印刷电路板设计的概念

印刷电路板

PCB(PrintCircuitBoard)设计印刷电路板的设计步骤 设计印刷电路板的大致步骤可以用下面的流程图来表示。

印制电路板的设计步骤

PCB基本概念有关电路板的几个基本概念

◆铜膜线：简称导线，是敷铜经腐蚀后形成的用于连接各个焊点的导线。印刷电路板的设计都是围绕如何布置导线来完成的。◆元件封装(1)、元件封装是指实际元件焊接到电路板时所指示的外观和焊点位置。(2)、元件封装只是元件的外观和焊点位置，纯粹的元件封装仅仅是空间的概念，因此不同的元件可以共用同一个元件封装；另一方面，同种元件也可以有不同的封装，如RES2代表电阻，它的封装形式有AXAIL0.3、AXAIL0.4、AXAIL0.6等等，所以在取用焊接元件时，不仅要知道元件名称还要知道元件的封装。(3)、元件的封装可以在设计电路原理图时指定，也可以在PCB编辑器引进网络表时指定。(4)、元件封装的编号:元件类型+焊点距离（焊点数）+外形尺寸◆常用元件的封装电阻类及无极性双端元件：AXIAL0.3~AXIAL1.0无极性电容：RAD0.1~RAD0.4有极性电容：RB.2/.4~RB.5/1.0二极管：DIODE0.4及DIODE0.7石英晶体振荡器：XTAL1晶体管：TO-xxx(TO-3,TO-5)可变电阻：VR1~VR5双列直插集成块：DIP-8~DIP-40,其中8~40指有多少脚，８脚的就是DIP8。单列直插集成块：SIPx，x表示引脚数。

◆飞线：用来表示连接关系的线。它只表示焊盘之间有连接关系，是一种形式上的连接，并不具备实质性的电气连接关系。飞线在手工布线时可起引导作用，从而方便手工布线。飞线是在引入网络表后生成的，而飞线所指的焊盘间一旦完成实质性的电气连接，则飞线自动消失。当同一网络中，部分电气连接断开导致网络不能完全连通时，系统就又会自动产生飞线提示电路不通。利用飞线的这一特点，可以根据电路板中有无飞线来大致判断电路板是否已完成布线。飞线示意图

◆焊盘（Pad）的作用是放置、连接导线和元件引脚。◆过孔（Via）的主要作用是实现不同板层间的电气连接。过孔主要有3种。 穿透式过孔（Through）：从顶层一直打到底层的过孔。半盲孔（Blind）：从顶层遇到某个中间层的过孔，或者是从某个中间层通到底层的过孔。盲孔（Buried）：只在中间层之间导通，而没有穿透到顶层或底层的过孔。电路板结结构示意意图◆单面板：：电路板一一面敷铜铜(焊接接面），，另一面面没有敷敷铜，敷敷铜的一一面用来来布线及及焊接，，另一面面放置元元件（元元件面））。单面面板成本本低，但但只适用用于比较较简单的的电路设设计。◆双面板：：电路板的的两面都都敷铜，，所以两两面都可可以布线线和放置置元件，，顶面（（元件面面）和底底面（焊焊接面））之间的的电气连连接是靠靠过孔实实现的。。由于两两面都可可以布线线，所以以双面板板适合设设计比较较复杂的的电路，，应用也也最为广广泛。◆多层板：：不但可以以在电路路板的顶顶层和底底层布线线，还可可以在顶顶层和底底层之间间设置多多个可以以布线的的中间工工作层面面。用多多层板可可以设计计更加复复杂的电电路。◆长度单位位及换算算：AltiumDesigner的的PCB编辑辑器支持持英制（（mil）和公公制（mm）两两种长度度计量单单位。它它们的换换算关系系是：100mils=2.54mm（其其中1000mils=1Inches））。执行菜单单命令【【View】/【ToggleUnits】就就能实现现这两种种单位之之间的相相互转换换。也可可以按快快捷键Q进行转转换。转转换后工工作区坐坐标的单单位和其其他长度度信息的的单位都都会转换换为mm（或mil））。◆安全间距距：进行印刷刷电路板板的设计计时，为为了避免免导线、、过孔、、焊点及及元件的的相互干干扰，必必须使它它们之间间留出一一定的距距离，这这个距离离称之为为安全间间距（Clearance）。工作层面的的类型AltiumDesigner提供供了若干不不同类型的的工作层面面，包括:◆32个信号号层（Signallayers））,主要包包括(Toplayer)、(Bottomlayer)、、(Midlayer1)…(Midlayer30)。