多层板一般指3层以上的电路板。它在双面板的基础上增加了内部电源层、接地层及多个中间信号层。随着电子技术的飞速发展,电路的集成度越来越高,多层板的应用也越来越广泛。但由于多层电路板的层数增加,给加工工艺带来了难度,同时制作成本也很高。
5.1.2元件的封装
电路原理图中的元件使用的是实际元件的电气符号:PCB设计中用到的元件则是使用实际元件的封装(Footprint)。元件的封装由元件的投影轮廓、引脚对应的焊盘、元件标号和标注字符等组成。不同的元件可以共用同一个元件封装,同种元件也可以有不同的封装。
所以,在进行印制电路板设计时,不仅要知道元件的名称,而且还要确定该元件的封装,这一点是非常重要的。元件的封装最好在进行电路原理图设计时指定。常见元件的封装如图5-1所示。
1.元件封装的分类
元件的封装形式可分为两大类:针脚式元件封装和表面贴装式元件封装。
针脚式元件封装:这类封装的元件在焊接时,一般先将元件的引脚从电路板的顶层插入焊盘通孔,然后在电路板的底层再进行焊接。由于针脚式元件的焊盘通孔贯通整个电路板,故在其焊盘的属性对话框内,Layer(层)的属性必须为MultiLayer(多层)。
表面贴装式元件封装:这类元件在焊接时元件与其焊盘在同一层。故在其焊盘属性对话框中,Layer属性必须为单一板层,如Toplayer或Bottomlayer。
2.元件封装的编号
元件封装的编号规则一般为:元件类型+焊盘距离(或焊盘数)+元件外形尺寸。根据元件封装编号可区别元件封装的规格。如AXIAL0.4表示该元件封装为轴状,两个引脚焊盘的间距为0.4英寸(400mil):RB.2/.4表示极性电容类元件封装,两个引脚焊盘的间距为0.2英寸(200mil),元件直径为0.4英寸(400mil):DIP-16表示双列直插式元件的封装,两列共16个引脚。
5.1.3焊盘与过孔
1.焊盘(Pad)
焊盘(Pad)的作用是放置焊锡、连接导线和元件的引脚。Protel99SE在封装库中给出了一系列不同形状和大小的焊盘,如圆形、方形、八角形等。根据元件封装的类型,焊盘也分为针脚式和表面贴装式两种,其中针脚式焊盘必须钻孔,而表面贴装式无需钻孔。选择元件的焊盘类型要综合考虑该元件的形状、大小、布置形式、振动和受热情况、受力方向等因素。例如,对电流、发热和受力较大的焊盘,可设计成泪滴状。常用焊盘的形状和尺寸如图5-2所示。
2.过孔(Via)
对于双层板和多层板,各信号层之间是绝缘的,需在各信号层有连接关系的导线的交汇处钻一个孔,并在钻孔后的基材壁上淀积金属(也称电镀或金属孔化),以实现不同导电层之间的电气连接,这种孔称为过孔(Via)。过孔有三种,分别是从顶层贯通到底层的穿透式过孔、从顶层通到内层或从内层通到底层的盲过孔及内层间的隐蔽过孔。过孔的内径(通孔直径Holesize)与外径尺寸(过孔直径Diameter)一般小于焊盘的内外径尺寸。过孔的尺寸与类型如图5-3所示。
5.1.4铜膜导线和飞线
1.铜膜导线(Track)
印制电路板上,在焊盘与焊盘之间起电气连接作用的是铜膜导线,简称导线(Track),是印制电路板最重要的部分。它也可以通过过孔把一个导电层和另一个导电层连接起来。印制电路板设计都是围绕如何布置导线来进行的。
2.飞线
在PCB设计过程中,还有一种与导线有关的线,常称为飞线或预拉线。飞线是在引入网络表后,系统根据规则生成的,用来指引系统自动布线的一种连线。
飞线与铜膜导线有本质的区别,飞线只是一种形式上的连线。它只是形式上表示出各个焊盘间的连接关系,没有电气的连接意义。铜膜导线则是根据飞线指示的焊盘间的连接关系而布置的,是具有电气连接意义的连接线路。
5.1.5网络和网络表
