作者：范志庆
出版社：电子工业出版社
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电子产品印制电路板设计与制作试读：
前言
。郝黎明 责任编辑范志庆 主编李晶骅 副主编钟勇 副主编严航 副主编刘竹林 副主编王艳萍 其他贡献者陈健德 其他贡献者chenjd＠phei.com.cn职业教育 继往开来（序）
自我国经济在21世纪快速发展以来，各行各业都取得了前所未有的进步。随着我国工业生产规模的扩大和经济发展水平的提高，教育行业受到了各方面的重视。尤其对高等职业教育来说，近几年在教育部和财政部实施的国家示范性院校建设政策鼓舞下，高职院校以服务为宗旨、以就业为导向，开展工学结合与校企合作，进行了较大范围的专业建设和课程改革，涌现出一批示范专业和精品课程。高职教育在为区域经济建设服务的前提下，逐步加大校内生产性实训比例，引入企业参与教学过程和质量评价。在这种开放式人才培养模式下，教学以育人为目标，以掌握知识和技能为根本，克服了以学科体系进行教学的缺点和不足，为学生的顶岗实习和顺利就业创造了条件。
中国电子教育学会立足于电子行业企事业单位，为行业教育事业的改革和发展，为实施“科教兴国”战略做了许多工作。电子工业出版社作为职业教育教材出版大社，具有优秀的编辑人才队伍和丰富的职业教育教材出版经验，有义务和能力与广大的高职院校密切合作，参与创新职业教育的新方法，出版反映最新教学改革成果的新教材。中国电子教育学会经常与电子工业出版社开展交流与合作，在职业教育新的教学模式下，将共同为培养符合当今社会需要的、合格的职业技能人才而提供优质服务。
近期由电子工业出版社组织策划和编辑出版的“全国高职高专院校规划教材·精品与示范系列”，具有以下几个突出特点，特向全国的职业教育院校进行推荐。（1）本系列教材的课程研究专家和作者主要来自于教育部和各省市评审通过的多所示范院校。他们对教育部倡导的职业教育教学改革精神理解得透彻准确，并且具有多年的职业教育教学经验及工学结合、校企合作经验，能够准确地对职业教育相关专业的知识点和技能点进行横向与纵向设计，能够把握创新型教材的出版方向。（2）本系列教材的编写以多所示范院校的课程改革成果为基础，体现重点突出、实用为主、够用为度的原则，采用项目驱动的教学方式。学习任务主要以本行业工作岗位群中的典型实例提炼后进行设置，项目实例较多，应用范围较广，图片数量较大，还引入了一些经验性的公式、表格等，文字叙述浅显易懂。增强了教学过程的互动性与趣味性，对全国许多职业教育院校具有较大的适用性，同时对企业技术人员具有可参考性。（3）根据职业教育的特点，本系列教材在全国独创性地提出“职业导航、教学导航、知识分布网络、知识梳理与总结”及“封面重点知识”等内容，有利于老师选择合适的教材并有重点地开展教学过程，也有利于学生了解该教材相关的职业特点和对教材内容进行高效率的学习与总结。（4）根据每门课程的内容特点，为方便教学过程对教材配备相应的电子教学课件、习题答案与指导、教学素材资源、程序源代码、教学网站支持等立体化教学资源。
职业教育要不断进行改革，创新型教材建设是一项长期而艰巨的任务。为了使职业教育能够更好地为区域经济和企业服务，殷切希望高职高专院校的各位职教专家和老师提出建议和撰写精品教材（联系邮箱：chenjd＠phei.com.cn，电话：010-88254585），共同为我国的职业教育发展尽自己的责任与义务！
中国电子教育学会
前言
印制电路板是绝大部分电子装置的核心部件，为电子元器件提供支撑和电气连接，已有一百多年的发展历史。近年来，随着我国经济的快速发展，我国已成为世界主要的印制电路板设计与制造地，印制电路板产业的技能型人才需求不断增加。为了促进印制电路板产业的健康发展和技术升级，进一步提高电子行业的产品质量，高职院校要培养出更多的符合行业需求的技能型人才。
