板设计与制作

3.3.1 PCB板设计制作概述

电子设备由元器件、组件、连线及零部件等按要求组装而成，只有通过合理的布局，妥善安排其位置，才能有利于保证技术指标的实现，并保证其稳定可靠地工作。在电路单元中元器件的位置安排称为元器件布局，各组件、元器件之间的各种导线的连接与走向安排，称为布线。布局与布线直接影响电子设备的性能、组装工艺。

1.元器件的布局

1）元器件的布局原则

电子设备、组建中元器件的布局，应遵循以下原则。

（1）元器件布局应保证电性能指标的实现。

电性能一般指频率特性、信号失真、增益、工作稳定性、相位移、杂音电平、效率等有关指标，具体要求随电路不同而异。元器件布局对电性能有很大影响，如低频电路在高增益时布局不当会产生寄生反馈使输出信号失真或工作不稳定；又如高频装置的布局不当会改变分布参数，使电路参数改变，带来严重后果。对数字电路而言，如布局不当会引起传输信号波形畸变，前后沿变坏，产生不利影响。如果元器件在布局时，注意电场、磁场的影响，并将电磁感应降低到最低限度，就能减少上述不良现象的产生，否则应采取屏蔽和隔离措施。

（2）元器件布局要有利于布线。

元器件的位置和放置方向以及元器件之间的间距直接影响连线长度和敷设路径，而导线长度和走线方向等会影响其分布参数和电磁感应，最终将影响电路性能。而且不合理的走线还会影响组装的工艺性。因此元件布局时应充分考虑布线，做到相互照应、便于布线、走线。

（3）元器件的布局要有利于结构安装。

目前电子设备正向小型化、微型化方向发展，要求结构紧凑，提高组装密度。因此在元器件布局时，应精心考虑，巧妙安排，使安装结构紧凑，重量分布均衡，排列有序，在各方面要求兼顾的条件下，力求提高组装密度，以缩小整机尺寸。此外，元器件布局时，在考虑元器件重量均衡的同时力求降低整机的重心；元器件应排列有序，层次分明，这样有利于查找和维修，便于装配和调试。

（4）元器件布局应有利于散热和耐冲击振动。

高温对大多数元器件特别是半导体的影响较大，对温度敏感元器件的影响更大，在布局时要有利散热，严格按照热设计要求布置。有些元器件耐冲击振动能力较差，或冲振对其工作性能有较大影响，在布局时应充分注意其抗振防冲的要求。

2）布局时的排列方法和要求

（1）按电路图顺序呈直线形排列是较好的排列方式。

按电路图中各级电路的顺序，将各级电路排列成直线是常见，也是较好的排列方式。各级电路以其主要器件 （晶体管或集成电路块）为中心按横轴顺序排列；各级电路的元器件尽量靠近主要器件，并集中布设在其四周。具体是：前级输出和后级输入间的元器件布置在两级主要器件之间的横轴区域，而各级电路的其他元器件则布置在主要器件两侧的纵轴区域。

电路元器件成直线排列的优点是：

①电路的输入级和输出级距离较远，减少了输入与输出之间的寄生反馈 （寄生耦合）。

②各级电路的地电流主要在本级范围内流动，减少了级间的地电流窜扰。

③便于各级电路的屏蔽和隔离。必须指出，按直线布局时，应使各级电路之间有足够的距离，使前后级电路能很好地衔接，并应注意主要器件的引脚方向，使连线最短。对于集成电路与之相连的元器件应布置在集成电路块相应的引线附近，其距离应稍近。

电路中既有高电位元件又有低电位元件时，高电位元件布置在横轴上，而低电位元件布置在纵轴上，这样可以免除地电流窜流，减少高电位元件对低电位元件的干扰。

电路受到安装空间限制，不能作直线布置时，可采用角尺形 （L形）或两排平行布置。这时应采用两块底板，各底板仍然是直线布置，两底板彼此隔离，只在一点上作电连接。锯齿形 （W形）布局是不可取的，因为这种布局虽然面积占用较小，但地电流窜扰大，寄生耦合较大，对电路工作不利，一般不能采用。

虽然采用印制电路板的电路单元的地电流影响不如采用金属底座的电路单元那样严重，但布局时也应采取直线布置，这样输入、输出远离，寄生反馈小，而且各级电路印制导线最短，可削弱耦合干扰。

（2）注意各级电路、元器件、导线之间的相互影响。

各级电路之间应留有适当的距离，并根据元器件的尺寸合理安排，要注意前一级输出与后一级输入的衔接，尽量将小型元器件直接跨接在电路之间，较重、较大的元器件可从电路中拉出来另行安装，并用导线连入电路。

具有磁场的铁芯器件、热敏元件，高压元件应正确放置，最好远离其他元件，以免元器件之间产生干扰。

为了减少高频电路分布参数的影响，相近元器件最好不要平行排列，其引线也不要平行，可互相交错排列 （如一个直立，另一个卧倒）。

（3）排列元器件时，应注意其接地方法和接地点。

如果用金属底座安装元器件，最好在下底表面敷设几根粗铜线作地线，地线应热浸锡后焊在底座中央 （注意每根粗铜线必须与底座焊牢）。需接地元器件接地时，应选取最短的路径就近焊在粗铜地线上。如果大型元器件安装在其他金属构件上，应单独敷设地线，不能利用金属构件作地线。

在金属底座和金属构件上安装元器件时，应留有足够的安装空间，以便装拆。

如采用印制电路板安装元器件，各接地元器件要就近布置在地线附近，可根据情况采用一点接地和就近接地。

（4）在元器件布局时应满足电路元器件的特殊要求。

对于热敏元器件和发热量大的元器件，在布局时应注意其热干扰，可采取热隔离或散热措施；对需要屏蔽的电路和元器件，布局时应留有安装屏蔽结构的空间。

对推挽电路、桥式电路或其他要求电性能对称的电路，排列元器件时应注意做到结构对称性，即做到元器件位置对称、连线对称，使电路的分布参数尽可能一致。

2.印制电路板结构设计的一般原则

上面讲的元器件布局与布线原则，对印制电路板上的元器件布局也基本适用。但印制电路板又有其自身特点，如印制导线都是平面布置，单面印制电路板上导线不能相互交叉；铜箔的抗剥离强度较低，接点不宜多次焊接；不宜采用一点接地等。因此印制电路板上元器件的布局与布线又有其自身的特点。

