电子技术工艺实验指导.docx

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电子技术工艺实验指导

电子技术工艺实验指导

上海电机学院

2005.5.8

第一节印制电路板设计过程与方法

实验中对于简单的电路我们可以直接用导线连接，对于较复杂的电路我们还可以运用面包板搭接而成。

但如果我们想要把图纸上的原理图转换为实际的电子产品，往往离不开印制电路板这个载体。

印制电路板亦称印制线路板，通常简称印制板或PCB（printedcircuitboard）。

印制电路板的主要作用是为电路中电子元器件的固定与装配提供机械支撑和识别符号，为电路中电子元器件之间的连接提供电气通路。

熟悉印制电路板基本知识，掌握PCB基本设计方法和制作工艺，是电气技术人员不可缺少的基本技能。

一、印刷电路板的手工设计过程

印制电路板设计也称印制板排版设计，不论是手工设计或采用CAD设计通常都包括以下过程。

以如图1所示的稳压电源电路为例，介绍印刷电路板的手工设计过程。

本，其中V1和V3为硅材料PNP型小功率三极管，V2为中功率管。

调整1K电阻可以改变输出电压。

图1稳压电路原理图

1．设计准备

（1）了解电路工作原理和电路参数，各功能电路的相互关系及信号流向等内容，对电路工作时可能发热、可能产生干扰及最高工作电压，最大电流及工作频率等情况要心中有数。

（2）印制板工作环境（是否密封，工作环境温度变化，是否有腐蚀性气体等）及工作机制（连续工作还是断续工作等）。

（3）主要元器件和部件的型号、外形尺寸、封装、必要时需取得样品或产品样本。

2．外形草图包括印制板对外连接草图和尺寸图两部分。

对外连接草图是根据整机结构和分板要求决定的。

一般包括电源线、地线、板外元器件的引线，板与板之间连接线等，绘制草图时应大致确定其位置和排列顺序。

若采用接插件引出时，要确定接插件位置和方向。

印制板外形尺寸草图。

印制板外形尺寸受各种因素制约，一般在设计时已大致确定，从经济性和工艺性出发，优先考虑矩形。

印制板的安装、固定也是必须考虑的内容，印制板与机壳或其他结构件连接的螺孔位置与孔径应明确标出。

我们设计的稳压电源电路较简单，所以我们将印制板对外连接草图和尺寸图两部分合二为一。

我们以单面板为例，外形草图如图2所示。

图2单面板外形草图

3．设计入门——绘制单线不交叉图

对较简单的电路（一般元件数少于30~50个）可采用绘单线不交叉图的方法设计印制板。

这种方法简单易学且不易出错，特别适合初学者和非专业设计人员。

具体步骤如下：

（1）将原理图中应放置于板上的电路元器件根据信号流向或排版方向依次画到板面上，集成电路要画封装引脚图。

（2）按原理图将各元器件引脚连接，对导线交叉处可用两种方法避免交叉。

1）利用元器件中间跨越。

2）用跨接线跨越（同一板上跨接线长度尽可能归为一种或两三种。

跨接线尽可能短、尽可能少）。

对于可用单面加少量跨接线布通的电路，尽量选用单面板布线，只有电路较复杂才用双面板。

显然双面板要容易，因为可以利用板子另一面印制导线做跨越。

（3）调整元器件位置和方向，使跨接线最少，连接最简洁。

（4）重新画不交叉图，如图3所示。

简单的图，经过

（1）～（4）步骤可得到较好的结果，复杂一些的（3）～（4）可能反复一次，甚至反复若干次才获得比较好的效果。

图3单线不交叉图

4．设计布局

对于元件数多于50个以上的电路。

采用上述方法，PCB板不易作到微型化。

较复杂的电路我们需要经过设计布局及设计布线这两步。

布局就是将电路元件放在印制板布线区内，布局是否合理不仅影响后面的布线工作，而且对整个电路板的性能也有重要的作用。

在一个PCB板上，元件的布局要求要均衡，疏密有序，不能头重脚轻。

下面介绍的布局要求、原则、布放顺序和方法，无论手工设计还是计算机辅助设计（CAD），专业还是业余，模拟电路还是数字电路都是适用的。