本书按照教育部最新的职业教育教学改革要求，结合国家示范专业建设项目成果，在与企业长期合作的基础上进行编写，重点培养学生熟练运用计算机辅助设计软件完成电子电路与印制电路板图的设计与制作的能力。传统的电子CAD设计教材以基本命令和操作方法为出发点，按照电路原理图绘制、原理图符号绘制、印制电路板设计及封装模型绘制的顺序逐一讲解各类编辑器中的命令和操作方法，即使学会了软件设计方法，但如果不懂印制电路板的设计流程和工艺规范，也不会设计真实的印制电路板。
本书按照电子行业印制电路板设计与生产企业的工作流程及工艺规范，通过大量的元器件图片和详尽的设计资料，真实而系统地介绍单面插针印制电路板、双面插针印制电路板、双面贴片印制电路板的设计，内容涵盖热转印法、雕刻法、小型工业湿膜法及小型工业干膜法等印制电路板的制作方法。本书注重理论教学与实践教学相融合，结合印制电路板的不同应用需求，以单片机学习仪的电源电路、小系统电路、简化板电路及完整板电路为主线来设置教学项目，通过典型的设计制作案例来介绍操作技能。
本书采用使用较广泛的Protel DXP 2004软件，结合工艺规范介绍项目任务的设计制作过程，内容由浅入深，新颖实用，易于教学，同时安排有综合训练任务。本书具有以下特点。（1）由项目导入，以任务驱动。将软件操作巧妙融入项目设计过程中，以完成印制电路板设计任务为目标。（2）以工作过程安排教学内容。把学的过程与做的过程有机整合，完全按照行业印制电路板设计制作流程安排教学内容。（3）以专业印制电路板设计生产企业的工艺规范指导设计过程，使学生在设计的一开始就建立工艺规范概念，提高印制电路板设计的成功率，为将来更好地适应岗位工作打下良好的基础。（4）图文并茂，资料翔实。无论是设计项目还是综合训练任务都提供了全部元器件和印制电路板的资料及照片，以及电路原理图、印制电路板设计过程中的库资料等。
本书由范志庆主编并统稿，钟勇、李晶骅、严航、刘竹林、罗英军参与内容规划、项目设计与综合训练资料收集、图纸处理和文字校对等工作。同时，本书的编写得到了有关职教专家及企业专家的大力支持，在此一并表示深深的感谢。
由于时间和编者水平有限，书中错漏在所难免，热忱欢迎读者对本书提出批评与建议。
本书配有免费的电子教学课件、习题参考答案、完整设计文档、图片素材，请有需要的教师登录华信教育资源网（www.hxedu.com.cn）免费注册后进行下载，如有问题请在网站留言或与电子工业出版社联系（E-mail：hxedu＠phei.com.cn）。读者也可通过与该教材有关的精品课网站（http：//www.syzy.com.cn/jwc/jpkc/dzx/）浏览和参考更多的教学资源。
编者
第1章 印制电路板基础与课程定位
教学导航
印制电路板，简称印制板，英文简称PCB（Printed Circuit Board）或PWB（Printed Wiring Board），是以绝缘板为基材，将其切成一定尺寸，按预定设计形成点间连接及印制组件，并布有孔（如元件孔、紧固孔、金属化孔等），以实现电子元器件之间的相互连接。其主要功能是使各种电子元器件形成预定电路的连接，起中继传输的作用，是电子产品的关键电子互连件。印制电路板的制造品质，不但直接影响电子产品的可靠性，而且影响系统产品整体竞争力，因此印制电路板被称为“电子系统产品之母”。
印制电路板的发明者是奥地利人保罗·爱斯勒（Paul Eisler），他于1936年在一个收音机装置内使用了印制电路板。1943年，美国人将该技术大量应用于军用收音机中。1948年，美国正式认可这个发明用于商业用途。自20世纪50年代中期起，印制电路板技术开始被广泛采用。如今，印制电路板在电子工业中已经占据了绝对统治地位，其产业发展水平可在一定程度上反映一个国家或地区电子产业的发展速度与技术水准。
1.1 印制电路板的分类与构成
印制电路板的产业链为：原材料（玻纤布、铜箔）→覆铜板→印制电路板→电子产品应用。
1.印制电路板的分类
