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PCB設(shè)計基礎(chǔ)知識

文章作者：yebuyugz9B 人氣：發(fā)表時間：2024-09-22 10:07:42

作者簡介：

長期從事PCB工藝維護、改進及技術(shù)研發(fā)工作，現(xiàn)任職于一家上市公司研發(fā)總監(jiān),；對高端PCB制造頗有研究。

PCB設(shè)計基礎(chǔ)知識

印刷電路板（Printed circuit board,，PCB）幾乎會出現(xiàn)在每一種電子設(shè)備當中,。如果在某樣設(shè)備中有電子零件，那么它們也都是鑲在大小各異的PCB上,。除了固定各種小零件外,，PCB的主要功能是提供上頭各項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。標準的PCB長得就像這樣,。裸板（上頭沒有零件）也常被稱為「印刷線路板Printed Wiring Board（PWB）,。

板子本身的基板是由絕緣隔熱、并不易彎曲的材質(zhì)所制作成,。在表面可以看到的細小線路材料是銅箔,，原本銅箔是覆蓋在整個板子上的，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,。

為了將零件固定在PCB上面,，我們將它們的接腳直接焊在布線上。在最基本的PCB（單面板）上,，零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子到另一面,，所以零件的接腳是焊在另一面上的。因為如此,，PCB的正反面分別被稱為零件面（Component Side）與焊接面（Solder Side）,。

如果PCB上頭有某些零件，需要在制作完成后也可以拿掉或裝回去,，那么該零件安裝時會用到插座（Socket）,。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）可以輕松插進插座，也可以拆下來,。插座旁的固定桿,，可以在您插進零件后將其固定。

如果要將兩塊PCB相互連結(jié),，一般我們都會用到俗稱「金手指」的邊接頭（edge connector）,。金手指上包含了許多裸露的銅墊，這些銅墊事實上也是PCB布線的一部份,。通常連接時,，我們將其中一片PCB上的金手指插進另一片PCB上合適的插槽上（一般叫做擴充槽Slot）。在計算機中,，像是顯示卡,，聲卡或是其它類似的界面卡，都是借著金手指來與主機板連接的,。

PCB上的綠色或是棕色,，是阻焊漆（solder mask）的顏色。這層是絕緣的防護層,，可以保護銅線,，也可以防止零件被焊到不正確的地方。在阻焊層上另外會印刷上一層絲網(wǎng)印刷面（silk screen）,。通常在這上面會印上文字與符號（大多是白色的）,，以標示出各零件在板子上的位置。絲網(wǎng)印刷面也被稱作圖標面
legend）,。

單面板（Single-Sided Boards）

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,。因為導(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）,。因為單面板在設(shè)計線路上有許多嚴格的限制（因為只有一面，布線間不能交叉而必須繞獨自的路徑）,，所以只有早期的電路才使用這類的板子,。

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?shù)碾娐愤B接才行,。這種電路間的「橋梁」叫做導(dǎo)孔（via）,。導(dǎo)孔是在PCB上，充滿或涂上金屬的小洞,，它可以與兩面的導(dǎo)線相連接,。因為雙面板的面積比單面板大了一倍，而且因為布線可以互相交錯（可以繞到另一面）,，它更適合用在比單面板更復(fù)雜的電路上,。

多層板（Multi-Layer Boards）

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,，并在每層板間放進一層絕緣層后黏牢（壓合）。板子的層數(shù)就代表了有幾層獨立的布線層,，通常層數(shù)都是偶數(shù),，并且包含最外側(cè)的兩層。大部分的主機板都是4到8層的結(jié)構(gòu),，不過技術(shù)上可以做到近100層的PCB板,。大型的超級計算機大多使用相當多層的主機板，不過因為這類計算機已經(jīng)可以用許多普通計算機的集群代替,，超多層板已經(jīng)漸漸不被使用了,。因為PCB中的各層都緊密的結(jié)合，一般不太容易看出實際數(shù)目,，不過如果您仔細觀察主機板,，也許可以看出來。

