PCB制版毕业设计.docx
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1、前言电子设计自动化 EDA (Electronic Design Automation)EDA如今已成为不可逆转的时代潮流。利用EDA工具,电子设计师可以从概念、 算法、协议等开始设计电子系统,大量工作可以通过计算机完成,并可以将电子产品 从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程在计算机上自动处理 完成。Protel设计系统就是一套建立在IBM兼容PC环境下的EDA电路集成设计系统, Protel设计系统是世界上第一套将EDA环境引入Windows环境的EDA开发工具,是 具有强大功能的电子线路设计CAD软件,它一向以其高度的集成性和扩展性著称于 世。本论文介绍的Protel
2、 99 SE是澳大利亚Protel Technology公司推出的EDA综合 设计环境,它是一个基于Windows平台的32位EDA设计系统。该软件功能强大,它 具有丰富多样的编辑功能、强大便捷的自动化设计能力、完善有效的检测工具、灵活 有序的设计管理手段,它提供了及其丰富的原理图元器件库、PCB元器件库以及出色 的在线库编辑和库管理,良好的开放性还使它可以兼容多种格式的设计文件。使用该 软件设计者可以容易地设计电路原理图、画元件图、设计电路板图、画元件封装图和 电路仿真等,是业界人士首选的电路图设计工具。电解铜箔是制作印制电路板(PCB)的主要原料。PCB主要用于计算机及辅助设备 和电子工业
3、等领域。随着电子、信息产业的迅猛发展,我国对印制电路板的需求量也日 益增长,这为电解铜箔行业带来了良好的市场前景。作为一种重要的铜加工产品,铜箔 在工业、国防现代化建设中的重要性。国内外专家对未来电路板生产制造技术发展趋 势的论述基本是一致的,在性能上向高密度、高精度、细孔径、细导线、小间距、高 可靠、多层化、高速传输,轻量、薄型方向发展。全论文的特点是“易懂、实用”,主要介绍了 Protel 99 SE的各种基本功能和一些 应用技巧。论文共分为4章,详细介绍了印制电路板的设计规则与制作要点,Protel 99 SE印制电路板设计系统,人工设计印制电路板的基本流程,并详细讲解了实例的设计 过程
4、和布局、布线全过程。全论文内容编排合理、逻辑性强,通俗易懂,图文并茂, 本论文的核心是突出针对性和实用性。本论文是结合理论知识,按照业界布板布线标 准完成的。摘要在现代电子设备中,E印刷电路板(PrintecCircuiBoard)发挥着越来越重要的作用, 其质量的好坏在一定程度上决定了电子产品的性能。E印刷电路板(Printing Circuit Board, PCB)是电子产品中电路元件的支撑件,它提供了电路元件和元件之间的电气 连接。E印刷电路板(PrintecCircuiBoard)在电子领域中有着广泛的应用,是电子信息 制造业的重要基础和组成部分。近年来,PCB的制作层数越来越多、密
5、度越来越高,性 能越来越强,其发展趋势也越来越可观。本文对印刷电路板的发展趋势、E印刷电路板 的基础知识介绍、E印刷电路板的功能及基本使用、人工作电路板及基本制作流程、手 工制板过程中的注意事项作出了较全面的介绍,本文最后通过实例制作电子技术实验 板,总结了制作过程中出现的问题。同时具体介绍了电路板的功能及使用。该电路板 是一块多功能的双面电路板,其功能包括232. 485串行口通信、1602. 12864液晶显 示、4*4按键、单片机进行控制、18B20温度传感器、红外传输功能,1302定时功能 等几大部分,增加了排针外扩展功能。该电路板的每部分都是独立的,即可单独使用, 也可同时工作实现更
6、多功能。关键字:发展趋势性能要求制作流程串口通信单片机控制 I2C总线SPI总线红外传输目录前言I摘要II目录III第1章PCB印刷电路板基础知识11.1印刷电路板概述11.1.1 PCB 介绍11.1.2电路板的发展及功能11.2印制电路板的分类21.3印刷电路板的发展趋势41.3.1印制电路板要求41.3.2国内外电路板的发展趋势4第2章PCB印刷电路设计基础62.1.1布局、布线设计的基本原则62.2印刷电路板设计要求82.2.1电路板设计的基本要求及走线要求82.2.2印制导线间距及接地的设置82.3 PCB设计流程92.3.1电路原理图的设计102.3.2布线的原则112.4设置电路
