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作者:楊哲彰(2005-02-23)﹔推薦:徐業良(2005-02-28)
附註:本文為元智大學機械系「自動化機械設計」課程教材。

Protel電腦輔助電路設計軟體入(2)PCB製作與輸出

在先前的文件中,介紹了Protel 99 SE的基本操作,並且以穩壓電路為例編輯電路,本文將簡單介紹PCB印刷電路板,並繼續前一份文章的範例,說明如何以Protel 99 SE設計電路板,並以相關格式輸出。

1.     電路板簡介

進行電路板設計之前,必須對電路板具備基本的認識。較單純的電路製作方式稱作「搭棚」,直接在各個零件或端子之間連接電線(如圖1左圖),如早期的真空管音響等電器設備,或以電麵包板搭接電路等等。搭棚方式製作電路幾乎完全得靠人工搭接,不可能用於較微小而複雜的電路,且無法導入自動化快速製造。「印刷電路板(Printed Circuit Board, PCB)」之所以會有“印刷”之稱,是從量產製造的觀點而來,如同以印刷方式大量翻印書籍的概念,印刷電路板將電路設計成銅模走線,印製在絕緣的板材上,普遍用於一般電器產品中(如圖1右圖)。早期的PCB多以電木為板材,現在則改為玻璃纖維,同樣具有良好的絕緣性,而厚度卻可以大大減低,強韌性也相當優異,適用於更複雜的印刷電路,特別是多層電路的PCB,即把一層層各自絕緣,印有電路的玻璃纖維板層壓合在一起,目前的電器產品普遍使用24層的PCB,較複雜的則用到6層,甚至8層以上。

1. 手工搭棚[www.diyzone.net]PCB印刷電路板

PCB除了電路之外,也放置各種電子零件。如圖2所示,電子零件與PCB的接合方式有二:「插件式(Pin Through Hole, PTH)」與「表面黏著式(Surface Mount Devices, SMD)」。安置插件式零件(如SIPDIP封裝)需要在PCB上鑽孔,並在PCB的底層以銲錫固定,而表面黏著式元件(如QFP封裝)則直接在頂層銲接固定。SMD元件的體積較小,且不必於PCB上鑽孔,大量用於設計趨向輕薄短小化的電器產品。

2. 典型SMDPTH元件

在印刷電路板中,零件通常都放置在頂層,因此PCB的頂層又稱為零件面,在Protel中以「Top Layer」標示;底層則用來銲接插件式的零件,因此也可稱為銲錫面,在Protel中以「Bottom Layer」表示。如圖3,插件式零件所需的鑽孔稱為「穿透式導孔(Through)」,貫通頂層至底層間所有板層;「半隱藏導孔(Blind)」又稱盲孔,只從多層板頂層或底層貫通至內部某一層;「隱藏式導孔(Buried)」也稱埋孔,只貫穿多層板內部某幾層,因此無法從頂層或底層看見。穿透式導孔在電路設計中又可稱為「銲點(Pad)」,而連接兩個銲點之間的電路線稱為「銅膜走線(Track)」,當銅膜走線與其他線路無法避開而發生干涉時,勢必需要連接至下一層,可透過「導孔(Via)」連接。

3. PCB導孔剖面示意圖

量產製作的PCB,以自動化而非人工方式銲接零件,因此需要在電路板上塗佈防銲漆,由於防銲漆通常為綠色,因此又俗稱「綠漆」。這層防銲漆會將銲點以外的地方全部覆蓋而成為「防銲層(Solder Mask)」,銲錫無法附著於防銲層上而脫落,因此只要將零件放置在PCB上後,直接噴灑融熔狀銲錫於整個板面,此時零件便與外露的銲點焊接起來,而防銲層覆蓋的地方卻不會沾染任何銲錫。有時PCB上會標注零件外形或規格文字,這些圖樣屬於「覆蓋層(Silkscreen Overlay)」,有位於頂層的Top Overlay與底層的Bottom overlay,如前段所述,由於很少在PCB底層安置零件,因此PCB製程多半忽略Bottom Overlay覆蓋層。

4. Silkscreen Overlay覆蓋層

2.     編輯電路板

Protel中編輯電路板的方式大略可分成兩種,一種由電路圖(*.sch)所產生的網路表(*.net)檔案,自動產生PCB佈線,另一種則為手動方式,在PCB編輯環境下從零件庫取用零件、佈置零件並自行逐條連接銅箔走線,本範例將示範第一種,即直接載入電路設計的網路表,並自動產生PCB佈線。不論以何種方式,大致需要開啟新檔、繪製框版、電路佈線、及PCB 3D檢視等步驟,分別說明如下。