我們剛剛提到的導(dǎo)孔（via）,，如果應(yīng)用在雙面板上,，那么一定都是打穿整個板子
不過在多層板當中，如果您只想連接其中一些線路,，那么導(dǎo)孔可能會浪費一些其它層的線路空間,。埋孔（Buried vias）和盲孔（Blind vias）技術(shù)可以避免這個問題，因為它們只穿透其中幾層,。盲孔是將幾層內(nèi)部PCB與表面PCB連接,，不須穿透整個板子。埋孔則只連接內(nèi)部的PCB,，所以光是從表面是看不出來的,。

在多層板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層（Signal）,，電源層（Power）或是地線層（Ground）。如果PCB上的零件需要不同的電源供應(yīng),，通常這類PCB會有兩層以上的電源與電線層,。

零件封裝技術(shù)

插入式封裝技術(shù)（Through Hole Technology）

將零件安置在板子的一面,，并將接腳焊在另一面上，這種技術(shù)稱為「插入式（Through Hole Technology,，THT）」封裝,。這種零件會需要占用大量的空間，并且要為每只接腳鉆一個洞,。所以它們的接腳其實占掉兩面的空間,，而且焊點也比較大。但另一方面,，THT零件和SMT（Surface Mounted Technology,，表面黏著式）零件比起來，與PCB連接的構(gòu)造比較好,，關(guān)于這點我們稍后再談,。像是排線的插座，和類似的界面都需要能耐壓力,，所以通常它們都是THT封裝,。

表面黏貼式封裝技術(shù)（Surface Mounted Technology）

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也比THT的零件要小,。和使用THT零件的PCB比起來,，使用SMT技術(shù)的PCB板上零件要密集很多。SMT封裝零件也比THT的要便宜,。所以現(xiàn)今的PCB上大部分都是SMT,，自然不足為奇。

因為焊點和零件的接腳非常的小,，要用人工焊接實在非常難,。不過如果考慮到目前的組裝都是全自動的話，這個問題只會出現(xiàn)在修復(fù)零件的時候吧,。

設(shè)計流程

在PCB的設(shè)計中,，其實在正式布線前，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)備的各項系統(tǒng)規(guī)格,。包含了系統(tǒng)功能，成本限制,，大小,，運作情形等等。

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)系也必須要標示出來,。

將系統(tǒng)分割幾個PCB

將系統(tǒng)分割數(shù)個PCB的話，不僅在尺寸上可以縮小,，也可以讓系統(tǒng)具有升級與交換零件的能力,。系統(tǒng)功能方塊圖就提供了我們分割的依據(jù)。像是計算機就可以分成主機板,、顯示卡,、聲卡、軟盤驅(qū)動器和電源等等,。

決定使用封裝方法,，和各PCB的大小

當各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)計的過大,，那么封裝技術(shù)就要改變，或是重新作分割的動作,。在選擇技術(shù)時,，也要將線路圖的品質(zhì)與速度都考量進去。

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（計算機輔助設(shè)計，Computer Aided Design）的方式,。下面就是使用CircuitMakerTM設(shè)計的范例,。

PCB的電路概圖

初步設(shè)計的仿真運作

為了確保設(shè)計出來的電路圖可以正常運作，這必須先用計算機軟件來仿真一次,。這類軟件可以讀取設(shè)計圖,，并且用許多方式顯示電路運作的情況。這比起實際做出一塊樣本PCB,，然后用手動測量要來的有效率多了,。

將零件放上PCB

零件放置的方式，是根據(jù)它們之間如何相連來決定的,。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（這也同時減少導(dǎo)孔的數(shù)目）越好,，不過在真正布線時,，我們會再提到這個問題。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,。

測試布線可能性，與高速下的正確運作

現(xiàn)今的部份計算機軟件,，可以檢查各零件擺設(shè)的位置是否可以正確連接,，或是檢查在高速運作下，這樣是否可以正確運作,。這項步驟稱為安排零件,，不過我們不會太深入研究這些。如果電路設(shè)計有問題,，在實地導(dǎo)出線路前,，還可以重新安排零件的位置。

