谈印刷电路板的3D设计

王 静，梅晓莉

（重庆电子工程职业学院，重庆401331）

谈印刷电路板的3D设计

王 静，梅晓莉

（重庆电子工程职业学院，重庆401331）

介绍用Altium公司的Altium Designer Winter 09软件完成印刷电路板(PCB)的三维（3D）显示；PCB板的三维设计；导入STEP Model形成三维模型；将PCB板的3D文件导出到MCAD软件。以提前预知印刷电路板设计的合理性，缩短新产品的开发周期，便于设计部门与制造部门进行良好的沟通。

PCB设计；PCB板三维设计；机械设计3D STEP模型

目前在微机上所用的PCB设计软件，要提前预知PCB板设计得是否合理，能否正确安装在机箱内，只有在PCB板设计并制造好后才能确定。为了使设计的PCB板能紧密的安装在特殊形状的壳体中，减少设计中的误差，实现电子设计（E-CAD）与机械设计(M-CAD)之间的接口，便于设计部门与制造部门进行良好沟通，可通过三维（3D）来进行数据的传输。目前Altium公司提供的最新Altium Designer软件满足了上述功能，提供了与其他机械设计软件之间的接口。下面简介Altium Designer Winter 09软件的三维设计等功能，以下操作在Altium Designer Winter 09版本中完成。

使用Altium Designer软件设计的“数码管显示电路”的原理图如图1所示、PCB板如图2所示。

图1 数码管显示电路的原理图

图2 数码管显示电路PCB板的二维图

鉴于现在所使用的元器件的密度和复杂度，PCB设计人员必须考虑元器件水平间隙之外的其他设计需求，必须考虑元器件高度的限制、多个元器件空间叠放情况，以便用虚拟的产品装配技术全面验证元器件封装是否合格，设计的PCB板是否合理。如果PCB设计工程师能够在设计过程中使用设计工具直观地看到自己设计的PCB板的实际情况，将能够有效地帮助他们工作。

1 PCB板的三维显示

在PCB编辑器中，按快捷键3就可进行PCB板的3D显示，如图3所示。

图3 PCB板的3D显示

进入3D模式时，须首先按照下面的操作来显示3D

（1）旋转——按住Shift键不放，再按鼠标右键，进入3D旋转模式。光标处以一个定向圆盘的方式来表示，如图3。该模型的旋转运动是基于圆心的，可使用以下方式控制。

①用鼠标右键拖拽圆盘中心点Center Dot，任意方向旋转视图。

②用鼠标右键拖拽圆盘水平方向箭头（Horizontal Arrow），关于Y轴旋转视图。

③用鼠标右键拖拽圆盘垂直方向箭头（Vertical Arrow），关于X轴旋转视图。

（2）缩放——按Ctrl键+鼠标右拖，或者Ctrl+鼠标滚轮，或者 Page Up／Page Down 键。

（3）平移——按鼠标滚轮：向上／向下移动，Shift+鼠标滚轮：向左／右移动，向右拖动鼠标来向任何方向移动。

使用快捷键2和3在PCB编辑器中进行二维和三维模式之间的切换。

2 PCB板的3D设计

为了查看PCB板焊接元器件后的效果，提前预知PCB板与机箱的结合，也就是ECAD与MCAD的结合，需要为其他元器件建立与实际器件相吻合的三维模型。从图3中可以看出只有3个数码管和单片机有3D模型，其他元器件没有3D模型，这是因为在建立数码管和单片机的封装时，建立了这两个器件的三维模型。建立元器件的三维模型有两种方法：一种是在建立元器件的封装时建立，另一种方法是在PCB板设计好后，再建立元器件的三维模型。本文介绍后一种方法。

在 PCB 编辑器中，执行“Tools”→“Manage 3D Bodies for Components on Board”命令，弹出如图4所示的“Component Body Manager”3D模型管理对话框，可以在该对话框内对PCB板上所有的元器件建立3D模型。以下元器件的尺寸取决于所选择的器件。

图4 元器件3D模型管理对话框

2.1 建立晶振Y1的3D模型

（1）在图 4所示的“Components”区域选择需要建 3D模型的元件Y1。

（2）在“Description”列选择“Shape Created from bounding rectangle on All Layers”。

（3）在“Action”列，用鼠标左键单击“Add to Y1”,表示把3D模型加到Y1上，点击后显示变为：“Remove From Y1”，如果再单击“Remove From Y1”，表示把刚加的3D模型从Y1上移除掉，在此不进行此操作。

（4）在“Standoff Height”列，该列表示三维模型底面到电路板的距离，在此设为0.5mm。

（5）在“Overall Height”列，该列表示三维模型顶面到电路板的距离，在此设为12.5mm。

（6）“Body Projection”列，用于设置三维模型投影的层面，在此选“Top Side”。

（7）“Registration Layer”，用于设置三维模型放置的层面，在此选缺省值“Mechanical1”。

（8）“Body 3-D Color”,用于选择三维模型的颜色，在此选择与实物相似的颜色。进行了以上设置的3D模型管理对话框如图5所示。

图5 为晶振Y1添加了三维模型

2.2 建立三极管Q1-Q3的3D模型

（1）在图 4所示的“Components”区域选择需要建 3D模型的器件Q1。

（2）在“Description”列选择“Polygonal Shape Created from primitives on TopOverlay”。

（3）在“Action”列，用鼠标左键单击“Add to Q1”。（4）在“Standoff Height”列，设为 3.5mm。（5）在“Overall Height”列，设为 8.5mm。（6）“Body Projection”列，用于设置三维模型投影的层面，在此选“Top Side”。

