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王刚

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跟我学印制板（9）

　　（接上期）
　　3. 人工修改
　　单击鼠标右键，弹出快捷操作菜单，如图1，选择“交互式布线”。移动鼠标至需要修改的走线起点，单击左键，即可开始人工走线，如图2。
　　此时，按下计算机键盘的Tab 键，弹出如图3 的交互式布线会话框，可供设计者修改导线宽度和过孔样式等。
　　经手动修改后的设计结果如图4。可见比“自动布线”的效果有所改善。

图1 交互式布线


图2 手动修改布线


图3 交互式布线会话框


图4 人工修改结果


　　4. 几个要点
　　a）布线
　　比较图10（上期）和图4，可见不仅对走线的一些“样式”作了修改，还对走线的“层”做了变更。如图5 所示，自动布线时，网络“V+”被布在了元件面，这带来一个问题。前面讲到过，散热器是“接地”的，导线铜箔压在下面，虽说有阻焊膜保护，但极易破损造成短路。类似的走线绝对禁止。而从散热器固定用焊盘引出的接地导线，从元件面走线就不会造成任何问题。

图5 手动修改的主要内容

　　为了避免这种情况发生，可以在自动布线之前，预先在某一面设置“局部禁布区”。
　　方法是在该面的指定区域预先手动画上封闭线，由于设计软件在进行布线规划时会自动避免短路，所以在该面的已被封闭的指定区域就不会布线，免去了上述问题。具体做法和效果，参见图6。从图中鼠标所指出可见，布线算法不是很理想。

图6 设置单面禁布区后自动布线结果

　　这里有一个问题，就是散热器固定焊盘接入“接地”网络本是可以在元件面走线的，如此“封锁”的结果，所有走线都必须放置在焊接面了。可见在此处这样做并不见得好，不过在有些场合是有效的。布线结束后，需要手工删除预先画上的封闭线。同时请注意，“禁止布线层”是对所有层有效，而这种设定禁止布线区域的方式仅针对某一层。
　　此外，图4 的手动修改结果中有导线作“T”形连接。一般来讲，同一网络中的各段导线连接点应尽可能选在元件管脚处，在选择布线拓扑结构时，星形布线和链式驱动都是这样。但较多使用的是“最短原则”，即网络总长最短，这样就难以避免在某段导线的“中途”分支。
　　印制电路板在焊接、组装的过程中，难免会有轻度弯折或者焊接时的温度变化引起的膨胀收缩。这种情况下，“T”接的最大问题在于应力集中造成连接处断裂（这里不讨论高速电路的响应或平衡驱动等问题）。笔者曾遇到过某品牌电视机由于在印制板铜箔上铆装插针，应力集中导致数毫米宽的铜箔产生隐裂。
　　如确需在走线的中途分支，应避免呈直角直接分支，更不应该呈锐角，应如图7 所示对分支处进行处理。一般来讲，较宽的导线，可以放松要求，大约是30mil 以上宽度的铜箔走线直接呈“T”接，问题不大。类似地，导线也不应直角转弯，理由同上。导线转弯应如图8 进行45°处理，一方面避免断裂，同时对减小信号辐射有利。在PCB 规则和约束编辑器中，选择走线转角设置 （Routing Corners），如图9，选择“45 Degrees”， 并可设定呈45°转角的导线段长度。如果是高频设计，可能会选择第三项圆弧。

图7 对“T”接的改进


图8 导线转弯处的处理

　　b）过孔
　　这个设计例子比较简单，导线在两面走线，从一面转到另一面都是在元件管脚处，这也是推荐的做法。这样，在焊接时，焊锡会填满过孔（这里是焊盘），有较高的可靠性。复杂一些的设计，会发生导线在走线的中途“换层”，即从印制板的一面换到另一面继续延伸，使用过孔连接它们的端点，参见图9 。过孔的尺寸与整体布线情况、过孔所在网络的性质，以及工艺限制和成本控制都有关系。密度不高的一般设计，普通导线（指不需传输功率的信号线，如单片机的数据线、地址线等）常用的宽度为12mil，过孔常选用默认值，即外径50mil， 内径28mil。尺寸较大， 加工容易，很多小作坊都能做得比较好。密度较高的设计，普通导线宽度可采用7mil，这时过孔尺寸也取较小的值。建议外径可取40mil，内孔径可取20mil，更小就对生产厂（尤其是小厂）的加工能力提出较苛刻的要求了。