(1)   開啟新檔

使用者可以關閉原先的電路圖(Schematic)編輯模式,從設計管理器的檔案總管或由下拉式功能表「FileèNew」點選「PCB Document」後,軟體新增一個副檔名為PCB的檔案,設定檔名後開啟此檔案,進入電路板編輯模式(圖5)。

接下來載入之前電路圖編輯所產生的網路表(Netlist),先將滑鼠移至編輯區下方的「版層頁籤」(圖6),點選Top Layer板層,接著點選下拉式功能表「DesignèLoad Nets…」出現「Load/Forward Annotate Netlist」視窗(圖7),點選Browse選擇該網路表檔案,載入後會即時檢查該網路表有無錯誤,若存在任何錯誤,則接下來的電路板編輯將無法順利進行,若完全無誤,則會在視窗內顯示「All macros validated」訊息(圖8),再點選Execute,便可載入零件至電路板編輯區。此時編輯區內會顯示電路同中的零件圖示,使用者可自行縮放編輯區,可以看得較清楚些。(圖9

5. 電路板編輯視窗介面

6. 電路板層切換

7. 載入網路表

8. 網路表零件檢查

9. 載入零件至編輯區

(2)   繪製框版

載入零件後,使用者必須定義電路板框版的大小,此時先切換編輯板層至KeepOut Layer,點選「放置工具列(Placement Tools)」中的進行外框繪製,使用者可依照電路佈局的大小與實際的設計需求,繪製適當的外框尺寸,「狀態列」會顯示目前尺寸座標,供使用者參考。(圖10

10. 繪製外框

(3)   佈線設定

接下來使用者可在外框內,以滑鼠拖曳方式排列各個零件的位置,位置就定位後,接下來選取下拉式功能表「DesignèRules」開啟「Design Rules」佈線設計規則選單進行佈線設定(圖11),如銅箔線路寬度粗細、間距、轉角形狀、板層數目等等都可由此視窗依需求而設定。例如銅箔線路粗細是常常調整的參數之一,這個穩壓電路範例中,電路板傳輸的是可能高達1A的直流電,軟體預設的銅箔線路寬度(10 milmil為千分之一英吋)可能不太可靠,因此使用者可調整為較粗的線寬。此外使用者也可設定的線路層數,軟體預設的層數為2層(雙面),使用者可視電路複雜度或電路板尺寸大小而定。本次穩壓電路的線路相當簡單,在此選用單層即可,電路銅箔粗細也設定約20 mil50 mil範圍內,這兩項操作之程序敘述如下:

l          銅箔線路寬度:點選「Rule Classes」選項內的「Width Constraint」後,滑鼠左鍵雙擊選取(或點選Properties)下方欄位選項開啟設定選單(圖12),右方「Rule Attributes」欄位內有主要的三個欄位「Minimum Width」、「Maximum Width」、與「Preferred Width」,可依設計需要填入寬度。

l          佈線層設定:同樣在「Rule Classes」選項內的「Routing Layer」可調整此設定,開啟選單(圖13)後,右方「Rule Attributes」欄位列出所有可使用的版層,目前僅有「Top layer」與「Bottom Layer」可設定,也就是只有兩個版層能夠設定,如果要使用雙層佈線,則不必變更此處的設定,若單層佈線,可將「Bottom Layer」版層關閉即可。

11. 佈線設計規則選單

12. 佈線設計規則:線寬設定

13. 佈線設計規則:板層設定

(4)   自動佈線

接下來選取下拉式功能表「Auto RouteèAll」開啟自動佈線設定視窗(圖14),在此保留預設設定,直接點選Route All進行自動佈線,佈線結果如圖15所示,該圖顯示單層與雙層兩種佈線模式,假若使用者不滿意自動佈線的結果,可以由下拉式選單「ToolsèUn-RouteèAll」選單清除佈線,再重複執行上述自動佈線,直到滿意為止;End鍵可更新畫面,讓佈線結果較清楚得顯示。