（1）布局原则

1）就近原则　　当板上对外连接确定后，相关电路部分应就近安放，避免走远路，绕弯子，尤其忌讳交叉穿插。

2）信号流原则　按电路信号流向布放，避免输入输出，高低电平部分交叉。

3）散热原则　　有利于发热元器件散热。

4）美观性原则元件排列整齐，疏密得当。

（2）布局方法

1）实物法将元件和部件样品在1：

1的草图上排列，寻找最优布局。

这是最简单，最可靠的方法，实际应用中一般是将关键的元器件或部件实物作为布局依据。

2）模板法有时实物摆放不方便或没有实物，可按样本或有关资料制作主要元器件和部件的图样摸板，用以代替实物进行布局。

以上两种方法适合初学者。

3）经验对比法根据经验参照可比的已有印制电路板对新设计布局。

这种方法适合有一定的设计经验的工作人员。

（3）布局的检查

1）印制板尺寸是否与加工图纸尺寸相符，能否符合PCB制造工艺要求，有无定位标记。

2）元件在二维、三维空间上有无冲突。

3）合理选择的导线密度和间距以保证电路可靠工作

4）元件布局是否疏密有序，排列整齐。

5）需经常更换的元件能否方便的更换，插件板插入设备是否方便。

6）热敏元件与发热元件之间是否有适当的距离。

7）调整可调元件是否操作方便。

8）在需要散热的地方，是否装有散热器，空气流是否通畅。

9）信号流程是否顺畅且互连最短。

10）插头、插座等与机械设计有无矛盾。

11）线路的干扰和自激问题是否有所考虑。

5．设计布线

布线是按照原理图要求将元器件和部件通过印制导线连接成电路。

这是印制板设计中的关键步骤，具体布线要把握以下要点：

（1）面对纵横交错的导电图形要保证所有连接正确不是一种容易的事，特别是较复杂的电路，手工布线出错率较高，布线完成后对照原理图要反复检查。

利用CAD先进手段再加上必要的校对检查可以将失误减到尽可能小的程度。

（2）走线简捷，粗细适当。

印制线条力求短、平、直。

电源线、地线和大电流线要保证一定的宽度。

（3）调整元件位置，达到最佳布线效果。

如图4所示，图4是根据不交叉图绘制的布线图。

图4稳压电源布线图

6．制版底图绘制

印制板设计定稿以后，在投入生产制造时必须将设计转换成符合生产要求的1：

1原版底片。

现在常用的绘图方法是计算机绘图和光绘两种方法。

二、印制板CAD制作过程（Protel99设计要点）

1．原理图输入

使用Sch绘制电路图（如图5）。

确定元件排列没有问题、定义元件封装（Footprint），最后通过程序所提供的ERC检查。

图5原理图

2．生成网络表

利用Sch所提供的Create Netlist 功能产生网络表（图6），同时也结束了Sch的任务。

图6网络表

3．确定板面（画边框）

进入PCB编辑器，首先定义版框，也就是板子的大小与形状（如图7所示）。

可利用程序提供的版框向导，或将当前工作层切换到为禁止布线区（KeepOut Layer版层），以PlaceTrack（放置线段）命令，自行绘制版框。

图7边框图

4．加载网络表及装入元件

网络表（或电路图）如有错误，或接口上的问题，也在此阶段中出现。

而产生错误时，也可以根据错误所在，回到Sch修改电路图，重头再来。

这一步是非常重要的一个环节，网络表是PCB自动布线的灵魂，也是原理图设计与印刷电路板设计的接口，只有将网络表装入后，才能进行电路板的布线。

Design/Netlist.命令，按Browser按钮进入搜寻所要装入的网表文件，然后按OK按钮。

（如图8）

装入网表后，电击Execute按钮，程序进行加载元件（如图9）。

图8　网络表成功装入

图9　装入网络表后的PCB图

5．零件布局

装入的元件堆在一起，紧接着是把元件搬开。

激活Tools\Autoplace命令，出现元件自动布局对话框。

然后，单击OK按钮。