◆16个内部部电源层/接地层（（Internalplanelayers），分分别为（InternalPlane1)~(InternalPlane16)。◆16个机械械层（Mechanicallayers）），分别为为（Mechnical1)~(Mechanical16)。。◆2个阻焊层层：分别是是顶层（TopSolder)、底底层（BottomSolder)。◆2个助焊层层：分别是是顶层（TopPaste)、底层层（BottomPaste)。◆2个个丝丝印印层层:分分别别是是顶顶层层（（TopOverlay)、、底底层层（（BottomOverlay)。。◆其他他工工作作层层面面（（Others））钻钻孔孔引引导导层层（（DrillGuide））、、钻钻孔孔视视图图层层（（DrillDrawing））、、禁禁止止布布线线层层（（Keep-OutLayer)、、多多层层（（Multi-Layer)电路路板板的的层层面面下面面介介绍绍各各工工作作层层面面的的功功能能。。1．．信信号号层层（（Signallayers））信号层层主要要是用用来放放置元元件（（顶层层和底底层））和导导线的的。2．内内部电电源/接地地层（（Internalplanelayers））内部电电源/接地层层主要要用来来放置置电源源线或或地线线。3．机机械层层（Mechanicallayers））机械层层一般般用于于放置置有关关制板板和装装配方方法的的信息息。例如标标示PCB板的的尺寸寸、边边界标标志等等。4．阻阻焊层层（Soldermasklayers）阻焊层层有2个TopSolder（顶层层阻焊焊层））和BottomSolder（底层层阻焊焊层）），用用于在在设计计过程程中匹匹配焊焊盘，，防止止焊锡锡走到到不该该焊接接的位位置，，并且且是自自动产产生的的。5．助助焊层层(Pastemasklayers）助焊层层用于于将SMD元件件贴到到电路路板上上。是涂于于焊盘盘上，，提高高可焊焊性能能的一一层膜膜，也也就是是在绿绿色板板子上上比焊焊盘略略大的的各浅浅色圆圆斑。。6．丝丝印层层（Silkscreenlayers）为方便便电路路的安安装和和维修修等，，在印印刷板板的上上下两两表面面印刷刷上所所需要要的标标志图图案和和文字字代号号等，，例如如元件件标号号和标标称值值、元元件外外廓形形状和和厂家家标志志、生生产日日期等等等。。不少少初学学者设设计丝丝印层层的有有关内内容时时，只只注意意文字字符号号放置置得整整齐美美观，，忽略略了实实际制制出的的PCB效效果。。他们们设计计的印印板上上，字字符不不是被被元件件挡住住就是是侵入入了助助焊区区域被被抹赊赊，还还有的的把元元件标标号打打在相相邻元元件上上，如如此种种种的的设计计都将将会给给装配配和维维修带带来很很大不不便。。正确确的丝丝印层层字符符布置置原则则是：：”不不出歧歧义，，见缝缝插针针，美美观大大方””。7．钻钻孔层层（Drilllayer）钻孔层层主要要是为为制造造电路路板提提供钻钻孔信信息，，该层层是自自动计计算的的。AltiumDesign提供供Drillguide和和Drilldrawing两两个钻钻孔层层。8．禁禁止布布线层层(KeepOutLayer））禁止布布线层层用于于定义义放置置元件件和布布线区区域的的。9．多多层（（Multilayers）多层代代表信信号层层，任任何放放置在在多层层上的的元件件会自自动添添加到到所在在信号号层上上，所所以可可以通通过多多层，，将焊焊盘或或穿透透式过过孔快快速地地放置置到所所有的的信号号层上上。其他层层（Other）：：是仅仅供显显示的的层面面，不不参与与电路路板的的实际际制造造。这这些层层面包包括：：10．．DRC错错误层层（DRCErrors））用于于显示示违反反设计计规则则检查查的信信息。。11．．连接接层（（Connection）该该层用用于显显示元元件、、焊盘盘和过过孔等等对象象之间间的内内部电电气连连线。。12.可可视栅栅格层层（VisibleGrid)用于于显示示栅格格、包包括Visiable1和Visialbe2两个个层面面。