OrCAD和PADS Layout電路設(shè)計與實(shí)踐概述

OrCAD和PADSLayout電路設(shè)計與實(shí)踐概述1.1電子線路CAD技術(shù)1.2常用的CAD軟件

1.3電路原理圖的基本組成要素和設(shè)計的基本過程1.4印制電路板的基本知識 1.5印制電路板的設(shè)計流程1.1電子線路CAD技術(shù)

CAD是“computeraideddesign”的縮寫。電子線路CAD也就是利用計算機(jī)輔助設(shè)計電子線路，包括電路原理圖的設(shè)計、印制電路板的設(shè)計、電子線路的仿真，等等。

CAD最早的含義是計算機(jī)輔助繪圖，隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，CAD的含義發(fā)展為利用計算機(jī)輔助進(jìn)行各種設(shè)計。目前，電子設(shè)計自動化(electronicdesignautomation，EDA)這一術(shù)語逐漸包含了電子線路CAD的含義。1.2常用的CAD軟件國內(nèi)流行的電子線路CAD軟件很多，各有其優(yōu)缺點(diǎn)。最初國內(nèi)很多小企業(yè)和工程師使用Protel軟件，我國高校也長期以Protel軟件作為授課的主要內(nèi)容，以至國外很多其他更優(yōu)秀的電子線路CAD軟件只在國內(nèi)一些有實(shí)力的大型專業(yè)公司使用。實(shí)際上，由于設(shè)計上的瓶頸，Protel無法突破自身的局限性，比如不兼容MicrosoftWindows基本操作、生成的設(shè)計文件龐大、用戶界面不符合MicrosoftWindows標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計原理圖和布板功能比較差等，而Protel99SE、Protel2004和ProtelDXP等各個版本也都沒有徹底改變這些缺陷。相比之下，OrCAD和PADS的操作和界面基本上符合MicrosoftWindows標(biāo)準(zhǔn)，操作簡單，功能強(qiáng)大，易學(xué)好用。

Cadence公司的OrCAD軟件系統(tǒng)是CAD軟件中的佼佼者，它包括很多功能模塊，能設(shè)計電路原理圖，能進(jìn)行FPGA和CPLD的設(shè)計與綜合，能進(jìn)行印制電路板的設(shè)計，等等。特別是該軟件中專門用于原理圖設(shè)計的OrCADCaptureCIS模塊，功能齊全，操作簡單，界面友好，贏得了廣大設(shè)計者的一致好評。CaptureCIS與廣大的PCB設(shè)計軟件相兼容，它可以支持40多種以上PCBLayout軟件的網(wǎng)絡(luò)表格式，包含OrCADLayout、Allegro、PADS2000、MentorGraphicsBoardStation、PADSLayout，等等。

PADS軟件的版本從PowerPCB(PowerLogic)、PADS2005，到目前的最高版本PADS2007，一直都受到使用者的青睞。它的主要功能組件包括：PADSLogic，用于設(shè)計電路原理圖；PADSLayout，用于設(shè)計印制電路板；HyperLynx，用于提供信號完整性仿真和EMI分析；PADSRouter，用于設(shè)計印制電路板的自動布線工具。在眾多的電子線路CAD軟件中，PADSLayout在設(shè)計印制電路板方面的功能卓越，操作簡單易學(xué)。