1）印制电路板的结构布局设计

（1）印制电路板的热设计。

由于印制电路板基材的耐温能力和导热系数都比较低，铜箔的抗剥离强度随工作温度的升高而下降，印制电路板的工作温度一般不能超过85℃。如果不采取措施，则过高的温度会导致印制电路板损坏和焊点开裂。降温的方法是采用对流散热，根据情况采用自然通风或强迫风冷。设计印制电路板结构时，主要有以下几种散热方法：均匀分布热负载，零件装散热器；在印制电路板与元器件之间设置带状导热条，局部或全局强迫风冷。

考虑到印制电路板上元器件的散热和相互之间的热影响，元件排列的方向和疏密要有利于空气对流。印制板直立安装更有利于散热，板与板之间的距离一般不应小于2cm，而且器件在印制电路板上的排列方式应遵循一定的规则：对于采用自然对流通风冷却的电子设备，最好将集成电路 （或器件）按纵长方式排列；对于采用强迫通风冷却的电子设备，最好将集成电路 （或其他器件）按横长方式排列。

同一块印制电路板上的器件应尽可能按其发热量大小及耐热程度分区排列，发热量小、热敏元件或耐热性差的器件 （如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容器等）放在冷却气流的最上游 （入气口）。发热量大的 （如功率晶体管、大规模集成电路等）或耐热性好的元器件应放置放在冷却气流最下游 （出气口），并且在水平方向上尽量靠近印制电路板边沿布置，以便缩短传热路径；而在垂直方向上这类元器件尽量靠近印制电路板上方布置，以便减少这些器件工作时对其他器件温度的影响。

元件的工作温度高于40℃应加散热器。散热器体积较小时可直接固定在元件上，体积较大时应固定在底板上。在设计印制电路板时要考虑到散热器的体积以及温度对周围元件的影响。热敏元件应远离高温区域 （如在设备的底部），并和其他元件要有足够的距离，或采用热屏蔽结构。

电解电容不可触及发热元件，如大功率电阻、热敏电阻、变压器、散热器等。电解电容与散热器的最小间隔为10.0mm，其他元件到散热器的最小间隔为2.0mm。

那些又大又重、发热量多的元器件，不宜装在印制电路板上，而应装在整机的机箱底板上，且应考虑加散热器。

实践经验表明，采用合理的器件排列方式，可以有效地降低印制电路板的温度，从而使器件及设备的故障率明显下降。

（2）印制电路板的减振缓冲设计。

印制电路板是电子产品中电路元件和器件的支撑件，它提供电路元件和器件之间的电器连接。为提高印制电路板的抗振动、抗冲击性能，板上的负荷应合理分布以免产生过大的应力。较重的元件应安排在靠近印制电路板支承点处。大而重的元件 （质量超过15g或体积超过27cm3）尽可能靠近固定端布置，并降低其重心或加金属结构件固定或者焊接固定。

电路板面尺寸大于200mm×150mm时，应考虑电路板的机械强度。应该采用机械边框对其加固，减小印制电路板受负荷时产生的变形。位于电路板边缘的元器件，距离电路板边缘一般不小于2mm。在板上要留出固定支架、定位螺钉和连接插座所需的位置。

（3）印制电路板的抗电磁干扰设计。

进行PCB电磁兼容性EMC（electromagnetic compatibility）设计的目的是控制下述指标：来自PCB电路的辐射；PCB电路与设备其他电路间的耦合；PCB电路对外部干扰的灵敏度；PCB上各种电路间的耦合。

为使印制电路板上元器件的相互影响和干扰最小，高频电路和低频电路、高电压与低电位为电路的元器件不能靠得太近。输入和输出元件应尽量远离，最可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。元器件排列方向与相邻的印制导线应垂直交叉。特别是电感器件和有磁芯的元件要注意其磁场方向。线圈的轴线应垂直于印制电路板面，以求对其他零件的干扰最小。

使用的时钟频率高于10MHz时，大多使用具有掩埋接地层的多层板设计。模拟和数字电路要分层布局，以达到板上各电路之间的相互兼容。同一层电源线与地线要靠近；时钟线、信号线与地线的距离要近，以减少电路工作时引起的内部噪声。

另外，一定不能忽略对静电放电 （ESD）的防护。ESD防护的关键，一是防止静电荷的产生和积累，再就是阻隔ESD效应的产生。印制电路板中有接触器、继电器、按钮等元件时，工作过程中均会产生较大火花放电，必须采用RC电路来吸收放电电流。一般R取1～2kΩ，C取2.2～47μF。CMOS的输入阻抗很高，且易受感应，因此在使用时不用端（指不接入电路的空脚）要接地或接正电源。

随着高密度精细线宽 （间距）的发展，导线与导线间距愈来愈小，使得因导线与导线间的耦合和干扰作用带来杂散信号或错误信号，俗称为串扰或噪音。这种耦合作用可分为电容性耦合和电感性耦合两种。这些耦合作用所带来的杂散信号，应通过设计或隔离办法来减少或消除。

①采用信号与地线交错排列或地线 （层）包围信号线，以达到良好的隔离作用。

②采用双信号带状线时，相邻的两层信号线不宜平放布设，最好采用井字形网状布线（垂直走线）结构，或斜交、弯曲走线，力求避免相互平行走线。减少导线之间的互感和分布电容。具体做法是印制电路板的一面横向布线，另一面纵向布线，然后在交叉孔处用金属化孔相连。同时不宜直角或锐角走线，应以圆角走弧线与斜线，尽量降低可能发生的干扰。为了避免高频率信号通过印制导线时产生的电磁辐射，在印制电路板布线时，还应注意尽量减少印制导线的不连续性，例如导线宽度不要突变，导线的拐角应大于90°，禁止环状走线等。

③以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上。尽量减少和缩短各元器件之间信号线的长度。目前在保持高密度走线的条件下，缩短信号传输线最有效的方法是采用多层板结构。

④应把最高频信号或最高速数字化信号组件尽量接近印制电路板连接边输入输出（I／O）处，使它们的传输线走线最短。同时把传输线间的距离尽可能拉大且均匀布设，以取得最佳的电气性能。

