PCB設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)

1、PCB 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)印刷電路板（Printed circuit board，PCB）幾乎會(huì)出現(xiàn)在每一種電子設(shè)備當(dāng)中。如果在某樣設(shè)備中有電PCB 的主要功能是提供上頭各項(xiàng)零件的相互電氣連接。隨著電子設(shè)備越來越復(fù)雜，需要的零件越來越多，PCB 上頭的線路與零件也越來越密集了。 標(biāo)準(zhǔn)的PCB （上頭沒有零件Printed Wiring （PWB.原本銅箔是覆蓋在整個(gè)板子上的，而在制造過程中部份被蝕刻處理掉，留下來的部份就變成網(wǎng)狀的細(xì)小線路了。這些線路被稱作導(dǎo)線（conductor pattern）或稱布線，并用來提供PCB 上零件的電路連接。PCB 上面，我們將它們的接腳直接焊在布線上。在最基本的單

2、面板）件都集中在其中一面，導(dǎo)線則都集中在另一面。這么一來我們就需要在板子上打洞，這樣接腳才能穿過板 的正反面分別被稱為（ComponentSide與焊接面Solder SidePCB 插座Socke。由于插座是直接焊在板子上的，零件可以任意的拆裝。下面看到的是ZIF（Zero Insertion Force，零撥插力式）插座，它可以讓零件（這里指的是CPU）可以輕松插進(jìn)插座，也可以拆下來。插座旁的固定桿，可以在您插進(jìn)零件后將其固定。如果要將兩塊PCB 相互連結(jié)，一般我們都會(huì)用到俗稱金手指的邊接頭edge connectorPCB PCB PCB 上合適的插槽上（一Slot連接的。PCB 上的綠

3、色或是棕色，是阻焊漆（solder mask）可以防止零件被焊到不正確的地方。在阻焊層上另外會(huì)印刷上一層絲網(wǎng)印刷面（silk screen面會(huì)印上文字與符號(hào)（大多是白色的）圖標(biāo)面（legen。單面板（Single-SidedBoards）我們剛剛提到過，在最基本的 PCB 上，零件集中在其中一面，導(dǎo)線則集中在另一面上。因?yàn)閷?dǎo)線只出現(xiàn)在其中一面，所以我們就稱這種PCB 叫作單面板Single-sided路上有許多嚴(yán)格的限制（因?yàn)橹挥幸幻?，布線間不能交叉而必須繞獨(dú)自的路徑雙面板（Double-Sided Boards）這種電路板的兩面都有布線。不過要用上兩面的導(dǎo)線，必須要在兩面間有適當(dāng)?shù)碾娐愤B接才

4、行。這種電路間的橋梁叫做導(dǎo)孔viPCB 上，充滿或涂上金屬的小洞，它可以與兩面的導(dǎo)線相連接。因?yàn)殡p面板的面積比單面板大了一倍，而且因?yàn)椴季€可以互相交錯(cuò)（另一面，它更適合用在比單面板更復(fù)雜的電路上。多層板（Multi-LayerBoards）為了增加可以布線的面積，多層板用上了更多單或雙面的布線板。多層板使用數(shù)片雙面板，并在每層板間放進(jìn)一層絕緣層后黏牢（壓合。板子的層數(shù)就代表了有幾層獨(dú)立的布線層，通常層數(shù)都是偶數(shù)，并且包含最外側(cè)的兩層。大部分的主機(jī)板都是4 8 近 100 層的 PCB 板。大型的超級(jí)計(jì)算機(jī)大多使用相當(dāng)多層的主機(jī)板，不過因?yàn)檫@類計(jì)算機(jī)已經(jīng)可以用許多普通計(jì)算機(jī)的集群代替，超多層板已

5、經(jīng)漸漸不被使用了。因?yàn)?PCB 中的各層都緊密的結(jié)合，一般不太容易看出實(shí)際數(shù)目，不過如果您仔細(xì)觀察主機(jī)板，也許可以看出來。我們剛剛提到的導(dǎo)孔vi埋孔（Buried vias）和盲孔（Blind vias）技術(shù)可以避免這個(gè)問題，因?yàn)樗鼈冎淮┩钙渲袔讓?。盲孔是將幾層?nèi)部 PCB 與表面 PCB 連接，不須穿透整個(gè)板子。埋孔則只連接內(nèi)部的 PCB，所以光是從表面是看不出來的。PCB 中，整層都直接連接上地線與電源。所以我們將各層分類為信號(hào)層（Signal，電源層（Powe）或是地線層（Ground。如果 PCB PCB 的電源與電線層。零件封裝技術(shù)插入式封裝技術(shù)（Through Hole （Thro