13.焊焊盘层层（PadHoles)用用来显显示Pad孔。。14.过过孔层层（ViaHoles)用用来显显示Via孔。。6.3创创建PCB图文文件新建一一个PCB图文文件可可以进进入设设计文文件夹夹“【【Document】””，执执行菜菜单命命令【【File】/【New】或或在工工作区区内单单击鼠鼠标右右键，，选择择【New】选选项，，会弹弹出如如图6-2所示示的选选择文文件类类型的的对话话框。。6-2新建文件对对话框双击该对话话框中的【【PCBDocument】图标，即即可创建一一个新的印印制板电路路图文件，，默认的文文件名为““PCB1.PCB”。在工作作窗口中该该文件的图图标上单击击、或在设设计浏览器器中该文件件的文件名名上双击鼠鼠标左键，，即可进入入如图6-3所示的印制制电路板编编辑器。6-3PCB编辑辑器工作界界面6.4装载元件库库在图6-3浏览器的的组合框中中先选择【【Browspcb】，，再选择库库【Libraries】，，如图6-4所示。。用鼠标左键键单击【Add/Remove】按钮，将将出现如图图6-5所所示的关于于引入库文文件的对话话框。6-4元元件库装载载选择框6-5引引入库库文件的对对话框设置方法可可以执行菜菜单命令【【Design】/【Option】，出现【【DocumentOption】对话框，，选择其中中的【Layers】标签即可可进入工作作层面设置置对话框，，如图6-6所示。。6.5设置工作层层面6-6工工作层面面设置对话话框进入【Option】选项卡，，结果如图图6-7所所示。在该该选项卡中中可对【Grid】（栅格））、【ElectricalGrid】（电气栅栅格）、【【Measurement】（计量单单位）等选选项进行设设定。6-7栅栅格设置置对话框1．设置信信号层和内内部电源/接地层执行菜单命命令【Design】/【LayerStackManager】，在屏幕幕上弹出如如图6-8所示的工工作层面管管理对话框框。6-8工作作层面管理理对话框。。2．设置Mechanicallayers执行菜单命命令【Design】/【MechanicalLayers】，弹出出如图6-9所示的的机械层设设置对话框框，单击【【Mechanical】复复选框，可可打开机械械层，并可可设置机械械层名称等等参数。设置完信号号层、内部部电源/接地层和机机械层后，，设置工作作层面对话话框变为如如图6-10所示。。6-9机机械层设设置对话框框6-10设设置工作作层面对话话框6.6规划划电路板所谓规划电电路板，就就是根据电电路的规模模以及公司司或制造商商的要求，，具体确定定所需制作作电路板的的物理外形形尺寸和电电气边界。。电路板规规划的原则则是在满足足公司或制制造商的要要求的前提提下，尽量量美观且便便于后面的的布线工作作。首先设定当当前的工作作层面为【【KeepOutLayer】。单击下下方的【KeepOutLayer】标签即可可将当前的的工作层面面切换到KeepOutLayer层面，如下下图所示。。执行【Place】/【【line】菜单，，在该层面上上确定电路路板的电气气边界位置置。Track属性对话话框绘制电路板板电气边界界6.7装入入网络表与与元件规划好电路路板后，接接着就是要要装入网络络表和元件件。网络表表和元件是是同时装入入的。网络络表与元件件的装入过过程，实际际上就是将将原理图设设计的数据据装入印制制电路板的的设计系统统PCB的过过程程。。一、、利利用用设设计计同同步步器器装装入入网网络络表表和和元元件件的的具具体体操操作作步步骤骤如如下下:在原理图图编辑器器中执行行菜单命命令【Design】/【UpdatePCB】，出现现如图6-11所示的的对话框框。6-11利用用设计同同步器装装入网络络表和元元件预览变动动情况选择所需需的文件件改变后的的结果装入元件件和网络络的情况况二、利用用原理图图生成的的网络表表文件装装入网络络表和元元件。生成网络络表的方方法，可可以在原原理图的的设计的的工作环环境下，，执行菜菜单命令令【Design】/【CreateNetlist…】，，可以看看到随后后会出现现网络表表文件““*.net””。