从一个元件的某个引脚上到其他引脚上的电气连接关系称作为网络(Net)。每一个网络均有唯一的网络名称,可人为添加的或系统自动生成的,系统自动生成的网络名由该网络内两个连接点的引脚名称组成。
网络表(Netlist)描述电路中元器件特征和电气连接关系,一般从电路原理图中获取,它是电路原理图设计和PCB设计之间的桥梁。
5.1.6安全间距
进行印制电路板设计时,为了避免导线、过孔、焊盘及元件间的距离过近而造成相互干扰,就必须在它们之间留出一定的间距,这个间距就称为安全间距(Clearance)。图5-4为安全间距示意图。
5.2PCB编辑器
进入PCB设计系统实际上就是启动Protel99SE的PCB编辑器,启动PCB编辑器与启动电路原理图编辑器的方法类似。
5.2.1新建PCB文件
新建PCB文件的方法与新建电路原理图文件的方法相同,只是选择的图标不同。PCB文件的扩展名是.PCB。
启动Protel99SE,打开一个设计数据库文件,执行菜单命令FileNew,系统弹出如图2-14所示的NewDocument对话框窗口,在该窗口中选择要创建文件类型的图标PCBDocument(PCB文件),然后单击OK按钮。建立PCB文件的窗口如图5-5所示,双击PCB文件PCB1.PCB,就可以进入如图5-6所示的PCB编辑器。
5.2.2PCB管理器的使用
如图5-6所示的PCB编辑器主界面,与原理图编辑器界面相似,菜单项及主工具栏的按钮也基本一致。
在PCB编辑器中提供两个重要的PCB设计工具栏,即放置工具栏和元件位置调整工具栏。
下面介绍如图5-7所示的PCB管理器BrowsePCB选项卡的使用。
单击PCB管理器中的BrowsePCB选项卡,在Browse下拉框中选择设定好的对象。选择的对象包括Nets(网络)、Components(元件)、Libraries(元件库)、NetClasses(网络类)、ComponentClasses(元件类)、Violations(违反规则信息)和Rules(设计规则)共6类,经常用到的对象是网络、元件和元件库。
1.网络(Nets)
网络浏览器可以对电路板中的网络进行编辑和管理。如图5-7(a)所示,在网络列表框中选中某个网络,单击Edit按钮可以编辑该网络属性:单击Select按钮可以选中网络:单击Zoom按钮则可放大显示所选取的网络,同时在节点列表框中显示此网络的所有节点。
节点是指网络走线所连接元件引脚的焊盘。在网络列表框中选取某个网络后,该网络的节点全部在节点列表框中列出,如图5-7(b)所示。选择某个节点,单击Edit按钮可以修改该焊盘的各种参数:单击Select按钮,该焊盘处于选中状态,呈高亮显示:单击Jump按钮,可以将光标跳跃到当前节点上,在印制电路板面积比较大时,可以用它查找元件。
在节点列表框的下方,还有一个微型视窗,如图5-7(c)所示。视窗的整个矩形代表整个PCB工作窗口,可显示在PCB管理器中浏览的元件或网络。图中的虚线框代表当前的工作窗口画面,同时在视窗上显示出所选择的网络:视窗还可作为放大镜来使用,若单击视窗下的Magnifier按钮,光标变成放大镜形状,将光标在工作区中移动,便可在视窗中放大显示光标所在的工作区域:单击Configure按钮,在弹出的对话框中可选择放大镜的放大比例,或按下空格键更改放大比例。
在视窗的下方,有一个CurrentLayer下拉列表框。可用于选择当前工作层,在被选中的工作层周围会显示该层的颜色。
2.元件(Components)
元件浏览器,显示当前电路板中的所有元件名称和选中元件的所有焊盘。
3.元件库(Libraries)
元件库浏览器,在放置元件时,必须使用元件库浏览器才会显示元件的封装名。