出现如图10所示布局图。

从图10中可见虽然已经实现子元件的分离，但并不能满足实际要求。

因此，还可以对分离好的元件进行手工布局，拖曳元件并配合按空格键改变元件方向重新调整元件的布局如图11所示。

图10自动布局后的PCB图

图11手工调整后的PCB图

6．设置布线环境

显示层面的设置（激活Design ／Options命令）（图12）

图12设置工作层面

7．设置布线规则

定义规则、自动布线设定（激活Design／Rules命令，进入以下对话框，如图13）。

图13设置布线规则

（1）定义安全间距（ClearanceConstraint）1mm

（2）设置布线拐角模式（RoutingCorners）45度

（3）设置布线工作层面（RoutingLayers）仅用BottomLayer（选Any其余选NotUsed）

（4）布线优先权（RoutingPriority）

（5）过孔形式（RoutingViaStyle）

（6）布线线宽（WidthConstraint）0.5mm

8．执行自动布线

PCB的自动布线功能相当强大，只要参数设置合理，元件布局妥当,系统自动布线的成功率几乎是100%。

选择“AutoRoute”\“All”命令，进行全局自动布线。

单击“All”按钮后，程序便按照上面设置的布线规则进行自动布线（如图14）。

图14稳压电源PCB图

9．调整布线（即整理一些不太规则的布线）

布线成功不等于布线合理，有时候会发现自动布线导线拐弯太多等问题，必须还要进行手工调整。

调整结果如图15所示。

图15调整后的稳压电源PCB图

10．保存文件

    在设计过程中要随时保存文件，以免出现意外导致设计工作丢失。

11．打印文件

最后可以打印印刷电路板设计结果，可以单层打印也可以多层一起打印。

三、印制板制作方法

在电子产品生产中，印制板作为一个重要部件，一般是由整机厂设计，专业印制板生产厂家制造。

在产品研制、技术革新及创新制作时，需要印制板数量少，而且不定型的情况下，出于时间及经济考虑，可用简单快速法自己制作。

自制印制线路板有多种方法，我们介绍两种常用方法。

1．描图蚀刻法

（1）按照电路板的设计尺寸，裁下一定规格的单面敷铜板，并用细砂纸将敷铜打光。

（2）按照1︰1的比例，在敷铜板上用复印纸描好印刷底板图。

（3）将漆片（即虫胶，化工原料店有售）一份，溶于三份无水酒精中，并适当搅拌，待其全部溶解后，滴上几滴医用紫药水（龙胆紫），使其呈现一定的颜色，搅拌均匀后，即可作为保护漆用来描绘电路板线条。

采用绘图仪器中的鸭嘴笔（或圆规上用来画图形的墨水鸭嘴笔），进行描绘，鸭嘴笔上有调整笔划粗细的螺母，笔划粗细可调，并可借用直尺、三角尺描绘出很细的直线，且描绘出的线条光滑、均匀，无边缘锯齿，给人以顺畅、流利的感觉。

绘制电路板线条亦可用油性记号笔直接在敷铜板上描绘。

（4）将三氯化铁溶于温水中（用塑料器具）将凉干描好印刷底板图的敷铜板放入三氯化铁溶液中，待电路板腐蚀完毕后，放入清水中清洗干净后拿出待用。

在腐蚀过程中，应注意水温，并经常搅动电路板，以加速化学反应的速度。

（5）电路板腐蚀好后，去漆也很方便，用棉球蘸上无水酒精，就可以将保护漆擦掉，略一晾干，就可随之涂上松香水使用。

（6）在做记号的元件插孔处钻孔。

打孔时注意钻床转速应取高速，钻头应刃锋利。

进刀不宜过快，以免将铜箔挤出。

清除孔中毛刺时用稍大的钻头手工倒角，不要用砂皮纸。

2．转印法

热转印法的关键是热转印纸和热转印机，它利用激光打印机先将图形打印到热转印纸上，再通过热转印机将图形“转印”到敷铜板上，形成由墨粉组成的抗腐蚀图形，再经蚀刻机蚀刻后即可获得所需印制板图形。

只要激光打印机能保证，采用热转印法可获得足够的精度和接近专业品质的印制板。

参考制作步骤如下：

（1）绘图

PCB图可直接从电脑调用，也可自行设计。

（2）打印

设计完成经检