直插类） TO-220TO-220（三极管类）（三极管类） 元件封装图元件封装图4、 PCB工作层简介 在在Protel 2004的的PCB编辑器
15、中，采用层管理模式，无论是编辑器中，采用层管理模式，无论是多层板、双层板还是单层板都包含多个工作层，不同的工作多层板、双层板还是单层板都包含多个工作层，不同的工作层有不同的用途并采用不同的颜色加以区分。层有不同的用途并采用不同的颜色加以区分。1）、信号层）、信号层(Signal Layers) 用于布线用于布线，分为顶层、底层和中间层。单层板的信号层为，分为顶层、底层和中间层。单层板的信号层为底层，双面板为顶层和底层。底层，双面板为顶层和底层。2）、机械层）、机械层(Mechanical Layers) 用于用于放置电路板的物理边界放置电路板的物理边界、关键尺寸信息及电路、关键尺寸信息及电路板
16、生产过程中所需要的对准孔等，它不具备导电性质。板生产过程中所需要的对准孔等，它不具备导电性质。n3、禁止布线层、禁止布线层(Keep Out Layer)n 用于用于定义定义PCB的电气边界的电气边界，即限制了印制导，即限制了印制导线的布线区域。设计时，电气边界应不超出线的布线区域。设计时，电气边界应不超出PCB的物理边界。的物理边界。n4、丝印层、丝印层(Silkscreen Layers)n 用于用于显示元件的外形轮廓显示元件的外形轮廓、编号或放置其他、编号或放置其他的文本信息。丝印层分为顶层丝印层的文本信息。丝印层分为顶层丝印层(Top Overlay)和底层丝印层和底层丝印层(Bott
17、om Overlay)。5）、防护层）、防护层(Mask Layers) 分为顶层助焊层分为顶层助焊层(Top Paste)、底层助焊层、底层助焊层(Bottom Paste)、顶层阻焊层、顶层阻焊层(Top Solder)和底层阻焊层和底层阻焊层(Bottom Solder)。 设置助焊层设置助焊层(Paste)是为了安装贴片元件。设置阻焊是为了安装贴片元件。设置阻焊层的目的是防止焊锡的粘连，避免在焊接相邻但不同层的目的是防止焊锡的粘连，避免在焊接相邻但不同网络焊点时发生短路。网络焊点时发生短路。6）、多层）、多层(Multi-Layer) 为贯穿每一个信号层的工作层，在多层上放置的焊为贯穿
18、每一个信号层的工作层，在多层上放置的焊盘或过孔将会自动添加到所有的信号层中。盘或过孔将会自动添加到所有的信号层中。多层板多层板顶层顶层Top Layer（信号层）（信号层）底层底层Bottom Layer（信号层）（信号层）中间层中间层Mid Layer 1（信号层）（信号层）中间层中间层Mid Layer 14（信号层）（信号层）Mechanical 1（机械层）（机械层）Mechanical 4（机械层）（机械层）顶层丝印层顶层丝印层Top Overlay底层丝印层底层丝印层Bottom Overlay印制电路板设计基本原则n1、布局原则、布局原则n 设计首先要考虑设计首先要考虑PCB尺寸
19、的大小，尺寸过尺寸的大小，尺寸过大，线路长，阻抗增加，抗噪声能力下降；过大，线路长，阻抗增加，抗噪声能力下降；过小，则散热不好，邻近线条易受干扰。确定尺小，则散热不好，邻近线条易受干扰。确定尺寸后，再确定元件的位置。寸后，再确定元件的位置。2、抗干扰措施n1）、加粗电源线及地线的宽度，减少环路电）、加粗电源线及地线的宽度，减少环路电阻。阻。n2）、数字地线，模拟地线要分开。）、数字地线，模拟地线要分开。n3）、在关键设计部位配置适当的去耦电容。）、在关键设计部位配置适当的去耦电容。n4）、在有接触器、继电器、按钮等元件时，）、在有接触器、继电器、按钮等元件时，必须采用必须采用RC电路来吸收放电