7、板的工作层面和栅格122.4.1电路板层的设置122.4.2电路板栅格的设置13第3章 人工设计PCB电路板153.1如何设计一款好的电路板153.2定义电路板153.2.1设置电路板层及电路板边缘尺寸163.3人工制PCB电路板设计指导173.4手工布线规则设置183.4.1安全间距及走线183.4.2敷铜设置193.5 EMC 和 EMI 19第4章PCB电路板设计实例204.1电路板工作原理分析204.1.1电路板原理图分析(电路图画法采用的是层次原理图)204.1.2 PCB电路板实例24总结26附录28附录A常用元器件封装28附录B PROTEL 99SE快捷键大全29致谢30参考文
8、献31第1章PCB印刷电路板基础知识1.1印刷电路板概述印刷电路板(Printed Circuit Board,简称PCB)又称印制板,是重要的电子部件, 是电子元器件的支撑体,是电子元器件电气连接的提供者。由于它是采用电子印刷术 制作的,故被称为“印刷”电路板。印制电路板的设计是以电路原理图为根据,实现电 路设计者所需要的功能。印刷电路板的设计主要指版图设计,需要考虑外部连接的布 局、内部电子元件的优化布局、金属连线和通孔的优化布局、电磁保护、热耗散等各 种因素。优秀的版图设计可以节约生产成本,达到良好的电路性能和散热性能。这才 是有价值的印刷电路板。1.1.1 PCB 介绍PCB是电子产品
9、的重要部件之一,几乎每种电子设备,小到电子手表、计算器, 大到计算机、通信电子设备、自动化控制系统,只要存在电子元器件、它们之间的电 气互连就要使用PCB。在电子产品的研发过程中,影响电子产品成功的最基本因素之 一是该产品的PCB的设计和制造,PCB的设计和制造质量直接影响到整个电子产品 的质量和成本,甚至影响电子产品在市场竞争中的竞争力。在电子技术发展早期,元件都是用导线连接的,而元件的固定是在空间中立体进 行的。电路由电源、导线、开关和元器件构成,就像实验室里电工实验电路那样。随着电子技术的发展,电子产品的功能、结构变得很复杂,元件布局、互连布线都不能像以往那样随便,否则检查起来就会眼花缭
10、乱;因此,人们对元 件和线路进行了规划。用一块板子为基础,在板上分配元件的布局,确定元件的接点, 使用铆钉、接线柱作为接点,用导线把接点按照电路要求,在板的一面布线,另一面 装元件,这就是最原始的电路板。这种类型的电路板在真空电子管时代非常盛行。线 路的接法有直线连接(接点到接点的连线拉直)和曲线连接。后来,大多数人采用曲 线连接,尽量减少使用直线连接。线路都在同一个平面分布,没有太多的遮盖点,检 查起来容易。这时电路板已初步形成了 “层”的概念。单面敷铜板的发明,成为电路板设计与制作新时代的标志。布线设计和制作技术 都已发展成熟。先在敷铜板上用模板印刷防腐蚀膜图,然后再腐蚀刻线,这种技术就
11、像在纸上印刷那么简便,“印刷电路板”因此得名,英文Printed Circuit Board,简称PCB。 印刷电路板的应用大幅度降低了生产成本,从晶体管时代到现在,这种单面印刷电路 板一直得到了广泛的应用。随着技术进步,人们又发明了双面板,即在板子两面都敷 铜,两面都可腐蚀刻线。1.1.2电路板的发展及功能一、电路板的发展由于电路的复杂性,有时也用到“飞线”。但电路的布线不是把元件按电路原理 简单连接起来就可以,电路工作时电磁感应、电阻效应、电容效应的都会影响电路的 性能,甚至会引起严重的质量问题,如自激、信号不完整传输、电磁干扰等问题。飞 线的方法只能解决少量的信号交错问题,数量太多是不可
12、取的。而且,硬要把所有线 路都排在有限的两个面上,又要降低电磁感应、电阻效应、电容效应,使得布线设计 的任务十分艰巨。线太细太密,不但加工困难、干扰大,而且容易烧断和发生断路故 障。若保证了线宽和线间距,电路板的面积就可能太大,不利于精密设备的小型化。 这些问题的出现促使了印制电路板设计和制作工艺的发展。随着电子产品生产技术的发展,开始在双面电路板的基础上发展夹层,其实就是 在双面板的基础上叠加上一块单面板,这就是多层电路板。起初,夹层多用做大面积 的地线、电源线的布线,表层都用于信号布线。后来,要求夹层用于信号布线的情况 越来越多,这要求电路板的层数也要增加。但夹层不能无限增加,主要原因是成
