第10章-多层电路板设计

Protel99SE实用教程（第3版）赵景波

张伟

编著人民邮电出版社第十章多层电路板设计目录CONTENTS10.1多层电路板设计基础知识10.2浏览内电层10.3设置内电层设计规则10.4添加内电层10.5分割内电层10.6课堂案例──多层板设计10.7课堂练习──四层板电路设计多层电路板设计当电路板的布线比较复杂或者是对电磁干扰要求较高时，就应当考虑采用多层板来设计电路板。本章将简要介绍多层电路板的设计。10.1多层电路板设计基础知识1．概念辨析多层板：指的是4层或4层以上的电路板，它是在双面板基础上，增加了内部电源层、内部接地层以及若干中间信号层构成的电路板。电路板的工作层面越多，则可布线的区域就越多，使得布线变得更加容易。但是，多层板的制作工艺复杂，制作费用也较高。内电层：内部电源层简称内电层，属于多层板内部的工作层面，是特殊的实心覆铜层。定义的每一个内电层可以为电源网络，也可以为地线网络。一个内电层上可以安排一个电源网络，也可以利用分割电源层的方法使多个电源网络共享同一个电源层。在Protel99SE中，系统总共提供了16个内电层。10.1多层电路板设计基础知识反转显示：指的是在内电层上有导线的区域，在实际生产出来的电路板中是刻蚀掉的，没有铜箔；而在电路板设计中没有导线的区域，在实际的电路板上却是铜箔。这与前面顶层信号层和底层信号层上放置导线的结果正好相反，因此叫做反转显示。10.1多层电路板设计基础知识2．多层电路板的特点多层电路板与双面板最大的不同就是增加了内部电源层（保持内电层）和接地层，电源和地线网络主要在电源层上布线。但是，电路板布线主要还是以顶层和底层为主，以中间布线层为辅。因此，多层板的设计与双面板的设计方法基本相同，其关键在于如何优化内电层的布线，使电路板的布线更合理，电磁兼容性更好。10.1多层电路板设计基础知识3．内电层连接方式电源和接地网络与内电层连接的方式主要有以下两种。【ReliefConnect】：辐射连接。电源或接地网络与具有相同网络名称的内电层连接时，采用辐射的方式连接，连接导线的数目有“2”和“4”两种，如图10-1所示。【DirectConnect】：直接连接。电源或接地网络与具有相同网络名称的内电层直接连接。图10-1两种辐射连接的方式10.1多层电路板设计基础知识4．多层电路板设计流程多层板的设计与双面板的设计方法基本相同，其关键是需要添加和分割内电层，因此多层电路板设计的基本步骤除了遵循双面板设计的步骤外，还需要对内电层进行操作。图10-2所示为内电层的设计流程。图10-2内电层设计流程10.1多层电路板设计基础知识（1）设置内电层设计规则：主要包括【PowerPlaneConnectStyle】和【PowerPlaneClearance】设计规则的设置。（2）添加内电层：通过常规方法创建的PCB文件通常是没有内电层的，可以通过手动的方法为电路板添加内电层。（3）内电层布局：如果电路板设计比较复杂，需要多个电源网络共享一个内电层时，就需要对内电层进行分割，但是在分割内电层之前，必须对具有电源网络的焊盘和过孔进行重新布局，尽量将具有同一个电源网络的焊盘和过孔放置到一个相对集中的区域，以便于后面的内电层分割，保证所有的电源网络都能够连接到内电层，最终达到简化布线的目的。10.1多层电路板设计基础知识（4）分割内电层：将布局好的内部电源网络按块进行分割。分割内电层通常用导线在内电层围成一个封闭的区域，这个封闭的区域将成为一个分割出来的电源网络。（5）定义内电层网络：为刚才分割好的内电层定义一个电源网络。10.2浏览内电层与内电层具有相同网络标号的焊盘或过孔究竟是怎样与内电层相连的呢？本节将以系统安装目录“…\DesignExplorer99SE\Examples\LCDController.Ddb”中的“LCDController.pcb”电路板为例介绍浏览内电层的方法。打开后的电路板如图10-3所示。（1）打开需要浏览内电层的PCB电路板设计，如图10-3所示。（2）执行菜单命令【Design】/【Options…】，在打开的电路板工作层面设定对话框中只打开【InternalPlane1】、【PadHoles】和【Multi-Layer】只打开【InternalPlane1】、【PadHoles】和【Multi-Layer】等几个工作层面，是为了方便浏览内电层上的图件。图10-3示例电路板设计的局部