20、电流。一般电路来吸收放电电流。一般R取取12K，C取取2.247uF.二、二、 PCB的设计流程的设计流程 PCB设计流程包括绘制电路原理图、规划设计流程包括绘制电路原理图、规划印刷电路板、元器件封装、元器件布局、自动印刷电路板、元器件封装、元器件布局、自动布线、手工调整、保存输出等。布线、手工调整、保存输出等。 绘制电路原理图绘制电路原理图 规划电路板规划电路板 设置参数设置参数 装入网络表及元件封装装入网络表及元件封装 元件布局元件布局 自动布线自动布线 手工调整手工调整 存盘及打印输出存盘及打印输出 结束结束 完成电路原理图的绘完成电路原理图的绘制，并生成网络报表制，并生成网络报表设置物
21、理尺寸、几层板、电设置物理尺寸、几层板、电气边界等设置。气边界等设置。三、新建三、新建PCB文档文档n 利用利用Protel 2004进行进行PCB设计之前，必设计之前，必须建立一个须建立一个PCB文件。本节首先介绍一个自由文件。本节首先介绍一个自由文档的建立方法，然后讲述创建项目的文档的建立方法，然后讲述创建项目的PCB文文档的步骤。档的步骤。1、利用向导新建PCB文档n 利用向导创建利用向导创建PCB文档是最简单也是最文档是最简单也是最常用的方法，在这个过程中可以定义常用的方法，在这个过程中可以定义PCB文文件的参数，也可以选择标准的模板。具体步件的参数，也可以选择标准的模板。具体步骤如下
22、：骤如下：n在 Files面板中选择：PCB Board wizard.Files控制面板控制面板 1）、选择电路板尺寸单位）、选择电路板尺寸单位英制英制公制公制2）、选择电路板的模板自定义自定义尺寸尺寸3）、自定义PCB板参数外形外形矩形矩形圆圆形形自定义自定义电路板尺寸电路板尺寸高高宽宽边界宽度边界宽度尺寸标注层尺寸标注层尺寸标注线的宽度尺寸标注线的宽度电气边界和物理边界间距电气边界和物理边界间距4）、选择电路板层信号层信号层内电层内电层5）、过孔样式选择）、过孔样式选择孔式为通孔孔式为通孔孔式为盲孔和深埋孔孔式为盲孔和深埋孔6）、设定元器件安装的技术参数）、设定元器件安装的技术参数表面贴
23、片元器件表面贴片元器件直插式元器件直插式元器件领近焊盘的导线数领近焊盘的导线数一条导线一条导线7）、设置导线和过孔尺寸）、设置导线和过孔尺寸最小导线尺寸最小导线尺寸最小过孔宽最小过孔宽最小过孔孔径最小过孔孔径最小间隔最小间隔利用向导新建的利用向导新建的PCB文档文档课堂练习一课堂练习一n 利用向导新建一个PCB文档,要求双面板,板框尺寸25002200mil,焊盘之间允许走一根导线,最小导线宽度为15MIL，最小间距为20mil。四、四、PCB编辑器介绍编辑器介绍 通过创建或打开通过创建或打开PCB文件，即可启动文件，即可启动PCB编辑器，初始界面包括菜单栏、工具栏、工作编辑器，初始界面包括菜
24、单栏、工具栏、工作区、命令栏、状态栏和各种面板按钮。区、命令栏、状态栏和各种面板按钮。PCB编辑界面编辑界面布线工具栏介绍交互布交互布线线焊焊盘盘过过孔孔放置放置填充填充敷敷铜铜工作层面切换标签介绍工作层面切换标签介绍图图8.16 工作层面切换标签工作层面切换标签顶层信顶层信号层号层底层信底层信号层号层顶层丝顶层丝印层印层机械层机械层禁止布禁止布线层线层多层多层五、五、 设置设置PCB设计参数设计参数1、设置、设置PCB环境参数环境参数 设置设置PCB系统参数主要在系统参数主要在“Board Options”对对话框中实现，执行话框中实现，执行DesignOption命令，即可命令，即可弹出如