覆铜板（简称CCL），是用绝缘基材浸以环氧树脂，经烘干处理后，制成半固化状态的黏结片，再在单面、双面或多层板面敷上铜箔，经特殊的热压工艺制成的，是制造印制电路板的直接原材料。覆铜板按绝缘基材不同，可划分为纸基、玻璃纤维布基、复合基（CEM系列）、积层多层板基和特殊材料基（陶瓷、金属芯等）五大类。按绝缘基材的刚性可分为刚性基板材料和柔性基板材料，分别制成刚性印制电路板和柔性印制电路板，柔性板主要用于和其他电路板的连接及需要弯折的场合。
印制电路板根据电路导电铜箔的层数可分为单面板、双面板和多层板。常见的多层板一般为4层或6层，复杂的多层板可达十几层。（1）单面板（Single-Sided Boards）的元器件集中在一面，导线集中在另一面。因为导线只出现在其中一面，所以就称这种印制电路板为单面板。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立的路径），所以只适合简单电路或成本较低的电路。（2）双面板（Double-Sided Boards）的两面都有布线，要用上两面的导线，必须要在两面电路间有适当的电路连接，这种电路间的“桥梁”称做导孔（Via）。导孔经过金属化处理，可以将双面板的两面导线连通。因为双面板的面积比单面板大了一倍，而且布线可以互相交错（可以绕到另一面），更适合用在比单面板更复杂的电路上，但成本及工艺比单面板更高。（3）为了增加可以布线的面积，多层板（Multi-Layer Boards）用上了更多单面或双面的布线板。多层板使用数片双面板，并在每层板间放进一层绝缘层后黏牢、压合。板子的层数就代表了独立布线层的层数，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4～8 层的结构，不过技术上可以做到近百层。多层板的层间电路连接依然需要通过导孔，在双面板中，导孔都是通孔（穿过印制电路板上所有的层），而在多层板当中，除了通孔，还有盲孔（Blind Vias）和埋孔（Buried Vias），它们只穿透其中几层。盲孔有一边在板子的表面，然后通到板子的内部，用于表层线路和内层线路的连接。埋孔是指在印制电路板内层的导孔，从表层或底层是看不到的，用于内层信号互连。
在多层印制电路板中，内部层的整层一般都直接连接地线或电源，所以通常将多层印制电路板的各层分为信号层（Signal）、电源层（Power）或地线层（Ground）。如果PCB上的零件需要不同的电源供应，通常这类PCB板会有两层以上的电源层与地线层。
2.印制电路板的构成
如图1-1、图1-2所示为一个单面印制电路板的顶层和底层，板子本身的基板是由绝缘隔热、不易弯曲的材质制成的。从图1-2表面中可以看到的细小线路材料是铜箔，原本铜箔是覆盖在整个板子上的，在制造过程中一部分被蚀刻处理掉，留下来的部分就变成网状的细小线路，这些线路称做导线（Conductor Pattern）或布线，用来提供PCB上零件的电路连接。图1-1 单面印制电路板的顶层图1-2 单面印制电路板的底层
为了将零件固定在PCB上，一般将它们的接脚直接焊在布线上。在这样的单面板（最基本的PCB）上，零件都集中在顶层，导线则集中在底层，这些有规则的焊点称为焊盘（Pad）。这么一来就需要在板子上打洞，引脚才能穿过板子到另一面，所以零件的引脚是焊在底层上的。因此，PCB的正、反面分别被称为零件面（Component Side）与焊接面（Solder Side）。
单面印制电路板的顶层和底层大部分的表面有一层耐波峰焊的阻焊层（Solder Mask），阻焊层多为绿色，也有少数采用黄色、黑色、蓝色等。在PCB行业常把阻焊油称为绿油，其作用是防止波峰焊时产生“桥接”现象，提高焊接质量和节约焊料等。它是印制电路板的永久性保护层，起到防潮、防腐蚀、防霉和防机械擦伤等作用。
在阻焊层上印刷有一层丝网印刷层（Silk Screen），丝网印刷层一般和零件面在一起（见图1-1），通常在这一层会印上文字与符号（大多是白色的），以标示出各零件在板子上的位置。