6、ugh Hole TH封裝。這種零件會(huì)需要占用大量的空間，并且要為每只接腳鉆一個(gè)洞。所以它們的接腳其實(shí)占掉兩Mounted 零件比起來，與PCB 連接的構(gòu)造比較好，關(guān)于這點(diǎn)我們稍后再談。像是排線的插座，和類似的界面都需要THT 封裝。表面黏貼式封裝技術(shù)（Surface Mounted 使用表面黏貼式封裝（Surface Mounted Technology，SMT）的零件，接腳是焊在與零件同一面。這種技術(shù)不用為每個(gè)接腳的焊接，而都在PCB 上鉆洞。表面黏貼式的零件，甚至還能在兩面都焊上。SMT THT THT PCB SMT 技術(shù)的PCB 很多。SMT THT PCB SMT，自然不足為奇。因

7、為焊點(diǎn)和零件的接腳非常的小，要用人工焊接實(shí)在非常難。不過如果考慮到目前的組裝都是全自動(dòng)的話，這個(gè)問題只會(huì)出現(xiàn)在修復(fù)零件的時(shí)候吧。設(shè)計(jì)流程在PCB 的設(shè)計(jì)中，其實(shí)在正式布線前，還要經(jīng)過很漫長的步驟，以下就是主要設(shè)計(jì)的流程：系統(tǒng)規(guī)格首先要先規(guī)劃出該電子設(shè)備的各項(xiàng)系統(tǒng)規(guī)格。包含了系統(tǒng)功能，成本限制，大小，運(yùn)作情形等等。系統(tǒng)功能區(qū)塊圖接下來必須要制作出系統(tǒng)的功能方塊圖。方塊間的關(guān)系也必須要標(biāo)示出來。PCB將系統(tǒng)分割數(shù)個(gè) PCB 的話，不僅在尺寸上可以縮小，也可以讓系統(tǒng)具有升級(jí)與交換零件的能力。系統(tǒng)功能方塊圖就提供了我們分割的依據(jù)。像是計(jì)算機(jī)就可以分成主機(jī)板、顯示卡、聲卡、軟盤驅(qū)動(dòng)器和電源等等。PCB的

8、大小當(dāng)各PCB 使用的技術(shù)和電路數(shù)量都決定好了，接下來就是決定板子的大小了。如果設(shè)計(jì)的過大，那么封裝技術(shù)就要改變，或是重新作分割的動(dòng)作。在選擇技術(shù)時(shí)，也要將線路圖的品質(zhì)與速度都考量進(jìn)去。繪出所有PCB 的電路概圖概圖中要表示出各零件間的相互連接細(xì)節(jié)。所有系統(tǒng)中的 PCB 都必須要描出來，現(xiàn)今大多采用 CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，Computer Aided Design）的方式。下面就是使用 CircuitMakerTM 設(shè)計(jì)的范例。PCB 的電路概圖初步設(shè)計(jì)的仿真運(yùn)作為了確保設(shè)計(jì)出來的電路圖可以正常運(yùn)作，這必須先用計(jì)算機(jī)軟件來仿真一次。這類軟件可以讀取設(shè)計(jì)圖，并且用許多方式顯示電路運(yùn)作的情況。這

9、比起實(shí)際做出一塊樣本PCB 來決定的。它們必須以最有效率的方式與路徑相連接。所謂有效率的布線，就是牽線越短并且通過層數(shù)越少（這也同時(shí)減少導(dǎo)孔的數(shù)目）越好，不過在真正布線時(shí)，我們會(huì)再提到這個(gè)問題。導(dǎo)出 PCB 上線路下面是總線在 PCB 上布線的樣子。為了讓各零件都能夠擁有完美的配線，放置的位置是很重要的。測(cè)試布線可能性，與高速下的正確運(yùn)作現(xiàn)今的部份計(jì)算機(jī)軟件，可以檢查各零件擺設(shè)的位置是否可以正確連接，或是檢查在高速運(yùn)作下，這樣是否可以正確運(yùn)作。這項(xiàng)步驟稱為安排零件，不過我們不會(huì)太深入研究這些。如果電路設(shè)計(jì)有問題，在實(shí)地導(dǎo)出線路前，還可以重新安排零件的位置。在概圖中的連接， 現(xiàn)在將會(huì)實(shí)地作成布線