25、图所示的弹出如图所示的“Board Options”对话框。对话框。【PCB板选择项】对话框2、 定义定义PCB工作板层工作板层 PCB有单面板、双面板和多层板，所有这些板都是有单面板、双面板和多层板，所有这些板都是由层面构成的，这些层面包含在由层面构成的，这些层面包含在Protel 2004提供的提供的3种种类型中。类型中。(1)电气层电气层：包括：包括32个信号层和个信号层和16个平面层。个平面层。(2)机械层机械层：有：有16种用途的机械层，用来定义种用途的机械层，用来定义PCB的轮的轮廓、放置厚度，包括制造说明或其他需要的机械说明。廓、放置厚度，包括制造说明或其他需要的机械说明。 (3
26、)其他层其他层：包括顶层和底层丝印层、阻焊层和助焊层、：包括顶层和底层丝印层、阻焊层和助焊层、钻孔层、禁止布线层钻孔层、禁止布线层(用于定义电气边界用于定义电气边界)、多层、多层(用于多用于多层焊盘和导孔层焊盘和导孔)、连接层、连接层、DRC错误层、栅格层和孔层。错误层、栅格层和孔层。3、工作层显示的设置、工作层显示的设置n 系统可以用不同的颜色来显示不同工作层的不同设置，实现命令为：实现命令为：DesignBoard Layers/colors。4、 PCB板的规划板的规划 在创建在创建PCBPCB文件后，必须对文件后，必须对PCBPCB板进行规划，确定板进行规划，确定PCBPCB的大小。的
27、大小。PCBPCB的规划就是根据电路的规模及实际要求，确定所要制作的的规划就是根据电路的规模及实际要求，确定所要制作的PCBPCB板的具体物理尺寸和电气边界。板的具体物理尺寸和电气边界。1 1）. .规划规划PCBPCB的的物理边界物理边界 通常，我们会在多个机械层中确定一个作为通常，我们会在多个机械层中确定一个作为PCBPCB的物理边界，的物理边界，也就是电路板的边框，而其他的机械层上放置尺寸、对齐标志等。也就是电路板的边框，而其他的机械层上放置尺寸、对齐标志等。 将工作层面切换到机械层将工作层面切换到机械层。 单击单击PCBPCB画图工具栏的画图工具栏的line line ，光标变成，光标
28、变成“十十”字形。字形。 绘制电路板物理边框。绘制电路板物理边框。 注意：用两个注意：用两个手进行绘制，一手手进行绘制，一手画线，一手按热键。画线，一手按热键。善用善用PageUpPageUp键进键进行界面放大，行界面放大，PageDownPageDown键缩小界键缩小界面，绘制边界。面，绘制边界。2 2）. . 规划电气边界规划电气边界 电路板的电气边界，是指在电路板上设置的元件布局和布线电路板的电气边界，是指在电路板上设置的元件布局和布线 的范围。的范围。 电气边界一般定义在禁止布线层上。电气边界一般定义在禁止布线层上。 禁止布线层禁止布线层是一个对于电路板的自动布局、自动布线非常有是一个
29、对于电路板的自动布局、自动布线非常有用的层，它用于限制布局、布线的用的层，它用于限制布局、布线的范围。为了防止元件的位置和布范围。为了防止元件的位置和布线过于靠近电路板的边框，电路线过于靠近电路板的边框，电路板的电气边界要小于物理边界，板的电气边界要小于物理边界，如电气边界距离物理边界如电气边界距离物理边界50mil50mil。 把当前层切换为把当前层切换为Keep Out Keep Out Layer Layer（禁止布线层）。（禁止布线层）。 单击单击 ，绘制电气边界。，绘制电气边界。 课堂演练二n 给新建的给新建的PCB板的顶层丝印层设为白板的顶层丝印层设为白色，并规划物理边界和电气边界。色，并规划物理边界和电气边界。小结：n1、PCB设计的基本原则设计的基本原则 n2、PCB的设计流程的设计流程 n3、利用向导创建、利用向导创建PCB n4、设置、设置PCB设计参数设计参数 n5、导入网络表、导入网络表作业及思考题n1、设计的流程是什么？n2、如何进行板的选项设置？n3、如何如何进行板的电路参数设置？预习内容n课本192218.