第 4 章 PCB 设计基础

1. 4.1 4.2 4.4 印制电路板设计基础 PCB编辑器 网络表编辑和导入 4.3 电路板物理结构及环境参数设置 第4章 PCB设计基础

2. 4.5 4.6 4.7 4.8 PCB元件的布局 PCB布线 PCB敷铜和补泪滴 项目实训

3. 本章描述： 在电路原理图绘制完成后，下一步就是设计印制电路板（PCB）。Altium Designer l0作为设计者提供了一个完整的PCB设计环境，既可以进行人工设计，又可以实现自动化设计。 本章目标： 了解印制电路板的基本知识 熟悉PCB编辑器的界面环境及参数设置 掌握PCB印制电路板的设计步骤和方法

4. 4.1 印制电路板设计基础 4.1.1 印制电路板结构 4.1.2 元件封装 4.1.3 层 4.1.4 铜膜导线 4.1.5 焊盘 4.1.6 过孔 4.1.7 各类膜 4.1.8 丝印层 4.1.9 网格状填充区和填充区 4.1.10 PCB图的设计流程图4-10 PCB设计流程 4.1.11 PCB板设计的一般原则

5. 4.1.1 印制电路板结构 印制电路板的种类较多，一般按导电层数可分为单层板、双面板和多层板。 1、单层板 单层板是一面敷铜，另一面没有敷铜的电路板。在设计时，一般将导线和焊盘放在敷铜的一面，而元件则插在没有敷铜的一面。单层板成本低、不用打过孔，因此，常用于布线简单的PCB板设计中，但由于只能单面布线，在复杂电路的设计上比双面板和多层板要困难一些。

6. 2、双面板 双面板包括顶层（Top Layer）和底层（Bottom Layer）两个信号层的电路板。两面都有敷铜，中间为绝缘层，因此板的两面都可以布线，两层之间的走线一般由过孔或焊盘连通。习惯上将顶层设为元件面，底层设为焊接面。相对于多层板，双面板成本低、布线容易，因此被广泛应用，是目前最常用的一种印制电路板。

7. 3、多层板 多层板是包含了多个工作层面的电路板。它在双面板的基础上增加了内部电源层、接地层和多个中间信号层。各层之间的电气连接通过半盲孔、盲孔和穿透过孔来实现。随着电子产品越来越精密，多层板的应用也越来越广泛。但其主要缺点是制作成本较高。

8. 4.1.2 元件封装 1、元件封装的分类 根据元件的不同封装我们将封装分为分立元件的封装和集成电路元件的封装。 （1）分立元件类 电容：电容分普通电容和贴片电容。普通电容可分为电解电容和无极性电容。电解电容由于容量和耐压不同其封装也不一样，电解电容的名称是“RB.*/.*”，其中“*/.*”表示的是焊盘间距/外形直径，其单位是英寸（inch）。无极性电容的名称是“RAD-***”，其中“***”表示的是焊盘间距，其单位也是英寸。

9. 贴片电容的封装也比较多，这些封装可根据厂家提供的封装外形尺寸选择，它的命名方法一般是：CC****-****，其中“-”后面的“****”分成二部分，前面二个“**”表示焊盘间的距离，后面二个“**”表示焊盘的宽度，它们的单位是mil，“-”前面的“****”是对应的公制尺寸。 电阻：电阻分普通电阻和贴片电阻。普通电阻的名称是“AXIAL-***”，其中“***”表示焊盘间距，其单位是英寸。 贴片电阻的名称“R2012-0806”，其含义和贴片电容的含义基本相同。可用贴片电容的封装套用。

10. 二极管：二极管分普通二极管和贴片二极管。普通二极管名称是“DIODE-***”，其中“***”表示一个数据，其单位是英寸。贴片二极管可用贴片电容的封装套用。二极管：二极管分普通二极管和贴片二极管。普通二极管名称是“DIODE-***”，其中“***”表示一个数据，其单位是英寸。贴片二极管可用贴片电容的封装套用。 三极管：三极管的名称是“BCY-W3/***”系列，可根据三极管功率的不同进行选择。 连接件：连接件封装在“Miscellaneous Connectors.IntLib”集成库中，可根据需要进行选择。 其他分立元件封装大部分在“Miscellaneous Devices.IntLib”集成库中。

