实验室PCB板快速制作工艺的研究与开发.docx

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实验室PCB板快速制作工艺的研究与开发

摘要……………………………………………………………………………………………1

关键词…………………………………………………………………………………………1

Abstract………………………………………………………………………………………1

Keywords……………………………………………………………………………………1

引言…………………………………………………………………………………………1

1常见PCB制作方法…………………………………………………………………………2

2应用软件介绍……………………………………………………………………………2

2.1Protel软件……………………………………………………………………………2

2.2LPKFCircuitPro1.4软件………………………………………………………2

3PCB设计………………………………………………………………………2

3.1电路原理图设计………………………………………………………………………2

3.1.1制作电路原理图的目的…………………………………………………………2

3.1.2原理图的设计步骤……………………………………………………………2

3.1.3原理图的设计规则………………………………………………………………3

3.2PCB版图设计…………………………………………………………………………4

3.2.1PCB板的设计步骤………………………………………………………………4

3.2.2PCB板的设计规则………………………………………………………………4

3.3PCB设计实例（声控灯电路）…………………………………………………………6

3.3.1设计声控灯原理图………………………………………………………………6

3.3.2绘制声控灯PCB图………………………………………………………………7

4实验室PCB板快速制作………………………………………………………9

4.1雕刻………………………………………………………………………………9

4.1.1导出Gerber文件格式……………………………………………………………9

4.1.2CircuitPro1.4的使用及数据处理………………………………………………10

4.1.3LPKFProtoMatS63雕刻机刻板………………………………………………12

4.2孔金属化……………………………………………………………………………13

4.3阻焊字符………………………………………………………………………13

结束语………………………………………………………………………………………14

致谢…………………………………………………………………………………………14

参考文献……………………………………………………………………………………14

实验室PCB板快速制作工艺的研究与开发

电子信息工程专业康代盈

指导教师李秀娟

摘要：

首先介绍了常见的PCB板的制作方法，接着介绍了实验室机械雕刻PCB制作系统的快速制作原理以及Protel和LPKF软件的一些基本的操作和用法。

实验室机械雕刻电路板包括PCB设计和PCB制作，用户把Protel中PCB制造文件导出后，经过LPKF软件进行数据处理，以控制雕刻机LPKFProtoMatS63雕刻制作，然后经过孔金属化、阻焊字符等一系列操作，形成用户定制的电路板。

学校电子类专业学生非常适合使用此方法进行多批次地快速印制实验用电路板的实验。

关键词：

实验室印制电路板雕刻Protel

ResearchandDevelopmentofRapidManufacturingTechnologyLaboratoryPCBPlate

MajoringinElectionicInformationEngineeringKangDaiying

TutorLiXiujuan

Abstract：

FirstintroducedthecommonPCBmanufacturingmethods,thenintroducestherapidproductionprincipleofLaboratorymechanicalengravingPCBproductionsystem,andsomeofthebasicoperationandusageofProtelandLPKFsoftware.MechanicalengravingcircuitboardlaboratoryincludingPCBdesignandPCBproduction,TheuserisderivedfromtheProtelPCBfile,throughtheLPKFsoftwarefordataprocessing,inordertocontroltheLPKFProtoMatS63engravingmachineengraving.Andthenaftertheholemetallization,resistanceweldingcharactersandaseriesofoperations,toformthecircuitwaferwhichtheuserhascustom-made.Schoolofelectronicmajorsisverysuitablefortheuseofthismethodformultiplebatchesofcircuitboardwithfastprintingexperiment.

Keywords:

Laboratory,printcircuitboard,Carving，Protel

引言

PCB（PrintedCircuitBoard），中文名称为印制电路板，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的载体。

目前全球PCB产业产值占电子元件产业总产值的四分之一以上，是各个电子元件细分产业中比重最大的产业，产业规模达400亿美元。

同时，由于其在电子基础产业中的独特地位，已经成为当代电子元件业中最活跃的产业。

随着科技的不断进步和电子技术发展的日新月异，电子绘图和制板技术专业化程度越来越高，电子CAD技术已经成为专业基础技术，众多的CAD技术软件中，Protel就是应用最为广泛的EDA软件之一。

印制板从单层发展到双面、多层和挠性，仍旧保持着各自的发展趋势，由于不断的向高精度、高密度和高可靠性方向发展，不断缩小体积、减轻成本、提高性能，使得印制板在未来电子设备发展工程中，仍然保持强大的生命力[1]。

