原创 用Protel业余制板中需注意的几个工艺问题【转贴】

众所周知，用Protel PCB 99 SE绘制印刷电路板，无论是专业还是业余，它都称得上是一款非常理想和功能强大的EDA软件，一直在制板界享有盛誉。但Protel公司推出该软件的初衷和目的是为专业设计印刷电路板考虑的，最终是将设计的PCB文件提供给专业厂家生产印刷电路板服务的。我们将它用作业余条件下进行制板，有许多地方就要根据我们的实际需要将原设计规则进行修改。因为Protel并没有为我们业余制板提供现成的方案。所以，业余条件下完全按照Protel提供的设计规则即便制作出电路板，也并不一定就是非常满意和实用的。业余条件下制板还有一些特殊的工艺制作技术问题有待解决，才能得到理想、真正实用的电路板。
一、关于选择单面板还是双面板问题：
    虽然Protel没有考虑安排单面板这种模式，但通过修改双层板布线板层设计规则，将顶层布线规则由水平方向为主修改为“不使用”，然后将底层布线规则由垂直方向为主修改为“任意方向”，我们就可以实现绘制单面板了。根据我们的经验，业余条件下绘制印刷电路板，无论是简单或较复杂电路，首先应该选择用单面板。因为单面板所有的元件都安插在顶层，所有的焊点都在底层，焊接方便，走线清楚，拆卸容易。如果电路简单可以用手工布线，也可以用自动布线，或两者相结合；如果电路比较复杂、元件多，自动布线有困难；手工布线有时布线绕走路径又远，这时可以考虑采用“跳线”。所谓“跳线”，就是在底层放置两个焊盘并钻孔，在顶层用裸线将它们焊连，这样可以大大缩短底层某些布线和使顶层元件排列紧凑。彩色电视机底板就是一个非常典型的实例，尽管彩色电视机电路复杂、元件繁多，由于它采用了许多“跳线”，结果使彩色电视机众多元件布局合理、板框紧凑。又由于它用单面板，所以可以实现波峰机自动焊接、且给日后修理时拆卸和调换元件带来了极大方便。如果没有这些“跳线”，彩色电视机底板是不可能用单面板制成的。总之，业余条件下绘制印刷电路板，建议尽可能选择用单面板。但并非说业余条件下不能用双面板，只要下面讲述的“电镀导孔”问题解决后，业余条件下仍能绘制出非常理想的双面印刷电路板。
二、关于修改元件封装形式的引脚焊盘问题：
Protel 99 SE的PCB Footprints.Lib文件中大约集中了数十种类300多个元件封装形式，一般元件封装形式的引脚焊盘默认直径为50mil (注：1mil=1/1000英寸，100mil=2.45mm) ，而一般我们业余条件下用台钻打孔，选用直径0.8mm钻头最理想，相当于33mil，直径为50mil的引脚焊盘用直径为33mil的钻头打孔后，引脚焊盘周围余下的铜膜所剩无几，加之钻孔中心稍有偏差，往往会造成引脚焊盘铜膜破损等问题，影响了电路板质量。尤其象集成电路的封装形式DIP系列，引脚焊盘又多又密，每个引脚焊盘默认直径为50mil，上下引脚焊盘间距为100mil，如仅将引脚焊盘直径改为80mil，钻孔是方便了，但上下引脚焊盘间铜膜间隔仅有20mil，焊接时又很容易造成搭锡。解决的较好办法是将集成电路的封装形式DIP系列引脚焊盘设计成长椭圆形，下面就以修改8脚集成电路封装形式DIP8为例，说明修改过程。
1、打开Protel 99 SE软件设计主窗口，单击菜单File/Open…，出现对话框，在寻找范围栏里，按Protel 99 SE安装路径X:\Program Files\Design Explorer 99 SE\Library\PCB\Generic Footprints\一直找到Advpcb.ddb数据库文件如图1所示。

图1
2、按“打开”按钮后即进入PCB Footprints.lib文件窗口如图2所示。

 
图2
 
　3、拉动左侧Components栏中滚动条，找到8脚集成电路封装DIP8如图3所示。

 
图3
4、一般不直接修改PCB Footprints.lib文件中的DIP8，而是另创建和命名一个新的封装形式比如DIP8(新)，进行修改和保存起来。先单击菜单Edit/Copy Component，再单击菜单Edit/Paste Component，即可见原DIP8下增加了DIP8-DUPLICATE项，单击下方“Rename…”按钮，将弹出的对话框中改为DIP8(新)，然后按“OK”退出，这样就创建和命名了一个新的封装形式DIP8(新)如图4所示。

