Protel中PCB工艺简介

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不少初学者感到Protel软件本身简单易学，容易上手，但较难理解的反倒是软件以外的一些概念和术语。为推广这一强有力的EDA工具，国内出版了该软件的使用手册等等，但遗憾的是，这些读物往往都是针对软件使用方法本身而编写的，对读者颇感困惑的PCB I艺中有关概念鲜有解释。笔者拟就软件涉及到的与PCB工艺的条目。撷摘若干，略加解释，以便人们更好地理解和使用这一软件。要想设计出合乎要求的印板图，必须先了解现代印刷电路板的一般工艺流程，否则将是闭门造车。


一般而言，印板有单面、双面和多层板之分。单面印板的工艺过程较简单，通常是下料——丝网漏印——腐蚀——去除印料——孔加工——印标记——涂助焊剂——成品。多层印板的工艺较为复杂，即：内层材料处理——定位孔加工——表面清洁处理——制内层走线及图形——腐蚀——层压前处理——外内层材料层压——孔加工——孔金属化——制外层图形——镀耐腐蚀可焊金属——去除感光胶——腐蚀——插头镀金——外形加工——热熔——涂焊剂——成品。双面板的工艺复杂情况介于二者之间，此处不赘述。

1、“层(Layer) ”的概念


与字处理或其它许多软件中为实现图、文、色彩等的嵌套与合成而引入的“层”的概念有所同，Protel的“层”不是虚拟的，而是印刷板材料本身实实在在的各铜箔层。现今，由于电子线路的元件密集安装。防干扰和布线等特殊要求，一些较新的电子产品中所用的印刷板不仅有上下两面供走线，在板的中间还设有能被特殊加工的夹层铜箔，例如，现在的计算机主板所用的印板材料多在4层以上。这些层因加工相对较难而大多用于设置走线较为简单的电源布线层（如软件中的Ground Dever和Power Dever），并常用大面积填充的办法来布线（如软件中的ExternaI P1a11e和Fill）。上下位置的表面层与中间各层需要连通的地方用软件中提到的所谓“过孔（Via）”来沟通。有了以上解释，就不难理解“多层焊盘”和“布线层设置”的有关概念了。举个简单的例子，不少人布线完成，到打印出来时方才发现很多连线的终端都没有焊盘，其实这是自己添加器件库时忽略了“层”的概念，没把自己绘制封装的焊盘特性定义为”多层（Mulii一Layer)的缘故。要提醒的是，一旦选定了所用印板的层数，务必关闭那些未被使用的层，免得惹事生非走弯路。


2、过孔(Via）


为连通各层之间的线路，在各层需要连通的导线的文汇处钻上一个公共孔，这就是过孔。工艺上在过孔的孔壁圆柱面上用化学沉积的方法镀上一层金属，用以连通


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通，也可不连。一般而言，设计线路时对过孔的处理有以下原则：
（1）尽量少用过孔，一旦选用了过孔，务必处理好它与周边各实体的间隙，特别是容易被忽视的中间各层与过孔不相连的线与过孔的间隙，如果是自动布线，可在“过孔数量最小化” （ Via Minimiz8tion）子菜单里选择“on”项来自动解决。


（2）需要的载流量越大，所需的过孔尺寸越大，如电源层和地层与其它层联接所用的过孔就要大一些。


3、丝印层（Overlay）


为方便电路的安装和维修等，在印刷板的上下两表面印刷上所需要的标志图案和文字代号等，例如元件标号和标称值、元件外廓形状和厂家标志、生产日期等等。不少初学者设计丝印层的有关内容时，只注意文字符号放置得整齐美观，忽略了实际制出的PCB效果。他们设计的印板上，字符不是被元件挡住就是侵入了助焊区域被抹赊，还有的把元件标号打在相邻元件上，如此种种的设计都将会给装配和维修带来很大不便。正确的丝印层字符布置原则是：”不出歧义，见缝插针，美观大方”。


4、SMD的特殊性


Protel封装库内有大量SMD封装，即表面焊装器件。这类器件除体积小巧之外的最大特点是单面分布元引脚孔。因此，选用这类器件要定义好器件所在面，以免“丢失引脚（Missing Plns）”。另外，这类元件的有关文字标注只能随元件所在面放置。


