5.1印制板設計基礎

印制板也稱為印制線路板或印制電路板，通過印制板上的印制導線、焊盤及金屬化過孔實現(xiàn)元器件引腳之間的電氣連接。印制板上的導電圖形（如元件引腳焊盤、印制連線、過孔等）以及說明性文字（如元件輪廓、序號、型號）等均通過印制方法實現(xiàn)，因此稱為印制電路板。

通過一定的工藝，在絕緣性能很高的基材上覆蓋一層導電性能良好的銅薄膜，就構成了生產印制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電圖形，并鉆出元件引腳的安裝孔、實現(xiàn)電氣互連的過孔以及固定整個電路板所需的螺絲孔，就獲得了電子產品所需的印制電路板。5.1.1印制板種類及結構印制板種類很多，根據(jù)導電層數(shù)目的不同，可以將印制板分為單面電路板（簡稱單面板）、雙面電路板（簡稱雙面板）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覆銅箔層壓板和玻璃布覆銅箔層壓板兩大類。圖5-1單面、雙面及多面印制電路板剖面

(a)單面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電圖形。單面板上的導電圖形主要包括固定、連接元件引腳的焊盤和實現(xiàn)元件引腳互連的印制導線，該面稱為“焊錫面”——在Protel99PCB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Protel99PCB編輯器中被稱為“Top”（頂）層。圖5-1單面、雙面及多面印制電路板剖面

(b)雙面

雙面板的基板的上下兩面均覆蓋銅箔。因此，上、下兩面都含有導電圖形，導電圖形中除了焊盤、印制導線外，還有用于使上、下兩面印制導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、下面印制導線的金屬化過孔，生產工藝流程比單面板多，成本高。隨著集成電路技術的不斷發(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系越來越復雜。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。在多層板中導電層的數(shù)目一般為4、6、8、10等。圖5-1單面、雙面及多面印制電路板剖面(c)多面在多層板中，可充分利用電路板的多層結構解決電磁干擾問題，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，印制板面積也較小（印制導線占用面積小），目前計算機設備，如主機板、內存條、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現(xiàn)，除了元件引腳焊盤孔外，用于實現(xiàn)不同層電氣互連的金屬化過孔最好貫穿整個電路板，以方便鉆孔加工，在經過特定工藝處理后，不會造成短路。例如，用于元件面上印制導線與電源層相連的金屬化過孔中，為了避免與地線層相連，在該過孔經過的地線層上少了一個比過孔大的銅環(huán)（很容易通過刻蝕工藝實現(xiàn)）。5.1.2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。它們都是使用粘結樹脂將紙或玻璃布粘在一起，然后經過加熱、加壓工藝處理而成。目前常用的粘結樹脂主要有酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂和聚四氟乙烯樹脂三種。

使用酚醛樹脂粘結的紙質覆銅箔層壓板稱為覆銅箔酚醛紙質層壓板，其成本低，主要用作收音機、電視機以及其他電子設備的印制電路板。使用環(huán)氧樹脂粘結的紙質覆銅箔層壓板稱為覆銅箔環(huán)氧紙質層壓板。其電氣性能和機械性能均比前者好，目前使用最廣泛，也主要用在收音機、電視機以及其他低頻電子設備中。使用聚四氟乙烯樹脂粘結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。其各方面性能均比較好，是制作高頻、微波電子設備印制電路板的理想材料，只是價格較高。5.2Protel99PCB的啟動及

窗口認識 在Protel99狀態(tài)下，單擊“File”菜單下的“New”命令，然后直接雙擊“PCBDocument”（PCB文檔）文件圖標，即可創(chuàng)建新的PCB文件并打開印制板編輯器。

如果設計文件包(.ddb)內已經含有PCB文件，在“設計文件管理器”窗口內直接單擊相應文件夾下的PCB文件圖標來打開PCB編輯器，并進入對應PCB文件的編輯狀態(tài)。

Protel99印制板編輯窗口如圖5-3所示，菜單欄內包含了“File”（文件）、“Edit”（編輯）、“View”（瀏覽）、“Place”（放置）、“Design”（設計）、“Tools”（工具）、“AutoRoute”（自動布線）等菜單命令。圖5-3Protel99PCB編輯器窗口與電原理圖編輯器相似，在印制板編輯、設計過程中，除了可以使用菜單命令操作外，PCB編輯器也將一系列常用的菜單命令以工具按鈕形式羅列在“工具欄”內。PCB編輯器提供了主工具欄（MainToolbar）、放置工具（PlacementTools）欄（窗）。必要時可通過“View”菜單下的“Toolbars”命令打開或關閉（缺省時這兩個工具欄均處于打開狀態(tài)）這些工具欄（窗）。圖5-4放置工具窗口內的工具啟動后，PCB編輯區(qū)內顯示的柵格線是第二柵格線，大小為1000mil，即25.4mm。在編輯區(qū)下方顯示目前已打開的工作層和當前所處的工作層。

