7.9 多层板的设计

在第 5 章曾介绍过多层板的概念，多层板中的两个重要概念是中间层（ Mid-Layer ）和内层（ Intermal Plane ）。其中中间层是用于布线的中间板层，该层所布的是导线。而内层是不用于布线的中间板层，主要用于做电源支或者地线层，由大块的铜膜所构成。

Protel DXP 中提供了最多 16 个内层， 32 个中间层，供多层板设计的需要。在这里以常用的四层电路板为例，介绍多层电路板的设计过程。

1 ．内层的建立

对于 4 层电路板，就是建立两层内层，分别用于电源层和地层。这样在 4 层板的顶层和低层不需要布置电源线和布置地线，所有电路元件的电源和地的连接将通过盲 过孔 的形式连接两层内层中的电源和地。

内层的建立方法是：打开要设计的 PCB 电路板，进入 PCB 编辑状态。如图 7-26 所示是一幅双面板的电路图，其中较粗的导线为地线 GND 。

然后执行主菜单命令 Design/Layer Stack Manager… ，系统将弹出 Layer Stack Manager （板层管理器）对话框，如图 5-31 所示。

在板层管理器中，单击 Add Plane 按钮，会在当前的 PCB 板中增加一个内层，在这时要添加两个内层，添加了两个内层的效果如图 7-27 所示。

图 7-26 双面板电路图举例

图 7-27 增加两个内层的 PCB 板

用鼠标选中第一个内层（ IntermalPlanel ），双击将弹出 Edit Layer （内层属性编辑）对话框，如图 7-28 所示。

图 7-28 内层属性编辑对话框

在图 7-27 的内层属性编辑对话框中，各项设置说明如下：

• Name 文本框；用于给该内层指定一个名字，在这里设置为 Power ，表示布置的是电源层。
• Copper thickness 文本框：用于设置内层铜膜的厚度，这里取默认值。
• Net Name 下拉列表：用于指字对应的网络名，对应 PCB 电源的网络名，这里定义为 VCC 。
• Pullback ：用于设置内层铜膜和 过孔 铜膜不相交时的缩进值，这里取默认值。同样的，对另一个内层的属性指定为：
• Name ：定为 Ground ，表示是接地层。
• Net Name ：网络名字为 GND 。

对两个内层的属性指定完成后，其设置结果如图 7-29 所示。

图 7-29 内层设置完成结果图

2 ．删除所有导线

内层设置完毕后，将重新删除以前的导线，方法是在主菜单下执行菜单命令 Tools/Un-Route/All ，将以前所有的导线删除。

3 ．重新布置导线

重新布线的方法是在主菜单下执行菜单命令 Auto Route/All 。 Protel 将对当前 PCB 板进行重新布线，布线结果如图 7-30 所示。

图 7-30 多层板布线结果图

从图 7-30 中可以看出，原来 VCC 和 GND 的接点都不现用导线相连接，它们都使用 过孔 与两个内层相连接，表现在 PCB 图上为使用十字符号标注。

4 ．内层的显示

在 PCB 图纸上右击鼠标，在弹出的右键菜单中执行命令 Options/Board Layers&Colors ，系统将弹出 Board Layers and Colors （板层和颜色管理）对话框，如图 7-31 所示。

图 7-31 板层和颜色管理对话框

在板层和颜色管理对话框中， Internal Planes 栏列出了当前设置的两层内层，分别为 Power 层和 Ground 层。用鼠标选中这两项的 Show 复选按钮，表示显示这两个内层。单击 OK 后退出。

再在 PCB 编辑界面下，右击鼠标，在弹出的快捷菜单中执行命令 Options/Show/ode… ，将弹出 Preferences （属性）设置对话框，并单击 Display 标签，将出现 Display 选项卡如图 7-32 所示。

图 7-32 显示属性设置对话框

在图 7-31 中，选定 Display Options 选项区域下的 Single Layer Mode （单层显示模式）复选项，单击 OK 按钮后确定退出。

将板层切换到内层，如切换到“ Power ”层的效果如图 7-33 所示。

图 7-33 内层显示效果图

如图 7-32 所示，可以看到在网络名为 VCC 的网络标号的 过孔 处有一虚线圆，表示“ VCC ”电源内层的使用情况。

7.10 印刷电路板工艺设计

7.10.1 P CB 布线工艺设计的一般原则和抗干扰措施

在 PCB 设计中，布线是完成产品设计的重要步骤， PCB 布线有单面布线、双面布线和多层布线。为了避免输入端与输出端的边线相邻平行而产生反射干扰和两相邻布线层互相平行产生寄生耦合等干扰而影响线路的稳定性，甚至在干扰严重时造成电路板根本无法工作，在 PCB 布线工艺设计中一般考虑以下方面：

