第三章Cadence的PCB板设计.docx

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第三章Cadence的PCB板设计

第三章Cadence的PCB板设计

在Cadence软件系统中，进行PCB板设计（包括元件封装和PCB板设计），主要是通过AllegroPackage软件来实现的。

3.1焊盘设计

进行过PCB板设计的人，都知道PCB板主要是由众多元器件和连线构成的，而每个元器件都有着自己封装形式。

在元器件的封装中，又占有着最重要的地位。

所以我们的讲授从焊盘的设计开始。

在这一节中，我们首先通过对一个可用于0603封装的表层焊盘，初步学习简单的焊盘设计；然后学习一个普通的通孔焊盘掌握焊盘的一般设计方法，最后再通过一个异型焊盘的设计，学习焊盘高级的设计。

一.设计表层焊盘

1．进入焊盘设计界面

我们在电脑上点击“开始→所有程序→CadenceSPB16.2→PCBEditorUtilities→PadDesigner”菜单项，则会出现如下界面：

图3-1进入“PadDesigner”设计环境

接着我们点击“File→New”菜单项，新建一个焊盘文件，我们把该焊盘文件命名为：

“Smd37rec39”（其中“Smd”表示顶层焊盘，“rec”表示焊盘为矩形，“37”和“39”表示焊盘的宽度和高度）。

2．设置“Parameter”选项页

回到“PadDesigner”界面，我们注意到它有两页，我们在“Parameter”页的“Units”的下拉列表框中选择“Mils”，表示以“mil”为单位，该页其它选项可以依照默认值。

3．设置“Layers”选项页

然后进入“Layers”页，如下图所示：

图3-2“PadDesigner”的“Layers”选项页

由于我们要设计的焊盘是贴片式焊盘，它只需要在印制板的表层进行设计，所以要选中“Singlelayermode”选项。

在该选项页中，主要进行有关焊盘的各个层的设置，各层在选项页的上部显示，如：

“BEGINLAYER”、“DEFAULTINTERNAL”等。

对应的设置参数在该选项页的下部，分成“RegularPad”、“ThermalRelief”、“AntiPad”三栏进行输入。

我们首先选中“BEGINLAYER”层，它表示印制板的表层，我们先设置“RegularPad”（表示焊盘本身的尺寸）栏中的各项：

在“Geometry”项中选择“Rectangle”，表示该焊盘为矩形；然后分别在“Width”和“Height”项中输入“37”和“39”由此设定焊盘的宽度和高度。

我们再看看“ThermalRelief”栏目，它表示热风焊盘的尺寸（所谓热风焊盘是指在本焊盘与大面积覆铜为同一网络时，本焊盘与覆铜部分半隔离区域的大小），显然它的尺寸比大于焊盘本身大20mil，在这里我们分别设置为53和55。

我们再看看“AntiPad”栏目，它表示反焊盘的尺寸（所谓反焊盘是指在本焊盘与大面积覆铜不是同一网络时，本焊盘与覆铜部分隔离区域的大小），在这里我们也分别设置为53和55。

然后再选中“PASTEMASK_TOP”层，通常它比“BEGINLAYER”层尺寸略大，所以也是在“Geometry”项中也选择“Rectangle”，在“Width”和“Height”项中输入“41”和“43”。

“PASTEMASK_TOP”层是指在实际在PCB板上焊接元件时，为焊盘涂上锡膏的钢模板的尺寸。

我们再选中“SOLDERMASK_TOP”层，也只需要设置“RegularPad”栏中的各项：

它一般比焊盘本身稍大，在“Geometry”项中选择“Rectangle”；然后分别在“Width”和“Height”项中也输入“43”和“45”由此设定了宽度和高度。

“SOLDERMASK_TOP”层是指不涂布阻焊层的大小（也称阻焊盘）。

设置完成后，可以在“Views”栏中看到焊盘的视图，其中“XSection”表示X方向的切面视图，“Top”表示顶视图。

完成上述设置后就可以存盘了。

二.设计通孔焊盘

在Cadence中，通孔型焊盘的设计比贴片式要复杂一些。

下面我们设计一个用于DIP封装的通孔型焊盘。

1．通孔型焊盘的结构

要在PCB板上制作一个通孔型焊盘，首先要在双面铜箔板上进行钻孔，由于铜箔板内层是不导电的，所以这时顶层和底层是不导通的。

然后通过电镀的方法，在孔的内壁上镀上金属，从而使上下导通。

当然像贴片式焊盘一样，在通孔焊盘的顶层和底层也需要设置“PASTEMASK”和“SOLDERMASK”。

如果这个通孔型焊盘还用于多层PCB板，由于多层PCB板的内层往往使用负片（即见到线条的地方没有铜箔、没有线条的地方有铜箔），这时它与内层电路的连接是采用“Flash”形式，所以在中间层又需要“Flash”焊盘。