1.2 印制电路板的设计过程
印制电路板的设计是以电路原理图为根据，来实现电路应用需要的功能。印制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。简单的版图设计可以手工实现，复杂的版图设计需要借助计算机辅助设计软件（CAD）实现。
印制电路板的设计流程可分为以下几步。
1）方案分析
方案分析是项目开发中最重要的环节，决定了电路原理图的设计，同时也影响到PCB的规划和设计。通常电子产品的开发有明确的分工，方案设计工程师完成方案设计、结构工程师完成产品结构设计之后，PCB的设计就交给了PCB工程师。PCB工程师首先要分析电子设备的各项系统规格，包含系统功能、成本限制、大小及运作情形等。接下来要根据结构工程师提供的结构设计和印制电路板尺寸规划，制作出系统的功能方块图，如果将系统分割为几个PCB，不仅在尺寸上可以缩小，也可以让系统具有升级与交换零件的能力。在设计过程中如果出现过大的PCB，那么就要改变零件封装，或是对系统重新做分割。
2）原理图符号准备
Protel DXP 2004提供了丰富的原理图符号库，但不可能包括所有原理图符号，必要时需手动设计，创建自己的原理图符号库或对已有的原理图符号库进行修改。找到所有需要的原理图符号后，将其所在的原理图符号库加载到Protel DXP 2004中就可以开始原理图绘制。
3）原理图绘制
根据电路复杂程度决定是否需要使用层次原理图。完成原理图后，用ERC（电气规则检查）工具查错，找到出错原因并修改原理图电路，直到没有原则性错误为止。
4）元器件封装准备
和原理图符号库一样，Protel DXP 2004也不可能提供所有元器件的封装。必要时需自行设计并建立新的元器件封装库。
5）印制电路板设计
首先绘出PCB的轮廓，确定工艺要求；然后将原理图导入到PCB中来，在网络表（声明元器件及其电气连接关系的文件）、设计规则和原理图的引导下布局和布线；再使用设计规则检查工具查错。
6）文档整理与输出
目前，设计PCB的工具软件有许多种，而PCB制造厂商必须通过符合标准的电子文档（如最常用的Gerber文件），才能制造出PCB。Gerber文件包括信号、电源及地线层的平面图，阻焊层与网板印刷层的平面图，以及钻孔图层等指定文档。完成PCB设计之后，需要整理导出制造所用的电子文档。同时，对设计过程中的原理图、PCB图及器件清单等文件予以整理，以便以后维护、修改。
1.3 印制电路板的制造过程
PCB的制造过程较为复杂，涉及的工艺范围较广，从简单的机械加工到复杂的机械加工，有化学反应（包括光化学、电化学及热化学等工艺），以及计算机辅助设计CAM等多方面的知识。下面通过单面、双面印制电路板的制造工艺，简要介绍印制电路板的制造过程。（1）单面刚性印制电路板：单面覆铜板→下料→刷洗、干燥→钻孔或冲孔→覆膜（干膜或湿膜）→线路抗蚀刻图形丝网印刷、固化→曝光、显影→检验、修板→蚀刻铜→去抗蚀刻印料、干燥→刷洗、干燥→丝网印刷阻焊图形（常用绿油）、UV固化（紫外线固化绿油）→丝网印刷字符标记图形、UV固化→预热、冲孔及外形整理→电气开、短路测试→刷洗、干燥→预涂助焊防氧化剂或喷锡热风整平→检验包装→成品出厂。（2）双面刚性印制电路板：双面覆铜板→下料→叠板→数控钻导、通孔→检验、去毛刺、刷洗→化学电镀（导通孔金属化）→检验刷洗→覆膜（干膜或湿膜）→负性电路图形丝网印刷、固化→曝光、显影→检验、修板→线路图形电镀→去印料（感光膜）→蚀刻铜→退锡→清洁刷洗→阻焊图形丝网印刷、固化绿油→清洗、干燥→标记字符图形丝网印刷、固化→喷锡或有机保焊膜→外形加工→清洗、干燥→电气通断检测→检验包装→成品出厂。
1.4 课程定位与要求
1.课程定位
