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1、电子科学与技术课程设计指导书 PCB 设计与制备工艺课程设计指导书 一、目的与任务 目的：本课程PCB设计与制备工艺课程设计是PCB设计与制备工艺理论课相配套的综合性课程，其主要目的是使本专业学生复习和巩固所学的PCB设计与制备工艺的基础理论知识，熟悉 PCB设计与制备工艺过程；训练学生的基础理论与专业知识的综合运用能力，训练学生的 EDA软件的实际运用能力；使学生掌握多层 PCB板的设计方法，学习多层 PCB板的可制造性设计和可测试性设计；在此基础上，进行多层 PCB板的制备工艺设计、可测试性设计、可制造性设计及可安装性设计。通过这次设计制备过程训练学生的多层 PCB的实际工艺设计能力、可测
2、试性设计能力、可制造性设计能力及可安装性设计能力，培养学生综合运用已掌握的知识结合实际条件解决实际问题的能力。设计任务：1）USB2.0 接口频谱分析电路开发板的设计；2）自选复杂程度与此相当的其他电路进行 PCB 板的设计。二、课程设计内容及基本要求（一）课程设计内容 1)USB2.0频谱分析仪开发板 PCB的层次原理图及版图设计。2)四层 PCB板的制备性设计 3）自选复杂程度与此相当的其他电路进行多层 PCB 的设计。（二）课程设计过程 课程设计过程如下：电路层次原理图设计（创建元件库 创建封装库 母电路图设计 子电路设计）多层版图设计 多层 PCB制备性设计（材料的选择 工艺参数的确定
3、 PCB结构设计 安装性设计 DFT 设计 DFM 设计）多层 PCB制备工艺设计（总主工艺设计 各子工艺设计）质量及性能检测 撰写实验报告 答辩（三）课程设计要求 1按课程设计要求，每一位学生独立完成设计全过程（含原理图、层次图、PCB版图、DFT、DFM 设计）；2根据课程设计要求设计出多层（四层）PCB板的具体制备流程及具体制备工艺方案；电子材料与元器件专业实验指导书 2 3对所制备的多层 PCB板进行外观、机械性能、电气性能测试；6每人完成一份课程设计报告；7通过答辩验收。三、电路及版图设计（一）设计内容(详见附录)1创建原理图元件库；2创建 PCB封装库文件；3电路设计、电路原理图的
4、绘制（采用层次原理图的设计方法）；4多层 PCB板版图设计。四、制备性设计（一）制备工艺设计 1）制备工艺总流程（设计出具体的工艺流程总图，以流程框图表示）2）图形转移及刻蚀工艺总流程（设计出具体的图形转移及刻蚀工艺流程，以流程框图表示；以及给出各步的具体工艺参数）（具体请参照实验指导书）3）过孔金属化工艺总流程（设计出具体的过孔金属化工艺流程，以流程框图表示；以及给出各步的具体工艺参数）（具体请参照实验指导书）4）层压工艺总流程（设计出具体的图形转移工艺流程，以流程框图表示；以及给出各步的具体工艺参数）。（具体请参照实验指导书）（二）可测试性设计（DFT）1）测试策略及测试规范，2）测试项目
5、及测试方法，3）测试内容（以表格形式列出试点及其测试内容（附表一）性能测试 1）外观检测 2）过孔的对准性检测 3）线宽线距均匀性检测 4）层粘结性检测（跌落不分层、热冲击不分层）5）电气性能检测（过孔导通性能、板绝缘性能（具体列表一）附表一：多层 PCB电学性能检测记录表 序 测试项目 测试点 参考结果（正确）实测结果 备 注（原因分析）电子材料与元器件专业实验指导书 3 1 2 3 4 5 6 7 8 （三）可制造性设计（DFM）1）材料的选择（履铜板、半固化片）（材料牌号、性能、尺寸规格、参数等），2）特征尺寸的选择（焊盘尺寸、过孔也径、线宽线距等），3）定位方案设计（定位方案、定位尺寸