5、网格状填充区（External Plane ）和填充区(Fill)


正如两者的名字那样，网络状填充区是把大面积的铜箔处理成网状的，填充区仅是完整保留铜箔。初学者设计过程中在计算机上往往看不到二者的区别，实质上，只要你把图面放大后就一目了然了。正是由于平常不容易看出二者的区别，所以使用时更不注意对二者的区分，要强调的是，前者在电路特性上有较强的抑制高频干扰的作用，适用于需做大面积填充的地方，特别是把某些区域当做屏蔽区、分割区或大电流的电源线时尤为合适。后者多用于一般的线端部或转折区等需要小面积填充的地方。

6、焊盘( Pad）


焊盘是PCB设计中最常接触也是最重要的概念，但初学者却容易忽视它的选择和修正，在设计中千篇一律地使用圆形焊盘。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、振动和受热情况、受力方向等因素。Protel在封装库中给出了一系列不同大小和形状的焊盘，如圆、方、八角、圆方和定位用焊盘等，但有时这还不够用，需要自己

编辑。例如，对发热且受力较大、电流较大的焊盘，可自行设计成“泪滴状”，在大家熟悉的彩电PCB的行输出变压器引脚焊盘的设计中，不少厂家正是采用的这种形式。一般而言，自行编辑焊盘时除了以上所讲的以外，还要考虑以下原则：


（1）形状上长短不一致时要考虑连线宽度与焊盘特定边长的大小差异不能过大；
（2）需要在元件引角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编辑确定，原则是孔的尺寸比引脚直径大0．2- 0．4毫米。


7、各类膜（Mask) 这些膜不仅是PcB制作工艺过程中必不可少的，而且更是元件焊装的必要条件。按“膜”所处的位置及其作用，“膜”可分为元件面（或焊接面）助焊膜（TOp or Bottom 和元件面（或焊接面）阻焊膜（TOp or BottomPaste Mask）两类。顾名思义，助焊膜是涂于焊盘上，提高可焊性能的一层膜，也就是在绿色板子上比焊盘略大的各浅色圆斑。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形式，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。由此讨论，就不难确定菜单中类似“solder Mask En1argement”等项目的设置了。


8、飞线，飞线有两重含义：

（1）自动布线时供观察用的类似橡皮筋的网络连线，在通过网络表调入元件并做了初步布局后，用“Show 命令就可以看到该布局下的网络连线的交叉状况，不断调整元件的位置使这种交叉最少，以获得最大的自动布线的布通率。这一步很重要，可以说是磨刀不误砍柴功，多花些时间，值！另外，自动布线结束，还有哪些网络尚未布通，也可通过该功能来查找。找出未布通网络之后，可用手工补偿，实在补偿不了就要用到“飞线”的第二层含义，就是在将来的印板上用导线连通这些网络。要交待的是，如果该电路板是大批量自动线生产，可将这种飞线视为0欧阻值、具有统一焊盘间距的电阻元件来进行设计.