下图表示了一个典型的通孔型焊盘的结构刨面：

图3-3通孔型焊盘的结构

2．焊盘参数的确定

为了确定通孔焊盘上各个尺寸，我们应该查找技术文档，下图就是一个采用DIP封装的集成电路的封装尺寸图：

图3-4DIP封装的集成电路的封装尺寸图

从图3-3知道采用DIP封装的集成电路的引脚，其最大宽度为0.022英寸，即22mil。

我们通常可以用以下公式确定通孔型焊盘的各个尺寸：

DRILL_SIZE>=PHYSICAL_PIN_SIZE+10MIL

RegularPad>=DRILL_SIZE+16MIL（DRILL_SIZE<50）（0.4mm1.27）

RegularPad>=DRILL_SIZE+30MIL（DRILL_SIZE>=50）（0.76mm1.27）

RegularPad>=DRILL_SIZE+40MIL（钻孔为矩形或椭圆形时）（1mm）

AntiPad=DRILL_SIZE+30MIL0.76mm

SOLDERMASK=Regular_Pad+6MIL0.15mm

PASTEMASK=RegularPad 

（Flash焊盘和热风焊盘的尺寸后面专门介绍）

根据上述公式，可以给出我们所需要的焊盘的各个尺寸：

引脚尺寸=22mil

钻头直径=（引脚尺寸+10mil）=32mil

正规焊盘直径>=（钻头直径+16mil）（钻头直径<50）=55mil

反焊盘直径=（钻头直径+30mil）=62mil

钢模板直径=正规焊盘直径=55mil

无阻焊剂直径=（正规焊盘直径+6mil）=61mil

3．“Flash”焊盘的制作

通过对通孔型焊盘结构的学习，我们知道通孔型焊盘可能与位于PCB板内电层的电源层或地线层相连，一般内电层是以负片形式出现的。

在通常情况下，这些电源层、地线层都采用大面积覆铜的形式，如果焊盘的四周都与大面积的覆铜相连，则会给元件的拆卸带来很大的困难。

制作Flash焊盘的目的，是在焊盘与大面积覆铜的（且负片形式的）内电层相连，我们设计的Flash焊盘，只在一定方向上与覆铜连接，而不是在360°方向上与覆铜都有连接，这样就便于元件的拆卸了。

下图是一个Flash焊盘的例子：

图3-5Flash焊盘

在图3-5上，我们看到4个小块。

由于Flash焊盘是用于负片的，所以在PCB板上，这4个小块（对应的铜箔）是被去除的，而其余黑色部分是保留铜箔的。

我们还应注意到，4个小块是两个同心圆切割而成的，所以我们就把这两个同心圆的直径称为Flash焊盘的内径（InnerDiameter）和外径（OuterDiameter），而两个小块之间的宽度称为连线宽度（WedOpen）。

另外，连线的方向与水平方向成45°角。

我们通常这样命名Flash焊盘：

TRaXbXc-d

其中a是内径，b是外径，c是连线宽度，d是连线与水平方向的夹角。

而相应尺寸的计算公式如下：

a.InnerDiameter:

DrillSize+16mil

b.OuterDiameter:

DrillSize+30mil

c.Spoke:

  12 （当DrillSize=10mil以下）

                           15 （当DrillSize=11~40mil）

                           20 （当DrillSize=41~70mil）

                           30 （当DrillSize=71~170mil）

                           40 （当DrillSize=171mil以上）

d.Angle:

45

所以我们的Flash焊盘命名为：

TR48X62X15-45

设计“Flash”焊盘要启动“Allegro”软件，我们在电脑上点击“开始→所有程序→CadenceSPB16.2→PCBEditor”菜单项，则会出现如下界面：