 
图4
　    5、从图4我们可以看出Protel 99 SE默认的DIP8封装存在两个问题：一是管脚焊盘直径太小；二是管脚排列顺序与实物不符。双击DIP8(新)的“1”号焊盘将出现如图5所示对话框，将对话框中的X-Size栏改成110mil，将Y-Size栏改成70mil，Shape栏改成Round，Designator栏改成8，其它均用默认值，单击下方“OK”按钮退出；其它焊盘如上修改，“8”号要将原Shape栏由Round改成Rectangle。

 
图5
6、将所有引脚焊盘逐一修改后的集成电路DIP8(新)的引脚焊盘如图6所示。修改后的集成电路DIP8(新)的引脚焊盘，无论钻孔或焊接都方便多了。

    图6
7、除了集成电路之外，像经常用到的塑封晶体管封装形式TO-92A和TO-92B，原封装形式引脚焊盘默认直径和间隔都太小，钻孔和焊接都比较困难。TO-92A和TO-92B经修改前后的引脚焊盘对比如图7和图8所示。修改后封装形式看上去并不怎么规范，但它却很实用，钻孔和焊接都很方便。当然各人可以根据自己的喜好样式修改，其它元件的封装形式修改方法相同，无论怎么修改目的就是钻孔和焊接都要方便。

 
图7
 
图8
　
 
三、关于“电镀导孔”问题：
在Protel的板框设计向导中有一项设置对话框如图9所示。

 
图9
　对话框默认单选项就是设置“电镀导孔双层板”，右侧为“电镀导孔”示意图，从图中我们可以看出，顶、底层铜膜是通过“电镀导孔”电镀内壁相连的，也就是我们常说的“过孔”。正是有了这些过孔，才实现了双面板整个电路顶、底层间铜膜走线的电气连接关系。这种“电镀导孔”的内壁是导电的，是专业制板厂家才能做出的，而我们业余条件下绘制双面电路板，虽能绘制出顶、底两层铜膜走线图，但无法做出内壁导电的过孔。那么，在焊接双面板元件时，有些元件可能要在顶层焊接才行，虽然焊接完成的双面电路板也能用，但并不理想。
 
下面就以一个具体的简单电路例子说明如何制做“电镀导孔”。 　
1、 绘制的“占空比可调多谐振荡器”电原理图如图10所示。

 
图10
　
 
2、自动布线完成的双面板PCB图如图11所示，从图11中我们可以看到顶层有以水平方向走线为主的红色铜膜走线7条。

 
图11
    3、将PCB图设置成单层显示，顶层铜膜走线如图12所示，在每条铜膜走线与引脚焊盘连接处附近各放置一个过孔如图13所示，共放11个。

 
图12

 
图13
　
　
4、为了看清楚，将原自动布线完成的双面板PCB图11 添加11个过孔后，背景改成白色，如图14所示，图中每个过孔都用裸线将顶、底两层焊接连通，就是我们业余条件下制作的“电镀导孔”，有了它们，我们就可以像单面板一样，将所有元件安插在顶层，只要在底层焊接就可以了，而且拆卸元件一样方便。经这样处理，我们业余条件下绘制的双面电路板才真正实用。

 
图14
 
四、关于台钻和钻头问题：
上面已经提及业余条件下用台钻打孔，选用直径0.8mm钻头最理想，有一种印刷电路板钻孔厂专用的特种合金钻头最好，这种钻头上粗下细示意图如图15所示。

 
图15
它上面一段固定直径3.15mm，夹在台钻上能保证钻头中心度，且耐磨不易折，但价格较贵且不易买到。业余条件下常用的是普通麻花钻头，直径0.8mm钻头太细不易被钻夹夹紧，如将钻头垫包纸或布虽可使钻头夹紧，但又难保证钻头中心度。这里提供一种非常简单的解决方法，就可将普通麻花钻头改造成上粗下细的钻头。
现在文具店很容易买到一种“真彩”牌乐美中性笔芯(如有用完墨水的废弃笔芯更好)，该笔芯头部金属笔尖直径约0.8mm左右，用尖嘴钳将其拔去后，正好可以将直径0.8mm的麻花钻头插入(如嫌钻头太长后边可折去一部分)，由于原金属笔尖后面与墨水相交处有一段直径只有0.5mm左右的细通道，所以用力将直径0.8mm的麻花钻头插入后能比较牢固地结合地一起，改装后的直径0.8mm的麻花钻头解决了不易夹紧的缺陷，示意图如图16所示。