一、 目的：

规范印制电路板工艺设计，满足印制电路板可制造性设计的要求，为硬件设计人员提供印制电路板工艺设计准则，为工艺人员审核印制电路板可制造性提供工艺审核准则。

二、范围：

　　　本规范规定了硬件设计人员设计印制电路板时应该遵循的工艺设计要求，适用于公司设计的所有印制电路板。

三、特殊定义：

　　印制电路板（PCB, printed circuit board）：

　　在绝缘基材上，按预定设计形成印制元件或印制线路或两

者结合的导电图形的印制板。
元件面（Component Side）：

　　安装有主要器件（IC等主要器件）和大多数元器件的印制电路板一面，其特征表现为器件复杂，对印制电路板组装工艺流程有较大影响。通常以顶面（Top）定义。

　　焊接面（Solder Side）：

　　与印制电路板的元件面相对应的另一面，其特征表现为元器件较为简单。通常以底面（Bottom）定义。

　　金属化孔（Plated Through Hole）：

　　孔壁沉积有金属的孔。主要用于层间导电图形的电气连接。

　　非金属化孔（Unsupported hole）：

　　没有用电镀层或其它导电材料涂覆的孔。

　　引线孔（元件孔）：

　　印制电路板上用来将元器件引线电气连接到印制电路板导体上的金属化孔。

　　通孔：

　　金属化孔贯穿连接（Hole Through Connection）的简称。

　　盲孔（Blind via）：

　　多层印制电路板外层与内层层间导电图形电气连接的金属化孔。

　　埋孔(Buried Via)：
多层印制电路板内层层间导电图形电气连接的金属化孔。

　　测试孔：

　　设计用于印制电路板及印制电路板组件电气性能测试的电气连接孔。

　　安装孔：

　　为穿过元器件的机械固定脚，固定元器件于印制电路板上的孔，可以是金属化孔，也可以是非金属化孔，形状因需要而定。

　　塞孔：

　　用阻焊油墨阻塞通孔。

　　阻焊膜（Solder Mask, Solder Resist）：

用于在焊接过程中及焊接后提供介质和机械屏蔽的一种覆膜。

　　焊盘（Land, Pad）：

用于电气连接和元器件固定或两者兼备的导电图形。

　　其它有关印制电路的名词述语和定义参见 GB2036-80《印制电路名词述语和定义》。

　　元件引线（Component Lead）：从元件延伸出的作为机械连接或电气连接的单股或多股金属导线，或者已经成形的导线。

折弯引线（Clinched Lead）：焊接前将元件引线穿过印制板的安装孔然后弯折成形的引线。

　　轴向引线（Axial Lead）：沿元件轴线方向伸出的引线。

　　波峰焊（Wave Soldering）：印制板与连续循环的波峰状流动焊料接触的焊接过程。

　　回流焊（Reflow Soldering）：是一种将元器件焊接端面和PCB焊盘涂覆膏状焊料后组装在一起，加热至焊料熔融，再使焊接区冷却的焊接方式。

　　桥接（Solder Bridging）：导线间由焊料形成的多余导电通路。

　　锡球（Solder Ball）：焊料在层压板、阻焊层或导线表面形成的小球（一般发生在波峰焊或回流焊之后）。

　　拉尖（Solder Projection）：出现在凝固的焊点上或涂覆层上的多余焊料凸起物。

　　墓碑，

元件直立（Tombstone Component）：一种缺陷，双端片式元件只有一个金属化焊端焊接在焊盘上，另一个金属化焊端翘起，没有焊接在焊盘上。

　　集成电路封装缩写：

BGA（Ball Grid Array）：球栅阵列，面阵列封装的一种。

QFP（Quad Flat Package）：方形扁平封装。

PLCC（Plastic Leaded Chip Carrier）：有引线塑料芯片栽体。
DIP（Dual In-line Package）：双列直插封装。

SIP（Single inline Package）：单列直插封装

SOP（Small Out-Line Package）：小外形封装。

SOJ（Small Out-Line J-Leaded Package）：J形引线小外形封装。

COB（Chip on Board）：板上芯片封装。

Flip-Chip：倒装焊芯片。

片式元件（CHIP）：片式元件主要为片式电阻、片式电容、片式电感等无源元件。根据引脚的不同，有全端子元件（即元件引线端子覆盖整个元件端）和非全端子元件，一般的普通片式电阻、电容为全端子元件，而像钽电容之类则为非全端子元件。

THT（Through Hole Technology）：通孔插装技术

SMT（Surface Mount Technology）：表面安装技术

四、规范内容：

我司推荐的加工工艺

电子装联工艺中有多种加工工艺，包括SMT、THT和SMT/THT混合组装，根据我司特点，建议优选下列加工工艺：

　　单面SMT（单面回流焊接技术）

此种工艺较简单。典型的单面SMT 其PCB主要一面全部是表面组装元器件（如我司部分内存产品）。根据我司实际情况，这里我们可以将单面SMT概念略微放宽一些，即PCB主要一面上可以有少量符合回流焊接温度要求和通孔回流焊接条件的THT元器件，采用通孔回流焊接技术焊接这些THT元器件，另外考虑到节省钢网，也可以允许在另一面有少量 SMT元器件采用手工焊接（如我司部分无线网卡产品），手工焊接SMT元器件的封装要求如下：

　　引线间距大于 0.5mm （不包括 0.5mm ）的器件，片式电阻、电容的封装尺寸不小于0603，不要有0402排阻，不要有BGA等面阵列器件。也可以手工焊接少量THT元件。