14. 自動佈線選單

15. 電路板佈線結果

使用軟體內的自動佈線功能,不外乎是比較節省時間的方式,但是在有些情況下,如比較複雜、特殊的電路,以及不適當的零件位置排列,會造成自動佈線的結果不良(例如線路太長,或太過密集),甚至無法完全正確(意即線路出現干涉造成短路),圖16所示為發生干涉的佈線結果,發生干涉的電路線段或零件會以綠色顯示。對於自動佈線的結果,有時候使用者還是會感到不滿意,因此可以用人工的方式調整線段,例如改變某一線段的粗細、移動線段、調整長度或轉角角度等,這些都可直接點選或拖曳該線段執行;若要新增線段或零件腳位,則須切換至佈線版層(Top LayerBottom Layer)上,以「放置工具列中」額外加入線段、文字,或從「設計管理器」中的零件庫增加零件至電路板內。

16. 電路板佈線發生干涉

(5)   PCB 3D檢視

Protel 99 SE對於PCB也能夠提供立體的視覺化呈現,點選(PCB 3D),隨即將平面的PCB圖面以立體繪圖方式呈現,如圖17所示。「設計管理器」內則提供相關檢視功能,下方立體縮圖可以直接以滑鼠自由拖曳,調整PCB的視角方位。藉由此功能,使用者能夠較為真實地預覽PCB外型

17. PCB 3D 檢視

3.     建立PCB零件腳位

使用Protel 99 SE有時候會遇到一種窘境,那就是在零件庫內找不到手邊的零件,或是雖有外型相同的零件,但各自腳位順序卻不同。例如在電路圖(Schematic)編輯時,預設的Miscellaneous Devices.lib零件庫內提供了SPSTSPDTDPST以及DPDT四種類型的繼電器,但是當進入PCB編輯時,會發現預設的PCB Footprints.lib零件庫內並沒有關於繼電器的零件腳位檔案,此時使用者就必須自行建立這些零件的PCB腳位檔案。Protel 99 SE預設的零件庫PCB Footprints.lib內不提供某些零件腳位檔案,這是因為該零件規格沒有標準化,因此系統便將這些規格讓使用者自行建立。接下來將以繼電器為例,說明如何在PCB Footprints.lib內自行建立其零件腳位檔案。

(1)   確認零件於電路圖(Schematic)中的腳位代號

在電路圖編輯模式下,於Miscellaneous Devices.lib零件庫內,取用一個SPDT繼電器,這個階段使用者必須先知道各個腳位的代號,此時開啟此繼電器的屬性視窗,如圖18所示,勾選「Hidden Pins」。勾選此項目後可在編輯模式下顯示零件的腳位代號,圖18中可以看出的SPDT繼電器「1」腳位為共接點(COM),「4」與「5」腳位為線圈接點,「2」與「3」則其中一個為NO(Normally Open)接腳,另一個為NC(Normally Closed)接腳,至於何者為NONC接點,將針對所選用廠牌與型號,於接下來的PCB腳位零件設計步驟中決定。

18. 電路圖中零件的腳位代號

(2)   PCB檔案中的建立腳位與零件外形

新增並開啟一個新的PCB Document檔案,設計管理器Browse下拉式選單指向「Libraries」,選擇「PCB Footprints.lib」,下方的「Components」欄位會列出所有該零件庫內的零件腳位檔案,此時,點選Edit,進入零件編輯模式,待數秒的載入時間後,點選設計管理器「Browse PCBLIB」頁籤內的Add新增零件,軟體將啟動「Component Wizard」精靈,此快速精靈可針對一些標準化的封裝腳位(如BGAQFP等)進行快速腳位建立,此時點選Cancel離開該選單,以手動編輯方式建立操作。

20中的繼電器為本次的範例零件,先切換至TopLayer板層,由於繼電器接腳為PTH (Pin Through Hole)型式,此時點選放置工具列(PCBlib Placement Tools,如圖19)中的Place Pad,放置銲點),放置五個銲點於編輯區內,「狀態列」會即時顯示滑鼠游標的X-Y座標位置,拖曳這些銲點,並依照圖20中繼電器的接腳位置,大略排列這些銲點的位置。

19. 放置工具列

20. SPDT繼電器(SUN HOLD RAS Series)

滑鼠左鍵雙擊銲點圖示可顯示其屬性視窗,如圖21所示,該銲點的位置、形狀、大小與腳位編號都可由此設定,其中「Shape」可標註銲點為矩形、圓形或八角形,通常矩形用於表示正極,其他部分皆使用圓形;「Designator」用以表示腳位代號,PCB零件的腳位代號會與電路圖(Schematic)內的零件腳位代號一致;此外每個零件的接腳大小不一,因此可由「X-Size」與「Y-Size」調整銲點大小,「Hole Size」可依接腳的粗細,調整銲點孔徑的大小;度量尺寸皆採用英制“mil”,為千分之一英吋,相對於公制“mm”的換算為: 1 mil=0.001 in. =0.0254 mm