作为用途最广泛的电子元件产品，印制电路板的生产进一步向高密度，细导线，多层，高可靠性、低成本和自动化连续生产的方向发展。

在众多的电路板印制方法中，运用机械雕刻就是一种有效而又快捷的生产印制电路板的途径，由于它具有明显的优点，所以研究机械雕刻生产PCB板已经是生产和生活的迫切需要。

它是通过protel软件与雕刻机相结合实现的，是最流行的适合实验室印制电路板的方法。

1常见PCB制作方法

目前印制电路板制作主要有两种工艺方法：

化学方法工艺和物理方法工艺。

化学方法工艺又可以细分为化学腐蚀法、电铸法；物理方法工艺又可以细分为全手工制作方法、油印法、热转印法、激光切割法、机械雕刻法等[2]。

其中机械雕刻法是目前最流行的适合学生在实验室制作电路板的方法。

机械雕刻方法是将线路板的线路信息转化为三维位置信息，然后通过步进电机控制雕刻刀具沿着XYZ轴导轨控制移动从而控制雕刻刀具在空白线路板上进行雕刻。

机械雕刻工艺方法要求精度高，控制精密。

该线路板制作系统就是直接利用PROTEL的PCB文件信息，在不需要任何转换过程的情况下直接输出雕刻数据，通过自定义的数据格式控制制作机做雕刻、钻孔、切边工作。

下面将探讨的就是实验室PCB板雕刻工艺的研究与开发。

2应用软件介绍

2.1Protel软件

ProtelDXP2004是Altium公司于2004年推出的一款基于Windows2000和WindowsXP操作系统的EDA（ElectronicDesignAutomation）软件。

该软件能实现从概念设计，顶层设计直到输出生产数据以及这之间的所有分析验证和设计数据的管理。

当前仍在使用的Protel98、Protel99SE，就是它的前期版本。

实验中我们将使用这个软件绘制简单电路的原理图和PCB图。

ProtelDXP主要特点：

1.通过设计档包的方式，将原理图编辑、电路仿真、PCB设计及打印这些功能有机地结合在一起，提供了一个集成开发环境。

2.提供了混合电路仿真功能，为设计实验原理图电路中某些功能模块的正确与否提供了方便。

3.提供了丰富的原理图组件库和PCB封装库，并且为设计新的器件提供了封装向导程序，简化了封装设计过程。

4.提供了层次原理图设计方法，支持“自上而下”的设计思想，使大型电路设计的工作组开发方式成为可能。

5.提供了强大的查错功能。

原理图中的ERC（电气法则检查）工具和PCB的DRC（设计规则检查）工具能帮助设计者更快地查出和改正错误。

6.全面兼容Protel系列以前版本的设计文件，并提供了OrCAD格式文件的转换功能。

2.2LPKFCircuitPro1.4软件

所有的LPKF雕刻机系统都包含按PCB版图制作实际印制电路板的功能。

首先从设计软件导出原始数据，按工艺进行编辑处理运算，分解成加工的单独步骤，指导用户一步一步完成整个制作过程。

LPKFCircuitPro导入各种格式的数据，提供丰富的编辑选项，并控制雕刻机。

另外，软件可以生成阻焊图形和漏印图形的模板数据。

3PCB设计

3.1设计电路原理图

3.1.1制作电路原理图的目的

原理图设计是电路设计的基础，制作电路图本身就是一个设计电路的过程，设计的结果是一张原理图，原件列表，以及原理图网络表。

原理图网络表是画电路板图的基础，从最终结果来看画原理图的目的是画电路板图而不是原理图本身。

只有在设计好原理图的基础上才可以进行印刷电路板的设计和电路仿真等。

3.1.2原理图的设计步骤

电路原理图的设计是印制电路板中重要的一步，电路原理图设计的好坏直接影响到后面的工作。

首先原理图的正确性是最基本的要求，其次原理图应该合理布局，这样不仅可以尽量避免出错、也便于读图、便于查找和纠正错误，最后，在满足正确性和布局合理的前提下应力求原理图的美观[3]。