图3-6AllegroPackage软件的项目

在图3-6中，选择“AllegroPCBDesignGXL”，点击“OK”按键后，就启动了“AllegroPackage”软件，界面如下图所示：

图3-7“AllegroPackage”软件界面

我们点击“File→New…”菜单项，弹出以下对话框：

图3-8创建Flash图形文件

如图3-8所示，在DrawingType栏目中，要选择“Flashsymbol”项。

接着我们要设置图纸的大小，点击“Setup→DesignParameters…”，弹出如下“设计属性编辑”对话框：

图3-9设计属性编辑对话框

在图3-9所示的对话框中，共有5个选项页，我们主要在“Design”选项页中设置，在该页的“Size”栏目中，“UserUnits”项设置为“Mils”，“Accuracy”项（表示小数点后的位数）设置为“1”；在“Extents”栏目中，设置“LeftX”和“LowerY”均为-100（它们表示图纸上，左下角的坐标），在“Width”和“Height”中，都输入“200”（它们是图纸的宽度、高度）；在“DrawingType”栏目中选择“Flash”。

进行了上述选择之后，点击“OK”按键，回到主界面。

点击“Add→Flash”菜单项，弹出如下对话框：

图3-10添加Flash对话框

在图3-10所示的对话框中，“Innerdiameter”表示内径；“Outerdiameter”表示外径；“Spokewidth”是“辐条宽度”，即：

焊盘与大面积覆铜的连接线宽度；“Numberofspokes”表示辐条的数目；“spokesangle”是辐条的角度。

我们将内径、外径的尺寸分别设为48、62mil，辐条宽度设为15，其它保持默认值。

其Flash图形如下图所示：

图3-11Flash焊盘

Flash焊盘绘制完毕后，应该进行存盘，在存盘时还会自动产生其数据文件。

4．通孔型焊盘的设置

在完成了上述准备工作，我们再次启动焊盘编辑器，新建焊盘，并把该焊盘命名为：

pad55cir32d。

一般通孔型焊盘用“pad”标示；55和32分别表示正规焊盘和钻孔的直径；cir表示为圆形焊盘；d表示考虑了多层板的中间层的连接。

在焊盘编辑器的“Parameters”页上，我们按照下图进行设置：

图3-12通孔型焊盘的“Parameters”页设置

如图3-12所示，在“Parameters”页中，对于贴片式焊盘而言，只需要设置“Units”和“Decimalplaces”两项。

而对于通孔型焊盘，还要进行更多设置：

“Holetype”设置孔的形式，可以是圆的、椭圆的或长方形的，我们选择“CircleDrill”。

“Plating”设置孔是否镀有金属层，我们的孔当然要镀金属层，所以选择“Plated”。

“Drilldiameter”是钻头的直径，按照前面的计算，我们把它设为“32”。

“Figure”是钻孔符号的形状，我们设为圆形。

“Characters”是钻孔符号图形内的文字。

“Width”和“Height”是钻孔符号图形的高度和宽度。

在“Layers”页中，我们首先设置“BEGINLAYER”层：

“RegularPad”栏的“Geometry”项中选择“Circle”；“Width”或“Height”栏中输入“55”。

“ThermalRelief”栏的“Geometry”中输入“Flash”；并在“Flash”栏中选择我们前面完成的“TR48X62X15-45”图形。

“AntiPad”栏也设置为直径为62的圆形。

我们设置完“BEGINLAYER”层后，可以把它复制到“ENDLAYER”层和“DEFAULTLAYER”层。

方法是首先用鼠标的右键点击该层前方的“

”块，在弹出的菜单中选择“Copy”；然后再用鼠标右键点击目的层前方的小块，并在弹出的菜单中选择“Paste”，这样就可以完成各层之间的拷贝工作。

上述设置完成之后，我们再设置顶层和底层的“SOLDERMASK”和“PASTEMASK”，如下图所示：

图3-13通孔型焊盘的“Layers”页设置

完成通孔焊盘的设置后，可以保存并关闭“PadDesigner”软件。

三.设计异型焊盘

在PCB板设计中，往往会遇到一些特殊形状的焊盘，比如在三端稳压集成块1117上，其中间的引脚就与散热片形成一个特殊形状的焊盘，下面我们就学习这个焊盘的制作。

1．查看1117的技术文档

稳压集成块1117有好几种封装形式，在这里我们只考虑SOT-223封装，它的形式如下：

图3-14SOT-223封装的稳压集成块

下图是SOT-223封装的尺寸图：

图3-15SOT-223封装的尺寸图

从图3-15上可以看出，我们可以把SOT-223的中间引脚和上方的散热片合成为一个引脚，这个引脚形成“T”字形，其上方可以是3.25×2.15mm的矩形，并拖着一个0.95×5.8mm的“尾巴”。