此時依照圖20中繼電器接腳的尺寸,從屬性視窗中「X-Location」與「Y-Location」分別設定這五個銲點的精確位置。接著填入各個銲點的「Designator」腳位代號,由1開始,「COM」共接點設為1,「NC」與「NO」分別為為23,線圈接點為45,完成後如圖18所示。接著繪製零件外框,切換至TopOverlay板層,點選放置工具列上Place lines on the current document)可拖曳出黃色線段,並依照圖17中的繼電器尺寸,繪製出零件外形,完成後如圖23所示。

零件繪製動作已經完成,此時點選設計管理器上Rename為這個新的零件腳位命名,注意名稱不要與其他零件相衝突,命名完畢後點選工具列圖示存檔,再點選設計管理器上的UpdatePCB,便可更新零件庫。離開零件腳位編輯後,使用者可開啟PCB Document檔案,由設計管理器放置剛剛繪製完成的繼電器PCB零件,然後印列出來,與實際的零件比對,檢查看看接腳位置與零件外框是否有出入,如果有出入,則再回到上述PCB零件腳位自建模式,修改相關尺寸,再逐一檢查,若沒有問題,則整個PCB零件腳位自建工作遂告完成。

21. 銲點與其屬性設定

22. 銲點排列與腳位代號設定

23. 繪製完成的SPDT繼電器PCB接腳

【實驗】

選擇一個DPDT繼電器,建立這個繼電器的PCB零件腳位。利用Protel 99 SE繪製機械設計教材「Chap5 電子與感測元件」中的自動門電路圖(Schematic)PCB檔案(參考圖25與圖26)。

24. 自動門電路圖

25. Protel編輯自動門電路圖

26. 自動門電路PCB圖(雙層)

4.     PCB檔案輸出

PCB電路板編輯程序到此已告完成,接下來便可把檔案輸出進行最終的加工製造,實驗型(非PCB標準製程)的PCB原型製作目前主要有兩種方式,一種為將PCB電路轉印在透明光罩上,以感光電路板曝光後,再進行顯影、蝕刻、鑽孔與切割而成,完整的製作方式可參考“(2001-04-27)如何製作電路板”一文[http://designer.mech.yzu.edu.tw];另一種方式為將檔案以Gerber檔案型態輸出至加工機製作,以鑽铣方式成形於將鍍銅的板材。兩種PCB電路板製作方式相較之下,前者所需設備與材料固然較後者便宜許多,但製作品質較不容易控制,且雙面感光電路板製作雙層佈線較為困難;CAM加工方式製作PCB電路板,除了製作品質較為穩定之外,更可輕易地製作雙層佈線成形,是相當良好的PCB電路板成形工具,本節將繼續說明如何輸出PCB圖檔以印製光罩,以及輸出CAM加工所需的PCB Gerber檔案。

4.1 圖檔印列輸出

圖檔印列輸出除了實際檢視PCB之外,主要可用於轉印感光電路板所需的光罩。電路板編輯完成後,點選工具列圖示或下拉式選單「FileèPrint/Preview」開啟印列功能,PCB的印列是將所有的板層相堆疊後的結果,畫面左方的「檔案管理器」上的「Multilayer Composite Print」代表多層疊印,滑鼠雙擊該圖示會顯示出其中所有的堆疊板層,以及各自的疊層順序,使用者可以對這些板層進行個別設定、刪除或新增板層。以滑鼠右鍵點選「Multilayer Composite Print」彈出快顯功能表,點選Properties,出現如圖27選單,板層設定敘述如下:

27. 印列調整

(1)   板層調整:刪除其他板層,於「Layer」欄內以由上而下的順序,僅留下TopOverlayMultilayerTopLayer三個,「Options」中需勾選「Show Holes」,將零件腳位孔標示出來,以便於板材鑽孔;「Color Set」視使用者需要調整,若要作為感光電路板得光罩之用,請勾選「Black & White」。