在利用网网络表文文件装入入网络表表和元件件时，可可以在PCB编辑器中中执行菜菜单命令令【Design】/【LoadNets】，出现现如图6-12所示的装装入网络络表的对对话框。。6-12装装入网络络表的对对话框按此按钮钮选择网络络表文件件对话框框选择扩展展名为.net的文件件网络表装装载进来来后的对对话框装入元件件及网络络表6.8元元件件布布局6.8.1元件的自自动布局局Protel99SE提供了强强大的元元件自动动布局的的功能，，可以通通过程序序算法自自动将元元件分开开，放置置在规划划好的电电路板电电气范围围内。元元件自动动布局的的实现方方法可以以执行菜菜单命令令【Tppls】/【AutoPlacement】/【AutoPlacer…】，出现现如图6-13所示的对对话框。。6-13元元件自动动布局对对话框对话框中中选项的的定义如如下。【CluserPlacer】：： 成组组布局方方式。【StatisticalPlacer】：统统计布局局方式。。【QuickComponentPlacement】：：快速元元件布局局。【GroupComponents】：：该选项项的功能能是将当当前网络络中连接接密切的的元件归归为一组组。排列列时该组组的元件件将作为为整体考考虑，默默认状态态为选中中。【RotateComponent】：：该选项项的功能能是根据据当前网网络连接接与排列列的需要要使元件件或元件件组旋转转方向。。若未选选中该选选项则元元件将按按原始位位置放置置。默认认状态为为选中。。【PowerNets】：：电源源网络络名称称。这这里将将网络络设定定为““VCC””。【GroundNets】】：接接地网网络名名称。。这里里将接接地网网络设设定为为“GND”。。【GridSize】】：设设置元元件自自动布布局时时格点点的间间距大大小。。完成自自动布布局6.8.2元件的的手工工布局局与调调整元件的的布局局要考考虑以以下几几个方方面的的问题题。（1））元件件布局局应便便于用用户的的操作作使用用。（2）尽量量按照照电路路的功功能布布局。。（3））数字字电路路部分分与模模拟电电路部部分尽尽可能能分开开。（4）特殊殊元件件的布布局要要根据据不同同元件件的特特点进进行合合理布布局。。（5）应留留出电电路板板的安安装孔孔和支支架孔孔以及及其他他有特特殊安安装要要求的的元件件的安安装位位置等等。手工调调整元元件位位置完成调调整后后的电电路图图6.8.3元件标标注的的调整整对元件件进行行一系系列的的调整整后，，元件件的标标注过过于杂杂乱，，影响响了电电路板板的美美观。。所以以，需需要对对元件件标注注进行行调整整。用户可可以对对元件件的标标注进进行移移动、、旋转转和编编辑等等操作作。6.9自自动动布布线线自动布布线是是指Protel99SE程序根根据用用户设设定的的有关关布线线参数数和布布线规规则，，按照照一定定的算算法，，依照照网络络表所所指定定的连连接关关系，，自动动在各各个元元件之之间进进行连连线，，从而而完成成印刷刷电路路板的的布线线工作作。6.9.1网络的的分类类执行菜菜单命命令【【Design】/【Classes】打打开网网络分分类窗窗口，，如图图6-13所示示。6-13网网络分分类窗窗口Net页面用用于网网络分分类，，Component页面用用于元元件分分类，，From-To页面用用于点点到点点网络络的分分类，，Pad用于焊焊盘的的分类类。Add：增增加新新的分分类。。Edit：：编辑辑已存存在的的分类类。Delete：：删除除已存存在的的分类类。Select：按指指定的的分类类选择择电路路板图图中属属于该该分类类的对对象。。新增网网络分分类编编辑窗窗口网络分分类名名称过滤器器过滤器器网络分分类成成员列列表框框非网网络络分分类类成成员员列列表表框框网络络移移动动工工具具条条新增增的的Powerclass网网络络分分类类添加加了了两两个个网网络络分分类类的的网网络络分分类类窗窗口口6.9.2设置置布布线线规规则则在进进行行自自动动布布线线之之前前，，一一项项非非常常重重要要的的工工作作就就是是根根据据设设计计要要求求设设定定自自动动布布线线的的参参数数。。