其余两个引脚的焊盘可以是0.95×2.15mm的标准矩形焊盘。

2．绘制异型焊盘图形

下面我们就开始制作这个“T”字形的异型焊盘，首先要绘制一个“T”字型的图形，我们还是要使用Allegro软件来绘制该图形。

打开Allegro软件后，新建一个设计文件，其类型为：

“Shapesymbol”，文件命名为“T001”。

新建该图形文件后，也需要设置所用的单位、精度和图纸的大小，我们图纸采用mm为单位精度为3位小数，并把图形的大小设置为10mm见方，且中心点为原点。

其具体设置方法这与前面讲授的内容一致，就不赘述了。

下面我们用绘制多边形的方法，绘制我们所需要的图形：

首先点击“Shape→Polygon”菜单项，然后在窗体下部的命令栏中，输入其左上角的坐标，其输入为：

“x-1.653.975”。

（请注意x与坐标值之间有空格，另外两个坐标值之间也有空格。

）

输入第一个点的坐标后，接着我们画出图形上方的直线：

在命令栏中输入：

“ix3.25”，于是从（-1.65,3.975）到（1.65,3.975）之间就画出了一条直线。

（ix3.25表示x方向的坐标增量为3.25）

我们再画上方矩形右边的直线，在命令栏中输入：

“iy2.15”，于是从（1.65,3.975）到（1.65,1.825）之间就画出了一条直线。

（iy2.15表示y方向的坐标增量为2.15）

我们再画上方矩形右下边的直线，在命令栏中输入：

“x0.475”，于是从（1.65,1.825）到（0.475,1.825）之间就又画出了一条直线。

（“x0.475”表示x坐标移动到0.475处，y坐标不改变）

以下依此类推，画出整个图形，最后，用鼠标的右键在图纸上点击，在弹出的菜单中选择“Done”。

如果在此过程中，若某个步骤出现误操作，可以用鼠标的右键在图纸上点击，在弹出的菜单中选择“Oops”，就可以撤销前一个操作；如果选择“Cancel”，就可以撤销整个绘制工作。

绘制后的图形如下所示：

图3-16异型焊盘的图形

除了这个图形之外，为了在制作焊盘时设置阻焊盘和钢模板，我们还要再绘制一个图形，它比前述图形略大，我们把它命名为：

“T002”，其制作过程就不再详述了，请读者自行完成。

3．创建异型焊盘

打开焊盘编辑器软件，新建一个焊盘文件，并命名为“SOT223m”，所用的单位是“毫米”，精度为小数点后3位。

在编辑器软件的“Layers”页上，请按照下图方式进行设置：

图3-17异型焊盘的设置

在“BEGINLAYER”层的“RegularPad”栏目的“Geometry”选项栏上，选择“Shape”，并在“Shape”选项中选择“T001”图形。

而该层的热风焊盘和反焊盘，均用矩形替代。

在“PASTEMASK_TOP”层和“SOLDERMASK_TOP”层，均在“Geometry”选项栏上，选择“Shape”，并在“Shape”栏采用“T002”图形。

完成上述设置后，可以保存并退出焊盘编辑软件。

3.2元件封装设计

在创建了焊盘之后，就可以创建元件的封装了，在本节中，我们将通过CAP-0603和SSOP-20两个元件封装的创建，熟悉元件创建的过程。

其中CAP-0603元件封装采用形式手工方式进行，而SSOP-20元件封装采用向导方式进行。

一．手工方式创建贴片型元件封装

要创建元件的封装，首先应该启动“Allegro”软件，在前面我们已经初步掌握，

我们点击“File→New…”菜单项，弹出以下对话框：

图3-18选择新设计的类型为“Packagesymbol”

在图3-18中的对话框中，我们可以选择，新建设计的名称、存储路径和类型。

“DrawingName”栏目中填上“CAP-0603”；在“DrawingType”中选择“Packagesymbol”，表示要进行元件封装设计。

点击“OK”按键后，回到主界面。

1．设置幅面和栅格

我们当然要设置图纸的大小，其方法在前面介绍过了，这里就不细说了，请按照下图的方式进行设置：

图3-19设置图纸的尺寸

进行了上述选择之后，点击“OK”按键，回到主界面，这时图纸的幅面变小，可是栅格还是比较大的，需要改变栅格的设置：

点击“Setup→Grid…”，出现以下界面：

图3-20栅格点设置

在图3-20中，将所有的“SpacingXY”都设为0.025，把“OffsetXY”都设为0，然后点击“OK”按键回到主界面，这样就把栅格的大小设置为1mil。