⑤各种元件要安排得使干扰和敏感电路相隔开；时钟印制线、总线和芯片要与I／O线和连接器隔开；时钟运行速率应最低，并垂直于信号线布放；如果时钟电路不在板上，应靠近连接器布放。另外，时钟电路应位于板的中心，以有助于使板上分布的印制线最短；I／O芯片应在相应的连接器附近；利用靠近驱动器的电阻；电感和铁氧体珠对输出电路进行衰减；各种类型电路及其接地应被分开。

⑥对高频信号和高速字化信号组件的引脚，应采用BGA类型结构而尽量不采用密集的QFP形式。因为BGA具有更高的组装密度，因而可提供更短的信号通路 （道），同时BGA类型结构可避免QFP密集引脚 （或相应焊垫）之间带来的感生电容和杂散信号，进而防止因此出现的电磁干扰。

⑦采用最新的CSP技术。因为CSP具有比SMT的BGA更高的组装密度，因而也具有更短的互联传输线长度，从而改善电气特性、热性能和可靠性。

⑧在整个PCB设计过程中，应使用旁路技术，注意去耦电容的配置，一般用陶瓷电容。去耦电容的引线不能过长，特别是高频旁路电容不能带引线。具体做法是：在电源输入端跨接一个10～100μF的电解电容器，如果印制电路板的位置允许，采用100μF以上电解电容器的抗干扰效果会更好；为每个集成电路芯片配置一个0.01μF的陶瓷电容器。遇到印制电路板空间小而装不下时，可每4～10个芯片配置一个1～10μF钽电解电容器。这种器件的高频阻抗特别小，在500kHz～20MHz范围内阻抗小于1Ω，而且漏电流很小 （0.5μA以下）；对于噪声能力弱，关断时电流变化大的器件和ROM、RAM等存储型器件，应在芯片的电源线（VCC）和地线（GND）间直接接入去耦电容。

（4）印制电路板的板面设计。

元器件应按电路原理图顺序呈直线排列，力求紧凑以缩短印制导线长度，并得到均匀的组装密度。在保证电性能要求的前提下，元器件应平行或垂直于板面，并和主要板边平行或垂直，在板面上分布均匀整齐。一般不得将元件重叠安放，如果确实需要重叠，应采用结构件加以固定。

通常元器件布置在印制电路板的一面，此种布置便于加工、安装和维修。对于单面板，元器件只能布置在没有印制电路的一面，元器件的引线通过安装孔焊接在印制导线的焊盘上。对于双面板，主要元器件也是安装在板的一面，在另一面可装一些小型零件，一般为表面贴装元件。如需绝缘可在元器件和印制电路之间垫绝缘薄膜，或留1～2mm间隙。

如果由于板面尺寸限制，或由于屏蔽要求而必须将电路分成几块时，应使留出印制电路板定孔及固定支架所占用的位置。如SMT印制电路板一般沿PCB焊接传送方向的两条边留出4mm夹持边，在这个范围内不允许布放元器件和焊盘，以便于设备的夹持。遇到高密度板而无法留出夹持边时，可设计工艺边或采用拼板式，焊后再切去。定位孔周围1mm范围内也不允许贴片。

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考虑整机的结构要求。若是机内调节，应放在印制电路板上便于调节的地方；若是机外调节，其位置也调节旋钮要在机箱上。元件的标记或型号应朝向便于观察的一面。

2）印制电路板上元器件布线的一般原则

（1）电源线设计。

根据印制线路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻及其电压降。同时，使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于减少寄生耦合产生的自激，增强抗噪声能力。将电源总线布置的尽可能靠近地线，这样不但使电源总线环路的面积最小，而且能减少辐射。电源线要在PCB接口处进行滤波。

（2）地线设计。

电子产品中地线的结构大致有系统地、机壳地 （屏蔽地）、数字地 （逻辑地）和模拟地等几类。在地线设计中应注意以下几点。

①公共地线应布置在板的最边缘，便于印制电路板安装在机架上，也便于与机架 （地）相连。导线与印制电路板边缘应留有一定的距离 （不小于板厚），这不仅便于安装导轨和进行机械加工，而且还提高了绝缘性能。

②数字地与模拟地应尽量分开，它们的供电系统也要完全分开。电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电路，应使它们尽量分开。两者的地线不要相混，分别与电源端地线相连。信号工作频率小于1MHz的低频电路，其布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分串联后再并联接地。信号工作频率大于10MHz的高频电路，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，采用就近多点接地。地线应短而粗，电路的工作频率越高，地线截面应越宽。如有可能，接地线截面宽度应在2～3mm以上。当工作频率在1～10MHz时，如果采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1／20，否则应采用多点接地法。

③高频元件周围尽量大面积栅格状布铜。如果印制电路板上有大面积地线和电源线区（面积超过500mm2），应局部开窗口。开窗口的目的是为了避免波峰焊时，因长时间受热发生铜箔膨胀和脱落现象或产生印制电路板翘曲，有利于排除铜箔与基板间的黏合剂受热产生的挥发性气体。窗口的大小至少不能小于0.2mm×0.2mm。

④多层印制电路板结构应对称，一是避免设计奇数层的多层板；二是多层板中心两边的信号层和电源、地层应对称排列。

⑤仅由数字电路组成的印制电路板，其接地电路布成封闭环路，很多时候能提高抗噪声能力。原因在于：印制电路板上有很多集成电路元件，尤其遇有耗电多的元件时，受接地线粗细的限制，会在地线上产生较大的电位差，引起抗噪能力下降；若将接地线构成环路，则会缩小电位差值，提高电子设备的抗噪声能力。但印制板附近有强磁场时，地线不能做成封闭回路，以免成为一个闭合线圈而引起感生电流。

⑥印制电路板上每级电路的地线一般应自成封闭回路，以保证每级电路的地电流主要在本级地回路中流通，减小级间地电流耦合。同一级电路的接地点应尽量靠近，并且本级电路的电源滤波电容也应接在该级接地点上。特别是本级晶体管基极、发射极的接地点不能离得太远，否则两个接地点间的铜箔太长会引起干扰与自激。采用 “一点接地法”的电路，工作较稳定，不易自激。