PCB瀏覽窗（BrowsePCB）內顯示的信息及按鈕種類與瀏覽對象有關，單擊瀏覽對象選擇框下拉按鈕，即可選擇相應的瀏覽對象，如Library(元件封裝庫)、Components（元件）、Nets（節(jié)點）、“NetClasses”（節(jié)點組）、“ComponentClasses”（元件組）、“Violations”（違反設計規(guī)則）等。在Protel99PCB編輯器中，可以選擇英制（單位為mil）或公制（單位為mm）兩種長度計量單位，彼此之間的換算關系如下：

1mil=0.0254mm10mil=0.254mm100mil=2.54mm1000mil（1英寸）=25.4mm5.3手工設計單面印制板——Protel99PCB基本操作

為了便于理解PCB編輯器的基本概念,掌握PCB設計的基本操作方法，下面以手工設計一個簡單的電路的印制板為例，介紹Protel99PCB印制板編輯器的基本操作。如圖所示的電路很簡單，元件數(shù)量少，完全可以使用單面板，并假設元件尺寸也不大，電路板尺寸為2000mil×1500mil（相當于50.8mm×38.1mm）。5.3.1工作參數(shù)的設置與電路板尺寸規(guī)劃

1.設置工作層執(zhí)行“Design”菜單下的“Options”命令，并在彈出的“DocumentOptions”（文檔選項）窗內，單擊“Layers”標簽（如下圖所示），選擇工作層。各層含義如下：

1)?SignalLayers（信號層）

Protel99PCB編輯器最多支持以下16個信號層：

Top，即頂層，也稱為元件面，是元器件的安裝面。在單面板中不能在元件面內布線，只有在雙面或多面板中才允許在元件面內進行少量布線。在單面板中，由于元件面內沒有印制導線，表面安裝元件只能安裝在焊錫面上；而在多面板中，包括表面安裝元件在內的所有元件，應盡可能安裝在元件面上，但表面安裝元件也可以安裝在焊錫面上。

Bottom，即底層，也稱為焊錫面，主要用于布線。焊錫面是單面板中惟一可用的布線層，同時也是雙面、多面板的主要布線層。

Mid1～Mid14是中間信號層，主要用于放置信號線。只有5層以上電路板才需要在中間信號層內布線。2)InternalPlane（內電源/地線層）

Protel99PCB編輯器最多支持4個內電源/地線層，主要用于放置電源/地線網絡。在3層以上電路板中，信號層內需要與電源或地線相連的印制導線可通過元件引腳焊盤或過孔與內電源/地線層相連，從而極大地減少了電源/地線的連線長度。另一方面，在多層電路板中，充分利用內地線層對電路板中容易產生輻射或受干擾部分進行屏蔽。在單面板和雙面板中，電源線/地線與信號線在同一層內走線，因此也就不存在內電源/地線層。3)Mechanical（機械層）機械層沒有電氣特性，主要用于放置電路板一些關鍵部位的注標尺寸信息、印制板邊框以及電路板生產過程中所需的對準孔（但印制電路板上固定大功率元件所需的螺絲孔以及電路板安裝、固定所需的螺絲孔一般以孤立焊盤形式出現(xiàn)，這樣焊盤的銅環(huán)可作墊片使用，另外對于需要接地的固定螺絲孔焊盤可直接放在接地網絡節(jié)點處）。打印時往往與其他層套疊打印，以便對準。4)DrillLayers（鉆孔層）該層主要用于繪制鉆孔圖以及孔位信息。

5)Silkscreen（絲印層）通過絲網印刷方式將元件外形、序號以及其他說明文字印制在元件面或焊錫面上，以方便電路板生產過程的插件（包括表面封裝元件的貼片）以及日后產品的維修操作。絲印層一般放在頂層（Top），對于故障率較高、需要經常維修的電子產品，如電視機、計算機顯示器、打印機等的主機板在元件面和焊錫面內均可設置絲印層。6)SolderMask（阻焊層）設置阻焊層的目的是為了防止進行焊接時，連線、填充區(qū)、敷銅區(qū)等不需焊接的地方也粘上焊錫。在電路板上，除了需要焊接的地方（主要是元件引腳焊盤、連線焊盤）外，均涂上一層阻焊漆（阻焊漆一般呈綠色或黃色）。7)PasteMask（焊錫膏層）設置焊錫膏層的目的是為了便于貼片式元器件的安裝。隨著集成電路技術的飛速進步，電子產品體積越來越小，傳統(tǒng)穿通式集成電路芯片封裝方式，如雙列直插式（DIP）、單列直插式（SIP）、引腳網格陣列（PGA）等芯片封裝方式已明顯不適應電子產品小型化、微型化要求。8)Other（其他）圖中的“Other”設置框包括以下各項：