1 ．考虑 PCB 尺寸大小

PCB 尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；尺寸过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。应根据具体电路需要确定 PCB 尺寸。

2 ．确定特殊元件的位置

确定特殊元件的位置是 PCB 布线工艺的一个重要方面，特殊元件的布局应主要注意以下方面：

• 尽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。易受干扰的元器件不能相互离得太近，输入和输出元件应尽量远离。
• 某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。
• 重量超过 15g 的元器件、应当用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件，不宜装在印制板上，而应装在整机的机箱底板上，且应考虑散热问题。热敏元件应远离发热元件。
• 对于电位器、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，应放在印制板上便于调节的地方；若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。应留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。

3 ．布局方式

采用交互式布局和自动布局相结合的布局方式。布局的方式有两种：自动布局及交互式布局，在自动布线之前，可以用交互式预先对要求比较严格的线进行布局，完成对特殊元件的布局以后，对全部元件进行布局，主要遵循以下原则：

• 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。
• 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的引线和连接。
• 在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观，而且装焊容易，易于批量生产。
• 位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于 2mm 。电路板的最佳形状为矩形。长宽比为 3:2 或 4:3 。电路板面尺寸大于 200 × 150mm 时，应考虑电路板所受的机械强度。

4 ．电源和接地线处理的基本原则

由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，对电源和地的布线采取一些措施降低电源和地线产生的噪声干扰，以保证产品的质量。方法有如下几种：

• 电源、地线之间加上去耦电容。单单一个电源层并不能降低噪声，因为，如果不考虑电流分配，所有系统都可以产生噪声并引起问题，这样额外的滤波是需要的。通常在电源输入的地方放置一个 1 ～ 10μF 的旁路电容，在每一个元器件的电源脚和地线脚之间放置一个 0.01 ～ 0.1μF 的电容。旁路电容起着滤波器的作用，放置在板上电源和地之间的大电容（ 10μF ）是为了滤除板上产生的低频噪声（如 50/60Hz 的工频噪声）。板上工作的元器件产生的噪声通常在 100MHz 或更高的频率范围内产生谐振，所以放置在每一个元器件的电源脚和地线脚之间的旁路电容一般较小（约 0.1μF ）。最好是将电容放在板子的另一面，直接在元件的正下方，如果是表面贴片的电容则更好。
• 尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：地线 > 电源线 > 信号线，通常信号线宽为： 0.2 ～ 0 .3mm ，最细宽度可达 0.05 ～ 0 .07mm ，电源线为 1.2 ～ 2 .5mm ，用大面积铜层作地线用，在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。做成多层板，电源，地线各占用一层。
• 依据数字地与模拟地分开的原则。若线路板上既有数字逻辑电路和又有模拟线性是中，应使它们尽量分开。低频电路的地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。高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而粗，高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔，保证接地线构成闭环路。

5 ．导线设计的基本原则

导线设计不能一概用一种模式，不同的地方以及不同的功能的线应该用不同的方式来布线。应该注意以下两点：

• 印制导线拐弯处一般取圆弧形，而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。此外，尽量避免使用大面积铜箔，否则，长时间受热时易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用大面积铜箔时，最好用栅格状，这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。
• 焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些。焊盘太大易形成虚焊。焊盘外径（ D ）一般不小于（ d+1.2 ） mm ，其中 d 为引线孔径。对高密度的数字电路，焊盘最小直径可取（ d+1.0 ） mm 。

7.10.2 制板的工艺流程和基本概念

为进一步认识 PCB ，有必要了解一下单面、双面和多面板的制作工艺，以加深对 PCB 的了解。

1 ．单面印制板

单面印制板实用于简单的电路制作，其工艺流程发下：

单面覆铜板 → 下料 → 刷洗、干燥 → 网印线路抗蚀刻图形 → 固化 → 检查、修板 → 蚀刻铜 → 去抗蚀印料、干燥 → 钻网印及冲压定位孔 → 刷洗、干燥 → 网印阻焊图形（常用绿油）、 UV 固化 → 网印字符标注图形、 UV 固化 → 预热、冲孔及外形 → 电气开、短路测试 → 刷洗、干燥 → 预涂助焊防氧化剂（干燥） → 检验、包装 → 成品。