⑦总地线必须严格按高频一中频一低频一级级地按弱电流到强电流的顺序排列，切不可随便翻来覆去乱接。如有不当就会产生自激以致无法工作。高频电路常采用大面积包围式地线，以保证有良好的屏蔽效果。

（3）信号线设计。

①低频导线靠近印制电路板边布置。将电源、滤波、控制等低频和直流导线设置在印制电路板的边缘。高频线路设置在板面的中间，可以减小高频导线对地线和机壳的分布电容，也便于板上的地线和机架相连。要注意管脚排列顺序，元件脚间距要合理。

②高电位导线和低位导线应尽量远离，最好的布线是使相邻的导线间的电位差最小。

③瞬变电流在印制导线上所产生的冲击干扰主要是由印制导线的电感成分造成的，印制导线的电感量与其长度成正比，与其宽度成反比，应避免长距离平等走线，印制电路板上的布线应短而直。必要时可以采用跨接线。高频电路印制导线的长度宜小，导线间距要大。

④为减少印制电路板的翘曲和增加尺寸稳定性，多层板每一层内的导线分布应尽量平衡，导线分布的密度尽量遍及整块印制电路板。没有导线的空地方设计许多孤立的铜圆点、方块或者网络。铜箔与板边最小距离为0.5mm，元件与板边最小距离为5.0mm，焊盘与板边最小距离为4.0mm。

⑤I／O端导线应尽量避免相邻平行。最好加线间地线，以免发生反馈耦合。引出线要相对集中设置。布线时使I／O电路分列于电路板的两边，并用地线隔开。

⑥采用恰当的接插形式，如用接插件、插接端和导线引出等几种形式。

3）印制导线的尺寸和图形

当元器件结构布局和布线方案确定后，就要具体地设计、绘制印制导线的图形。

（1）印制导线的宽度。

覆铜箔板的铜箔厚度一般为0.02～0.05mm，印制导线的最小宽度取决于导线的载流量和允许温升。印制板的工作温度不能超过85℃，导线长期受热后，铜箔会因粘贴强度差而脱落。当铜箔厚度为0.05mm，宽度为1～1.5mm时，通过2A的电流，温升不会高于3℃。一般可采用最大电流密度不超过20A／mm2的导线。目前，印制导线的宽度已标准化，手工设计时建议采用0.5mm的整数倍。一般铜箔最小线宽：单面板为0.3mm，双面板为0.2mm，边缘铜箔最小为1.0mm。对于分立元件电路，印制导线宽度在1.5mm左右时即可完全满足要求；对于集成电路，尤其是数字电路，通常选0.02～0.3mm的导线宽度。用于表面贴装的印制电路板，线条的宽度为0.12～0.15mm。当然，只要允许，还是尽可能用宽线，尤其是电源线和地线。

（2）印制导线的间距。

导线的最小间距主要由最恶劣情况下导线间的绝缘电阻和击穿电压决定。一般导线间距等于导线宽度，但不小于1mm。铜箔最小间隙：单面板为0.3mm。SMT印制电路板的间距为0.12～0.3mm甚至0.08mm。具体设计时应考虑下述3个因素。

①低频低压电路的导线间距取决于焊接工艺。采用自动化焊接时间距要大些，手工操作时可小些。

②高压电路的导线间距取决于工作电压和基板的抗电强度。

③高频电路主要考虑分布电容对信号的影响。

（3）印制导线的图形。

元器件在印制电路板上有两种排列方式：不规则排列。不规则排列适用于高频电路，它可以减少印制导线的长度和分布参数，但不利于自动插装。规则 （坐标格）排列，排列整齐，自动插装率高，但引线可能较长。

同一印制电路板上的导线宽度宜一致，地线可适当加宽。高压及高频导线应圆滑，不应有急弯和尖角，转弯和过渡部分宜用半径不小于2mm的圆弧连接或用45°连线，且应避免分支线。

当导线宽度超过3mm时，最好在导线中间开槽成两根并联线。为大面积铜箔时，应做成大面积栅格状布铜或局部开窗口。

（4）焊盘。

焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些。焊盘太大，焊点不饱满易形成虚焊。一般焊盘外径D≥d＋1.2mm，其中d为引线孔径。双面印制电路板镀覆孔最小焊盘尺寸D＝d＋0.5mm。对于高密度数字电路，焊盘最小直径可取Dmin＝d＋1.0mm，焊盘太小容易在焊接时粘断或剥落。一般环氧玻璃布印制电路板的孔边缘到板子边缘的最小距离应不小于印制电路板的厚度。对于酚醛纸质印制电路板，推荐的最小距离应等于板厚的1.5倍。

当采用波峰焊接工艺时，表面贴装板插脚的焊盘直径一般应比其引脚线径大0.05～0.3mm，其焊盘的直径不大于孔径的3倍。测试点的位置应布置在网格上，其焊盘尺寸应大于0.9mm或1mm。

一般通孔安装元件的焊盘大小 （直径）为孔径的两倍，双面板最小为1.5mm，单面板最小为2.0mm，建议采用2.5mm。如果不能用圆形焊盘，可用腰圆形焊盘。

表面贴装板设计焊盘时，考虑到元器件造误差、贴装误差以及检测和返修的需要，相邻元器件焊盘之间间隔不能太小。

焊盘有岛形焊盘、圆形焊盘、方形焊盘和灵活设计的焊盘等几类。

（5）定位孔。

定位孔按对角设计，孔径应符合所选ICT设备定位销的尺寸及公差要求。印制板面积较大时，最好设计3个定位孔，呈三角形排列。

4）印制电路板的设计步骤和方法

（1）选定印制电路板的材料、板厚和板面尺寸。

选择印制电路板材料必须考虑到基材的电气和机械性能，还要考虑价格和成本。单面和双面刚性印制电路板厚由板面尺寸大小和所安装元件的重量决定，多层刚性印制电路板的板厚取决于层数。印制电路板的最佳形状为矩形，长宽比为3∶2或4∶3。

（2）设计印制电路板坐标尺寸图。

（3）根据电原理图绘制排版连线图。排版连接图是用简单线条表示印制导线的走向和元件器件的连接。在排版连接图中应不允许导线的交叉，但可以元件脚下方的空隙处钻过去；因元件跨距处可以通过印制导线，或从可能交叉的某条引线的一端绕过去。