KeepOutLayer，即禁止布線層。

MultiLayer，允許或禁止在屏幕上顯示各層信息。

VisibleGrid，可視柵格線（點）開/關。

PadHoles，焊盤孔顯示開/關。

ViaHoles，金屬化過孔的孔徑顯示開/關。

Connection，“飛線”顯示開/關。

DRCError，設計規(guī)則檢查開/關。2.設置可視柵格大小及格點鎖定距離執(zhí)行“Design”菜單下的“Options”命令，并在彈出的“DocumentOptions”（文檔選項）窗內，單擊“Options”標簽，選擇可視柵格大小、形狀以及鎖定格點距離等。第一組可視格點間距缺省值為20mil，第二組可視格點間距缺省值為1000mil；可視格點形狀可以選擇線（Line）或點（Dot）形式。格點鎖定距離為20mil，電氣格點自動搜索范圍缺省值為8mil。在以集成電路為主的電路板中，為了便于在集成電路引腳之間走線，可將格點鎖定距離設為10mil，相應的電氣格點自動搜索半徑設為4mil。3.選擇工作層、焊盤、過孔等在屏幕上的顯示顏色工作層、焊盤、過孔等在屏幕上的顏色可以采用系統(tǒng)給定的缺省設置。在缺省狀態(tài)下，元件面為紅色，焊錫面為藍色。執(zhí)行“Tools”菜單下的“Preferences”命令，并在彈出的“Preferences”(特性選項)窗內，單擊“Color”標簽，即可重新設置各工作層、焊盤、過孔等的顯示顏色。4.選擇光標形狀、移動方式等執(zhí)行“Tools”菜單下的“Preferences”命令，并在彈出的“Preferences”（特性選項）窗內，單擊“Options”標簽，即可重新設置光標形狀、屏幕自動更新方式等。1)Editing（編輯設置）

SnapToCenter：對準中心，缺省時處于禁止狀態(tài)。

ExtendSelection：允許/禁止同時存在多個選擇框，缺省時處于允許狀態(tài)。

RemoveDuplicate：禁止/允許自動刪除重復元件。

ConfirmGlobal：當該項處于選中狀態(tài)時，修改操作對象前將給出提示信息。

RotationStep：設置旋轉操作的旋轉角，缺省時為90°。

CursorType：光標形狀。2)AutoPan屏幕自動移動方式設置

Style：選擇屏幕自動移動方式。

StepSize：定義移動步長。

ShiftStepSize：定義按下Shift鍵不放時的移動步長。3)InteractiveRoutingMode：選擇相互作用布線模式。

4)顯示方式設置顯示方式選項較多，比較重要且常需要重新選擇的有：

HighlightinFull：允許/禁止選取的圖元高亮度顯示充滿整個屏幕。

UseNetColorForHighlight：設置是否使用網絡顏色顯示高亮度圖元。

SingleLayerMode：設置是否只顯示當前工作層。

RedrawLayer：重新繪制工作層。

TransparentLayer：設置透明顯示模式。5.3.2元件封裝庫的裝入

PCB99元件封裝圖形庫存放在“DesignExplorer99\Library\PCB”文件夾內三個不同的子目錄內，其中GenericFootprints文件夾中存放了通用元件封裝圖，Connectors文件夾中存放了連接類元件封裝圖，IPCFootprints文件夾中存放了IPC封裝元件圖。

常用元器件封裝圖形存放在DesignExplorer99\Library\PCB\GenericFootprints\Advpcb.ddb圖形庫文件中，因此在PCB編輯器中一般需要裝入Advpcb.ddb

元件封裝圖形庫。

所謂元件封裝圖形，就是元件外輪廓形狀及引腳尺寸，它由元件引腳焊盤大小、相對位置及外輪廓形狀、尺寸等部分組成。下圖給出了電阻、電容、三極管和14引腳雙列直插式DIP14的封裝圖外形及各部分名稱。5.3.3畫圖工具的使用裝入元件封裝圖形庫，設置工作層及有關參數(shù)后，不斷單擊主工具欄內的“放大”按鈕，適當放大編輯區(qū)，然后就可以在編輯區(qū)內放置元件和連線。

1.放置元件手工放置元件操作與后面介紹的元件手工布局操作要領相同，先確定電路中核心或對放置位置有特殊要求的元件位置。在所畫的電路中，首先放置的元件應該是9013三極管，序號為Q101，假設封裝形式為TO-92A。在PCB99編輯器中，放置元件的操作過程如下：