PADSLayout既可以與PADSLogic配合使用，也可以與OrCAD配合使用，本書著重介紹OrCADCaptureCIS(用于電路原理圖的設(shè)計)軟件與PADSLayout2007(用于印制電路板的設(shè)計)軟件配合使用完成電子線路的設(shè)計，這樣不僅有強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合、優(yōu)勢互補(bǔ)的作用，而且可提高工作效率。1.3電路原理圖的基本組成要素和設(shè)計的基本過程一個電子產(chǎn)品的電路原理圖通常設(shè)計在一張或幾張電路圖紙上。電路原理圖的基本組成要素有：元件、電連線(包括電連線的節(jié)點(diǎn))、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號、電源和地符號、不連接符號、說明文字、標(biāo)識圖形，有些電路圖還包括總線和總線分支、階層模塊和階層端口、頁連接符號等。設(shè)計電路原理圖的主要工作是創(chuàng)建元件。設(shè)計電路原理圖的基本過程是：根據(jù)元件資料創(chuàng)建元件，將元件保存在元件庫里，然后調(diào)用元件庫里的元件設(shè)計電路原理圖。設(shè)計電路原理圖就像總裝一輛汽車，汽車的每一個零部件并不是在總裝現(xiàn)場生產(chǎn)的，而是從庫里面取出來的；設(shè)計電路原理圖時需要的元件，也是事先創(chuàng)建好并存放在庫里面，使用時再從庫里面調(diào)出來的。電路原理圖設(shè)計窗口就像一個汽車總裝廠，元件編輯窗口就像一個零部件加工廠，它們的關(guān)系如圖1-1所示。實(shí)際上不管是Protel，還是PADSLogic和OrCAD，用它們設(shè)計電路原理圖的基本過程都是一樣的，都可以用圖1-2所示流程圖來表示。理解了這一個基本過程，學(xué)習(xí)起來就不難了。圖1-1設(shè)計電路原理圖示意圖圖1-2印制電路板設(shè)計流程圖1.4印制電路板的基本知識印制電路板被廣泛地應(yīng)用于電子產(chǎn)品和設(shè)備中，如計算機(jī)的主板、電視機(jī)的電路板、收音機(jī)的電路板等。設(shè)計印制電路板，是電子線路設(shè)計過程中繼設(shè)計電路原理圖之后的另一項(xiàng)重要工作。在絕緣基材上，按預(yù)定設(shè)計形成的印制元件、印制線路(printedwiring)或兩者結(jié)合的導(dǎo)電圖形稱為印制電路(printedcircuit)；在絕緣基材上提供元器件之間電氣連接的導(dǎo)電圖形稱為印制線路。印制線路只是在絕緣基板形成的銅導(dǎo)線圖形，不包括印制元件(如印制電阻、印制電容、印制電感等)。印制電路或印制線路的產(chǎn)品板通常不加區(qū)別地被稱為印制電路板(printedcircuitboard，PCB)。印制電路板的主要功能是支撐電路元器件和互連電路元器件，即有支撐和互連兩大作用。1.4.1印制電路板的發(fā)展歷史自印制電路板誕生至今，已經(jīng)有70多年的歷史了，它的發(fā)展大致可劃分為6個時期。

1．印制電路板的誕生期(1936年至20世紀(jì)40年代末)

1936年，PaulEisner博士發(fā)明了印制電路板的制作技術(shù)，印制電路板由此誕生。在這個時期，印制電路板采用的制造方法是加成法，即在絕緣板表面添加導(dǎo)電材料來形成導(dǎo)電圖形，采用的具體制造工藝是涂抹法、噴射法、真空沉積法、蒸發(fā)法、化學(xué)沉積法和涂敷法等。當(dāng)時，采用上面所述生產(chǎn)技術(shù)的印制電路板曾在1936年底被應(yīng)用于無線電接收機(jī)中。

2．印制電路板的試產(chǎn)期(20世紀(jì)50年代)從1953年起，通信設(shè)備制造業(yè)開始對印制電路板重視起來。這時開始采用的制造工藝是減成法，它的具體制造方法是采用覆銅箔紙基酚醛樹脂層壓板(PP基材)，然后采用化學(xué)藥品來溶解除去不需要的銅箔，這樣剩下的銅箔就形成了電路。這個時期采用的腐蝕液的化學(xué)成分是三氯化鐵，其代表產(chǎn)品是索尼公司制造的手提式晶體管收音機(jī)，它是一種采用PP基材的單層印制電路板。

3．印制電路板的實(shí)用期(20世紀(jì)60年代)

20世紀(jì)60年代，印制電路板采用覆銅箔玻璃布環(huán)氧樹脂層壓板(GE基材)。自1960年起，日本的公司開始大量使用GE基板材料。1964年，美國光電路公司開發(fā)出沉厚銅化學(xué)鍍銅液(CC-4溶液)，開始了新的加成法制造工藝。日立公司引進(jìn)了CC-4技術(shù)，目的是解決GE基板在初期的加熱翹曲變形、銅箔剝離等問題。隨著材料制造商技術(shù)的逐步改進(jìn)，GE基材的質(zhì)量不斷提高。從1965年起，日本好幾家制造商開始批量生產(chǎn)GE基板。這期間工業(yè)電子設(shè)備多用GE基板，民用電子設(shè)備多用PP基板，已成為常識。

4．印制電路板的快速發(fā)展期(20世紀(jì)70年代)