　　加工工艺为：锡膏涂布――元器件贴装――回流焊接――手工焊接

　　双面SMT（双面回流焊接技术）

　　此种工艺较简单（如我司部分内存产品）。适合双面都是表面贴装元器件的PCB，因此在元器件选型时要求尽量选用表面贴装元器件，以提高加工效率。如果 PCB上无法避免使用小部分THT元器件，可以采用通孔回流焊接技术和手工焊接方法。采用通孔回流焊接技术，THT元器件要符合回流焊接温度要求和通孔回流焊接条件。由于此工艺是二次回流焊接，在第二次回流焊接时，底部的元器件是*熔融焊料的表面张力而吸附在P


CB板上的。为防止焊料熔化时过重的元器件下掉或移位，对底面的元器件重量有一定要求，判断依据为：每平方英寸焊角接触面的承重量应小于等于 30克 。如果采用网带式回流焊机焊接，每平方英寸焊角接触面的承重量大于 30克 的器件，必须接触网带，并使PCB板同网带保持水平。

　　加工工艺为：锡膏涂布――元器件贴装――回流焊接――翻板――锡膏涂布――元器件贴装――回流焊接――手工焊接

　　单面SMT+THT混装（单面回流焊接，波峰焊接）
此类工艺是一种常用的加工方法，因此在PCB布局时，尽可能将元器件都布于同一面，减少加工环节，提高生产效率。

　　加工工艺为：锡膏涂布――元器件贴装――回流焊接――插件――波峰焊接

　　双面SMT+THT混装（双面回流焊接，波峰焊接）

　　此种工艺较为复杂，在我司网络产品中多见。此类PCB板底面的SMT元器件需要采用波峰焊接工艺，因此对底面的SMT元器件有一定要求。

　　BGA等面阵列器件不能放在底面，PLCC、QFP等器件不宜放在底面，细间距引线SOP不宜波峰焊接，元器件托起高度值（Stand off）不能满足印胶要求的片式元件，由于无法印胶固定，也不宜放在底部波峰焊接，SOP器件的布局方向也有要求等。具体要求请参见“布局”一节。

　　在设计这种元器件密度较大，底面必须排布元器件并且THT元器件又较多的PCB板时，要求采用此种布局方式，提高加工效率，减少手工焊接工作量。

　　加工工艺为：锡膏涂布――元器件贴装――回流焊接――翻板――印胶――元器件贴装――胶固化――翻板――插件――波峰焊接

　元器件布局

元器件布局通则

　　在设计许可的条件下，元器件的布局尽可能做到同类元器件按相同的方向排列，相同功能的模块集中在一起布置；相同封装的元器件等距离放置，以便元件贴装、焊接和检测。

　　PCB板尺寸的考虑

限制我司PCB板尺寸的关键因素是切板机的加工能力。
　　选择的加工工艺中涉及到铣刀式切板机时，PCB拼板尺寸： 70mm × 70mm ―― 310mm × 240mm 。
选择的加工工艺中涉及到园刀式切板机时，PCB拼板尺寸： 50mm × 50mm （考虑到其它设备的加工能力）―― 450mm × 290mm 。板厚： 0.8mm ―― 3.2mm 。
选择的加工工艺中不涉及到切板机时（如网络产品），PCB板尺寸： 50mm × 50mm ―― 457mm × 407mm 。（波峰焊），板厚： 0.5mm ―― 3.0mm 。具体参见附录“加工设备参数表”。特别要注意在制作工艺夹具时也要考虑到设备的加工能力。
工艺边
PCB板上至少要有一对边留有足够的传送带位置空间，即