1.2电路板类型选择

在设计电路板时，选择电路板的类型主要从电路板的可靠性、工艺性和经济性等方面进行综合考虑，尽量从这几方面的最佳结合点出发来选择电路板的类型。印制电路板的可靠性是影响电子设备和仪器可靠性的重要因素。从设计角度考虑，影响印制电路板可靠性的首要因素是所选印制电路板的类型，即印制电路板是选择单面板、双面板还是多层板。根据国内外长期使用这些类型印制电路板的实践证明，类型越复杂，可靠性越低。各类型印制电路板的可靠性由高到低的顺序是单面板—双面板—多层板，并且多层板的可靠性会随着层数的增加而降低。

10.2浏览内电层（3）单击工作窗口左下角的工作层面切换选项卡，将工作层面切换到“Internalplane1”内电层，即可以浏览第一个内电层与焊盘、过孔等导电图件的连接情况，如图10-4所示。图10-4浏览内电层

10.2浏览内电层一般地，焊盘或过孔与内电层的连接方式主要有以下4种方式，如图10-5所示。图10-5焊盘与内电层的4种连接方式。

10.2浏览内电层内电层采用反转显示的方法显示电源层上的图件。放置在内电层上的导线及填充等图件在实际生产出来的电路板中是没有铜箔的，而PCB电路板中没有填充的区域在实际的电路板上却是实心的铜箔。10.3设置内电层设计规则内电层设计规则主要包括内电层安全间距限制设计规则和内电层连接方式设计规则。执行菜单命令【Design】/【Rules…】，打开电路板设计规则设置对话框，然后打开【Manufacturing】选项卡即可对内电层设计规则进行设置。内电层设计规则的设置方法与电路板布线设计规则的设置基本相同，本节只简单介绍一下设计规则功能和各选项的意义。1．【PowerPlaneClearance】内电层安全间距限制设计规则该项设计规则适用于设置内电层工作层面上内电层与通过内电层的焊盘和过孔之间的安全间距（Clearance），如图10-6所示。一般地，内电层工作层面是整个铜膜，如果有过孔或焊盘穿过但并不与该层连接时，则电源工作层面上应留出足够大的间距，以防止误连接。图10-6内电层安全间距限制设计规则设置对话框10.3设置内电层设计规则2．【PowerPlaneConnectStyle】内电层连接方式设计规则该项设计规则适用于设置内电层工作层面上电层与通过电层且与电层相连的焊盘或过孔的连接方式，如图10-7所示。图10-7内电层连接方式设计规则设置对话框10.3设置内电层设计规则一般地，内电层是整个覆上铜箔或者是被分成几个不同网络名称的电层，如果有过孔或焊盘穿过并与该层连接时，则需要在【PowerPlaneConnectStyle】选项中指定连接的方式。在图10-7所示的对话框中，系统主要提供以下几种连接方式。（1）【ReliefConnect】：辐射方式连接。辐射方式连接根据连接的导线的数目分成为两条导线和4条导线两种，如图10-8所示。图10-8两种辐射方式连接