20世紀(jì)70年代，印制電路板專業(yè)制造公司大量出現(xiàn)，同時各個公司開始使用過孔來實(shí)現(xiàn)印制電路板之間的層間互連。從1970年起，電子交換機(jī)中開始使用3層的印制電路板，之后大型計算機(jī)開始采用多層印制電路板，從此多層印制電路板得到了快速的發(fā)展。在這個時期，超過20層的印制電路板是采用聚酰亞胺樹脂層壓板作為絕緣基板的。這個時期的印制電路板從4層向6層、8層、10層、20層、40層乃至更多工作層面發(fā)展，同時實(shí)現(xiàn)了高密度化(細(xì)線、小孔、薄板化)，具體的導(dǎo)線寬度和間距從0.5?mm向0.35?mm、0.2?mm、0.1?mm發(fā)展，印制電路板單位面積上布線密度大幅提高。另外，印制電路板從原來的插入式安裝技術(shù)逐漸過渡到表面貼裝技術(shù)。這個時期的另一個重要突破是實(shí)現(xiàn)了自動裝配線，可以自動實(shí)現(xiàn)印制電路板上的元器件安裝。

5．印制電路板的高速發(fā)展期(20世紀(jì)80年代)

20世紀(jì)80年代，印制電路板處于高速發(fā)展時期，它被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域中，逐漸成為電子系統(tǒng)和設(shè)備制造中必不可少的一個組成部分。同時，多層印制電路板獲得了飛速發(fā)展，它逐漸代替了單層板和雙層板而成為了設(shè)計的主流。1980年后，PCB高密度化也明顯得到提高，這時已經(jīng)可以生產(chǎn)出62層的玻璃陶瓷基印制電路板，這種高密度化進(jìn)一步促進(jìn)了移動通信和計算機(jī)的發(fā)展。

6．印制電路板的革命期(20世紀(jì)90年代至今)

20世紀(jì)90年代前期，印制電路板的發(fā)展經(jīng)歷了一段低谷時期。1994年，印制電路板開始恢復(fù)其發(fā)展，其中撓性印制電路板獲得了較大的發(fā)展。1998年開始，積層法印制電路板開始進(jìn)入了實(shí)用期，產(chǎn)量開始急劇增加；IC元件封裝形式也開始進(jìn)入球柵陣列(BGA)和芯片級封裝(CSP)等封裝階段。如今，印制電路板的發(fā)展方向主要表現(xiàn)在機(jī)械化、工業(yè)化、專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化和智能化等方面。在電子工業(yè)領(lǐng)域中，印制電路板已經(jīng)形成了一個新興的、強(qiáng)大的制造行業(yè)。另外，主導(dǎo)21世紀(jì)的創(chuàng)新技術(shù)的納米技術(shù)，將會極大地帶動電子元器件的研究開發(fā)，從而引起印制電路板制造工業(yè)的革命性發(fā)展。1.4.2印制電路板的種類

1．按結(jié)構(gòu)分類

(1)單面印制電路板(single-sidedboards)。單面印制電路板被大量應(yīng)用于收音機(jī)、錄音機(jī)、電話、玩具等各種消費(fèi)類電子產(chǎn)品中。單面印制電路板的厚度一般為1～2?mm，它只是在一面印制了電路，因而只能在一面布線，通常也只能在另一面放置元件。單面印制電路板適用于比較簡單的電路，具有成本低、不用打過孔等優(yōu)點(diǎn)，但是實(shí)際的線路設(shè)計工作往往比雙面印制電路板和多層印制電路板困難。

(2)雙面印制電路板(double-sidedboards)。雙面印制電路板簡稱為雙面板，是被廣泛采用的一種電路板結(jié)構(gòu)。它是在絕緣基板的兩面布線，采用金屬化孔連接技術(shù)使兩面的導(dǎo)線互相連接。雙面板用于比較復(fù)雜的電路，使電路板的導(dǎo)線更加密集，體積也減小很多。

(3)多層印制電路板(multi-layerboards)。多層印制電路板是指在絕緣基板上，印制三層以上的電路板，主要被應(yīng)用于導(dǎo)線很密集或體積很小的電路。它在雙面板的基礎(chǔ)上，增加了內(nèi)部電源層、接地層或多個中間信號層。一些特殊封裝的集成電路，要求使用的電路板至少是四層電路板。印制電路板的發(fā)展動向跟隨和適應(yīng)集成電路的發(fā)展方向，即向高密度、高精度、細(xì)線、細(xì)間距、高可靠、多層化、高速傳輸、輕薄和表面貼片式技術(shù)方向發(fā)展。

2．按基板材料分類基板材料是指可以在其上形成導(dǎo)電圖形的絕緣材料，這種材料是各種類型的覆銅箔層壓板，簡稱覆箔板。覆箔板除了用作支撐各種元器件外，還能實(shí)現(xiàn)它們之間的電氣連接或電絕緣。覆箔板的制造過程是把玻璃纖維布、玻璃纖維氈、紙等增強(qiáng)材料浸漬于環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等黏合劑中，在適當(dāng)溫度下烘干，得到預(yù)浸漬材料(簡稱浸膠料)，然后將它們按照工藝要求和銅箔疊層，在層壓機(jī)上經(jīng)過加熱、加壓得到所需要的覆銅箔層壓板。覆銅箔層壓板由銅箔、增強(qiáng)材料和黏合劑等三部分組成。所以，按照基板材料分類，印制電路板通常分為紙基印制板、玻璃布基印制板、合成纖維印制板、陶瓷基底印制板、金屬芯基印制板，等等。