(1)單擊“畫圖”工具欄內的“放置元件”工具，在如下圖所示的窗內，直接輸入元件的封裝形式、序號和注釋信息。封裝形式和序號是不能省略的，注釋信息文本盒內可以輸入元件的型號，如“9013”或元件的大小，如“51”、“1k”等。但注釋信息并不是必需的，有時為了保密，故意不給出元件型號、大小，或制版時隱藏注釋信息。

如果操作者不能確定元件的封裝形式，可單擊“Browse”（瀏覽）按鈕。在元件列表窗內單擊不同元件（或按鍵盤上的上、下光標控制鍵），即可迅速觀察到庫內元件的封裝圖，找到指定元件后，單擊“Close”按鈕，關閉瀏覽窗口，返回放置元件對話窗。

(2)然后單擊“OK”按鈕，所選元件的封裝圖即出現(xiàn)在PCB編輯區(qū)內，其實，在“BrowsePCB”窗口中，在“Components”（元件列表）窗口內找出并單擊元件封裝圖（如TO-92A）后，再單擊“Components”（元件列表）窗口下的“Place”按鈕，將元件直接拖進PCB編輯區(qū)內。這樣來完成元件放置操作會更簡單（這與在SCH編輯狀態(tài)下，放置元件的操作方法完全相同）。

(3)移動光標，將元件移到適當位置后，單擊鼠標左鍵固定即可。在PCB中放置元件封裝圖的操作過程與在SCH編輯器中放置元件電氣圖形符號的操作過程基本相同，在元件未固定前，可按如下鍵移動元件位置：

空格鍵：旋轉元件的方向。

X鍵：使元件關于X對稱翻轉。

Y鍵：使元件關于Y對稱翻轉。這里需要說明的是：在PCB編輯器中，盡管可以通過X、Y鍵使處于激活狀態(tài)的元件關于左右或上下對稱，但一般不能進行對稱操作，否則可能造成元件無法安裝。按Tab鍵，激活元件屬性對話窗，以便修改元件序號、注釋信息等內容。用同樣方法將電阻R101～R104封裝圖（封裝形式為AXIAL0.5）、電容C101～C103的封裝圖（封裝形式為RB.2/.4）放在三極管Q101附近，如下圖所示。2.連線前的準備——進一步調整元件位置手工布局操作只是大致確定了各元件的相對位置，布線（無論是手工連線還是自動布線）前，要進一步調整元件位置，使元件在印制板上的排列滿足下列要求：

(1)為了方便自動插件操作，除個別特殊元件外，元件沿水平或垂直方向排列，且所有元件（至少是同類元件）在板上排列方向要一致，即所有電阻、IC芯片等必須橫排或豎排。

(2)印制電路板上的元件，盡可能呈“井”字形排列，即垂直排列的元件，盡可能靠左或右對齊；水平排列的元件，必須靠上或下對齊。這樣不僅美觀，連線長度也短。

(3)布線或連線前，所有引腳焊盤必須位于柵格點上，使連線與焊盤之間的夾角為135°或180°，以保證連線與元件引腳焊盤連接處的電阻最小。3.放置印制導線對于手工編輯來說，完成了元件位置的精確調整后，就可以進入布線操作；對于自動布線來說，完成了元件位置的精確調整后，就可以進入預布線操作。手工布線操作過程如下：

(1)選擇布線層：在PCB編輯器窗口下已打開的工作層列表中，單擊印制導線放置層。對于單面板來說，只能在BottomLayer（即焊錫面）上連線。

(2)執(zhí)行“Design”菜單下的“Rules…”命令，單擊“Routing”標簽，再單擊“RuleClasses”（規(guī)則類型）選項框內的“WidthConstraint”（布線寬度），即可顯示線寬設定狀態(tài)。

(3)單擊放置工具欄內的“放置導線”工具，然后按下Tab鍵，激活“TrackProperties”（導線屬性）選項設置窗。

(4)將光標移到連線的起點，單擊鼠標左鍵固定，移動光標到印制導線轉折點，單擊鼠標左鍵固定，再移動光標到印制導線的終點，單擊鼠標左鍵固定，再單擊右鍵終止（但這時仍處于連線狀態(tài)，可以繼續(xù)放置其他印制導線。當需要取消連線操作時，必須再單擊鼠標右鍵或按下Esc鍵），即可畫出一條印制導線。4.焊盤

焊盤也稱為連接盤，與元件相關，或者說焊盤是元件封裝圖的一部分。在印制板上，僅使用少量孤立焊盤，以便放置少量飛線、電源/地線或輸入/輸出信號線的連接盤以及大功率元件固定螺絲孔、印制板固定螺絲孔等。在Protel99PCB編輯器中，元件引腳焊盤的大小、形狀