導(dǎo)出PCB上線路

在概圖中的連接,，現(xiàn)在將會實地作成布線的樣子,。這項步驟通常都是全自動的，不過一般來說還是需要手動更改某些部份,。下面是2層板的導(dǎo)線模板,。紅色和藍色的線條，分別代表PCB的零件層與焊接層,。白色的文字與四方形代表的是網(wǎng)版印刷面的各項標示,。紅色的點和圓圈代表鉆洞與導(dǎo)孔。最右方我們可以看到PCB上的焊接面有金手指,。這個PCB的最終構(gòu)圖通常稱為工作底片（Artwork）,。

每一次的設(shè)計，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，和其它類似的實際限制等,。這些規(guī)定依照電路的速度,，傳送信號的強弱，電路對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,。如果電流強度上升，那導(dǎo)線的粗細也必須要增加,。為了減少PCB的成本,，在減少層數(shù)的同時，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,，那么通常會使用到電源層以及地線層，來避免信號層上的傳送信號受到影響，并且可以當作信號層的防護罩,。

導(dǎo)線后電路測試

為了確定線路在導(dǎo)線后能夠正常運作,，它必須要通過最后檢測。這項檢測也可以檢查是否有不正確的連接,，并且所有聯(lián)機都照著概圖走,。

建立制作檔案

因為目前有許多設(shè)計PCB的CAD工具,，制造廠商必須有符合標準的檔案,，才能制造板子。標準規(guī)格有好幾種,，不過最常用的是Gerber files規(guī)格,。一組Gerber files包括各信號、電源以及地線層的平面圖,，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

沒有照EMC（電磁兼容）規(guī)格設(shè)計的電子設(shè)備,，很可能會散發(fā)出電磁能量,，并且干擾附近的電器。EMC對電磁干擾（EMI）,，電磁場（EMF）和射頻干擾（RFI）等都規(guī)定了最大的限制,。這項規(guī)定可以確保該電器與附近其它電器的正常運作。EMC對一項設(shè)備,，散射或傳導(dǎo)到另一設(shè)備的能量有嚴格的限制,，并且設(shè)計時要減少對外來EMF、EMI,、RFI等的磁化率,。換言之，這項規(guī)定的目的就是要防止電磁能量進入或由裝置散發(fā)出,。這其實是一項很難解決的問題,，一般大多會使用電源和地線層，或是將PCB放進金屬盒子當中以解決這些問題,。電源和地線層可以防止信號層受干擾,，金屬盒的效用也差不多。對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,，會隨著頻率上升而增強,。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?，以及讓電路的電流消耗降到最低,。布線的延遲率也很重要，所以長度自然越短越好,。所以布線良好的小PCB,，會比大PCB更適合在高速下運作。

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

影像（成形／導(dǎo)線制作）

制作的第一步是建立出零件間聯(lián)機的布線,。我們采用負片轉(zhuǎn)?。⊿ubtractive transfer）方式將工作底片表現(xiàn)在金屬導(dǎo)體上。這項技巧是將整個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)印（Additive 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,，不過我們在這里就不多談了。

如果制作的是雙面板,，那么PCB的基板兩面都會鋪上銅箔,，如果制作的是多層板，接下來的步驟則會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,，它在照明下會溶解（負光阻劑則是如果沒有經(jīng)過照明就會分解）,。有很多方式可以處理銅表面的光阻劑，不過最普遍的方式,，是將它加熱,，并在含有光阻劑的表面上滾動（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,，也可以制作出比較細的導(dǎo)線。

遮光罩只是一個制造中PCB層的模板,。在PCB板上的光阻劑經(jīng)過UV光曝光之前,，覆蓋在上面的遮光罩可以防止部份區(qū)域的光阻劑不被曝光（假設(shè)用的是正光阻劑）。這些被光阻劑蓋住的地方,，將會變成布線,。

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（Ferric Chloride）,，堿性氨（Alkaline Ammonia）,，硫酸加過氧化氫（Sulfuric Acid + Hydrogen Peroxide），和氯化銅（Cupric Chloride）等,。蝕刻結(jié)束后將剩下的光阻劑去除掉,。這稱作脫膜（Stripping）程序。