3．按基板的彎曲特性分類

(1)剛性印制電路板(rigidprintedboard)。剛性印制電路板常常稱為硬板，它使用的覆銅箔基材通常有酚醛紙質(zhì)層壓板、環(huán)氧紙質(zhì)層壓板、聚酯玻璃氈層壓板和環(huán)氧玻璃布層壓板等。聚酯玻璃氈層壓板的機(jī)械性能低于玻璃布基材，但高于紙基材料，即使在高濕度環(huán)境下也能保持良好的絕緣性能，使用溫度可達(dá)100～105℃。環(huán)氧玻璃布層壓板的機(jī)械性能(如彎曲強(qiáng)度、耐沖擊性、XYZ軸的尺寸穩(wěn)定性、翹曲度和耐焊接熱沖擊性)特別好，電氣性能也比其他材料好，使用溫度可達(dá)130℃，而且受惡劣環(huán)境(如濕度)的影響小。

(2)撓性印制電路板(flexibleprintedboard)。撓性印制電路板是用撓性基材制成的電路板，可以無覆蓋層，又稱為柔性板或軟板。撓性印制電路板常用的覆銅箔基材主要有聚酯薄膜、聚酰亞胺薄膜、環(huán)氧聚酯玻璃纖維薄膜和氟化乙丙烯薄膜等。撓性印制電路板的主要特點(diǎn)是：可彎曲折疊，能方便地在三維空間裝連，減小了電子整機(jī)設(shè)備的體積；質(zhì)量輕，配線一致性好，使電子整機(jī)設(shè)備的可靠性得到提高。

(3)剛撓印制電路板(rigid-flexprintedboard)。剛撓印制電路板是利用撓性基材并在不同區(qū)域與剛性基材結(jié)合而制成的印制電路板。在剛撓結(jié)合區(qū)，撓性基材和剛性基材上的導(dǎo)電圖形通常是互連的。使用撓性印制電路板和剛撓印制電路板可以連接不同平面間的電路，可以折疊、卷曲、彎曲，也可以連接活動部件，實(shí)現(xiàn)三維布線。根據(jù)不同的電子設(shè)備的不同使用要求，撓性印制電路板和剛撓印制電路板采用不同的材料。常用的覆銅箔撓性基材有覆銅箔聚酯薄膜和覆銅箔聚酰亞胺薄膜兩種。除了上述三種分類方法外，還有以印制板基材和結(jié)構(gòu)兩種結(jié)合起來的分類方法，如單面酚醛紙質(zhì)印制板、雙面環(huán)氧玻璃布印制板、多層聚酰亞胺印制板等?，F(xiàn)在又有以加工工藝方法稱謂的積層多層板(BUM)，以布線密度稱謂的高密度互連板(HDI)等。1.4.3印制電路板的制造工藝簡介印制電路板的制造工序大概包括照相制板、圖像轉(zhuǎn)移、蝕刻、鉆孔、孔金屬化、表面金屬涂敷以及有機(jī)材料涂敷等。制造工藝的分類方法較多，但是基本可以分為兩類，即“減成法”(也稱為“銅蝕刻法”)和“加成法”(也稱為“添加法”)。

1．減成法這類方法通常先用光化學(xué)法或絲網(wǎng)漏印法或電鍍法在敷銅箔板的銅表面上，將一定的電路圖形轉(zhuǎn)移上去，這些圖形都由一定的抗蝕材料所組成，然后再用化學(xué)腐蝕的方法，將不需要的部分圖形蝕刻掉，留下所需的電路圖形。減成法具體又分為以下幾種工藝。

(1)光化學(xué)蝕刻工藝。該工藝是在潔凈的覆銅板上均勻地涂布一層感光膠或粘貼光致抗蝕干膜，通過照像底版曝光、顯影、固膜、蝕刻獲得電路圖形。將膜去掉后，經(jīng)過必要的機(jī)械加工，最后進(jìn)行表面涂敷，印刷文字、符號成為成品。這種工藝的特點(diǎn)是圖形精度高、生產(chǎn)周期短，適于小批量、多品種生產(chǎn)。