（a）2条导线（b）4条导线10.3设置内电层设计规则选择“ReliefConnect”后，还需要设置【ConductorWidth】（导线的宽度）、【Conductor】（连线数目）、【Expansion】（扩展距离大小）及【Air-Gap】（空隙大小）等参数。采用辐射方式连接可以避免内电层上的热量传到元器件引脚上，也方便元器件装配时的焊接操作。（2）【DirectConnect】：直接连接。选择“DirectConnect”后，没有其他参数进行设置，它会使焊盘与内电层完全连接。（3）【NoConnect】：没有连接。10.4添加内电层通过常规方法创建的PCB文件通常不具有内电层，可以通过手动的方法为电路板添加内电层。下面介绍添加内电层的操作。（1）执行菜单命令【Design】/【LayerStackManager…】，即可打开【LayerStackManager】（图层堆栈管理器）对话框，如图10-9所示。图10-9图层堆栈管理器对话框10.4添加内电层（2）用鼠标左键单击示意图上的电路板的信号层，然后单击按钮，为电路板添加内电层。在本例中添加了两个内电层，一个作为电源网络层，另一个作为接地网络层，结果如图10-10所示。（3）为添加的内电层命名和添加网络标号。在内电层上双击鼠标左键即可弹出【EditLayer】（编辑内电层属性）对话框，如图10-11所示。图10-10添加内电层后的图层堆栈管理器图10-11编辑内电层属性对话框10.4添加内电层在该对话框中，可以设置内电层属性，主要包括3个属性参数。【Name】（内电层名称）：该选项用于设置内电层的名称。【Copperthickness】（内电层铜箔的厚度）：该选项用于设置内电层铜箔的厚度。【Netname】（内电层的网络名称）：该选项用于设置内电层的网络名称。本例中将接地电层的网络标号设置为“GND”，将电源层的网络标号设置为“VCC”。（4）设置好内电层属性后，单击按钮，即可完成添加电路板内电层的操作。10.5分割内电层如果电路板设计比较复杂，需要多个网络（一般为电源和接地网络）共享一个内电层时，就需要对内电层进行分割。为了尽量简化内电层的分割，必须对具有电源网络的焊盘和过孔进行重新布局，尽量将具有同一个电源网络的焊盘和过孔放置到一个相对集中的区域，使内电层被分割的数目尽量少，而面积尽量大。本节仍然以“LCDController.pcb”电路板为例介绍分割内电层的方法。为了方便介绍，仅为电路板上的网络NetJ5_1分割出一片区域，并将该网络连接放到分割出来的内电层上。示例电路局部如图10-12所示。10.5分割内电层（1）打开“LCDController.pcb”电路板，然后执行菜单命令【Tools】/【Un-Route】/【Net】，拆除NetJ5_1网络布线，结果如图10-13所示。

图10-12分割内电层示例文件

（2）执行菜单命令【Design】/【Options…】，进入文档参数设置对话框，只打开【InternalPlane1】、【PadHoles】、【MultiLayer】和【KeepOutLayer】，然后将当前的工作层面切换到内电层，结果如图10-14所示。图10-13拆除NetJ5_1网络布线的结果10.5分割内电层（3）执行菜单命令【Place】/【SplitPlane…】或者单击按钮，即可打开【SplitPlane】（分割内电层参数设置）对话框，设置好的分割内电层参数的对话框如图10-15所示。

