第七章印制电路板的设计与制作印制电路板PCB(PrintedCircuitBoard)简称为印制板，是安装电子元器件的载体，在电子设计竞赛中应用广泛。
印制电路板的设计工作主要分为原理图设计和印制电路板设计两部分。
在掌握了原理图设计的基本方法后，可以进入印制电路板设计，学习印制电路板的设计方法。
完成印制电路板设计，需要设计者了解电路工作原理，清楚所使用的元器件实物，了解PCB板的基本设计规范，才能设计出适用的电路板。
第一节印制电路板设计的基础知识1. 印制电路板的类型一般来说，印制电路板材料是由基板和铜箔两部分组成的。
基板可以分无机类基板和有机类基板两类。
无机类基板有陶瓷板或瓷釉包覆钢基板，有机类基板采用玻璃纤维布、纤维纸等增强材料浸以酚醛树脂、环氧树脂、聚四氟乙烯等树脂黏合而成。
铜箔经高温、高压敷在基板上，铜箔纯度大于99.8%，厚度约在18~105μm。
印制电路是在印制电路板材料上采用印刷法制成的导电电路图形，包括印制线路和印刷元件(采用印刷法在基材上制成的电路元件，如电容器、电感器等)。
根据印制电路的不同，可以将印制电路板分成单面印制板、双面印制板、多层印制板和性印制板。
(1)单面印制板仅在一面上有印制电路，设计较为简单，便于手工制作，适合复杂度和布线密度较低的电路使用，在电子设计竞赛中使用较多。
(2)双层印制板在印制板正反两面都有导电图形，用金属化孔或者金属导线使两面的导电图形连接起来。
与单面印制板相比，双面印制板的设计更加复杂，布线密度也更高。
在电于设计竞赛中，也可以手工制作。
(3)多层印制板是指由三层或三层以上导电图形构成的印制电路板，导体图形之间由绝缘层隔开，相互绝缘的各导电图形之间通过金属化孔实现导电连接。
多层印制电路板可实现在单位面积上更复杂的导电连接，并大大提升了电子元器件装配和布线密度，叠层导电通路缩短了信号的传输距离，减小了元器件的焊接点，有效地降低了故障率，在各导电图形之间可以加入屏蔽层，有效地减小信号的干扰，提高整机的可靠性。
多层印制板的制作需要专业厂商。
(4)软性印制板也称为柔性印制板或挠性印制板，是采用软性基材制成的印制电路板。
特点是体积小，质量轻，可以折叠、卷缩和弯曲，常用于连接不同平面间的电路或活动部件，可实现三维布线。
其挠性基材可与刚性基材互连，用以替代接插件，从而有效地保证在振动、冲击、潮湿等环境下的可靠性。
软性印制板的制作需要专业厂商。
一个典型的四层印制电路板结构如图7.1.1所示。
有顶层、中间层和底层。
在焊接面除了有导线和焊盘，还有防焊层(Mask)，防焊层留出焊点的位置，将印制板导线覆盖住。
防焊层不粘焊锡。
甚至可以排开焊锡，这样在焊接时，可以防止焊锡溢出造成短路。
另外，防焊层有顶层防焊层(TopSolderMask)和底层防焊层(BottomSolderMask)之分。
在印制电路板的正面或者反面通常还会印上如元器件符号、公司名称、跳线设置标号等必要的文字，印文字的一层通常称之为丝印层(Silkscreen Overlay)。
丝印层也有顶层丝印层和底层之分，顶层丝印层称为顶层覆盖层(Top Overlay)，底层丝印层称为底层覆盖层(BottomOverlay)。
图7.1.1 典型四层印制电路板结构2. 元器件封装形式电路板用来装配元器件，要保证元器件的引脚和印制电路板上布局的焊点一致，在印制电路板设计时就必须要知道确定的零件封装形式。
元器件封装形式确定焊接到电路板上实际元器件的外观尺寸和焊点位置，在印制板设计中，纯粹的元器件封装形式只是指元器件的外观和焊点位置，仅为一个空间的概念。