(2)絲網(wǎng)漏印蝕刻工藝。該工藝是將事先制好、具有所需電路圖形的膜板置于潔凈的覆銅板的銅表面上，用刮刀將抗蝕材料漏印在銅箔表面上，獲得印料圖形，干燥后進(jìn)行化學(xué)蝕刻，除去無印料掩蓋的裸銅部分之后去除印料，即為所需電路圖形。這種方法可以進(jìn)行大規(guī)模機(jī)械化生產(chǎn)，產(chǎn)量大、成本低，但精度不如光化學(xué)蝕刻工藝。

(3)圖形電鍍蝕刻工藝。圖形轉(zhuǎn)移用的感光膜為抗蝕干膜，其工藝流程如下：下料→鉆孔→孔金屬化→預(yù)電鍍銅→圖形轉(zhuǎn)移→圖形電鍍→去膜→蝕刻→電鍍插頭→熱熔→外形加工→檢測→網(wǎng)印阻焊劑→網(wǎng)印文字符號這種工藝現(xiàn)在已經(jīng)成為雙面板制造的典型工藝，所以又稱為“標(biāo)準(zhǔn)法”。

(4)全板電鍍掩蔽法。該工藝與“圖形電鍍蝕刻工藝”類似，主要差別是：這種方法使用一種性能特殊的掩蔽干膜(性軟而厚)，將孔和圖形掩蓋起來，蝕刻時作抗蝕膜用。其工藝流程如下：下料→鉆孔→孔金屬化→全板電鍍銅→貼光敏掩蔽干膜→圖形轉(zhuǎn)移→蝕刻→去膜→電鍍插頭→外形加工→檢測→網(wǎng)印阻焊劑→焊料涂敷→網(wǎng)印文字符號

(5)超薄銅箔快速蝕刻工藝。該工藝又稱“差分蝕刻工藝”。該工藝使用超薄銅箔的層壓板，主要工藝與圖形電鍍蝕刻工藝相似。只是在圖形電鍍銅后，電路圖形部分和孔壁金屬銅的厚度約為30mm以上，而非電路圖形部分的銅箔仍為超薄銅箔的厚度(5?mm)。對它進(jìn)行快速蝕刻，5?mm厚的非電路部分被蝕刻，僅留下有少量腐蝕的電路圖形部分。這種方法可以制得高精度、高密度的印制板，是有希望和有前途的一種新型工藝技術(shù)。

2．加成法

(1)全加成工藝。該工藝也稱CC-4法。它完全用化學(xué)鍍銅形成電路圖形和孔金屬化互連，其工藝如下：催化性層壓板下料→涂催化性黏結(jié)劑→鉆孔→清洗→負(fù)相圖形轉(zhuǎn)移→粗化→化學(xué)鍍銅(后面的處理與減成法相同)→去膜→電鍍插頭→外形加工→檢測→網(wǎng)印阻焊劑→焊料涂敷→網(wǎng)印文字符號

(2)半加成法。這種工藝方法是使用催化性層壓板或非催化性層壓板，鉆孔后用化學(xué)鍍銅工藝使孔壁和板面沉積一層薄金屬銅(約5?mm以上)，然后負(fù)相圖形轉(zhuǎn)移，進(jìn)行圖形電鍍銅加厚(有時也可鍍Sn-Pb合金)，去掉抗蝕膜后進(jìn)行快速蝕刻，非圖形部分5?mm的銅層迅速被蝕刻掉，留下圖形部分(包括孔)就是被金屬化了的印制板。這種方法將電鍍加成與快速蝕刻相結(jié)合，所以又稱為“半加成法”。

(3)?NT法。該方法使用具有催化性覆銅箔層壓板，首先用一般方法蝕刻出導(dǎo)體圖形，然后將整塊板面涂環(huán)氧樹脂膜(或只將焊盤部分留出)，進(jìn)行鉆孔、孔金屬化，再用CC-4法沉積所需厚度的銅，得到孔金屬化的印制板。

(4)光成形法。該方法是在預(yù)先涂有黏結(jié)劑的層壓板上鉆孔并粗化處理，浸一層光敏性敏化劑，干燥后用負(fù)相底片曝光，然后再用CC-4法進(jìn)行沉銅。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需印制圖形，而是用光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電路圖形，比較簡單經(jīng)濟(jì)。

(5)多重布線法。該方法使用數(shù)控布線機(jī)，將用聚酰亞胺絕緣的銅導(dǎo)線布設(shè)在絕緣板上，被黏結(jié)劑粘牢。鉆孔后用CC-4法沉銅以連接各層電路。這種方法可用布線機(jī)與計算機(jī)聯(lián)合工