 
图16
若用台钻打孔，尽量选精度较高的台钻，以保证钻孔中心度准确。这里向业余爱好者介绍一种“迷你小电钻”，它长16cm，直径粗4cm，小巧玲珑，握在手中钻孔非常方便，备有电源和各种钻头，价格几十元，如图17所示。

 
图17
五、关于选用腐蚀溶液问题：
将绘制好的铜膜走线图转印到敷铜板上以后，就要进行腐蚀了。业余条件下制板一般用两种腐蚀溶液，一种是用三氯化铁溶液，一般购到的为固体三氯化铁，由于它与空气接触极易吸湿潮解，所以固体三氯化铁应用深色宽口瓶密封保存。用三氯化铁溶液腐蚀敷铜板的速度快慢决定于溶液的浓度、温度和流动程度。三氯化铁含量越高，腐蚀速度越快，但也不能一味追求快，否则铜膜走线边缘会呈齿状；给三氯化铁溶液加温可以大大提高腐蚀速度；第三点最重要的是若三氯化铁溶液是流动的，腐蚀速度将很快，否则，腐蚀速度极慢。原因是三氯化铁与铜反应后生成的CuCl2和FeCl2等物质会停留和复盖在铜面上，阻隔了三氯化铁溶液继续与铜反应，所以造成腐蚀速度极慢。业余条件下一般用塑盆，腐蚀时必须不停地均匀晃动塑盆，使三氯化铁溶液与铜面保持相对流动状态，使CuCl2和FeCl2等物质不会停留和复盖在铜面上，可以使腐蚀速度大大加快。三氯化铁价廉，且可反复使用，但它易污染用具和场所的缺点需特别小心，如衣服、桌面、地面等一旦沾染就很难洗去。三氯化铁溶液用后可用深色瓶密封保存，下次可倒出继续使用。如使用多次浓度下降，腐蚀不理想，可直接往溶液中添加固体三氯化铁增加浓度。
另一种腐蚀溶液就是浓盐酸和双氧水混合溶液，其腐蚀速度快慢和溶液的成分比例有关，在酸性溶液中双氧水将铜氧化然后才生成淡绿色CuCl2，一般按一份盐酸(化学纯)二份双氧水(化学纯)再加3~5份水配制成腐蚀溶液，加水份额多少可控制腐蚀速度快慢。用浓盐酸和双氧水溶液腐蚀电路板，建议每次配制的溶液以能浸没电路板稍有宽余为宜，不要太多，用完废弃，因重复使用效果不好。
浓盐酸和双氧水溶液透明，腐蚀速度较快，能看见腐蚀过程，但在操作浓盐酸时要特别注意安全。
以上两种腐蚀溶液各有利弊，可根据各人喜好和条件选取。
六、关于焊接问题：
最后提一下焊接问题，腐蚀好的电路板，必须清洗干净残留腐蚀液，钻孔后用细砂纸将钻孔毛剌等砂磨干净，保证铜膜走线表面光亮，并抓紧在铜膜走线表面涂抹一层保护膜，以防铜膜走线表面氧化发黑。保护膜可用松香溶解在纯酒精中配制的“松香酒精水”，一方面可起保护作用；另方面也是一种助焊剂。
焊接说起来并不难，但有些初学者总焊不好，原因是没有掌握焊接要领。第一，烙铁头要处理好，现在一般都选用30W的快速电烙铁焊接，长寿烙铁头容易氧化发灰发黑，吃锡困难，可备一块湿布，经常擦拭发灰发黑的长寿烙铁头，可使它保持光亮，不要把烙铁头伸进松香中去氧化层，否则，越搞越脏。第二，需焊接的元件引脚和焊盘要同时受热，才能焊牢，避免用烙铁头粘附上锡团，然后再移到元件引脚和焊盘将它们焊在一起的方法。正确的方法应该是：右手握烙铁将烙铁头尖先移到元件引脚和焊盘交接处附近压在上面，同时使元件引脚和焊盘受热约1~2秒钟，然后左手拿焊丝推向烙铁头尖及已受热的元件引脚和焊盘，焊锡瞬间熔化约1秒钟左右焊锡就会自动流满焊盘，最后迅速向上提起烙铁和焊丝，元件引脚和焊盘处就会形成一个光亮的焊点。示意如图18所示。