因此不同的元器件可以共用同一个封装形式。
另一方面，相同种类的元器件也可以有不同的封装形式，例如电阻，其封装形式有AXIAL0.4、AXIAL0.3、AXIAL0.6等。
因此，在取用元器件时，不仅要知道元器件的名称，还要知道元器件的封装形式。
元器件的封装形式可以在设计电路图时指定，也可以在引进网络表时指定。
设计电路图时，可以在零件属性对话框中的FootPrint设置项内指定，也可以在引进网络表时指定零件封装。
元器件的封装形式可以分为针脚式封装和表面贴装式(STM)封装两大类。
对针脚式封装的元器件焊接时，先要将引脚端插入焊盘导通孔，然后再进行焊锡：而对STM封装的元器件焊接时，直接将引脚端焊接在焊盘上即可。
元器件封装的编号一般为元器件类型十焊点距离(焊点数)+元器件外形尺寸，可以根据元器件封装编号来判别元器件包装的规格。
如AXIAL0.4表示此元器件包装为轴状，两焊点间的距离约等于10 mm(400 mil)：DIPl6表示双排引脚的元器件封装，两排共16个引脚：RB.2/.4表示极性电容类元器件封装，引脚间距离为200mil，零件直径为400mil，这里“.2”和“0.2”都表示200 mil。
在使用SCH设计电路时，除了Protel DOS Schematies Libraries.ddb中的元器件库以外，其他元器件库都是有确定的元器件封装的，如74LS74的默认封装为DIPl6。
而ProtelDOSSchematicLibraries.ddb零件库中的一些常用元器件没有现成的元器件封装，对于常用的元器件可以自定义元器件封装，如表7.1.1所列。
表7.1.1 ProtelDOSSchematicLibraries.ddb元器件库常用封装常用零件常用零件封装零件封装图形电阻类或无极性双端类零件 AXIAL0.3~AXIALl.0二极管类零件 DIODE 0.4、DIODE 0.7无极性电容类零件 RAD 0.1、RAD 0.4有极性电容类零件 RB.2/.4~RB.5/1.0可变电阻类 VRl—VR5/3 . 导线宽度与间距导线用于连接各个焊点，是印制电路板最重要的部分，印制电路板设计都是围绕如何布置导线来进行的。
与导线有关的另一种线，常称为飞线，也称预拉线。
飞线是在引人网络表后，系统根孤规则自动生成的，用来指引布线的一种连线。
飞线与导线是有本质区别的。
飞线只是一种形式上的连线，它只是在形式上表示出各个焊点间的连接关系，没有电气的连接意义。
导线则是根据飞线指示的焊点间连接关系布置的，具有电气连接意义的连接线路。
(1) 导线宽度导线的最小宽度主要由流过导线的电流值决定，其次需要考虑导线与绝缘基板间的粘附强度。
对于数字电路集成电路，通常选0.2~0.3 mm就足够了。
对于电源和地线，只要布线密度允许，应尽可能用采用宽的布线。
例如，当铜箔厚度为0.05 mm，宽度为1~1.5 mm时，若通过2 A电流，则温升不高于3℃。
印制导线的载流量可以按20A/mm2(电流/导线截面积)计算，即当铜箔厚度为0.05mm 时，宽度为l mm的印制导线允许通过l A电流。
因此可以认为，导线宽度的毫米数即等于载荷电流的安培数。
(2) 导线的间距导线的最小间距主要由线间绝缘电阻和击穿电压决定，导线越短，间距越大，绝缘电阻就越大。
当导线间距为1.5 mm时，其绝缘电阻超过10 MΩ，允许电压为300 V以上：当间距1 mm时，允许电压为200 V。
一般选用间距1~1.5 mm完全可以满足要求。
对集成电路，尤其数字电路，只要工艺允许可使间距很小，甚至可以小于0.2 mm，但这在业余条件下自制电路板就不可能做到了。