如如果果参参数数设设置置不不当当，，可可能能导导致致自自动动布布线线失失败败。。执行行【【Design】】/【【Rules】】菜菜单单,出出现现如如图图6-14的的布布线线规规则则设设置置对对话话框框6-14布布线线规规则则设设置置对对话话框框自动动布布线线的的参参数数包包括括布布线线层层面面、、布布线线优优先先级级别别、、布布线线的的宽宽度度、、布布线线的的拐拐角角模模式式、、过过孔孔孔孔径径类类型型、、尺尺寸寸等等，，这这些些参参数数设设定定后后，，自自动动布布线线就就会会依依据据这这些些参参数数进进行行自自动动布布线线。。因因此此，，自自动动布布线线的的成成败败在在很很大大程程度度上上与与参参数数的的设设置置有有关关。。1．设置布线线宽度（WidthConstraint）在前面，已已经把网络络分成两类类：一类是是电源线，，另一类是是信号线。。在这里要要把电源线线的布线宽宽度设置为为50mil，而信号线线的布线宽宽度设置为为15mil。在Rulesclasses框中选选择Widthconstraint后出现现如图6-156-15布线宽度度设置对对话框选择NETCLASS过滤器网络分类类规避的名名称布线的最最大值、、最小值值及首选选值选中NETCLASS后的的对话框框设置置网网络络的的分分类类PowerClass布布线线宽宽度度的的最最小小值值、、最最大大值值及及首首选选值值2．．选选择择布布线线工工作作层层面面（（RoutingLayers））在【【Routing】选选项项卡卡中中，，选选中中【【RulesClasses】选选项项列列表表框框中中的的【【RoutingLayers】选选项项，，该该项项用用于于设设置置布布线线的的工工作作层层面面以以及及各各个个布布线线层层面面上上的的走走线线的的方方向向。。此此时时出出现现如如图图所所示示的的窗窗口口。。完成布线线宽度设设置后的的对话框框选择布线线工作层层面设置置窗口布线工作作层面设设置对话话框3．设置置布线优优先级别别（RoutingPriority））布线优先先级别，，是指程程序允许许用户设设定各个个网络布布线的顺顺序。4．孔径径尺寸限限制规则则设置（（HoleSizeConstraint））在【DesignRules】窗口中中，选择择【Manufacturing】选项卡卡。再从从【RuleClass】栏中选选择【HoleSizeConstraint】选项，，就会得得到一个个定义孔孔尺寸规规则的对对话框。。单击【【Add……】按钮进进入如图图6-16所示示的对话话框。6-16孔径尺寸寸限制规规则设置置对话框框5．自动动布线器器的参数数设定自动布线线器的参参数设定定的方法法，可以以执行菜菜单命令令【AutoRouting】/【Setup】，进入入自动布布线器设设置对话话框，如如图6-17所所示。6-17自动布线线参数设设置对话话框对话框中中的各项项设置说说明如下下。1．RouterPasses选选项区域域RouterPasses区域包包含5个个复选框框。【Memory】复选框框：即采采用内存存模式的的布线策策略。【FanOutUsedSMDPins】复选选框：：适用用于SMD焊盘，，采用用这种种布线线方案案，将将从SMD焊盘引引出一一段铜铜膜线线，并并在铜铜膜线线未端端放置置一个个过孔孔。【Pattern】】复选选框：：在自自动布布线过过程中中，该该布线线方案案有多多种算算法，，每种种算法法对应应一类类模块块，是是一种种搜索索式布布线方方法。。【ShapeRouter-PushandShove】】复选选框：：推挤挤布线线方式式。【ShapeRouter-RipUp】复选选框：：设置置该项项，能能够使使布线线器撤撤消发发生间间距冲冲突的的走线线，并并重新新布线线以消消除间间距冲冲突。。2．ManufacturingPasses区区域该区域域用于于设置置与制制作电电路板板有关关的自自动布布线方方案，，包含含4个个复选选框。。【CleanUpDuringRouting】】复选选框：：在布布线期期间对对电路路板上上的连连线和和焊盘盘进行行整理理。【CleanAfterRouting】】复选选框：：在布布线完完毕后后对电电路板板上的的连线线和焊焊盘进进行整整理。。