11. （2）集成电路类 • 常用集成电路的封装主要有以下几种。 • DIP：是传统的双列直插封装的集成电路。 • PLCC：是贴片封装的集成电路，由于焊接工艺要求高，不宜采用。 • PGA：是传统的栅格阵列封装的集成电路，有专门的PGA库。 • QUAD：是方形贴片封装的集成电路，焊接较方便。 • SOP：是小贴片封装的集成电路，和DIP封装对应。 • SPGA：是错列引脚栅格阵列封装的集成电路。 • BGA：是球形栅格阵列封装的集成电路。

12. 除上面介绍的封装外，还有部分新的封装和上述封装的变形，这里就不再一一说明。常用集成电路封装外形如图4-1～图4-5所示。 图4-1 DIP封装 图4-2 PLCC封装 图4-3 PGA封装

13. 图4-4 SOP封装 图4-5 BGA封装 2、元件封装的编号 元件封装的编号一般为：“元件类型”＋“焊盘距离”（或焊盘数）＋“元件外形尺寸”。根据元件封装的编号可以判断元件封装的规格。

14. 例如，“AXIAL-0.4”表示该元件封装为轴状，两焊盘的距离为400mil，如图4-6所示。“RB.2/.4”表示极性电容类元件封装，引脚间距为200mil，元件直径为400mil，如图4-7所示。例如，“AXIAL-0.4”表示该元件封装为轴状，两焊盘的距离为400mil，如图4-6所示。“RB.2/.4”表示极性电容类元件封装，引脚间距为200mil，元件直径为400mil，如图4-7所示。 图4-6 AXIAL-0.4 图4-7 RB.2/.4 图4-8 CC1005-0402 图4-9 DIP-16×1.5

15. “CC1005-0402”表示贴片电容类元件封装，“04”表示引脚间距为40mil，“02”表示焊盘直径为20mil，如图4-8所示。 “DIP-16×1.5”若用公制单位表示元件封装为双列，共16个引脚焊盘，两焊盘间距为1.50mm，如图4-9所示。 在Altium Designer l0中允许使用两种单位，即公制和英制。英制单位为inch（英寸），而Altium Designer l0中常用mil（毫英寸），1mil＝1/1000inch。公制单位一般为mm（毫米），1inch＝25.4mm，1mil＝0.0254mm＝25.4um，1mm＝40mil。

16. 4.1.3 层 印制版分为单层板，双层板，多层板的结构。Altium Designer的“层”不是虚拟的，而是印刷板材料本身实际存在的各铜箔层。 由于电子线路的元件安装、抗干扰和布线等特殊要求，在一些较新的电子产品中，所用的印刷板不仅可以上下两面走线，而且在板的中间还存在夹层铜箔。如现在的计算机主板所用的印制板材料多在4层以上，这些层因加工相对较难，大多用于设置成走线较为简单的电源布线层，并常用大面积填充的办法来布线。

17. 处于上下位置的表面层与中间各层需要连通的地方常用过孔（Via）来连通。有了以上的解释，我们就不难理解“多层焊盘”和“布线层设置”的有关概念了。

18. 4.1.4 铜膜导线 铜膜导线也称为铜膜走线，简称导线。它是敷铜板经过腐蚀加工后在PCB板上的走线，用于连接各焊盘以及引脚，是印制电路板最重要的部分。印制电路板的设计主要任务就是围绕如何布置导线来进行的，铜膜导线由一层铜膜组成，是用来导通信号的。

19. 4.1.5 焊盘 焊盘在PCB板上起到信号连接导通的作用，选择元件的焊盘类型要综合考虑该元件的形状、大小、布置形式、振动、受热情况以及受力方向等因素。Altium Designer l0在封装库中给出了一系列不同大小和形状的焊盘，如圆形、方形、八角形、圆方形和定位焊盘等，但有时仍然需要自己编辑。如对发热且受力较大、电流较大的焊盘，可自行设计成“泪滴状”。在实际中，若需要自行编辑焊盘时，还要考虑以下原则。