为了方便加工，避免印制电路板上导线、导孔、焊点之间相互干扰，必须在它们之间留出一定的间隙，这个间隙就称为安全间距(Clearance)。
安全间距可以在布线规则设计时设置。
4. 焊盘、引线孔和过孔(导孔)(1) 引线孔的直径印制电路板上，元器件的引线孔钻在焊盘的中心，孔径应比所焊接的引线直径大0.2一0.3 mm，才能方便地插装元器件：但孔径也不能太大，否则在焊接时容易因为元器件的晃动而造成虚焊，使焊点的机械强度变差。
设计时优先采用0.6mm、0.8mm、1.0mm 和1.2mm等尺寸。
在同一块电路板上，孔径的尺寸规格应当少一些。
要尽可能避免异形孔，以降低加工成本。
(2) 焊盘的外径引线孔及其周围的铜箔称为焊盘。
与此类似，SMT电路板上的焊盘是指形成焊点的铜箔。
焊盘用来放置焊锡、连接导线和元器件引脚，所有元器件通过焊盘实现电气连接。
为了确保焊盘与基板之间的牢固粘结，引线孔周围的焊盘应该尽可能大，并符合焊接要求。
①在单面板上，焊盘的外径一般应当比引线孔的直径大1.3 mm以上：在高密度的单面电路板上，焊盘的最小直径可以比引线孔的直径大 1 mm。
如果外径太小，焊盘就容易在焊接时粘断或剥落：但也不能太大，否则生产时需要延长焊接时间，用锡量太多，并且也会影响印制板的布线密度。
②在双面电路板上，由于焊锡在金属化孔内也形成浸润，提高了焊接的可靠性。
所以焊盘的外径可以比单面板的略小。
当引线孔的直径≤1 mm时，焊盘的最小直径应是引线孔直径的2倍。
焊接点最小径距和元器件引线孔径须符合表7.1.2。
引线孔径/mm0.50.60.8 1.0 1.2 1.6 2.0焊接点最小径距 /mm 1.5 1.52 2.5 3.0 3.5 4.0焊盘也有多种形状，有圆形、椭圆形等，图7.1.2为椭圆形焊盘，先确定如图直径为0.4mm～0.5mm的圆（整个印制电路板要统一，这是加工定位孔），按焊盘外径画同心圆，再用直线对称截取一定的宽度（本例是1.5mm）。
图7.1.2 椭圆形焊盘(3) 过孔(导孔)过孔(导孔)的作用是连接不同板层间的导线。
过孔有三种，即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导孔和内层间的隐藏导孔，如图2.1.1所示。
从上面看上去，过孔有两个尺寸，即通孔直径和过孔直径，如图7.1.3所示。
通孔和过孔之间的孔壁，是由与导线相同的材料构成，用于连接不同板层的导线。
图7.1.3 过孔结构示意图5. 网络、中间层和内层网络和导线有所不同，网络上还包括焊点，因此在提到网络时不仅指导线而且还包括和导线相连的焊点。
中间层和内层是两个容易混淆的概念。
中间层是指用于布线的中间板层，该层中布的是导线：内层是指电源层或地线层，该层一般情况下不布线，由整片铜箔构成。
第二节印制电路板的设计步骤一般来说，设计电路板最基本的过程可以分为三个主要步骤。
1．电路原理图的设计电路原理图的设计主要是利用Protel 99 SE的原理图设计系统（Advanced Schematic）来绘制一张电路原理图。
在这一过程中，要充分利用Protel 99 SE所提供的各种绘图工具及各种编辑功能。
2．产生网络表网络表是电路原理图设计（Sch）与印制电路板设计（PCB）之间的一座桥梁。
网络表可以从电路原理图中获得，也可从印制电路板中提取。
3．印制电路板的设计印制电路板的设计主要是针对Protel 99的另外一个重要部分PCB而言的，在这个过程中，可以借助Protel 99提供的强大功能实现电路板的版面设计，完成高难度的布线等工作。