4.违反规则信息(Violations)
选取此项设置可查看违反规则信息浏览器,可以查看当前电路板中的违反规则信息。
5.设计规则(Rules)
选取此项设置可查看设计规则浏览器,可以查看并修改当前电路板中设计规则。
5.2.3画面显示和坐标原点
1.画面显示
设计者在进行电路板图的设计时,经常用到对工作窗口中的画面进行放大、缩小、刷新或局部显示等操作,以方便设计者的工作。这些操作既可以使用主工具栏中的图标,也可以使用菜单命令或快捷键。具体操作方法与在电路原理图编辑器中的一样。
显示整个电路板/整个图形文件,常用的命令如下:
(1)执行菜单命令ViewFitBoard,显示整个电路板,在工作窗口显示整个电路板,但不显示电路板边框外的图形:
(2)执行菜单命令ViewFitDocument或单击主工具栏中的图标,显示整个图形文件,可将整个图形文件在工作窗口显示,如果电路板边框外有图形,也同时显示出来:
(3)执行菜单命令ViewRefresh或使用快捷键End键,可以刷新画面,可清除因移动元件等操作而遗留下的残痕:
(4)执行菜单ViewBoardin3D或单击主工具栏中的图标,可以显示整个印制电路板的3D模型,一般在电路布局或布线完毕后,使用该功能观察元件的布局或布线是否合理。
2.坐标原点
在PCB编辑器中,系统已经定义了一个坐标系,该坐标的原点称为AbsoluteOrigin(绝对原点),位于电路板图的左下角,一般在工作区的左下角附近设计印制电路板。用户可根据需要自己定义坐标系,只需设置用户坐标原点,该坐标原点称RelativeOrigin(相对原点),或称当前原点。
执行菜单命令EditOriginSet或单击放置工具栏中的按钮,将光标移到要设置为新坐标原点的位置,单击左键,即可设置新的坐标原点。若要恢复到绝对坐标原点,执行菜单命令EditOriginReset即可。
5.3设计环境设置
5.3.1栅格和计量单位设置
执行菜单DesignOptions,在出现的对话框中选中Options选项卡,出现如图5-8所示的栅格设置对话框。
1.捕捉栅格设置
用于设置捕捉栅格(Snap)、元件移动栅格(Component)光标移动的间距。使用SnapX和SnapY两个下拉框可分别设置在X和Y方向的捕捉栅格间距:或单击主工具栏的按钮,在弹出的捕捉栅格设置对话框中输入捕捉栅格的间距。使用ComponentX和ComponentY两个下拉框可分别设置元件在X和Y方向的移动间距。
2.可视栅格类型设置
可视栅格是系统提供的一种在屏幕上可见的栅格。通常可视栅格的间距为一个捕获栅格的距离或是其数倍。Protel99SE提供Dots(点状)和Lines(线状)两种显示类型。
3.电气栅格设置
电气栅格主要是为了支持PCB的布线功能而设置的特殊栅格。当任何导电对象(如导线、过孔、元件等)没有定位在捕捉栅格上时,就该启动电气栅格功能。只要将某个导电对象移到另外一个导电对象的电气栅格范围内,就会自动连接在一起。选中ElectricalGrid复选框表示启动电气栅格的功能。Range(范围)用于设置电气栅格的间距,一般比捕捉栅格的间距小一些才行。
4.计量单位设置
Protel99SE提供Metric(公制)和Imperial(英制)两种计量单位,系统默认为英制。
电子元件的封装基本上都采用英制单位,如双列直插式集成电路的两个相邻引脚的中心距为0.1英寸(100mil):贴片类集成电路的相邻引脚的中心距为0.05英寸(50mil)等。所以,设计时的计量单位最好选用英制。英制的默认单位为mil(毫英寸):公制的默认单位为mm(毫米)。
执行菜单ViewToggleUnits也可以实现英制和公制的切换。
5.3.2工作参数设置