20. （1）形状不一致时，要考虑连线宽度与焊盘的特定差异不能过大。（1）形状不一致时，要考虑连线宽度与焊盘的特定差异不能过大。 （2）需要在元件引脚之间走线时，选用长短不对称的焊盘往往事半功倍。 （3）各元件焊盘孔的大小要按元件引脚粗细分别进行编辑，通常要求孔的尺寸要比引脚直径大0.2～0.4mm。

21. 4.1.6 过孔 为连通各层之间的线路，在各层需要连通的导线交汇处钻一个公共孔，这就是过孔（Via）。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过孔以及内层之间的隐藏过孔。 在工艺上在，过孔的孔壁上用化学沉积的方法镀上一层金属，用来连通中间各层需要连通的铜箔，而过孔的上下两面做成普通的焊盘形状，可直接与上下两面的线路相连，也可不连。一般而言，设计线路时对过孔的处理遵循以下原则。

22. （1）尽量少用过孔，一旦选用了过孔，务必处理好它与周边各元件的间隙，特别是容易被忽视的中间各层与过孔不相连的线或过孔的间隙。（1）尽量少用过孔，一旦选用了过孔，务必处理好它与周边各元件的间隙，特别是容易被忽视的中间各层与过孔不相连的线或过孔的间隙。 （2）载流量越大时，所需的过孔尺寸也越大，如电源层和地层与其它层连接所用的过孔就要大一些。

23. 4.1.7 各类膜 膜（Mask）是PCB制作工艺和元件焊接过程中必不可少的涂层材料。按膜所处的位置及其作用，膜可分为元件面助焊膜和元件面阻焊膜两类，助焊膜是涂在焊盘上，提高可焊性能的一层膜；阻焊膜的情况正好相反，为了使制成的板子适应波峰焊等焊接技术，要求板子上非焊盘处的铜箔不能粘锡，因此在焊盘以外的各部位都要涂覆一层涂料，用于阻止这些部位上锡。可见，这两种膜是一种互补关系。

24. 4.1.8 丝印层 为方便电路板的安装和维修，通常在印制板的上下两表面印刷所需要的标志图案和文字符号，如元件标识、标称值、元件外形轮廓、厂家标志、生产日期等，这就是丝印层（Silkscreen Top/Bottom Overlay）。不少初学者在设计丝印层时，只注意文字符号的放置整齐，而忽略实际PCB板的效果；在设计的印制板上，字符不是被元件挡住，就是把元件标号打在相邻的元件上，甚至侵入了助焊区域被抹除，这种设计将会给装配和维修带来很大困难。正确的丝印层字符布置应该坚持不出歧义、见缝插针、美观大方的原则。

25. 4.1.9 网格状填充区和填充区 对抗干扰要求比较高的印制电路板，通常要在PCB上敷铜。其敷铜方式有网格状填充和实心式填充两种。网络状填充区（External Plane）是把大面积的铜箔处理成网状，而填充区（Fill）仅是完整保留铜箔。网络状填充区在电路性能上有较强的抑制高频干扰的作用，适用于大面积填充的地方，特别是把某些区域当作屏蔽区、分割区或大电流的电源线时尤为合适。填充区多用于一般的导线端部或转折区等需要小面积填充的地方。

26. 4.1.10 PCB图的设计流程 要设计出完整的PCB图,一般按照如图4-10所示的流程进行。 图4-10 PCB设计流程

27. 4.1.11 PCB板设计的一般原则 印制电路板设计的好坏对电路板抗干扰能力影响很大。因此，在进行PCB设计时，必须遵循PCB设计的一般原则。 电路板设计的一般原则包括：电路板的选用、电路板尺寸、元件布局、布线、焊盘、填充、跨接线等。

