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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(xì)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(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。

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(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(jìn)另一片
PCB上合適的插槽上（一般叫做擴(kuò)充槽Slot）。在計算機(jī)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(jī)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(hù)層，可以保護(hù)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(biāo)示出各零件在板子上的位置。絲網(wǎng)印刷面也被稱作圖標(biāo)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(yán)格的限制（因為只有一面，布線間不能交叉而必須繞獨(dú)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(dāng)?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(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(jī)
大多使用相當(dāng)多層的主機(jī)板，不過因為這類計算機(jī)已經(jīng)可以用許多普通計算機(jī)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(xì)觀察主機(jī)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(dāng)中，如果您只想連接其中一些線路，那么導(dǎo)孔可能會浪費(fèi)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(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。


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(jī)就可以分成主機(jī)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(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(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（計算機(jī)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(yùn)作


為了確保設(shè)計出來的電路圖可以正常運(yùn)作，這必須先用計算機(jī)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(yùn)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(yùn)作


現(xiàn)今的部份計算機(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(lán)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(biāo)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(qiáng)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(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，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(dāng)作信號層的防護(hù)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(yùn)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)的檔案，才能制造板子。標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)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(yán)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(jìn)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(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(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?，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(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

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)?。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(fù)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(xì)
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(jī)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(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(kuò)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(zhǔn)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(jī)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(zhǔn)備進(jìn)行PCB的最終測試了

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重點。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下降。CustomPCB網(wǎng)站上有一些關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)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?。?。

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(jī)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(dāng)我們在比較主機(jī)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(jī)板設(shè)計，就知道設(shè)計品質(zhì)的好壞。您也許自認(rèn)沒那么強(qiáng)，不過下次您拿到主機(jī)板或是顯示卡時，不妨先鑒賞一下PCB設(shè)計之美吧！