10、的樣子。這項(xiàng)步驟通常都是全自動(dòng)的，不過一般來說還是需要手動(dòng)更改某些部份。2 層板的導(dǎo)線模板。紅色和藍(lán)色的線條，分別代表PCB PCB 上的焊接面有PCB 的最終構(gòu)圖通常稱為工作底片Artwork。每一次的設(shè)計(jì)，都必須要符合一套規(guī)定，像是線路間的最小保留空隙，最小線路寬度，和其它類似的實(shí)際限制等。這些規(guī)定依照電路的速度，傳送信號(hào)的強(qiáng)弱，電路對(duì)耗電與噪聲的敏感度，以及材質(zhì)品質(zhì)與制造設(shè)備等因素而有不同。如果電流強(qiáng)度上升，那導(dǎo)線的粗細(xì)也必須要增加。為了減少PCB 的成本，在減少層數(shù)的同時(shí)，也必須要注意這些規(guī)定是否仍舊符合。如果需要超過 2 層的構(gòu)造的話，那么通常會(huì)使用到電源層以及地線層，來避免信號(hào)層上

11、的傳送信號(hào)受到影響，并且可以當(dāng)作信號(hào)層的防護(hù)罩。導(dǎo)線后電路測(cè)試為了確定線路在導(dǎo)線后能夠正常運(yùn)作，它必須要通過最后檢測(cè)。這項(xiàng)檢測(cè)也可以檢查是否有不正確的連接，并且所有聯(lián)機(jī)都照著概圖走。PCB CAD Gerber files 規(guī)格。一組Gerber files 面圖，阻焊層與網(wǎng)板印刷面的平面圖，以及鉆孔與取放等指定檔案。電磁兼容問題電磁兼容EMC對(duì)電磁干擾（EMI，電磁場(chǎng)（EMF）和射頻干擾（RFI）等都規(guī)定了最大的限制。這項(xiàng)規(guī)定可以確保該電EMC 時(shí)要減少對(duì)外來 EMF、EMIRFI 等的磁化率。換言之，這項(xiàng)規(guī)定的目的就是要防止電磁能量進(jìn)入或由裝置散發(fā)出。這其實(shí)是一項(xiàng)很難解決的問題，一般大多會(huì)

12、使用電源和地線層，或是將PCB 放進(jìn)金屬盒子當(dāng)中以解決這些問題。電源和地線層可以防止信號(hào)層受干擾，金屬盒的效用也差不多。對(duì)這些問題我們就不過于深入了。電路的最大速度得看如何照 EMC 規(guī)定做了。內(nèi)部的 EMI，像是導(dǎo)體間的電流耗損，會(huì)隨著頻率上升而增強(qiáng)。如果兩者之間的的電流差距過大，那么一定要拉長兩者間的距離。這也告訴我們?nèi)绾伪苊飧邏海?會(huì)比大PCB 更適合在高速下運(yùn)作。制造流程PCB 的制造過程由玻璃環(huán)氧樹脂（Glass Epoxy）或類似材質(zhì)制成的基板開始1、影像（成形導(dǎo)線制作）制作的第一步是建立出零件間聯(lián)機(jī)的布線。我們采用負(fù)片轉(zhuǎn)?。⊿ubtractive transfer）方式將工作底片

13、表現(xiàn)在金屬導(dǎo)體上。這項(xiàng)技巧是將整個(gè)表面鋪上一層薄薄的銅箔，并且把多余的部份給消除。追加式轉(zhuǎn)?。ˋdditive Pattern transfer）是另一種比較少人使用的方式，這是只在需要的地方敷上銅線的方法，不過我們?cè)谶@里就不多談了。如果制作的是雙面板，那么PCB 的基板兩面都會(huì)鋪上銅箔，如果制作的是多層板，接下來的步驟則會(huì)將這些板子黏在一起。接下來的流程圖，介紹了導(dǎo)線如何焊在基板上。正光阻劑（positive photoresist）是由感光劑制成的，它在照明下會(huì)溶解（負(fù)光阻劑則是如果沒有經(jīng)過照明就會(huì)分解的表面上滾動(dòng)（稱作干膜光阻劑。它也可以用液態(tài)的方式噴在上頭，不過干膜式提供比較高的分辨率