28. 1、电路板的选用 电路板一般用敷铜层压板制成，板层选用时要从电气性能、可靠性、加工工艺要求和经济指标等方面考虑。常用的敷铜层压板有敷铜酚醛纸质层压板、敷铜环氧纸质层压板、敷铜环氧玻璃布层压板、敷铜环氧酚醛玻璃布层压板、敷铜聚四氟乙烯玻璃布层压板和多层印刷电路板用环氧玻璃布层压板等。 电路板的厚度应该根据电路板的功能、所装元件的重量、电路板插座的规格、电路板的外形尺寸和承受的机械负荷等来决定。主要是应该保证足够的刚度和强度。常见的电路板的厚度有0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm等。

29. 2、电路板的尺寸 一般情况下，在禁止布线层中指定的布线范围就是电路板尺寸的大小。电路板的最佳形状是矩形，长宽比为3∶2或4∶3。当电路板的尺寸大于200mm×150mm时，应该考虑电路板的机械强度。 3、布局 虽然Altium Designer 10能够自动布局，但实际上，电路板的布局几乎都需要结合手工布局来完成，进行布局时，一般遵循如下规则：

30. （1）特殊元件的布局 （2）按照电路功能布局 （3）元件离电路板边缘的距离 （4）元件放置的顺序 4、布线 （1）线长 铜膜导线应尽可能短，在高频电路中更应该如此。铜膜导线的拐弯处应为圆角或斜角，而直角或尖角在高频电路和布线密度高的情况下会影响电气性能。

31. （2）线宽 铜膜导线的宽度能满足电气特性要求，同时又便于生产。它的最小值取决于流过它的电流，但是一般不宜小于0.2mm；只要板面积足够大，铜膜导线宽度和间距最好选择0.3mm。 （3）线间距 相邻铜膜导线之间的间距应该满足电气安全要求，同时为了便于生产，间距应该越宽越好。最小间距至少能够承受所加电压的峰值。在布线密度低的情况下，间距应该尽可能的大。 （4）屏蔽与接地 铜膜导线的公共地线应该尽可能放在电路板的边缘部分。另外地线的形状最好做成环路或网格状。

32. 5、焊盘 （1）焊盘的尺寸 （3）相邻的焊盘要避免有锐角。 （2）注意事项 焊盘孔边缘到电路板边缘的距离要大于1mm，这样可以避免加工时导致焊盘缺损。

33. 6、跨接线 在单面电路板的设计中，当有些铜膜无法连接时，通常的做法是使用跨接线，跨接线的长度应该选择如下几种：6mm、8mm和10mm。 7、去耦电容 去耦电容主要采用高频特性较好的瓷片电容或多层陶瓷电容。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。

34. 4.2 PCB编辑器 4.2.1 菜单栏 4.2.2 工具栏

35. PCB设计编辑器的界面主要分为3个部分。菜单栏，工具栏和工作界面，如图4-11所示。 图4-11 PCB编辑器界面

36. 4.2.1 菜单栏 1、“File”文件菜单：主要用于文件的打开、关闭、保存与打印等操作。 2、“Edit”编辑菜单：用于对象的选取、复制、粘贴与查找等编辑操作。 3、“View”视图 菜单：用于视图的各种管理，如工作窗口的放大与缩小，各种工具、面板、状态栏及节点的显示与隐藏等。 4、“Project”项目菜单：用于与项目有关的各种操作，如项目文件的打开与关闭、工程项目的编译与比较等。 5、“Place”放置菜单：包含了在PCB中放置对象的各种菜单项。

37. 6、“Design”设计菜单：用于添加或删除元件库、网络报表导入、原理图与PCB间的同步更新及印制电路板的定义等操作。6、“Design”设计菜单：用于添加或删除元件库、网络报表导入、原理图与PCB间的同步更新及印制电路板的定义等操作。 7、“Tools”工具菜单：可为PCB设计提供各种工具，如DRC检查，元件的手动和自动布局，PCB图的密度分析以及信号完整性分析等操作。 8、“Auto Route”自动布线菜单：可进行与PCB布线相关的操作。 9、“Reports”报告菜单：可进行生成PCB设计报表及PCB的测量操作。 10、“Window”窗口菜单：可对窗口进行各种操作。 11、“Help”帮助菜单：提供使用信息帮助。