根据排版连线图，按元器件大小比例，在网格纸上绘出排版设计草图 （一般选2∶1或4∶1的比例）。它包括榫接元器件的引线孔、印制导线的形状、印制电路板尺寸及有关安装孔等。

3.印制电路板的制造工艺

制造印制电路板的工艺方法很多，但制造工艺基本上分两大类，即减成法 （铜箔蚀刻法）和加成法 （添加法）。减成法是在覆铜板层上用防护抗蚀材料形成图形，用化学蚀刻法去掉没有抗蚀材料防护的铜箔。蚀刻后，将抗蚀层除去，就留下有铜箔构成的需复制图形（即印制导线等），产品试制用少量的PCB板可用雕刻机雕刻。加成法是在绝缘基板上，用化学沉铜的方法，形成电路图形 （即导线图形等）。目前应用最多的是减成法，下面简要介绍该方法制作印制电路板的工艺流程。

1）照相底图

照相底图是制造印制图形的依据。在印制电路板设计完成后，即可绘制照相底图。照相底图要求按2∶1、4∶1或8∶1的放大比例绘制，尤其是一些特别复杂的图形。这样照相底图板反映出的制图公差就减小到比较理想的程度，以便在绘图时保证精度。

照相底图的制作可以是自动的也可以是人工的。自动制作照相底图的方法有CAD笔绘法、打印法、刻－揭虹膜法和光绘法（光绘机绘制）；手工制作照相底图一般采用描图法和贴图法。

2）照相制版

用照相的方法对照相底图拍照以得到照相底片，照相底片要按比例缩小 （用与绘制照相底图相反的比例），以得到设计所规定的印制图形尺寸。照相的工艺流程为对光一曝光—显影—定影—水洗—晾干—修复。

借助于光化法可直接用负像的照相底版来生产印制板，用丝网漏印工艺则需要正像底版。正像底版用翻片方式取得。翻片可在翻片机上进行，翻片时曝光、显影和定影工艺与照相的显影、定影工艺相同。

如果和生产的印制电路板面积小，数量多，则需用拼板技术在同一基板材料上同时做几块，最后利用机械加工将它们分开。拼版的照相制版，可采用分步重复照相机。它能反照相底图缩小曝光后，再将照相底片移动一段预定距离，然后曝光。利用这种方法可在一张照底片上生产出具有一定间隔的几个印制电路板的照相底图。

3）印制电路板的机械加工

印制板的外形和各种用途的孔 （引线孔、中继孔、机械安装孔、定位孔、检测孔等）都是通过机械加工完成的，随着电子技术的发展其加工尺寸和精度要求越来越高。印制电路板的机械加工方法通常有冲、钻、剪、铣、锯等。根据加工零件的形状，可把印制电路板的机加工分为外形加工和孔加工。

4）孔的金属化和去钻污

对于多层印制电路板，为了把内层印制导线引出和互连，需要将印制导线的孔金属化。孔金属化就是在孔内电镀一层金属，形成一个金属筒，与印制导线连接起来。孔金属化工艺就是在孔内壁表面化学沉铜后，通过全板电镀铜或图形电镀来实现层间可靠的互连。

为了确保孔金属化的高质量可靠性，钻孔后的预处理采用新型的凹蚀与去钻污工艺即低碱性高锰酸钾法，这样能加工非常优异的孔壁表面，消除了楔形槽和裂缝缺陷，提高孔壁的湿润性，采用先进的直接电镀工艺、真空金属化工艺、黑孔化工艺和其他工艺方法，能满足多种类型印制电路板的小孔、微孔、盲孔和埋孔孔金属化的需要。黑孔化工艺采用含碳微粒的黑孔化溶液取代化学镀铜工艺，污染小，是具有发展前途的工艺。

板厚孔径比大于5的孔称为深孔 （实际上已高达10、20），即1.5mm厚的印制电路板的孔径小于0.3mm。用化学镀和直接电镀技术可以解决微小孔的深孔镀问题。因为孔直径小，孔深，镀液在孔内不易流动交换，易在孔壁产生气泡，故微小孔的深孔镀技术除采用高分散能力的镀液外，还要在电镀设备上实现孔内镀液畅通交换，可采用强烈机械搅拌、振动、超声搅动和水平喷镀等技术来实现。

5）图形转移

图形转移就是将电路图形由照相底片转移到印制电路板上去。常用的方法有光化法和丝网漏印法，前者精度较高。后者精度较低。

6）蚀刻

广义上讲，在覆铜箔印制电路板的生产中，凡是用化学或电化学的方法去铜的过程都是蚀刻。狭义上讲，蚀刻是将涂有蚀剂并经感光显影后的印制电路板上的未感光部分铜箔腐蚀掉，在印制电路板上留下所需电路图形的过程。

蚀刻的工艺流程是预蚀刻—蚀刻—水洗—浸盐酸处理—水洗—干燥—去抗蚀膜 （1％～5％氢氧化钠或氢氧化钾喷淋）—热水洗—冷水冲洗—干燥 （吹干或晾干）—修版。

蚀刻方法有摇动槽法、侵蚀法和高压喷淋蚀法3种。摇动槽法最简单，所用的设备是一只放蚀刻剂的槽，装在不断摇动的台面上。侵蚀法是将工件浸在盛有能保温的大槽中蚀刻。高压喷淋蚀刻法是用泵将蚀刻剂喷于印制电路板表面进行蚀刻加工，即尽快地让金属表面不断接触新鲜蚀刻液，并且冲掉刚刚产生的铜离子。这种方法生产速度较快，可获得较整齐的线条侧边和高质量的蚀刻效果，但必须严格选择喷嘴的结构和喷淋方式。

维护蚀刻设备的最关键因素就是要保证喷嘴的清洁，无阻塞物并使喷射通畅。阻塞物或结渣会在喷射压力作用下冲击板面。喷嘴不清洁，会造成蚀刻不均匀而使整块PCB报废。

7）剥离有机抗蚀剂或洗孔

印制电路板无论采用正像图片或是负像图片，均需使用显像的溶膜并在蚀刻后剥去此膜。剥膜的工艺流程是入料 （蚀刻后的PCB板）—强碱剥膜—水洗—酸洗—水洗—烘干—出料。