(2)   零件外型:點選「TopOverlay」板層,再點選Edit後可編輯該板層設定,其中「Component Primitive」選項可以決定是否列出零件外型,「Others」預設值為「Full(開啟)」,欲輸出感光電路板轉印光罩,此時必須點選Hide,可隱藏零件外型,避免零件外型輪廓線與PCB線路干涉。圖28為最後印列輸出結果,圖右為隱藏零件外型與字號。此外,欲輸出以感光電路板製作PCB時,可在PCB檔案編輯階段將標註文字設定為鏡向(mirror),輸出後如圖29所示,此步驟才不至於在感光電路板上得到相反的(鏡向)文字標註。

28. PCB線路印列

29. PCB線路印列(鏡向標註)

2.2 GerberNC Drill檔案輸出

Gerber Format 是電子業之間通用的資料格式,用於設計與上線製造PCB的中間媒介,就像土木或機械五金業常用的AutoCAD軟體所輸出的*.DXF *.HPGL格式一般。標準的PCB製程或NC加工至少需要「Gerber檔案」以及「NC Drill鑽孔檔案」。檔案輸出程序敘述如下:

(1)   開啟CAM精靈:點選下拉式選單「NewèCAM output configuration」開啟新CAM精靈,或在PCB編輯環境下點選「FileèCAM Manager 」直接開啟,對話視窗如圖30

30. CAM Output Wizard精靈對話視窗

(2)   選擇「Gerber」檔案選項,並加以命名

31. 選擇檔案類型與檔案命名

(3)   輸出尺寸單位:Unit欄位可選擇尺寸單位(公制Millimeters與英制Inches),Format欄位可選擇尺寸數字精密度,例如「23」代表整數兩位、小數三位,其他依此類推。

32. 選擇輸出尺寸與精度

(4)   輸出板層設定:此視窗指定所要輸出的板層,包括「Layer」、「Plot」、與「Mirror」三個欄位,「Layer」欄位選擇顯示板層的名稱,「Plot」欄位可決定是否輸出該板層,「Mirror」欄位可設定該板層是否鏡向輸出(頂層需設定翻轉輸出)。穩壓電路中僅使用TopOverlayMultiLayer以及TopLayer三層,因此在此進勾選此三層(若不確定所用的板層為何,在此可勾選全部)。

33. 輸出版層設定

(5)   鑽孔標示輸出:此兩步驟接保留預設狀態,直接進行下一步。

(6)   接下來還有「Drill Drawing」、「Drill Guide」與「Mechanical Layer」設定,這些都保留預設狀態,直接點選Next>跳過。

完成CAM輸出精靈後Gerber檔案設定已經完成,軟體會產生一個*.cam檔案,欲修改設定,可進入這個*.cam檔案內,以滑鼠右鍵點選檔名出現快顯視窗,再點選「Properties」開啟「Gerber Setup」視窗,便可進行逐項修改;若所有設定完成,可同樣以滑鼠右鍵點選「Generate CAM Files」,或直接以鍵盤F9產生CAM檔案資料夾,內含所有相關的Gerber檔案。使用者可在「設計管理器」中點選瀏覽這些檔案,說明如下:

l  *.GTL:頂層 (Top)底片檔。

l  *.GTO:頂層覆蓋層 (Top Overlay)底片檔。

l  *.GKO:禁置板層 (KeepOut Layer)底片檔。

l  *.GTS:頂層絹印層 (Top Silkscreen)底片檔。

l  *.GBS:底層絹印層 (Bottom Silkscreen)底片檔。

l  *.GPT:頂層銲點圖 (Top Pad Master)底片檔。

l  *.GPB:底層銲點圖 (Bottom Pad Master)底片檔。

l  *.apr:所有板層底片檔的透鏡檔案

除了Gerber檔案之外,還需要鑽孔檔案,NC PCB加工機才能對板材鑽孔,此時於*.cam檔案中,以滑鼠右鍵彈輸快顯視窗,點選「Insert NC Drill」產生鑽孔檔案,在此僅需於Options頁面中設定尺寸單位與精度即可(圖34),精度必須與之前Gerber檔所設定的精度一致,其餘部分保留預設值,便完成鑽孔檔案設定。接著同樣以F9鍵產生檔案,會於同一個CAM資料夾中產生一個*.TXT文字檔,該檔案即為鑽孔檔案。當然CAM檔案資料夾內的檔案類型會隨著輸出設定的不同而有所出入,有了這些檔案,接下來便可以準備至連接NC PCB雕刻機的電腦上,準備進行PCB加工。

34. NC Drill選單

參考資料

柯南,Protel 99 SE 電腦輔助電路設計與分析,民91,台科大圖書股份有限公司。

www.diyzone.net