鉆孔與電鍍

如果制作的是多層PCB板,，并且里頭包含埋孔或是盲孔的話,，每一層板子在黏合前必須要先鉆孔與電鍍。如果不經(jīng)過這個步驟,，那么就沒辦法互相連接了,。

在根據(jù)鉆孔需求由機器設(shè)備鉆孔之后，孔璧里頭必須經(jīng)過電鍍（鍍通孔技術(shù),，Plated-Through-Hole technology，PTH）,。在孔璧內(nèi)部作金屬處理后,，可以讓內(nèi)部的各層線路能夠彼此連接。在開始電鍍之前,，必須先清掉孔內(nèi)的雜物,。這是因為樹脂環(huán)氧物在加熱后會產(chǎn)生一些化學(xué)變化，而它會覆蓋住內(nèi)部PCB層,，所以要先清掉,。清除與電鍍動作都會在化學(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接觸到電鍍部份外了,。網(wǎng)版印刷面則印在其上,，以標示各零件的位置，它不能夠覆蓋在任何布線或是金手指上,，不然可能會減低可焊性或是電流連接的穩(wěn)定性,。金手指部份通常會鍍上金,，這樣在插入擴充槽時，才能確保高品質(zhì)的電流連接,。

測試

測試PCB是否有短路或是斷路的狀況,，可以使用光學(xué)或電子方式測試。光學(xué)方式采用掃描以找出各層的缺陷,，電子測試則通常用飛針探測儀（Flying-Probe）來檢查所有連接,。電子測試在尋找短路或斷路比較準確，不過光學(xué)測試可以更容易偵測到導(dǎo)體間不正確空隙的問題,。
零件安裝與焊接

最后一項步驟就是安裝與焊接各零件了,。無論是THT與SMT零件都利用機器設(shè)備來安裝放置在PCB上。

THT零件通常都用叫做波峰焊接（Wave Soldering）的方式來焊接,。這可以讓所有零件一次焊接上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,。

自動焊接SMT零件的方式則稱為再流回焊接（Over Reflow Soldering）,。里頭含有助溶劑與焊料的糊狀焊接物，在零件安裝在PCB上后先處理一次,，經(jīng)過PCB加熱后再處理一次,。待PCB冷卻之后焊接就完成了，接下來就是準備進行PCB的最終測試了bvty.VIP
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重點,。板子越小成本就越低。部份的PCB尺寸已經(jīng)成為標準,，只要照著尺寸作那么成本就自然會下降,。CustomPCB網(wǎng)站上有一些關(guān)于標準尺寸的信息。

使用SMT會比THT來得省錢,，因為PCB上的零件會更密集（也會比較?。?/p>

另一方面,，如果板子上的零件很密集,，那么布線也必須更細，使用的設(shè)備也相對的要更高階,。同時使用的材質(zhì)也要更高級,，在導(dǎo)線設(shè)計上也必須要更小心,，以免造成耗電等會對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通常會造成大小的增加,。

鉆孔需要時間,，所以導(dǎo)孔越少越好。

埋孔比貫穿所有層的導(dǎo)孔要貴,。因為埋孔必須要在接合前就先鉆好洞,。

板子上孔的大小是依照零件接腳的直徑來決定。如果板子上有不同類型接腳的零件,，那么因為機器不能使用同一個鉆頭鉆所有的洞,，相對的比較耗時間，也代表制造成本相對提升,。

使用飛針式探測方式的電子測試,，通常比光學(xué)方式貴。一般來說光學(xué)測試已經(jīng)足夠保證PCB上沒有任何錯誤,。

總而言之,，廠商在設(shè)備上下的工夫也是越來越復(fù)雜了。了解PCB的制造過程是很有用的,，因為當我們在比較主機板時，相同效能的板子成本可能不同,，穩(wěn)定性也各異,，這也讓我們得以比較各廠商的能力。

好的工程師可以光看主機板設(shè)計,，就知道設(shè)計品質(zhì)的好壞,。您也許自認沒那么強，不過下次您拿到主機板或是顯示卡時,，不妨先鑒賞一下PCB設(shè)計之美吧,！

PCB設(shè)計基礎(chǔ)知識(圖2)