本课程是电子信息类专业的核心课程，是锻炼学生职业核心能力的重要环节，为了更好地开展教学，应注重以下几个方面。（1）立足于电子产品印制电路板的设计与制作实践，立足于学生的直接经验和亲身经历，立足于“做中学”和“学中做”；以学生的亲手操作、亲历情境、亲身体验为基础，强调学生的全员参与和全程参与，进而获得情感态度、价值观及职业能力的发展。（2）注重学生的应用能力和创造能力培养。通过信息的获取、加工、管理、表达和交流，通过技术的设计、制作和评价，通过技术思想和方法的应用及实际问题的解决，为学生展示创造力提供广阔的舞台，是培养学生创新精神和实践能力的重要载体和有效途径。（3）将计算机辅助设计绘图员（电子）职业资格认证的有关要求融入课程标准中，学生通过本课程学习，能够结合工艺规范，运用计算机辅助设计软件，完成电子产品原理图绘制、印制电路板设计，并能使用制板设备完成一般电路板的制作任务，为学生将来在印制电路板设计、制作及生产岗位，胜任电子产品印制电路板设计与制作工作奠定基础。
2.内容要求
本课程的学习目标为学习和掌握印制电路板的设计与制作方法，在整个教学过程中本着由浅到深及不同电路板应用的原则，将该课程内容分解为单片机学习仪的电源电路、小系统电路、简化板电路及完整板电路项目任务，分别构成简单单面印制电路板设计及其热转印法制作、复杂单面印制电路板设计及其雕刻法制作、一般规模双面印制电路板设计及其小型工业湿膜法制作、复杂双面印制电路板设计及其小型工业干膜法制作的教学载体。每个载体的设计制作严格按照印制电路板设计制作工艺流程安排教学内容。具体课程内容如表1-1所示，通过具体项目任务的训练，逐步提高学生设计与制作电子产品印制电路板的能力。表1-1 课程内容安排
知识梳理与总结
本章从印制电路板的分类与构成、设计过程、制造过程等几个方面介绍了印制电路板的基础知识。通过本章的学习，需要掌握印制电路板的设计与制造流程，了解印制电路板的实物构成。
第2章 印制电路板的设计环境与方法
教学导航
随着电子工业的发展，大规模、超大规模集成电路的应用使电子线路越来越精密和复杂，印制电路板的设计必须借助计算机辅助设计软件来完成。Protel是目前电子线路设计自动化（EDA）行业中使用最方便、操作最快捷、人性化界面最好的辅助工具之一，它的发展经历了从Protel for DOS、Protel 99、Protel 99SE、Protel DXP、Protel DXP 2004到最近的Altium Designer系列的过程。
Protel DXP 2004（以后简称为Protel 2004）是Altium公司于2004年推出的新一代电子线路开发工具，它提供了集成的、一体化的电路设计与开发环境，其功能模块包括原理图（SCH）设计、印制电路板（PCB）设计、电子线路仿真（SIM）、可编程逻辑器件（PLD）设计、现场可编程门阵列（FPGA）电路设计及硬件描述语言（VHDL）设计编译模块等。
本章从Protel 2004的设计环境、文档组织结构及其操作、印制电路板设计制作流程、原理图符号与元件封装等几个方面为后面章节中印制电路板设计做基础知识的介绍。
2.1 Protel2004的主窗口设计环境
运行Protel 2004的执行程序就可以启动Protel 2004软件，有三种方法，具体如图2-1所示。图2-1 启动Protel 2004
方法一：在Windows桌面选择“开始”→“程序”→“Altium”→“DXP 2004”选项。
方法二：单击Windows“开始”菜单中的Protel 2004图标。
方法三：双击Windows桌面Protel 2004图标。
进入Protel 2004之后的主窗口（Home页面）如图2-2所示。Protel 2004的主窗口由标题栏、导航工具栏、主菜单、工具栏、工作区面板、面板标签、工作区、面板标签按钮、状态栏及命令行等组成。下面介绍Protel 2004主窗口中各部分的功能。图2-2 Protel 2004的主窗口（Home页面）2.1.1 标题栏与工具栏
标题栏显示当前编辑器打开的设计文件及其所属工程的名称。