2．放置焊盘

接着点击“Layout→Pins”菜单项，然后点击“Option”窗口（一般它隐藏在主窗体的右边），该窗口如下图所示：

图3-21添加引脚时的“Option”窗口

首先要选择“Connect”选项，而不要选择“Mechanical”，表示添加的引脚时有电气连接的。

在“Padstack”栏目中点击边上的“

”按钮，从而选择焊盘，我们选择前面创建的“Smd37rec39”焊盘。

“Copymode”栏目保持默认值。

“Qty”的“X”栏目输入2，而“Y”栏目输入1，表示在元件中横向有两个焊盘，而纵向有一个焊盘。

“Spacing”的“X”栏目输入“1.5”表示两个焊盘的中心距为1.5mm，“Order”的栏目保持默认值。

“Rotation”栏目保持“0”，表示不旋转。

“Pin#”栏目输入1，表示引脚编号从1号开始，“Inc”栏目输入1，表示引脚标号的地增值为1。

“OffsetXY”分别输入0和-0.25，表示焊盘上编号文字的位置。

完成上述设置后，在命令窗口输入“x-0.750”，于是会放置两个焊盘，并将第一个焊盘放在（-0.75,0）的位置上。

3．绘制元件外形

下面我们绘制元件的外形，点击点击“Option”窗口，在该窗口上有两个下拉列表框，如下图所示：

图3-22“Option”窗口的活动类和子类

在图3-22中，上面的下拉列表框用于活动类的选择，下面的下拉列表框用于子类的选择。

这种“活动类”和“子类”，其实就是一种组合的分类方法，如在图3-22中，“活动类”是“PackageGeometry”表示要进行元件的几何尺寸设计，“子类”是“Assembly_Top”，表示要在顶层的装配层上进行绘制。

下面我们设置丝印外框，点击“Add→Line”菜单项，然后点击“Option”窗口，设置活动类为“PackageGeometry”，子类改为“Silkscreen_Top”，并把线的宽度设成0.05，然后在命令窗口输入元件丝印外框的坐标：

Command>x-1.40.675

Command>y-0.675

Command>x1.4

Command>y0.675

Command>x-1.4

我们应该注意到，在上述命令中，只有第一个命令完整地输入了坐标，在其它的命令中，都只输入了一个坐标值，它隐含着另一个坐标值不变。

绘制完成后，应用鼠标右键在图形上点击，在弹出的菜单中选择“Done”。

在实际进行PCB布板过程中，我们往往要关闭丝印层，仅打开装配层，所以必须在装配层上绘制出元件的外形，从而在仅打开装配层的情况下，使用户能分辨元件。

按照图3-22进行“活动类”和“子类”的设置后（“活动类”为“PackageGeometry”、“子类”为“Assembly_Top”），然后点击点击“Add→Line”菜单项，开始在顶层装配层，绘制元件的几何图形。

绘制的方法与在丝印层绘图是一致的，所以就不多说了。

由于在装配层上绘制的图形，仅仅用于在PCB布板中，对元件的识别，所以其尺寸没有严格的要求，仅需要能形象地显示，另外线的宽度可以是0。

由于装配层上的图形不会影响焊接，所以可以把它们放在焊盘上。

4．设置元件所占据的空间

任何一个元件至少要有一个“PlaceBound”（即放置界限），它一般都是矩形，我们点击“Add→Rectangle”，然后选择活动类为“PackageGeometry”，子类为“Place_Bound_Top”，然后在命令窗口中输入：

Command>x-1.45-0.725

Command>x1.450.725

这样就完成了“放置界限”的设置。

5．放置参考编号

参考编号也是一个元件必不可少的组成部分，放置的方法如下：

点击“Layout→Labels→RefDes”菜单项，我们先在顶层装配层加入参考编号，然后选择子类为“Assembly_Top”，然后在元件边上点击一下，输入需要的文字。

因为我们所创建的CAP-0603元件封装用于电容，所以输入的文字为“C*”，在实际放置时，该文字变为“C1、C2”等。

按照类似的方法，在顶层丝印层也放置参考编号的文字为“C*”。

需要注意的是由于丝印层的编号是实际印在PCB板上的，为了在生产过程中看清楚，所以不能太小，我们可以在“Option”栏的“Textblock”选项栏中选择合适的字号。

6．创建零件

点击“File→CreateSymbol…”菜单项，将弹出创建“CreateSymbol”对话框，选择路径、名称后，可以保存该封装。

点击“File→CreateDevice…”菜单项，将弹出创建“CreateDevice”对话框，选择封装的类型为“DISCRETE”。

最后点击“File→Save”菜单项，就保存了“CAP-0603”封装设计文件。

在全部设计完成后，CAP-0603封装如下图所示：

图3-23CAP-0603封装的设计完