1.设置电路图纸参数

用户可以根据电路图的复杂程度设置所用图纸的格式、尺寸、方向等参数。

2.装入所需要的元件库

将包含有用户所需元件的元件库装入设计系统中，以便用户从中央查找和选定所需的元器件。

3.放置元件

将用户选定的元件放置到已建立好的工作平面上，并对元件在工作平面的位置进行调整，对元件的序号、封装形式、显示状态等进行定义和设置。

4.电路图布线

将事先放置好的元件用具有电气意义的导线、网络标号等连接起来，使各元件之间具有用户所设计的电气连接关系。

5.建立网络表

完成上面的步骤以后，可以看到一张完整的电路原理图了，但是要完成电路板的设计，就需要生成一个网络表文件。

网络表是电路板和电路原理图之间的重要纽带。

6.原理图的电气检查

当完成原理图布线后，需要设置项目选项来编译当前项目，利用Protel提供的错误检查报告修改原理图。

7.编译和调整

如果原理图已通过电气检查，那么原理图的设计就完成了。

这是对于一般电路设计而言，尤其是较大的项目，通常需要对电路的多次修改才能够通过电气检查。

8.存盘和报表输出

Protel提供了利用各种报表工具生成的报表（如网络表、组件清单等），同时可以对设计好的原理图和各种报表进行存盘和输出打印，为印刷板电路的设计做好准备。

3.1.3原理图的设计规则

1.元件封装

（1）封装的定义

零件封装是指实际零件焊接到电路板时所指示的外观和焊点的位置。

不同的元件可共用同一零件封装，同种元件也可有不同的零件封装。

元件封装的主要参数是形状尺寸，因为只有尺寸正确的元件才能安装并焊接在电路板上。

像电阻，有传统的针插式，这种元件体积较大，电路板必须钻孔才能安置元件，完成钻孔后，插入元件，再过锡炉或喷锡（也可手焊），成本较高，较新的设计都是采用体积小的表面贴片式元件（SMD）这种元件不必钻孔，用钢膜将半熔状锡膏倒入电路板，再把SMD元件放上，即可焊接在电路板上了[4]。

（2）常用封装

电阻AXIAL；无极性电容RAD；电位器VR；三极管TO；双列直插元件DIP；二极管DIODE；电解电容RB；电源稳压块78和79系列TO-126H和TO-126V；场效应管和三极管一样；单排多针插座CONSIP；整流桥D-44、D-37、D-46；晶振XTAL1。

2.放置设计对象

（1）放置元件封装

放置方法一：

使用Place/Component菜单；放置方法二：

使用工具箱中的按钮。

方法基本同上；放置方法三：

使用PCB管理器的元件封装库管理功能放置元件封装。

首先选择好封装库，并查找元件封装。

若是已显示的封装库没有所需元件封装，使用Add/Remove按钮从﹨designExplorer99SE﹨Library﹨PCB目录中选择新的元件封装库，并把它加入到PCB管理器中。

若是选择了满意的封装，再单击Place按钮就可以看到元件封装跟随鼠标移动。

这是若要旋转元件就按空格键，若要左右翻转就按X键，若要垂直翻转就按Y键。

按Tab键可以编辑该封装的属性，当然当元件封装放好后双击该元件封装也可以编辑该元件封装属性。

若要编辑元件就单击Edit按钮。

（2）放置铜膜线

首先单击工具箱上的画线工具，光标变成十字。

然后用鼠标将光标放置到线的起点，单击鼠标左键，就可以拽出一根线，若需要转弯就单击鼠标左键一次。

结束画线只需单击鼠标左键一次，再单击鼠标右键一次。

若在走线中单击空格键，则可以改变走线方式。

若布线时按Shift+空格键，则可以循环改变走线模式。

可改变的模式是45度走线、90度走线、45度圆弧走线、90度圆弧走线、大圆弧90度走线和直接走线[5]。

若走线时需要更换板层，可以使用小键盘上的加号和减号键“*”键更换板层，当更换板层后Protel会自动增加过孔。

3.2PCB版图设计

3.2.1PCB板的设计步骤

1.使用原理图编辑器设计原理图，进行电气检查并生成原理图的网络表。

2.进入电路板环境，使用电路向导确定电路板的层数、尺寸等电路板参数。

3.使用Design/Netlist菜单，调入网络表，这时最容易出现网络表中的封装和元件库中元件封装不符合的错误。

4.布置元件，就是将元件合理的分布在电路板上，自动布置元件或人工布置元件。

5.自动布线和手工调整。

6.存盘和报表输出

3.2.2PCB板的设计规则

1.定义电路板

实际设计电路板的过程中，经常要直接定义电路板。

定义电路板主要是定义使用的板层和电路板的大小。

例如要设计一个主要使用插针元件的双面板，需要如下步骤：

（1）设置电路板层

首先建立设计数据库，使用File/New菜单,建立新的电路板文件，这样建立的电路板文件具有如下板层的双层板：

SolderMask（Top/Bottom）:

阻焊层；SilkScreen（TopOverlay）:

丝网层；Top:

顶层是元件面；DrillGuide（DrillDrawing）:

钻孔层；MechanicalLayer1:

机械层用于放置电路板尺寸；Bottom:

底层是焊接面；KeepOutLayer:

禁止布线层，用于设置电路板边缘；MultiLayer:

穿透层；PasteMask（Top/Bottom）:

锡膏层。

（2）设置电路板边缘尺寸

　将板层切换到KeepOutLayer，使用画线工具或使用快捷键P、T画一个框，该框的大小就是电路板的大小。

　若是没有确切的电路板尺寸，随便画一个框就可以了。

等布完线再重新画框定义电路板边缘。

需要注意的是电路板的电气外形尺寸一定得在KeepOut层中定义。

　而机械外形尺寸应该在MechanicalLayer层中定义。

（3）定义单层电路板

　使用Design/LayerStackManager菜单，然后单击右下脚的Menu按钮，在弹出的菜单中选择ExampleLayerStacks子菜单，然后选择SingleLayer,这时可以应该在屏幕底层观察到TopLayer标签变换成ComponentSide标签，而BottomLayer标签变成了SolderSide标签。

虽然定义成了单层电路板，但是在自动布线时还需要定义布线层[6]。

2.元器件布局

（1）特殊元件的布局

高频元件：

高频元件之间的连线越短越好，设法减小连线的分布参数和相互之间的电磁干扰，易受干扰的元器件不能距离太近。

具有高电位差的元件：

应该加大具有高电位差元器件和连线之间的距离，以免出现意外短路时损坏元器件。

一般要求2000V电位差之间的铜膜线距离应该大于2mm，若对于更高的电位差，距离还应该加大。

重量太大的元件：

重量过重的元器件应该有支架固定，而对于又大又重、发热量多的元器件，不宜安装在电路板上。

发热与热敏元器件:

注意发热元器件应该远离热敏元器件。

可以调节的元件：

对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应该考虑整机的结构要求，若是机内调节，应该放在电路板上容易调节的地方，若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相对应。

电路板安装孔和支架孔：

应该预留出电路板的安装孔和支架的安装孔，因为这些孔附近是不能布线的。

（2）按照电路功能布局

如果没有特殊要求，尽可能按照原理图的元件安排对元件进行布局，信号从左边进入、从右边输出，从上边输入、从下边输出。

以每个功能电路为核心，围绕这个核心电路进行布局，元件安排应该均匀、整齐、紧凑，原则是减少和缩短各个元器件之间的引线和连接。

数字部分应该与模拟部分分开布局。

3.电路板布线

（1）布线优先次序

先信号后电源原则：

现将数据信号线布通，后布电源线，最后地线；核心优先原则：

例如CPU、RAM等核心部分应优先布线，类似信号传输线应提供专层、电源、地回路。

其他次要信号要顾全整体，不可以和关键信号相抵触；关键信号线优先：

电源、模拟小信号、高速信号、时钟信号和同步信号等关键信号优先布线。

（2）走线方向控制规则

相邻层的走线方向成正交结构，避免将不同的信号线在相邻层走成同一方向，以减少不必要的层间串扰；同层数据线、电源线、地线走向一致，在布线工作最后，用底线将电路板的底层没有走线的地方铺满，以增强抗干扰能力。