6、图），4）板结构设计（板层结构、外观尺寸、层间互连方案）。（四）安装性设计 1）安装方式方法，2）安装尺寸、安装图。六、主要教学环节安排（一）课程设计安排 1按课程设计要求，每一位学生独立自主地完成设计全过程（含原理图、层次图、PCB版图、DFT、DFM 设计,工艺设计），总体时间为两周；具体安排如下表。周星期 上 午 下 午 备 注 19周星期一 上课,教 1-309,PCB原理图设计 内容：多层 PCB设计,原理图、层次图和 PCB版图设计 19周星期二 PCB原理图设计 PCB原理图设计 19周星期三 上课,教 1-309,PCB版图设计 内容：多层 PCB制备工艺技术,可测试性设计、可
7、制造性设计及安装性设计；综合实验要求；多层PCB制备工艺。19周星期四 PCB版图设计 PCB版图设计 19周星期五 PCB安规设计 PCB可制备性设计 电子材料与元器件专业实验指导书 4 20周星期一 PCB可制备性制设计 PCB测试性设计 20周星期二 PCB测试性设计 PCB制备工艺设计 20周星期三 PCB制备工艺设计 总结/撰写设计报告 20周星期四 撰写设计报告 撰写设计报告 20周星期五 答辩/提交设计报告 答辩/提交设计报告 注：各人可根据自己的完成情况，灵活掌握，并尽可能提前完成。（二）指导与答疑 现场有教师答疑，学生有疑难问题可找教师答疑。教师一般只提供指导性意见，学生应充
8、分发挥主观能动性，提高分析问题、解决问题能力，。六、课程设计报告的内容、要求及考核（一）课程设计报告内容 1、目的与任务 2、课程设计内容及基本要求；3、电路层次原理图设计；4、四层 PCB板版图设计；5、可测试性设计、可制造性设计及安装性设计；6、多层（四层）PCB板的具体制备流程及具体工艺；7、课程设计总结及建议。（二）课程设计报告要求 一般性要求(1)课程设计报告的内容必须包括上述设计内容的每一项，每一项要有设计思路分析，合理性分析，每一项须具体和详尽；(2)总结这次课程设计的经验和体会，并给出合理化的改进建议；(3)每人提交一份报告书。2、原理图及版图设计要求(1)创建的电子元器件要有
9、相应的原理图库文件；(2)自制的电子元器件的 PCB封装库文件；(3)每一级电路设计要有相应的电路图；电子材料与元器件专业实验指导书 5(4)四层电路板设计每一层要有相应的版图；(5)提交电子电路图（含：母电路图，各子电路图，新创建的封装图）(7)提交多层 PCB全部版图。（含：各层的抗蚀版图，定位版图，字符丝印版图，图形电镀抗电镀版图，助焊图形版图，阻焊图形版图，塞孔版图）制备、性设计要求(1)可测试性设计、可制造性设计及安装性设计应有具体的设计依据、分析讨论及设计结果；(2)制备流程及具体工艺设计要求给出流程图，并列出具体工艺参数；(3)结果及性能测试部分要求列出测试结果，并附实物图；(4
10、)绘出多个附图（多层 PCB的结构图，所制备多层 PCB实物相片，PCB安装队图，所使用的全部模版附图）。（二）设计要求 1按题目要求，每一位学生独立完成设计全过程；2对原理图库中没有的电子元器件创建原理图符号；3对创建的电子元器件设计和指定封装；4电路原理图采用层次原理图进行设计；5.PCB板采用四层电路板进行设计。（三）考评 教师根据学生课程设计的全过程的完成情况、具体表现、课程设计报告书综合评出该课程设计成绩。具体评分标准：1)实验报告（60%）。层次原理图及版图设计（含元件库创建、层次原理图设计、版图设计）（20%）；制备性设计（含结构设计、可测试性设计、可制造性设计、具体制备流和及工
11、艺设计）（20%）课程设计报告内容及质量（20%）2)答辩（40%）附录-1：多层 PCB 设计方法简介 一、设计题目 1设计电路名称：USB2.0 接口频谱分析电路开发板的设计；电子材料与元器件专业实验指导书 6 或自选复杂程度与此相当的其他电路进行 PCB 板的设计。2设计要求：采用 Cypress 公司的 USB2.0 高速控制芯片 CY7C68013A，Motorola公司的 AD 采集&FFT 运算单元芯片 MC56F8323，建立 USB硬件的开发板；制作芯片 CY7C68013A 和 MC56F8323 的原理图库文件，并指定封装形式；设计 USB 接口 JP1 的封装库文件；采