2 ．双面印板

双面印板适用于比较复杂的电路，是最常见的印刷电路板。近年来制造双面金属印制板的典型工艺是图形点电镀法和 SMOBC （图形电镀法再退铅锡）法。在某些特定场合也有使用工艺导线法的。

① 图形点电镀工艺

图形点电镀工艺流程如下：

覆箔板 → 下料 → 冲钻基准孔 → 数控钻孔 → 检验 → 去毛刺 → 化学镀薄铜 → 电镀薄铜 → 检验 → 刷板 → 贴膜（或网印） → 曝光显影（或固化） → 检验修板 → 图形电镀 → 去膜 → 蚀刻 → 检验修板 → 插头镀镍镀金 → 热熔清洗 → 电气通断检测 → 清洁处理 → 网印阻焊图形 → 固化 → 网印标记符号 → 固化 → 外形加工 → 清洗干燥 → 检验 → 包装 → 成品。

②SMOBC （图形电镀法再退铅锡）工艺

制造 SMOBC 板的方法很多，有标准图形电镀减去法再退铅锡的 SMOBC 工艺；用镀锡或浸锡等代替电镀铅锡的减去法图形电镀 SMOBC 工艺；堵孔或掩蔽孔法 SMOBC 工艺；加成法 SMOBC 工艺等。下面主要介绍图形电镀法再退铅锡的 SMOBC 工艺和堵孔法 SMOBC 工艺流程。

图形电镀法再退铅锡的 SMOBC 工艺法的流程如下：

双面覆铜箔板 → 按图形电镀法工艺到蚀刻工序 → 退铅锡 → 检查 → 清洗 → 阻焊图形 → 插头镀镍镀金 → 插头贴胶带 → 热风整平 → 清洗 → 网印标记符号 → 外形加工 → 清洗干燥 → 成品检验 → 包装 → 成品。

堵孔法主要工艺流程如：

双面覆箔孔 → 钻孔 → 化学镀铜 → 整板电镀铜 → 堵孔 → 网印成像（正像） → 蚀刻 → 去网印料、去堵孔料 → 清洗 → 阻焊图形 → 插头镀镍、镀金 → 插头贴胶带 → 热风整平 → 清洗 → 网印标记符号 → 外形加工 → 清洗干燥 → 成品检验 → 包装 → 成品。

3 ．多面板

多层印制板是由三层以上的导电图形层与绝缘材料层交替地经层压粘合一起而形成的印制板，并达到设计要求规定的层间导电图形互连。它具有装配密度高、体积小、重量轻、可靠性高等特点，是产值最高、发展速度最快的一类 PCB 产品。随着电子技术朝高速、多功能、大容量和便携低耗方向发展，多层印制板的应用越来越广泛，其层数及密度也越来越高，相应之结构也越来越复杂。

多层印制板的主要工艺流各如下：

内层覆铜板双面开料 → 刷洗 → 干燥 → 钻定位孔 → 贴光致抗蚀干膜或涂覆光致抗蚀剂 → 曝光 → 显影 → 蚀刻、去膜 → 内层粗化、去氧化 → 内层检查 → 外层单面覆铜板线路制作 → 板材粘结片检查 → 钻定位孔 → 层压 → 钻孔 → 孔检查 → 孔前处理与化学镀铜 → 全板镀薄铜 → 镀层检查 → 贴光致耐电镀干膜或涂覆光致耐电镀剂 → 面层底板曝光 → 显影、修板 → 线路图形电镀 → 电镀锡铝合金或金镀 → 去膜和蚀刻 → 检查 → 网印阻焊图形或光致阻焊图形 → 热风平整或有机保护膜 → 数控洗外形 → 成品检验 → 包装成品。

小结

本章对常用的高级 PCB 编辑技巧进行了介绍，这些技巧包括放置文字、放置焊盘和放置过孔，还介绍了包地、补泪滴、放置填充和敷铜等 PCB 技巧。

本章最后介绍了多层电路板的设计方法，以及 PCB 印刷电路板的设计工艺的相关知识。

掌握这些编辑技巧将能更好地设计 PCB 电路板，也使设计的电路板更专业化，电路工作更为稳定。

习题

• 熟悉放置焊盘、放置过孔和放置填充等组件放置，以及包地、补泪滴、敷铜等 PCB 编辑技巧。
• 熟悉多层板的设计。