内电层通常是整片铜膜，并采用负性（反转）显示方式，即铜膜为白色，而没有铜膜的地方为深色。在图10-15中，导线的宽度实际上指的是没有铜箔的间隔。（4）放置导线将具有“NetJ5_1”的网络标号的焊盘围起来，即可实现对电源层进行分割，结果如图10-16所示。至此，就完成了内部电层的分割，将内电层VCC分割成了两个区域，一个区域中的电源网络为“VCC”，另一个区域中的网络为“NetJ5_1”。10.5分割内电层同样，当多个地线网络共享同一个内电层时，也需要分割内电层，其操作方法与以上的操作完全相同。这样基本上就完成了内电层的设计，接下来多层板的设计就与双面板的设计大致相同了。如果选用的电路板还有中间信号层的话，还可以将一部分重要的线路、易受干扰的线路和功耗不大的线路放到中间层上，以提高电路板的保密性能和抗干扰性能，从而使布线更加方便。图10-14显示内电层的结果图10-15分割内电层参数设置对话框图10-16分割内电层的结果10.6课堂案例──多层板设计本节将以前面设计完成的“指示灯显示电路.PCB”为例，巩固多层电路板的设计。设计完成的PCB电路板如图10-17所示。双面板改成多层电路板，只需添加内电层，如果有多个网络共享同一内电层，则还需要对内电层进行分割。10.6课堂案例──多层板设计下面简要介绍指示灯显示电路多层电路板的设计。（1）打开设计好的“指示灯显示电路.PCB”电路板，然后执行菜单命令【Tools】/【Un-Route】/【Net】，拆除电源网络“VCC”和地线网络“GND”，结果如图10-18所示。图10-17多层电路板设计实例