13、本和 厚度问题。电子产品设计要考虑性价比这个矛盾的综合体,而最实际的设计方法仍然 是以表层做信号布线层为首选。高频电路的元件也不能排的太密,否则元件本身的辐 射会直接对其他元件产生干扰。层与层之间的布线应错开成十字走向,以减少布线电 容和电感。二、印刷电路板的功能印制电路板在电子设备中具有如下功能:提供集成电路等各种电子元器件固定、 装配的机械支撑;实现集成电路等各种电子元器件之间的布线和电气连接或电绝缘; 提供所要求的电气特性,如特性阻抗等;为自动焊锡提供阻焊图形,为元件插装、检 查、维修提供识别字符和图形。有关印制板的一些基本术语如下;在绝缘基材上,按预定设计,制成印刷线路、 印制元件或由
14、两者结合而成的导电图形,称为印刷线路,它不包括印制元件。印制电 路或者印制线路的成品板称为印制电路板或印制线路板,也称印制板。电子设备采用印制板后,由于同类印制板的一致性,避免了人工接线的差错,并 可实现电子元器件自动插装或贴装、自动焊锡、自动监测,保证了电子产品的质量, 提高了劳动生产率、降低了成本,且便于维修。1.2印制电路板的分类根据电路层数分类:分为单面板、双面板和多层板。常见的多层板一般为4层板 或6层板,复杂的多层板可达十几层。1.2.1印制电路板分类一、单面板单面板(Single-Sided Boards)在最基本的PCB上,零件集中在其中一面,导线则集中在另一面上。因为导线只出
15、现在其中一面,所以这种PCB叫作单面板(Single-sided)o因为单面板在设计线路上有许多严格的限制(因为只有一面,布线 间不能交叉而必须绕独自的路径),所以只有早期的电路才使用这类的板子。单面板结构比较简单,制作成本较低,因此通常批量生产的电子产品会采用单面 板,例如电视机、显示器的电路板。但是对于复杂的电路,由于只能在一个面上走线 并且不允许交叉,单面板布线难度很大,布通率往往较低,当然如果剩下的未布通的 导线不多,可以通过焊接飞线来连接。不过如果飞线太多,不但焊接印制电路板的工 作量加大,而且焊接飞线本来就是一种隐患,时间久了,飞线容易脱落。因此,通常 只有电路比较简单时才采用单面
16、板的布线方案。二、双面板与多层板双面板(Double-Sided Boards)这种电路板的两面都有布线,不过要用上两面的 导线,必须要在两面间有适当的电路连接才行。这种电路间的桥梁”叫做导孔(via)。 导孔是在PCB上,充满或涂上金属的小洞,它可以与两面的导线相连接。因为双面板 的面积比单面板大了一倍,而且因为布线可以互相交错(可以绕到另一面),它更适 合用在比单面板更复杂的电路上。目前,表面贴装(不钻孔,直接焊接在PCB表面上)的使用越来越广泛,在使用 表面贴装时,可以根据需要将元器件焊接在任意一面上,这时候元器件面和焊接面的 区别就不是很明显了,但是作为一种标识,PCB仍然会区分元器件
17、面和焊接面。多层板(Multi-Layer Boards)为了增加可以布线的面积,多层板用上了更多单或 双面的布线板。用一块双面作内层、二块单面作外层或二块双面作内层、二块单面作 外层的印刷线路板,通过定位系统及绝缘粘结材料交替在一起且导电图形按设计要求 进行互连的印刷线路板就成为四层、六层印刷电路板了,也称为多层印刷线路板。板 子的层数就代表了有几层独立的布线层,通常层数都是偶数,并且包含最外侧的两层。 大部分的主机板都是4到8层的结构,不过技术上理论可以做到近100层的PCB板。 大型的超级计算机大多使用相当多层的主机板,不过因为这类计算机已经可以用许多 普通计算机的集群代替,超多层板已经
18、渐渐不被使用了。因为PCB中的各层都紧密的 结合,一般不太容易看出实际数目,不过如果仔细观察主机板,还是可以看出来。三、其他电路板根据制作材料的不同,PCB可以分为刚性印制板和挠性印制板刚性印制板包括酚醛纸质层压板、环氧纸质层压板、聚酯玻璃毡层压板、环氧玻 璃布层压板等;挠性印制板包括聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜、氟化乙丙烯(FEP)薄膜 等。挠性印制板又称软件印制电路板,即FPC,软性电路板是以聚酰亚胺或聚酯薄膜 为基材制成的一种具有高可靠性和较高曲挠性的印制板。挠性印制板散热性能好,具 有可弯曲、折叠、卷绕等优点,也可在三维空间随意移动和伸缩。可利用FPC缩小体 积,实现轻量化、小型化、薄型化,