8）褪锡铅

在印制电路板的制造过程中，图形电镀后，要在加厚的镀铜图形 （线、孔与焊盘等）上镀上锡铅或锡镀层，用来保护图形在蚀刻中不被腐蚀破坏。图形蚀刻完成后，需将此保护图形的镀层除去，即褪锡铅。

9）黑化或棕化 （化学氧化）

对铜表面进行化学氧化，使其表面生成一层氧化物 （黑色的氧化铜、棕色的氧化亚铜或两者的混合物），以进一步提高表面黏结力。

10）叠层

多层叠板是指分别将内层板、半固化片、外层板 （或铜箔）、离型膜 （纸）、缓冲层、不锈钢隔离板等借助定位销钉，遵照工艺要求放置在上、下热压模板之间。半固化片主要由树脂和增强材料组成，在温度和压力的作用下具有流动性并能迅速地固化和完成黏结过程，与增强材料一起构成绝缘层。

11）层压

可利用铜箔自身电阻进行加热的直接层压方法。层压全过程包括预压、全压和保压冷却3个阶段。

12）打靶标孔

在多层板照相底片的图形外设置3个定位标靶并用数字化编程编入钻孔数据库内。

13）印制插头的电镀

在印制电路板边沿的接触片插头上镀金，正常镀金厚度是0.5～1.5μm。

14）涂 （印）阻焊剂，印字符

一般使用网印法将阻焊剂印刷在规定的印制板图形上，其成本较低。也可使用光成像法，该方法产生的阻焊图形精度高，能满足SMB需要，因而被广泛采用。印文字、符号是为了方便印制电路板的装配和维修，一般印在阻焊油墨上，油墨的涂覆方式有帘慕涂覆、丝网印刷、静电喷涂、气式喷涂、滚涂等。

15）固化

固化的目的是使阻焊模完全固化交连。通常在40℃～150℃的烘箱中烘40～60min即可完成。

16）表面涂 （镀）覆

17）修边

印制电路板的最后工序就是修整边沿，已达到所要求的尺寸和公差。修边在高速切割锯或轮廓铣切机上进行，有的用冲模进行修边。

3.3.2 Protel 99SE设计PCB板的过程

利用Protel 99SE设计印制电路板的设计步骤如图3－26所示。

图3－26 PCB板设计的操作流程

新建PCB文件的方法在前面已介绍过，下面从PCB环境设置开始介绍PCB板的设计方法。

3.3.3 PCB板设计界面介绍

图3－27所示即为PCB板的设计界面。该设计界面和原理图设计界面大同小异，其中板层切换标签用于改变当前编辑的电路板层，元件预览区用于预览PCB封装元件。

放置元件工具栏 （Placement Tools）提供了设计PCB板时常用的一些工具。可通过 “视图 （View）｜工具栏 （Toolbars）”命令打开或关闭。这些工具具体为：

图3－27 PCB板设计界面

3.3.4 设计PCB板

1.PCB环境设置

PCB环境设置用于设置所要设计的印制电路板的层结构、编辑功能及其他工作环境参数。具体包括板层设置和工作参数设置两方面。

1）板层设置

执行 “Design｜Options”命令后，就会进入板层设置对话框，如图3－28所示。该对话框包括两个标签，分别为 “Layers—板层设置”和 “Options—图面属性”设置。

（1）板层设置用于设定显示的电路板层，包含以下7个区域。

图3－28 板层设置对话框

信号层 （Signal layers）用于选择信号层，信号层是电气布线的铜膜板层，包括顶层（Top layer）和底层 （Bottm layer）等。

内部电源／接地层 （Internal layers）用于选择内部板层，用于布置电源和地线等。默认状态下不显示，可通过系统菜单自定义。

机械层 （Mechanical layers）用于机械板层，通常作为标志或说明之用。默认状态下不显示，可通过系统菜单自定义。

焊锡层 （Masks）包括顶层防焊层 （Top Solder）、底层防焊层 （Bottom Solder）、顶层锡膏层 （Top Paste）和底层锡膏层 （Bottom Paste）。焊锡层主要是产生SMT专用锡膏层，这些锡膏层将制成钢模，再把半熔化的锡膏透过钢模加到电路板上，以粘贴SMT零件。

丝印层 （Silk screen）也称为覆盖层 （Over）主要用于绘制零件外形轮廓和标识零件序号等。包括顶层丝印层 （Top Overlay）和底层丝印层 （Bottom Overlay）。

其他层 （Other）包括禁止布线层 （Keepout）、复合层 （Multi layer）、钻孔引导层（Drill guide）和钻孔图层 （Drill drawing）。禁止布线层用于设置是否显示禁止布线层，复合层用于设置是否显示复合层，如果不选此项，导孔就无法显示出来。

系统选项可以进行如下项设置：Connect用于设置是否显示飞线；DRC Error用于设置是否显示自动布线检查错误信息；Visible Grid1用于设置是否显示第一组格点；Visible Grid2用于设置是否显示第二组格点；Pad Hole用于设置是否显示焊点通孔；Via Hole用于设置是否显示导孔通孔。

All On按钮：单击All On按钮，Layers选项卡中的所有的选项全部被选中。

All Off按钮：单击All Off按钮，Layers选项卡中的所有的选项全部被取消。

Used On按钮：单击Used On按钮，选中目前电路板用到的板层，它不影响其他选项的选择状态。

Layers标签中选中的板层会显示在编辑区的板层选项卡中，如图3－29所示。

图3－29 板层标签栏

（2）图面属性设置。

图面属性设置界面如图3－30所示，主要用于设置格点，具体含义见图上所标示。

图3－30 图面属性设置对话框

其中，捕捉栅格在设计电路板时可随时用右键在弹出的快捷菜单中设置，也可在光标处于编辑区时随时按 “G”快捷键选择。测量单位可在视图菜单中用 “Toggle Units”命令转换。