【EvenlySpaceTracks】】复选选框：：在焊焊盘之之间均均匀布布线。。【AddTestpoints】复复选框框：在在网络络上增增加测测试点点。一一般情情况下下不用用设置置测试试点。。3．Pre-Routes区区域该区域域用于于设置置对预预布线线的处处理方方式。。只有有一个个复选选框。。【LockAllPre-Route】复选选框：：锁定定已有有的布布线。。4．RoutingGrid设置布布线栅栅格大大小，，这里里将栅栅格值值设置置为““20mil””。6.9.3自动布布线布线参参数设设置完完毕后后，就就可以以开始始自动动布线线了。。Protel99SE中自动动布线线的方方式有有很多多，既既可以以进行行全局局布线线，也也可以以对用用户指指定的的区域域、网网络、、元件件甚至至是连连接进进行布布线，，用户户可以以根据据需要要选择择最佳佳的方方式。。电路板板自动动布线线结果果对指定定网络络进行行自动动布线线对指定定两点点进行行自动动布线线对指定定元件件自动动布线线选定自自动布布线区区域对指定定区域域自动动布线线6.9.4设计计规规则则的的检检测测自动动布布线线的的结结果果是是否否正正确确可可能能是是自自动动布布线线结结束束后后存存在在的的一一个个疑疑问问，，本本系系统统本本身身具具备备的的检检测测功功能能可可以以来来解解除除这这个个疑疑问问。。检测测的的实实现现方方法法可可以以执执行行菜菜单单命命令令【【Tools】/【DesignRuleCheck】，，弹弹出出如如图图6-18所所示示的的对对话话框框，，现现在在就就可可以以设设置置一一些些参参数数了了。。6-18设计计规规则则检检测测参参数数设设置置对对话话框框设计计规规则则的的检检测测可可以以分分为为两两种种结结果果：：一一种种是是报报表表（（Report）输输出出，，可可以以产产生生检检测测的的结结果果报报表表；；另另一一种种是是在在线线检检测测（（On-Line）工工具具，，也也就就是是在在布布线线的的过过程程中中对对布布线线规规则则进进行行检检测测，，防防止止错错误误产产生生。。6.9.5电路路板板的的手手工工修修整整1．．调调整整布布线线2．．增增加加信信号号输输入入输输出出接接口口3．．加加宽宽电电源源/接接地地线线6.10给电电路路板板添添加加标标注注6.10.1标注注文文字字标注注文文字字通通常常包包括括元元件件的的编编号号、、层层面面的的作作用用和和设设计计日日期期等等。。执行行【Tools】/【Re-Annotate】菜菜单单,出出现现图图6-19所所示示元件件重重新新标标注注对对话话框框6-19元件件重重新新标标注注对对话话框框【1ByAscendingXThenAscending】】：：选选择择该该项项时时，，从从左左下下脚脚由由下下至至上上进进行行重重新新编编号号和和标标注注。。【2ByAscendingXThenDescending】】：：选选择择该该项项时时，，从从左左上上脚脚由由上上至至下下进进行行重重新新编编号号和和标标注注。。【3ByAscendingYThenAscending】】：：选选择择该该项项时时，，从从左左下下脚脚由由左左至至右右进进行行重重新新编编号号和和标标注注。。【4ByAscendingYThenDescending】】：：选选择择该该项项时时，，从从左左上上脚脚由由右右至至左左进进行行重重新新编编号号和和标标注注。。【5NamefromPosition】】：：选选择择该该项项时时，，元元件件自自身身的的坐坐标标值值决决定定元元件件的的编编号号和和标标注注值值。。6.10.2标注注尺尺寸寸将当当前前的的工工作作层层面面切切换换成成【DrillDrawing】层层。。执行行菜菜单单命命令令【Place】/【Dimension】5.10.3放置置定定位位孔孔6.11三维视图创建建三三维维视视图图的的方方法法可可以以执执行行菜菜单单命命令令【【View】/【Boardin3D】或或单单击击主主工工具具栏栏上上的的按按钮钮即即可可。。可可以以看看到到系系统统会会自自动动生生成成一一个个三三维维的