12、用二级层次原理图；开发板采用四层电路板。二、设计方法简介（以 USB2.0 接口频谱分析电路开发板为例）（一）USB2.0 接口频谱分析电路简介 USB2.0 接口频谱分析电路可分为三部分：以运算放大器为核心的信号预处理单元、以 MCU&DSP 合成控制器 MC56F8323 为核心的 AD采集&FFT 运算单元和以 CY7C68013A 为核心的 USB 接口单元。其中几个核心元件芯片 CY7C68013A 和 MC56F8323，都必须自己创建，USB 接口采用目前使用较多的表面贴装式封装形式（要自己创建元件封装库文件）。1信号预处理单元 信号预处理单元由射随电路和限幅电路两部分组成，负责
13、对输入的模拟信号进行预处理。射随电路的主要实现芯片是高速四运放集成芯片，采用+5V供电。为保护系统 AD转换单元免受高低电压冲击的影响，在射随电路后面增加了一个限幅电路，主要由二极管组成，输出电压最大值为 4V，最小值为-0.7V。2AD 采集&FFT 运算单元 AD采集&FFT 运算单元的主要实现芯片为 Motorola公司的 MC56F8323，首先对模拟输入信号进行 AD转换，然后进行频谱分析，最后将运算结果发送给 USB接口单元。3USB 接口单元 USB接口单元的主要实现芯片为，负责完成硬件系统和 PC之间的数据传输。图 1 CY7C68013A 引脚示意图（二）电路设计 首先，新建
14、一工程项目，所有的设计文档都在该项目中进行设计。1制作原理图元器件 电子材料与元器件专业实验指导书 7 Protel DXP 中没有提供 56引脚的 CY7C68013A、64引脚的 MC56F8323 以及 USB 接口的库元件，因此要自己制作这几种元器件。CY7C68013A 的引脚示意图如图 1所示。引脚属性如表 1 所示。保存库元件，并命名为“CY7C68013A-56PIN.SchLib”，可完成库元件的制作。表 1 CY7C68013A 芯片引脚属性设置 标识符 显示名称 电气类型 标识符 显示名称 电气类型 1 PD5/FD13 I/O 29 PB4/FD4 I/O 2 PD6/
15、FD14 I/O 30 PB5/FD5 I/O 3 PD7/FD15 I/O 31 PB6/FD6 I/O 4 GND Power 32 PB7/FD7 I/O 5 CLKOUT Passive 33 GND Power 6 VCC Power 34 VCC Power 7 GND Power 35 GND Power 8 RDY0/SLRD Passive 36 CTL0/FLAGA Passive 9 RDY1/SLWR Passive 37 CTL1/FLAGB Passive 10 AVCC Power 38 CTL2/FLAGC Passive 11 XTALOUT Passive
16、39 VCC Power 12 XTALIN Passive 40 PA0/INT0#I/O 13 AGND Power 41 PA1/INT1#I/O 14 AVCC Power 42 PA2/SLOE I/O 15 DPLUS Passive 43 PA3/WU2 I/O 16 DMINUS Passive 44 PA4/FIFOADR0 I/O 17 AGND Power 45 PA5/FIFOADR1 I/O 18 AVCC Power 46 PA6/PKTEND I/O 19 GND Power 47 PA7/FLAGD/SLCS#I/O 20 IFCLK/T0OUT Passive
17、 48 GND Power 21 RESERVED Passive 49 RESET#Passive 22 SCL Passive 50 VCC Power 23 SDA Passive 51 WAKEUP Passive 24 VCC Power 52 PD0/FD8 I/O 25 PB0/FD0 I/O 53 PD1/FD9 I/O 26 PB1/FD1 I/O 54 PD2/FD10 I/O 27 PB2/FD2 I/O 55 PD3/FD11 I/O 电子材料与元器件专业实验指导书 8 28 PB3/FD3 I/O 56 PD4/FD12 I/O 按上述方法，完成芯片 MC56F832