14、，也可以制作出比較細(xì)的導(dǎo)線。遮光罩只是一個(gè)制造中 PCB 層的模板。在 PCB 板上的經(jīng)過 UV 光曝光之前，覆蓋在上面的遮（假設(shè)用的是正光阻劑線。在光阻劑顯影之后，要蝕刻的其它的裸銅部份。蝕刻過程可以將板子浸到蝕刻溶劑中，或是將溶劑噴在板子上。一般用作蝕刻溶劑的有，氯化鐵（FerricChlorid，堿性氨（AlkalineAmmoni，硫酸加過氧化氫Sulfuric Acid + Hydrogen Peroxid，和氯化銅Cupric Chloride）除掉。這稱作脫膜（Stripping）程序。鉆孔與電鍍PCB Plated-Through-Hole technologPT的各層線路能夠

15、彼此連接。在開始電鍍之前，必須先清掉孔內(nèi)的雜物。這是因?yàn)闃渲h(huán)氧物在加熱后會(huì)產(chǎn)生一些化學(xué)變化，而它會(huì)覆蓋住內(nèi)部PCB 層，所以要先清掉。清除與電鍍動(dòng)作都會(huì)在化學(xué)制程中完成。多層PCB 壓合各單片層必須要壓合才能制造出多層板。壓合動(dòng)作包括在各層間加入絕緣層，以及將彼此黏牢等。如果有透過好幾層的導(dǎo)孔，那么每層都必須要重復(fù)處理。多層板的外側(cè)兩面上的布線，則通常在多層板壓合后才處理。處理阻焊層、網(wǎng)版印刷面和金手指部份電鍍接下來將阻焊漆覆蓋在最外層的布線上，這樣一來布線就不會(huì)接觸到電鍍部份外了。網(wǎng)版印刷面則印在其上，以標(biāo)示各零件的位置，它不能夠覆蓋在任何布線或是金手指上，不然可能會(huì)減低可焊性或是電流連接

16、的穩(wěn)定性。金手指部份通常會(huì)鍍上金，這樣在插入擴(kuò)充槽時(shí)，才能確保高品質(zhì)的電流連接。測(cè)試測(cè)試PCB 準(zhǔn)確，不過光學(xué)測(cè)試可以更容易偵測(cè)到導(dǎo)體間不正確空隙的問題。零件安裝與焊接最后一項(xiàng)步驟就是安裝與焊接各零件了。無論是 THT 與 SMT 零件都利用機(jī)器設(shè)備來安裝放置在 PCB上。THT （Wave PCB首先將接腳切割到靠近板子，并且稍微彎曲以讓零件能夠固定。接著將PCB 移到助溶劑的水波上，讓底部接觸到助溶劑，這樣可以將底部金屬上的氧化物給除去。在加熱PCB 后，這次則移到融化的焊料上，在和底部接觸后焊接就完成了。SMT （Over Reflow Soldering焊接物，在零件安裝在PCB 上后

17、先處理一次，經(jīng)過PCB 加熱后再處理一次。待PCB 冷卻之后焊接就完成PCB 的最終測(cè)試了節(jié)省制造成本的方法為了讓PCB 的成本能夠越低越好，有許多因素必須要列入考量：板子的大小自然是個(gè)重點(diǎn)。板子越小成本就越低。部份的PCB 尺寸已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)，只要照著尺寸作那么成本就自然會(huì)下降。CustomPCB 網(wǎng)站上有一些關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)尺寸的信息。SMT THT PCB 上的零件會(huì)更密集（也會(huì)比較小。另一方面，如果板子上的零件很密集，那么布線也必須更細(xì)，使用的設(shè)備也相對(duì)的要更高階。同時(shí)使用的材質(zhì)也要更高級(jí)，在導(dǎo)線設(shè)計(jì)上也必須要更小心，以免造成耗電等會(huì)對(duì)電路造成影響的問題。這些問題帶來的成本，可比縮小 PCB 尺寸所節(jié)省的還要多。層數(shù)越多成本越高，不過層數(shù)少的PCB 通常會(huì)造成大小的增加。鉆孔需要時(shí)間，所以導(dǎo)孔越少越好。埋孔比貫穿所有層的導(dǎo)孔要貴。因?yàn)槁窨妆仨氁诮雍锨熬拖茹@好洞。板子上孔的大小是依照零件接腳的直徑來