38. 4.2.2 工具栏 1、标准工具栏 PCB的标准工具栏如图4-12所示，该工具栏大部分工具与原理图的标准工具栏相同，在此不再重述，只有以下2个按钮不同： 按钮：放大显示过滤元件。 按钮：快速定位文件中错误。 窗口：选择 PCB预览窗口。 图4-12 PCB标准工具栏

39. 2、常用菜单项 Filter过滤器菜单项：控制工具栏 的打开与关闭，用于快速定位各种对象。 Utilities功能菜单项：“控制工具栏 的打开与关闭。 Wiring布线菜单项：控制布线工具栏 的打开与关闭。 Navigation导航菜单项：控制导航工具栏的打开与关闭，通过这些按钮，可以实现在不同界面之间的快速跳转。 Customize自定义菜单项：用户自定义设置

40. 4.3 电路板物理结构及环境参数设置 4.3.1电路板物理边框的设置 4.3.2 电路板图纸的设置 4.3.3 电路板的层面设置 4.3.4 工作层面与颜色设置 4.3.5 PCB布线框的设置 4.3.6 Preferences属性设置

41. 4.3.1电路板物理边框的设置 电路板的物理边界就是PCB板的实际大小和形状，板形的设置是在工作层面“Mechanical 1”上进行的，根据所设计的PCB在产品中的位置、空间的大小、形状以及与其他部件的配合来确定PCB的外形与尺寸，具体的设置步骤如下。 1、执行【File】→【Project】→【PCB Project】项目菜单命令，新建一个项目文件，在生成的项目文件上右击，在快捷菜单上执行【Add New to Project】→【PCB】菜单命令，

42. 新建一个PCB文件，使之处于当前的工作窗口中，如图4-13所示。新建一个PCB文件，使之处于当前的工作窗口中，如图4-13所示。 图4-13 新建一个PCB文件

43. 在当前窗口中，包含6个工作层面，具体如下： 有两个信号层标签 和 ：主要用于建立电气连接的铜箔层。 机械层标签 ：用于支持电路板的印制材料层。 丝印层标签 ：用于添加电路板的说明文字。 禁止布线层标签 ：用于设立布线框，支持系统的自动布局和自动布线功能。 更多层标签 ：跨越使用的信号板层。

44. 2、可以单击工作窗口下方的标签 ，使该层面处于当前的工作窗口中。 3、执行【Place】→【Line】线菜单命令，鼠标将变成十字形状。将鼠标移到工作窗口的合适位置，单击鼠标左键即可进线的放置操作，每单击左键一次就确定一个固定点。通常将板的形状定义为矩形。 4、当绘制的线组成了一个封闭的边框时，即可结束边框的绘制。单击鼠标右键或者按下“Esc”键即可退出该操作，绘制结束后的PCB边框如图4-14所示。

45. 图4-14 绘制PCB边框

46. 5、设置边框线属性 双击任一边框线即可打开该线的编辑对话框，如图4-15所示。为了确保PCB图中边框线为封闭状态，可以在此对话框中对线的起始和结束点进行设置，使一根线的终点为下一根线的起点。 6、最后单击OK按钮完成边框线的属性编辑操作。

47. 图4-15 设置边框线属性

48. 4.3.2 电路板图纸的设置 与原理图一样，用户也可以对电路板图纸进行设置，图纸的设置主要有以下两种方法。 1、通过Board Options板选项进行设置（1）单击【Design】→【Board Options】板选项菜单命令，即可打开“Board Options”板选项对话框。如图4-16所示。

49. 图4-16 Board Options对话框

50. （2）从上到下依次可对图纸在X轴的位置、Y轴的位置、图纸的宽度、图纸的高度、图纸的显示状态以及图纸的锁定状态等进行设置。参照原理图图纸的鼠标定位方法对图纸的大小进行合适的设置。对图纸进行设置后，“Display Sheet”显示复选框即可在工作窗口中显示图纸。 （3）单击OK按钮，即可完成PCB图纸信息的设置。