18、3 库文件的制作。引脚布置和引脚属性设置分别如图 2、表 2所示。将元件命名为“MC56F8323”，保存库文件，并命名为“MC56F8323-64PIN.SchLib”。图 2 MC56F8323 引脚示意图 表 2 MC56F8323 芯片引脚属性设置 标识符 显示名称 电气类型 标识符 显示名称 电气类型 1 TC1/RXD0/PC6 I/O 33 ANA7 I/O 2 RESET Passive 34 TEMP_SENSE I/O 3 PWMA0/PA0 I/O 35 VRFFN Power 4 PWMA1/PA1 I/O 36 VREFMID Power 5 VCAP3 Power
19、37 VREFP Power 6 VDDIO1 Power 38 VREFL0 Power 7 PWMA2/SS1/PA2 I/O 39 VSSA ADC Power 8 PWMA3/MISOI/PA3 I/O 40 VREFH Power 9 PWMA4/MSOII/PA4 I/O 41 VDDA ADC Power 10 PWMA5/SCLK/PA5 I/O 42 VDDA OSC_PLL Power 11 VSSI Power 43 VCAP4 Power 电子材料与元器件专业实验指导书 9 12 IRQA Passive 44 VSS3 Power 13 FAULTA0/PA6 I/O
20、 45 OCR DIS Power 14 FAULTA1/PA7 I/O 46 EXTAL/PC0 I/O 15 FAULTA2/PA8 I/O 47 XTAL/PC1 I/O 16 ISA0/PA9 I/O 48 VDDIO3 Power 17 VSS2 Power 49 HOME0/TA3/PB4 I/O 18 ISA1/PA10 I/O 50 INDEX0/TA2/PB5 I/O 19 ISA2/PA11 I/O 51 PHASEB0/TA1/PB6 I/O 20 VDDIO2 Power 52 PHASEA0/TA0/PB7 I/O 21 SSO/TXDI/PB0 I/O 53 TCK
21、 Passive 22 MISO0/RXDI/PB1 I/O 54 TMS Passive 23 VCAP2 Power 55 TDI Passive 24 MOSI0/PB2 I/O 56 TD0 Passive 25 SCLK0/PB3 I/O 57 VCAP1 Power 26 ANA0 I/O 58 TRST Passive 27 ANA1 I/O 59 VDDIO4 Power 28 ANA2 I/O 60 VSS4 Power 29 ANA3 I/O 61 CAN_RX/PC2 I/O 30 ANA4 I/O 62 CAN_TX/PC3 I/O 31 ANA5 I/O 63 TC3
22、/PC4 I/O 32 ANA6 I/O 64 TC1/RXD0/PC5 I/O 2绘制原理图母图 由于 USB芯片的外围电源电路、晶体管振荡电路等比较固定，所以采用模块设计，采用自上而下的层次式电路设计。分别将 CY7C68013A 芯片的基本外围电路、MC56F8323 的外围电路和芯片的供电电路作为子原理图来设计。原理图母图如图 3所示。电子材料与元器件专业实验指导书 10 图3 原理图母图电子材料与元器件专业实验指导书 11 电子材料与元器件专业实验指导书 12 电子材料与元器件专业实验指导书 13 电子材料与元器件专业实验指导书 14 图 7 子图 POWER.SchDoc 3绘制子