2）系统参数设置

执行 “Tools｜Preferences”命令后，就会进入系统参数设置对话框，如图3－31所示。该对话框包括6个标签，具体为：

图3－31 系统参数设置对话框

（1）选项 （Options）设置。

该标签设置内容如图3－31所示，主要用于设置PCB板的编辑操作功能和布线模式等。具体为：

①编辑选项 （Editingoptions）设置区。包括如下几个选项。

Online DRC：在线设计规则检查。

Snap To Center：移动对象时光标自动移到元件参考点 （一般为管脚1）。

Extend Selection：扩展选区 （选择新对象时不撤销已选对象）。

Remove Duplicates：自动删除重叠对象。

Confirm Global Edit：整体编辑时，出现确认对话框。

Protect Locked Objects：保护被锁定对象。

②自动边移选项 （Autopanoptions）设置区。设置自动移动屏幕方式，具体请参阅有关资料。

③多边形填充 （Polygon Repour）设置区。设置系统是否自动重新放置多边形填充区。

④交互式布线模式 （Interactive routing）设置区。

布线模式设置 （Mode）：用于设置手工布线时导线和障碍物之间的关系。

Ignore Obstacle：忽略障碍物走线。

Avoid Obstacle：绕开障碍物走线。

Push Obstacle：移走障碍物走线。

Plow Through Polygon：布通孔多边形，即允许在敷铜区域内布线。

Automatically Remove Loop：自动删除 （导线）环路。

⑤元件移动方式 （Componentdrag）设置区。

None：拖动元件时不拖动导线。

Connected Tracks：拖动元件时导线一起移动。

⑥其他 （Other）设置区。

Rotation Step：设置组件旋转角度。

Undo／Redo：设置撤销与恢复的最大次数。

Cursor Type：设置光标类型。

（2）显示 （Display）设置。

该标签设置内容如图3－32所示，具体设置内容如下。

图3－32 显示选项设置对话框

①Display options设置区。

Convert Special String：显示特殊文字代表的内容。

Highlight inFull：将选取的对象反相显示。

Use Net Color For Highlight：反相显示选取的网络。

Redraw Layers：切换板层时，使当前板层盖住其他板层。

Single Layer Mode：所有层都透明显示。

Transparent Layer：所有层都透明显示。

②Show设置区。

Pad Nets：显示焊盘的网络名称。

Pad Numbers：显示焊盘的网络序号。

Via Nets：显示导孔的网络名称。

Test Point：显示测试点。

Origin Marker：显示坐标圆点。

Status Info：显示状态信息。

③Draft threshold（简单显示阈值）设置区。

Tracks：导线阈值。

Strings：字符阈值。

（3）颜色 （Colors）设置。

该标签设置内容如图3－33所示，可以对工作区显示的各种对象的颜色进行设置。要改变某一对象或 （板）层的颜色，可直接单击其后相应的颜色块，在弹出的颜色选择对话框中选择相应的颜色即可。其中，“Default Colors”按钮用于将所有显示对象的颜色设置为系统默认颜色，“Classic Colors”按钮用于将所有显示对象的颜色设置为传统颜色。

图3－33 颜色设置对话框

（4）显示／隐藏 （Show／Hide）设置。

该标签设置内容如图3－34所示，可以设置有关对象的显示模式，其中Final为精细显示模式，Draft为简单显示模式，Hidden隐藏模式。可以设置的对象包括：

Arcs——圆弧 Fills——矩形填充 Pads——焊盘

Polygons——多边形填充 Dimensions——尺寸标注

Strings——字符串 Tracks——导线 Vias——导孔

Coordinates——坐标标注 Rooms——限制元件填充区域

（5）系统默认 （Default）设置。

该标签设置内容如图3－35所示，可以对有关对象的默认值进行设置。通过直接双击列表中的对象或是单击其下方的 “Edit Values...”按钮即可进行设置，具体设置可参考有关资料。若希望将某个对象的属性恢复称程序默认值，可单击 “Reset”按钮；若希望将所有对象的属性恢复成程序默认值，可单击 “Reset All”按钮。

图3－34 显示／隐藏设置对话框

图3－35 系统默认值设置对话框

（6）信号完整性分析 （Signal Integrity）设置。

该标签设置的功能是设置各类元件的编号前缀，以方便进行信号完整性分析，详细介绍请参阅有关资料。

2.规划电路板

所谓规划电路板是指指定电路板的尺寸。在Protel 99SE中电路板的物理尺寸是在禁止布线层指定的。方法为：将禁止布线层设定位当前板层，在用尺寸标注设置好电路板的物理尺寸，然后用导线工具将标注好的尺寸区域围起来即可。一个规划好的电路板如图3－36所示。

图3－36 电路板规划例图

3.载入网络表

载入网络表的操作如下。

选择 “Design｜Netlist”命令，弹出如图3－37所示的 “加载网络表对话框”。此时单击 “Browse”按钮选择相应的网络表文件 （例图电路的网络表），系统加载该网络表文件并生成相应的网络宏，正确的网络宏如图3－38所示。

图3－37 加载网络表对话框

图3－38 正确的网络宏

注意！要生成正确的网络宏必须保证两点：一是在原理图中元件封装要正确，二是要在已建立的PCB文件将所有元件封装对应的封装库打开。

当正确网络宏出现后，可单击 “执行 （Execute）”按钮将所有封装元件导入到PCB （例图电路.PCB）文件中，如图3－39所示。

图3－39 加载元件

4.元件布局

元件布局，应当从机械结构散热、电磁干扰、将来布线的方便性等方面综合考虑。先布置与机械尺寸有关的器件，并锁定这些器件，然后是大的占位置的器件和电路的核心元件，再是外围的小元件，元件布局一般规则在本节开始已作介绍，此处不再复述。Protel 99SE可以进行自动布局，也可以进行手动布局。如果进行自动布局，运行“Tools”菜单下面的 “Auto Place”。布线的关键是布局，多数设计者采用手动布局的形式，方法是用鼠标选中一个元件，按住鼠标左键不放，拖住这个元件到达目的地，放开左键，将该元件固定。Protel 99SE在布局方面新增加了一些技巧。新的交互式布局选项包含自动选择和自动对齐。使用自动选择方式可以很快地收集相似封装的元件，然后旋转、展开和整理成组，就可以移动到板上所需位置上了。当简易的布局完成后，可以使用自动对齐方式整齐地展开或缩紧一组封装相似的元件。图3－40和图3－41分别为采用自动布局和手动布局的例图电路元件布局图。