图10-18拆除电源网络“VCC”和地线网络“GND”的结果10.6课堂案例──多层板设计（2）设置内电层安全间距限制设计规则和内电层连接方式设计规则。其中将安全间距设置为“0.508mm”，将内电层连接方式设置为辐射连接，导线数目为4。（3）执行菜单命令【Design】/【LayerStackManager…】，打开【LayerStackManager】对话框，添加两个内电层，一个内电层为“VCC”，另一个为“GND”，结果如图10-19所示。（4）添加好内电层并设置好内电层的网络标号后，单击按钮返回工作窗口中，电路板上的网络标号为VCC的焊盘已经同内电层VCC自动连接到一起了，而网络标号为GND的焊盘已经同内电层GND连接到一起了，如图10-20所示。10.6课堂案例──多层板设计图10-19添加内电层的结果图10-20设计好的多层电路板10.7课堂练习──四层板电路设计本节再列举一个4层电路板设计实例，即DSP+CPLD控制板，以帮助理解和消化本章介绍的知识。此练习重点讲解4层PCB区别于两层PCB的一些不同操作，如内电层的定义和分割等。（1）在绘制印制板之前，第1步仍然是完成电路原理图的设计和检查。本例PCB设计项目的电路原理图采用层次原理图绘制，其顶层电路如图10-21所示。图10-21层次原理图的顶层电路10.7课堂练习──四层板电路设计（a）整体布局（b）DSP部分放大后的电路（c）CPLD逻辑部分放大后的电路（2）在该顶层电路中，将电路功能划分为5个模块，分别是：“DSP&CPLD”主芯片模块、“Analog”模拟电路模块、“Power”电源模块、“CAN”总线通讯模块和“Interface”接口电路模块。划分好各模块并确定相互之间的连接关系后，采用由方块图生成电路原理图的方法生成下层电路原理图，其中“DSP&CPLD”模块对应的下层原理图如图10-22所示。其他模块对应的电路原理图此处不再详细给出。10.7课堂练习──四层板电路设计（d）DSP附属电路（e）电源监测和转换电路（f）LED指示电路（g）接口部分电路图10-22方块图对应的下层电路图“DSP&CPLD.sch”10.7课堂练习──四层板电路设计完成原理图设计并检查确认无误后，在原理图编辑界面中选择执行菜单命令【Design】/【NetlistCreation】，在弹出的网络表生成对话框中的【NetIdentifierScope】下拉列表中选择【NetLabelsandPortsGlobal】选项，如图10-23所示。表示在该层次原理图中网络标号和电路I/O端口（Port）的适用范围是全局的。单击该对话框中的按钮，在当前设计项目中生成表示元件封装形式以及电气连接特性的网络表。（3）在设计项目文件夹“Documents”下新建一个PCB文件并命名为“DSP.PCB”，然后双击该文件进入PCB编辑器。首先将当前工作层切换到禁止布线层（KeepOutLayer），利用绘制直线工具绘制印刷电路板板框。10.7课堂练习──四层板电路设计（4）完成对电路板的规划后，在【BrowsePCB】工具下的【Libraries】选项下添加所需的PCB库元件。除了系统自带的元件库“PCBFootprint.lib”之外，此处还需要添加一个系统元件库“SOIPC.lib”，里面含有常用的贴片IC的封装。另外还需要添加自建的PCB库文件“DSP_pcb.lib”，里面包含一些特殊元件的封装，其路径就在当前设计数据库的“Documents”文件夹下。PCB元件库文件添加完成后的【BrowsePCB】对话框如图10-24所示。图10-23选择网络标识的适用范围图10-24添加元件库文件通常设计者将自建的库文件就放在当前设计数据库中，便于管理和查看。10.7课堂练习──四层板电路设计（5）载入网络表。添加PCB设计所需的元件封装库后，执行载入网络表命令【Design】/【LoadNets…】，在弹出的对话框中选择步骤3中生成的网络表文件“Top.NET”并执行（Execute）载入命令，电路板的所有元件及其连接关系就会出现在PCB编辑界面下。此时元件之间的连接关系是很凌乱的，设计者可以先隐藏元件之间的预拉线，其方法是在PCB编辑区下按下L键，在弹出的【DocumentOptions】对话框中取消【Connections】的选中状态，如图10-25所示。此时PCB编辑区的状态如图10-26所示。单击去掉该复选项图10-25隐藏预拉线的显示10-26隐藏预拉线后的PCB编辑区10.7课堂练习──四层板电路设计（6）元件布局。本练习采用全手工布局的方式进行元件的布局，在布局的时候应注意遵循前面总结的多层PCB布局原则，特别是使用同一类型电源和地网络的元件应尽量集中放置，以便于后面的内电层分割操作。布局完成后的电路板如图10-27所示。（7）设置布线规则。本例设置整板（WholeBoard）的元件最小间距约束（ClearanceConstraint）为“7mil”，导线宽度介于“10～50mil”之间，优选（Preferred）“15mil”。其他设置采用系统默认设置。图10-27PCB元件布局示意图图10-28信号线连接完成后的PCB与驱动板接口模拟部分，主要使用15V电源和AGND电源部分CAN通讯数字部分，主要使用+3.3V电源和DGND10.7课堂练习──四层板电路设计（9）内电层定义。执行菜单命令【Design】/【LayerStackManager…】，在弹出的层堆栈管理器对话框中定义两个内部电源层，并分别命名为“GND”和“Power”。根据前面介绍叠层的有关知识，本例中确定层排布的顺序为“TOP—GND—Power—BOTTOM”。因本例中的内电层需要被划分为多个区域，故在定义内电层时设置其连接的网络为“NoNet”，即不连接任何电气网络。设置好的层堆栈管理器的属性如图10-29所示。（10）内电层分割。完成内电层的定义之后，设计者需要将内电层划分为多个区域，以连接不同的电源网络。执行菜单命令【Design】/【SplitPlanes…】，在弹出的内电层分割对话框中依次添加不同的网络区域，如图10-30所示。图10-29在层堆栈管理器中定义层叠结构图10-30内电层分割对话框10.7课堂练习──四层板电路设计（11）内电层分割完成后，可以在信号层上用导线将不能通过内电层连接的电源/地网络连接到最近的网络节点上。这样，所有的电气连线就完成了，此时设计者可以在编辑界面下按下L键，在弹出的【DocumentOptions】对话框的【Layers】选项卡下隐藏所有的层面，只选中【Connections】选项，这样便可以很直观地查看是否还存在没有完成连接的预拉线。（12）补泪滴。执行菜单命令【Tools】/【Teardrops…】，给所有的焊盘和过孔添加弧形泪滴。（13）覆铜。执行菜单命令【Place】/【PolygonPlane…】，在弹出的覆铜设置对话