图9 设计规则，导线转角


　　双面板或多层板过孔的孔壁担负着导电的功能。孔壁的金属层很薄，横截面积很小，所以载流能力很有限。对于普通信号传输线，有效信息主要是“电平”（当然也有驱动问题），电流很小，如图10 中鼠标指针所指处的数据线D1，使用较小的过孔即可。对于电源线或接地，一个方面是载流能力的需求，另一方面是尽量减小等效阻抗，所以导线宽度要比较大，过孔尺寸也要大一些，而且最好是在焊接时填锡，如图10 中的VDD、VCC、DGND 都使用了较大的过孔。还有一个常用方法，就是使用多个过孔，尤其是电流较大时可以有效分流，提高了可靠性，如图11 所示。
　　图中，元件面和焊接面的导线有一段交叠，即元件面的走线延伸至最右面一个过孔，焊接面的走线往左延伸至最左边的过孔，在两面都有导线的区域，放置了4 个过孔。在使用再流焊，用焊锡填孔不方便时，这个方法用得较多。

图10 走线中的过孔


图11 使用多个过孔，增大载流能力

　　c）“泪滴”焊盘与覆铜
　　本例较简单，没有涉及这两个问题。由于近些年来电路的工作速度不断提高，元件的封装尺寸越来越小，对印制板的设计要求也更高了。在这里对密度较高和速度较高的印制板设计中常采用的两项技术做简单介绍。
　　密度较高的印制板往往采用较细（窄）的导线，但是元件引脚焊盘的大小受制于元件封装，于是常有从大焊盘引出细线的情况，如图12 是从插座引脚焊盘出线。请注意图中鼠标指针所指处，即导线根部。类似前面谈到的“T”接，焊接时焊盘的膨胀收缩，极易因为应力导致断裂，这种时断时续的故障查找十分困难，笔者就实际遇到过。图中第5 脚接地，导线较宽，就不容易发生这种情况。这个问题的解决方法，是避免突然的收缩，即进行过渡。具体来说，就是把圆形的焊盘做成水滴形，protel 2004 设计软件称之为“泪滴焊盘”。如图13 所示在印制板设计界面，在主菜单选择“工具”按钮，下拉选项中选择“泪滴焊盘”，即弹出如图14 的“泪滴选项”对话框，默认设置是对全部焊盘和过孔进行操作，可以是添加，也可以是对已有泪滴予以取消。泪滴的形状可以是圆弧状，也可以是直线段形状，分别见图15（a）和（b）。由图可见直线型泪滴过渡效果不如圆弧形。

图12 从大焊盘出线


图13 主菜单-工具-泪滴焊盘


图14 泪滴选项对话框


图15 两种泪滴焊盘


　　在对焊盘和过孔自动添加“泪滴”时，设计软件保证间隙约束，所以在走线时应适当注意预留添加“泪滴”的空间。如图16 所示，由于缺少必要空间，有些焊盘就未能添加泪滴。“泪滴选项”中还有一项“强制点泪滴”，复选此项，再添加泪滴时，会突破间隙约束，强制给每个焊盘都加上泪滴。这时，需要由设计者判断结果是否可行。由图17 可见，强制添加泪滴以后，在线规则检查已经报错。

图16 保证间隙约束


图17 强制点泪滴

　　对印制板上较“敏感”的区域，即对抗干扰要求较高的区域，常采用“覆铜”的手段。
　　所谓“覆铜”，是指把印制板的空白区域用铜箔予以填充，并把填充的铜箔接地，起到提高抗干扰能力的作用。有时，为了增大地线的有效面积，减小等效阻抗，也采用覆铜的方法。图18 是一个覆铜的例子，铜箔连接到数字地。

图18 覆铜实例

　　点击主菜单“放置”按钮，在下拉菜单中选择“覆铜”，如图19。即弹出如图20 所示的覆铜设置对话框。对其中主要选项作如下解释。

图19 主菜单-放置-覆铜


图20 覆铜设置对话框

　　填充模式：对于面积较小的覆铜，可以选择实心填充。面积较大时，焊接时可能由于受热造成“鼓包”，一般采用网格线填充的方式，即用导线和弧线进行影线化填充。
　　网络选项：铜箔一般接地。根据实际设计，可能是接到数字地或是模拟地，并覆盖同一网络上的所有对象（Pour Over All Same Net Objects）。
　　“死铜”：是指处于填充区，但由于间隙约束，无法与指定网络连接的铜箔块。设计者可根据实际情况确定是否删除死铜，一般是设置成删除。
　　其他设置一目了然，就不多说了。确认后，鼠标指针变成十字形坐标指针。点击某个点作为起点，移动鼠标，点击转角处，如此绘出一个预计需要覆铜的多边形区域。点击封闭的多边形的最后一个端点，即回到起点时，覆铜操作自动完成。
　　覆铜时，铜箔与印制板上的已有焊盘、过孔和导线等导体间，根据间隙约束设定，保持最小间隙。
　　这样，可能会造成焊接时的粘连。建议做法是，布线结束，泪滴添加完成，检查无误后，修改设计规则中的间隙约束条件至15mil 或更多。这时在线规则检查会报错，但并无关系，因为我们自己知道是修改规则造成的。然后，再进行放置覆铜操作，结果见图21。

图21 扩大间隙设置后的覆铜

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