23、原理图 绘制方块电路 MCSYSTEM 所对应的子原理图。如图 4所示。绘制方块电路 CYUSB 所对应的子原理图。如图 5所示。绘制方块电路 AD所对应的子原理图。如图 6 所示。绘制方块电路 POWER所对应的子原理图。如图 7所示。（三）多层电路板设计 USB2.0 开发板电路中 CY7C68013A 是高速控制芯片，因此对电路板和布线有一定的特殊要求。由于该芯片用于高速信号传输，需要设置四层板来保证高稳定性，增强抗干扰能力和减轻布线负担。其中两个内层分别为电源和地线。1确定和添加元件封装 USB2.0 开发板要求体积尽可能小，电路板面积小，所以电路板中的元件绝大部分采用 SMD 元件，
24、以节省电路板面积。前面设计电路原理图时，芯片 CY7C68013A和 MC56F8323 是自制的元件原理图符号，在设计 PCB 板之前要添加两元件的封装。查阅有关资料可知，芯片 CY7C68013A 采用的是 SSO-G56封装形式，芯片MC56F8323采用的是 SO-G64 封装形式。USB接口 JP1采用图 8 的封装形式。该封装形式自己进行设计。电子材料与元器件专业实验指导书 15 图 8 USB 接口 JP1 的管脚封装 其它主要元件采用的封装形式如表 3 所示。表 3 USB2.0 开发板元件封装形式 元件类型 元件封装 封装库 电阻 R R2012-0805 Miscellan
25、eous Devices.IntLib 电容 C C3216-1206 Miscellaneous Devices.IntLib 发光二极管 DS DSO-F2/D6.1 Miscellaneous Devices.IntLib USB接头 JP1 图 7 自己设计 三端稳压器 VR SIP-G3/Y2 Miscellaneous Devices.IntLib 开关 S SPST-2 Miscellaneous Devices.IntLib 晶振 Y BCY-W2/D3.1 Miscellaneous Devices.IntLib 二极管 D DSO-C2/X3.3 Miscellaneous
26、 Devices.IntLib 运算放大器 U CDFP-G14/X.6 LT Operational Amplifier.IntLib 晶振 XTAL BCY-W2/D3.1 Miscellaneous Devices.IntLib 2PCB 设计(1)电路板的创建 采用向导创建电路板。可参考如下有关参数设置：电路板外形采用矩形，长：4000mil；宽：2000mil。采用四层板。其中信号层两层，内部电源层两层。只显示盲孔或埋过孔。电路板主要采用表面贴装式元件，元件布置在板的一面上。(2)加载网络表和元件，并进行元件的布局。(3)设置板层 电子材料与元器件专业实验指导书 16 前面生成电路板
27、时，指定了电路板有两个内层。但还没有指定内层所对应的网络。分别将这两个内层指定到电源正极和地线。未设置的电路板层如图 9所示。图 9 图层堆栈管理器 设置完毕后的电路板层如图 10 所示。图 10 设置完成后的图层堆栈管理器(4)信号线线宽设置为 0.3mm，电源线和接地线可加宽。自动布线，并适当进行手工调整。在 PCB 编辑环境下，可显示不同层的使用情况，如图 11、图 12、图 13、图 14 所示。电子材料与元器件专业实验指导书 17 图 11 Top Layer 层使用情况 图 12 VCC 层使用情况 至此，多层电路板的设计工作已基本完成。最后可以根据需要进行覆铜和补泪滴等后续操作。
28、（四）多层电路板设计的一般原则 对于四层以上的电路板，主要是多了可供布线的中间层。多层板的布线主要还是以顶层和底层为主。一般情况下，应该先将那些在顶层和底层难以布线的网络布置在中间布线层上，然后再切换到顶层或底层进行其他网络的布线工作。电源和接地网络应该与内部电源层和内部接地层相连接。布线前，应该在图层电子材料与元器件专业实验指导书 18 堆栈管理器中添加需要的内部电源层、接地层和信号层，并指定所对应的网络。布线后，可以通过工作层的设置，打开需要查看的工作层，或关闭暂时不使用的层，以便于更好地查看整个电路板。至于 PCB规则设置，以及布局布线等操作，和双面板的设计完全相同。图 13 GND 层使用情况 图 14 Bottom Layer 层使用情况