在导航工具栏中输入地址可以快速访问网站，同时可以控制浏览过的历史记录前进、后退和返回Home页面。通过收藏按钮，可以将喜欢的网站添加到收藏夹并对收藏夹进行整理，导航工具栏如图2-3所示。收藏功能也可以通过菜单栏的收藏菜单“Favorites”下的“Add to Favorites”和“Organize Favorites”命令来实现。图2-3 导航工具栏
在“No Document Tools”工具栏中，单击按钮可以打开文件“Files”工作区面板，单击按钮弹出“选择文件”对话框，可以打开已经存在的文件，相当于“File”→“Open”菜单命令，单击按钮打开设备管理器，单击按钮打开帮助向导。2.1.2 主菜单
主菜单如图2-4所示，包括系统菜单、文件菜单“File”、视图菜单“View”、收藏菜单“Favorites”、工程菜单“Project”、窗口菜单“Window”和帮助菜单“Help”。
1.系统菜单
单击图标将显现系统菜单，通过该菜单选项可设置系统参数。
2.文件菜单
文件菜单“File”主要用于文件的新建、打开和保存，如图2-5所示。图2-4 主菜单图2-5 文件菜单“File”
文件菜单的各个选项及其功能简要介绍如下。（1）New：新建文件，Protel 2004新建的部分文件（和接下来的PCB设计相关的文件）类型如表2-1所示，更详细的Protel 2004文件介绍将在下一节进行。表2-1 Protel 2004新建的部分文件类型（2）Open：打开所有Protel 2004可识别的文件。（3）Close：用于关闭工作区中已打开的当前文件。（4）Open Project：打开Protel 2004的工程文档。（5）Open Design Workspace：打开Protel 2004的设计工作区文件。（6）Save Project：保存当前工程文档。（7）Save Project As：当前工程文档另存为。（8）Save Design Workspace：保存当前设计工作区文件。（9）Save Design Workspace As：当前设计工作区文件另存为。（10）Save All：保存当前打开的所有文件。（11）Protel 99 SE Import Wizard：Protel 2004具有良好的软件兼容性，对于之前的Protel 99 SE版本文件，可以通过此向导将Protel 99 SE文件转换为Protel 2004格式文件。（12）Recent Documents：最近打开过的文件。（13）Recent Projects：最近打开过的工程文档。（14）Recent Workspaces：最近打开过的设计工作区文件。（15）Exit：退出Protel 2004。
3.视图菜单
视图菜单“View”主要管理工具栏、状态栏及命令行，同时控制工作区面板的显示和关闭，如图2-6所示。（1）Toolbars：用于工具栏的显示与关闭，包含的子菜单项如图2-6所示。
Navigation：用于导航工具栏的显示与关闭。
No Document Tools：用于工具栏的显示与关闭。
Customize：用于打开系统资源个性化修改对话框。（2）Workspace Panels：工作区面板显示控制菜单如图2-7所示，选中某一子项，将会显示对应的工作区面板。图2-6 视图菜单“View”图2-7 工作区面板显示控制菜单
重要提示：工作区面板的显示控制也可以也通过Protel 2004主窗口右下边的面板标签按钮来实现，按钮用于面板标签按钮的显示与隐藏。通过对比可以发现面板标签按钮的子项和工作区面板显示控制菜单的子项是完全对应的。
对PCB设计而言，比较重要的工作区面板是用于文件管理的“Files”工作区面板、用于工程管理的“Projects”工作区面板和用于库管理的“Libraries”工作区面板。（3）“Status Bar”状态栏：用于各种编辑器状态的显示与隐藏，如图2-2所示。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]