（3）走线长度规则控制

即短线规则，在设计时应该尽量让布线长度尽量短，以减少走线长度带来的干扰问题，特别是一些重要的信号线，如时钟线，务必将其振荡器放在离器件很近的地方。

（4）倒角规则

PCB设计中应避免产生锐角和直角，产生不必要的辐射，同时工艺性能也不好。

所有线与线的夹角应≥135°。

（5）地线回路规则

环路最小规则，即信号线与其回路构成的环面积要尽可能小，环面积越小，对外的辐射越少，接收外面的干扰也越小。

（6）串扰控制

串扰是指PCB上不同网络之间因较长的平行布线引起的互相干扰，主要是由于平行线间的分布电容和分布电感作用。

（7）屏蔽保护

对一些特别重要，频率特别高的信号，应该考虑采用铜轴电缆屏蔽结构设计，即将所布的线上下左右用地线隔离。

（8）混合信号分区规则

将PCB分区为独立的模拟部分和数字部分，对于输入输出的模拟信号，与单片机之间最好通过光耦进行隔离[7]。

（9）导线尽量粗

地线很细，则地线电阻会较大，造成接地电位随电流的变化而变化，致使信号电平不稳定、电路抗干扰能力下降。

在布线空间允许的情况下，保证主要地线的宽度在2-3mm以上，元件引脚上地线在1.5mm左右。

数据线应尽可能的宽，至少不小于0.3mm，如果采用0.5mm则更理想。

（10）尽量减少过孔数

一个过孔会带来10pF的电容效应，对于高频电路，将会引入太多的干扰，故布线时应尽可能的减少过孔的数量。

（11）接地点的选择

当电路板上的信号频率高于10MHz时，由于布线的电感效应明显，地线的阻抗变得很大，应采用多点接地，尽量降低地线阻抗。

（12）预防噪音的方法：

设计电路板时，每个集成电路的电源和地线之间都要加一个去耦电容。

去耦电容有两个作用，一方面是本集成电路的蓄能电容，提供和吸收该集成电路开门和关门瞬间的充放电电能，另一方面旁路掉该器件产生的高频噪声。

去耦电容以瓷片电容或多层陶瓷电容的高频特性较好。

数字电路中典型的去耦电容为0.1uF。

（13）散热问题

稳压块、功率管等发热元件上配上散热片，以避免稳压块长时间工作在重负载下，造成过高的温升。

3.3PCB设计实例（声控灯电路）

3.3.1设计声控灯原理图

1.创建一个新项目（newproject）

（1）系统菜单“文件”»“创建”»“项目”»“PCB项目”，Projects面板出现。

新的项目文件，“PCBProject1.PrjPCB”与“nodocumentsadded”文件夹一起列出[8]。

（2）通过选择“文件”»“另存项目为”来将新项目重命名（扩展名为*.PrjPCB）。

把这个项目保存在硬盘上自定的位置，在文件名栏里键入文件名：

声控灯电路设计.PrjPCB并点击“保存”。

2.创建一个原理图并添加到空项目文件

（1）选择“文件”»“创建”»“原理图”。

一个名为Sheet1.SchDoc的原理图图纸出现在设计窗口中，并且原理图文件夹也自动地添加到项目。

（2）通过选择“文件”»“保存”来将新原理图文件重命名（扩展名为*.SchDoc）。

把这个原理图保存在自定硬盘中的位置，在文件名栏键入：

声控灯电路设计.SchDoc，并点击“保存”。

3.绘制原理图

（1）查找元件：

点击界面右侧的“元件库”标签显示库工作区面板。

点击“查找”如图3-1所示。

图3-1查找元件

（2）放置元件：

点击右侧元件库面板上的“place××”或者双击元件名，光标将变成十字状，现在处于元件放置状态。

可在放置前，按下“Tab”键，编辑其属性或放置后右击元件点属性进行编辑[9]。

（3）连接电路：

从菜单选择“放置”»“导线”（热键P，W）或从WiringTools（连线工具）工具栏点击Wire工具进入连线模式。

画图的时候，注意选择合适的元器件及对应的封装，阻值大小，元器件的极性等。

所绘制的电路原理图如图3-2所示。

图3-2电路原理图

（4）原理图绘制完成后，对所绘制的原理图进行编译。

选择“项目管理>>CompilePCBProject声控灯电路设计.PRJPCB”，点击Messages查看编译结果，对于出现的Error项，一定要查找其出现错误的原因，并进行改正，直至编译不出现Error项。

3.3.2绘制声控灯PCB图

1.在“声控灯电路设计.PRJPCB”工程下新建一个“声控灯电路设计.PCBDOC”文件，然后保存到相应的路径。

2.根据要求，设置单面板，选择“设计→LayerStackManager”，弹出管理版面，点击面板左下的“Menu”，在弹出