（7）“Registration Layer”，用于设置三维模型放置的层面，在此选缺省值“Mechanical1”。

（8）“Body 3-D Color”,用于选择三维模型的颜色，在此选择与实物相似的颜色。

Q2与Q3的设置与Q1相同。

2.3 建立电阻R1-R16、电容C1-C4、插头J1、J2等的三维模型

建立以上器件的三维模型方法同上，有以下3处不同，需要根据具体器件的尺寸决定：

（1）在“Standoff Height”列，该列表示三维模型底面到电路板的距离。

（2）在“Overall Height”列，该列表示三维模型顶面到电路板的距离。

（3）“Body 3-D Color”,用于选择三维模型的颜色，在此选择与实物相似的颜色。

为数码管显示电路PCB板的所有元器件添加三维模型后的PCB板如图6所示。

图6 为数码管显示电路的所有元件添加三维模型后的PCB板

在主菜单执行View→Flip Board命令，可以把PCB板从一面翻转到另一面，如图7所示。

图7 数码管显示电路PCB板翻转后

3 导入STEP Model形成三维模型

为了方便设计者使用元器件，许多元器件供应商以发布通用机械CAD文件包的方式提供了详细的元器件3D模型，Altium Designer允许设计者直接将这些 3D STEP模型（*.step或*.stp文件）导入到元器件封装中，避免了设计者自己设计三维模型所造成的时间浪费，同时也保证了三维模型的准确可靠性。

STEP（Standard for the Exchange of Product model data– ISO10303）是一个流行的数据交换格式，支持所有主流的M-CAD软件，是大多数机械CAD工具都支持的标准文件格式。有不同版本的STEP格式其中包括203和214。要注意的是203格式不支持颜色信息，这种格式的模型在Altium Designer中的显示浅灰色。

导入STEP Model步骤如下：

（1）执行 Place→3D Body命令（快捷键为 P,B）进入3D Body对话框如图8所示。

图8 在3D Body对话框中定义三维模型参数

（2）在 3D Model Type 区选择 Generic STEP Model选项。

（3）单击 Embed STEP Model按钮，显示 Choose Model对话框，可在其中查找*.step和*.stp文件（如图9所示）。

“multivibrator_base.STEP”文件在安装盘的“Program FilesAltium Designer Winter 09ExamplesTutorialsmultivibrator_step”文件夹找到。

图9 打开＊.Step文件

（4）找到并选中所需STEP文件，单击打开按钮关闭Choose Model对话框。

（5）返回3D Body对话框，单击OK按钮关闭对话框，光标处浮现三维模型。

（6）单击工作区放置三维模型，此时该三维模型已加载了，如图10所示。

图10 加载的STEP Model

4 把PCB板的3D文件导出到MCAD软件

将PCB板以3D格式导出到MCAD软件的最佳方法是通过Altium Designer以STEP文件输出。

虽然STEP是一个标准的数据交换格式，但并非所有的CAD软件包都能生成同样的STEP格式的文件，因此设计者可能需要试验选择输出方式来看看怎样可以得到最好的结果。

要输出一个STEP格式的文件，从菜单选择File→Save As，并从保存类型列表中选择Export STEP。STEP Export Options对话框将会出现如图11所示界面，在图11中按需要设定输出内容以及如何输出元件。

图11 STEP格式的导出设定对话框

以上简介了PCB板的三维设计，电子设计（E-CAD）与机械设计(M-CAD)的融合是电子设计中一个新的研究领域，还需要进一步的探索、创新，上述介绍仅是抛砖引玉。

[1]徐向民.Altium Designer快速入门[M].北京：北京航天航空大学出版社，2009.

[2]李珩.Altium Designer 6电路设计实例与技巧[M].北京：国防工业出版社，2008.

Introduction to Printed Circuit Board 3D Design

WANG Jing，MEI XiaoLi
(Chongqing College of Electonic Engineering,Chongqing 401331,China)

This paper describes an approach of printed circuit board 3D design using Altium Designer Winter 09.The approach enables users to generate and display PCB design in 3D.The 3D model generated can be exported to other MCAD software.This will help reduce the time of prototype design and refine.It also improves the communication between design department and production department and therefore speeds up overall development process.

printed circuit board design；printed circuit board 3D design；mechanic eesign；3D step model

TP39

A

1674－5787（2010）02－0158－04

2010-02-01

王静（1960—），女，重庆市人，重庆电子工程职业学院，副教授，高级工程师；梅晓莉（1982—），女，湖北人，重庆电子工程职业学院，讲师。

责任编辑 王荣辉