图3－40 自动布局的例图电路PCB零件分布图

5.布线规则设置

布线规则是设置布线的基本规则 （像使用层面、各组线宽、过孔间距、布线的拓扑结构等部分规则）。在设置好布线规则后，就可以用Protel 99SE的自动布线功能进行自动布线。布线规则设置是印制电路版设计的关键之一，需要丰富的实践经验。

图3－41 手动布局的例图电路PCB零件分布图

执行 “Design｜Rules”命令后出现图3－42所示的 “设计规则设置”对话框。规则中包括Routing、Manufacturing、High Speed、Placement、Signal Integrity和Other6个标签，通常设计者只需对其中的布线规则 （Routing）进行设置，其余均可使用程序默认规则即可。设计规则也可通过Design-Rules的Menu处从其他板导出布线规则后，再导入这块板。这个步骤不必每次都设置，按个人的习惯，设定一次就可以。

布线规则 （Routing）标签中主要需进行以下设置。

图3－42 布线规则设置对话框

1）安全间距 （Clearance Constraint）设置

安全间距设置对话框如图3－43所示。可通过双击规则类中的 “Clearance Constraint”类或单击下方的 “Properties”按钮进入该对话框。它规定了板上不同网络的走线和焊盘过孔等之间必须保持的距离。一般板子可设为0.254mm，较空的板子可设为0.3mm，较密的贴片板子可设为0.2～0.22mm，极少数印板加工厂家的生产能力在0.1～0.15mm，在经加工厂商同意的情况下可以设成此值，0.1mm以下是绝对禁止的。

图3－43 安全间距设置对话框

2）走线转角模式 （Routing Corners）设置

走线转角模式设置对话框如图3－44所示。转角模式一般采用45°（45Degrees）模式。

图3－44 走线转角模式设置对话框

3）走线层面和走线方向 （Routing Layers）设置

走线层面和走线方向设置对话框如图3－45所示。可设置使用的走线层面和每层的主要走线方向。注意贴片的单面板只用顶层，直插型的单面板只用底层，但是多层板的电源层不是在这里设置的 （可以在Design-Layer Stack Manager中，点顶层或底层后，用Add Plane添加，用鼠标左键双击后设置，点中本层后用Delete删除），机械层也不是在这里设置的 （可以在Design-Mechanical Layer中选择所要用到的机械层，并选择是否可视和是否同时在单层显示模式下显示）。

图3－45 走线层面和方向设置对话框

机械层1：一般用于画板子的边框。

机械层3：一般用于画板子上的挡条等机械结构件。

机械层4：一般用于画标尺和注释等。

4）导孔形状 （Routing Via Style）设置

它规定了手工和自动布线时自动产生的过孔的内、外径，均分为最小、最大和首选值，其中首选值是最重要的，可根据电路板的实际情况设置。

5）导线线宽 （Width Constraint）设置

导线线宽设置如图3－46所示。它规定了手工和自动布线时走线的宽度。整个板范围的首选项一般取0.2～0.6mm，另添加一些网络或网络组 （Net Class）的线宽设置，如地线、＋5V电源线、交流电源输入线、功率输出线和电源组等。网络组可以事先在 “Design｜Netlist Manager”中定义好，地线一般可选1mm宽度，各种电源线一般可选0.5～1mm宽度，印板上线宽和电流的关系大约是每毫米线宽允许通过1A的电流，具体可参看有关资料。当线径首选值太大使得SMD焊盘在自动布线无法走通时，它会在进入到SMD焊盘处自动缩小成最小宽度和焊盘的宽度之间的一段走线，即布线时首先满足网络和网络组等的线宽约束条件。

图3－46 导线线宽设置对话框

6.自动布线及调整

在元件布局和布线规则设置完成后，执行“Auto Route｜Setup”出现图3－47所示的 “自动布线设置”对话框，各项参数含义如下。

图3－47 自动布线设置对话框

①Router Passes区域。

Memory：适用于存储器类元器件的布线。

Fan Out SMDPins：适用于SMD焊盘类布线。

Pattern：布线模式。

Shape Router-Push And Shove：推挤式布线。

Shape Router-Pip Up：拆线式布线。

②Manufacturing Passes区域。

Clean During Routing：在布线时清除导孔。

Clean After Routing：布线完成后清除导孔。

Evenly Space Tracks：在焊盘间均匀布线。

Add Testpoints：在网络上加测试点。

选中除了Add Testpoints以外的所有项，特别是选中其中的Lock All Pre－Route选项， Routing Grid可选1mil等。自动布线开始前Protel 99SE会给你一个推荐值，可不去理它或改为它的推荐值，此值越小板越容易100％布通，但布线难度和所花时间越大。设置完毕，单击 “Route All”开始自动布线，例图电路自动布线完成后的印制电路图如图3－48所示。

图3－48 自动布线完成后的例图电路

自动布线完成后一般要对其进行手工调整，包括对需加粗的地线、电源线、功率输出线等加粗，某几根绕得太多的线重布一下，消除部分不必要的过孔。然后切换到单层显示模式下，将每个布线层的线拉整齐和美观。手工调整时应经常做DRC，因为有时候有些线会断开而调整时操作者可能会从它断开处中间走上好几根线，快完成时可将每个布线层单独打印出来，以方便改线时参考。调整完成后，应取消单层显示模式并存盘。

7.整体编辑

整体编辑是指对电路板上的元件序号、类型、各种标注等进行编辑。有些标号应重新拖放以求美观，全部调完并DRC通过后，拖放所有丝印层的字符到合适位置。

注意字符尽量不要放在元件下面或过孔焊盘上面。对于过大的字符可适当缩小，在Drill Drawing层可按需放上一些坐标标注 （Coordinate）和尺寸标注 （Dimension）。最后再放上印板名称、设计版本号、公司名称、文件首次加工日期、印板文件名、文件加工编号等信息。并可用第三方提供的程序来加上图形和中文注释。具体操作请参阅相关资料。

8.输出报表文件

Protel 99SE印制电路板设计系统除了可以输出电路板文件以外，还可以输出多种类型的PCB报表，这些文件包括引脚信息报表 （*.dmp），电路板信息报表 （*.REP），文件层次分析报表 （*.rep），网络分析报表 （*.rep），信号分析报表 （*.sig）等。

要生成这些报表文件，执行 “Report”菜单下相应命令并进行相关设置即可。限于篇幅，请读者参阅相关资料。