19、从而实现元器件装置和导线连接一体化FPC广 泛应用于计算机、通信、航天及家电等行业。1.3印刷电路板的发展趋势印制电路板从单层板发展到双面板、多层板和挠制板,并不断地向高精度、高密 度和高可靠性方向发展。不断缩小体积、减少成本、提高性能,使得印制板在未来电 子产品的发展过程中,仍然保持强大的生命力。1.3.1印制电路板要求对于双面板和多层板而言,印制板技术水平的标志是把大批量生产的印制板 在2.50mm或2.54mm标准网格交点上的两个焊盘之间,能布设导线的根数作为标志。 在两个焊盘之间布设一根导线,为低密度印制板,其导线宽度大于0.3mm。在两个焊 盘之间布设2根导线,为中密度印制板,其导线
20、宽度约为0.2mm。在两个焊盘之间布 设3根导线,为高密度印制板,其导线宽度为0.10.15mm。在两个焊盘之间布设4根 导线,可算超高密度印制板,线宽度为0.050.08mm。对于多层板来说,还应以孔径 大小、层数多少作为综合衡量标志。密集组装板面打线(WireBond)盛行,镀镍镀金越来越重要,柱状漠化镍将兴起, PCB设计与制作技术难度加大,薄板、大尺寸排板、小孔剧增,纵横比(AspeetRatio) 加大,水平反脉冲与垂直反脉冲供电方式被广泛应用,盲孔镀铜则以垂直自走涡流搅 拌方式为宜,如UCON。细线制作困难,特性阻抗要求也越来越严格,对线边齐直度要求也逐渐苛求。方 式如:采用薄铜皮
21、、平行光曝光、湿膜薄光阻、部分蚀刻法(PartialEtching)或砂带 削薄法等进行批量生产。要考虑印制电路板尺寸大小,如果尺寸过大会使印制线条长,阻抗增加,不仅抗 噪声能力下降,成本也高;但尺寸过小,则散热不好,同时易受临近线条干扰。要求 其尺寸要适中。因此,设计电路板首先对PCB的大小和外形,给出一个合理的定位。 再确定特殊元件的位置和单元电路等,要按电路的流程把整个电路分为几个单元电路 或模块,并以每个单元电路的核心元件(如集成电路)为中心,其它的元件要按一定的 顺序均匀、整齐紧凑地排列在PCB板上,但不要太靠近这些大的元件,要有一定的距 离,特别一些比较大、比较高的元件周围要保持一
22、定的距离,这样有助于焊接和返修。 一些开关、微调元件等应该放在易于操作的地方。同一块印制板上的器件应尽可能按 其发热量大小及散热程度分区排列,发热量小或耐热性差的器件(如小信号晶体管、小 规模集成电路、电解电容等)放在冷却气流的最上流(入口处),发热量大或耐热性好的 器件放在冷却气流最下游。在同频电路中应考虑元器件之间的分布参数,一般高频电 路中应考虑元器件之间的分布参数,一般电路尽可能使元器件平行排列,这样不但美 观,而且易于装焊,同时易于批量生产。1.3.2国内外电路板的发展趋势目前,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
23、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,2003和2004年,全球 PCB产值分别是344亿美元和401亿美元,同比增长率分别为5.27%和16.47%。我国的PCB研制工作始于1956年,1963-1978年,逐步扩大形成PCB产业。改 革开放后20多年,由于引进国外先进技术和设备,单面板、双面板和多层板均获得 快速发展,国内PCB产业由小到大逐步发展起来。2002年,成为第三大PCB产出国。 2003年,PCB产值和进出口额均超过60亿美元,成为世界第二大PCB产出国。我国 PCB产业近年来保持着20%左右的高速增长,并预计在2010年
24、左右超过日本,成为 全球PCB产值最大和技术发展最活跃的国家。从产量构成来看,中国PCB产业的主要产品已经由单面板、双面板转向多层板, 而且正在从46层向68层以上提升。随着多层板、HDI板、柔性板的快速增长, 我国的PCB产业结构正在逐步得到优化和改善。在北美的许多印制板制造商们企盼着美国电子工业衰退的终结,但未见明显回 升,美国的印制板制造商们除了采取在本土裁员或关厂等应急措施外,为了长远的发 展,他们将战略重点转移到亚洲。西方厂商看重东方市场,电子制造业在亚洲获得空 前发展,尤其是在中国。目前,中国已经成为电子制造业大国。随着改革开放的深入,以及中国的长治久安和社会的稳定,吸引了越来越多
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