工艺边。PCB板加工时，通常用较长的对边作为工艺边，留给设备的传送带用，在传送带的范围内不能有元器件和引线干涉，否则会影响PCB板的正常传送。
工艺边的宽度不小于 5mm 。如果PCB板的布局无法满足时，可以采用增加辅助边或拼板的方法，参见“拼板”。
PCB测试阻抗工艺边大于 7MM 。
PCB板做成圆弧角直角的PCB板在传送时容易产生卡板，因此在设计PCB板时，要对板框做圆弧角处理，根据PCB板尺寸的大小确定圆弧角的半径（ 5mm ）。拼板和加有辅助边的PCB板在辅助边上做圆弧角。
元器件体之间的安全距离
　　考虑到机器贴装时存在一定的误差，并考虑到便于维修和目视外观检验，相邻两元器件体不能太近，要留有一定的安全距离。
　　QFP、PLCC
　　此两种器件的共同特点是四边引线封装，不同的是引线外形有所区别。QFP是鸥翼形引线，PLCC是J形引线。由于是四边引线封装，因此，不能采用波峰焊接工艺。
　　QFP、PLCC器件通常布在PCB板的元件面，若要布在焊接面进行二次回流焊接工艺，其重量必须满足：每平方英寸焊角接触面的承重量应小于等于 30克 的要求。
　　BGA等面阵列器件
　　BGA等面阵列器件应用越来越多，一般常用的是 1.27mm ， 1.0mm 和 0.8mm 球间距器件。BGA等面阵列器件布局主要考虑其维修性，由于BGA返修台的热风罩所需空间限制，BGA周围 3mm 范围内不能有其它元器件。正常情况下BGA等面阵列器件不允许布置在焊接面，当布局空间限制必须将BGA等面阵列器件布置在焊接面时，其重量必须满足前述要求。
　　BGA等面阵列器件不能采用波峰焊接工艺。
　　SOIC器件
小外形封装的器件有多种形式，有SO、SOP、SSOP、TSOP等，其共同特点都是对边引线封装。此类器件适合回流焊接工艺，布局设计要求与QFP器件相同。引线间距≥ 1.27mm （50mil）、器件托起高度（Standoff）≤ 0.15mm 的SOIC器件可以采用波峰焊接工艺，但是要注意SOIC器件与波峰的相对方向。　　　　Standoff大于 0.2mm 不能过波峰　　SOT、DPAK器件　　SOT器件适用于回流焊接工艺和波峰焊接工艺，在布局时可以放在元件面和焊接面。采用波峰焊接工艺时，器件托起高度（Standoff）要≤ 0.15mm一、Signal Layers(信号层)　　Protel98、Protel99提供了16个信号层：Top （顶层）、Bottom（底层）和Mid1-Mid14（14个中间层）。　　信号层就是用来完成印制电路板铜箔走线的布线层。在设计双面板时，一般只使用Top（顶层）和Bottom（底层）两层，当印制电路板层数超过4层时，就需要使用Mid（中间布线层）。二、Internal Planes(
内部电源/接地层)Protel98、Protel99提供了Plane1-Plane4（4个内部电源/接地层）。内部电源/接地层主要用于4层以上印制电路板作为电源和接地专用布线层，双面板不需要使用。

三、Mechanical Layers(机械层)　　机械层一般用来绘制印制电路板的边框（边界），通常只需使用一个机械层。有Mech1-Mech4（4个机械层）。

四、Drkll Layers(钻孔位置层)　　共有2层：“Drill Drawing”和“Drill Guide”。用于绘制钻孔孔径和孔的定位。

五、Solder Mask(阻焊层)　　共有2层：Top（顶层）和Bottom（底层）。阻焊层上绘制的时印制电路板上的焊盘和过孔周围的保护区域。

六、Paste Mask(锡膏防护层)　　共有2层：Top（顶层）和Bottom（底层）。锡膏防护层主要用于有表面贴元器件的印制电路板，这时表帖元器件的安装工艺所需要的，无表帖元器件时不需要使用该层。

七、Silkscreen(丝印层)　　共有2层：Top（顶层）和Bottom（底层）。丝印层主要用于绘制文字说明和图形说明，如元器件的外形轮廓、标号和参数等。
八、Other(其它层)　　共有8层：“Keep Out（禁止布线层）”、“Multi Layer（设置多层面）”、“Connect（连接层）”“DRC Error（错误层）”、2个“Visible Grid（可视网格层）”“Pad Holes（焊盘孔层）”和“Via Holes（过孔孔层）”。其中有些层是系统自己使用的如Visible Grid（可视网格层）就是为了设计者在绘图时便于定位。而Keep Put（禁止布线层）是在自动布线时使用，手工布线不需要使用。