PCB基础知识

PCB基础知识一．什么是印刷电路板？印刷电路板(PCB:PrintedCircuitBoard)除了固定各种元器件外，PCB的主要作用是提供各项元器件之间的连接电路。电路板本身是由绝缘隔热、并无法弯曲的材质制作而成，在表面可以看到的细小线路材料是铜箔。在被加工之前，铜箔是覆盖在整个电路板上的，而在制造过程中部份被蚀刻处理掉，留下来的部份就变成网状的细小线路了。因这个加工生产过程，多是通过印刷方式形成供蚀刻的轮廓，故尔才得到印刷电路板的命名。这些线路被称作导线(conductorpattern)或称布线，并用来提供PCB上元器件的电路连接。PCB中的导线(ConductorPattern)二．PCB上元器件的安装为了将元器件固定在PCB上面，需要它们的接脚直接焊在布线上。在最基本的PCB(单面板)上，元器件都集中在其中一面，导线则都集中在另一面。这么一来就需要在板子上打洞，以便接脚才能穿过板子到另一面，所以元器件的接脚是焊在另一面上的。因为，PCB的正反面分别被称为元器件面(ComponentSide)与焊接面(SolderSide)。对于部分需要频繁拔插的元器件，比如主板上的CPU，需要给用户可以自行调整、升级的选择，就不能直接将CPU焊在主板上，这时需要用插座(Socket)：插座直接焊在电路板上，但元器件可以随意地拆装。如下方的Socket插座，即可以让元器件(这里指的是CPU)轻松插进插座，也可以拆下来。插座旁的固定杆，可以在您插进元器件后将其固定。而对于Intel的CPU而言，包括Prescott和最新的Core2DuoCPU，则需要如下图右方的SocketT插座以供安装。主板上的CPU插座(左为Socket，右为SocketT)三、PCB的连接如果要将两块PCB相互连结，即在物理上将两块PCB在电路上连接起来，则一般需用到俗称“金手指”的边接头(edgeconnector)。金手指上包含了许多裸露的铜垫，这些铜垫事实上也是PCB布线的一部份。将其中一片PCB上的金手指插进另一片PCB上合适的插槽上(一般叫做扩充槽Slot)。在计算机中，像是显示卡，声卡或是其它类似的界面卡，都是借着金手指来与主机板连接的。边接头(俗称金手指)四、PCB的颜色一般，PCB的以绿色或棕色居多，当然也有部分产品采用更绚丽漂亮颜色的，不过，多是出于外观而非产品性能或生产要求方面的考虑，这是防焊漆(soldermask)的颜色。对PCB来说，防焊层是相当重要的，它是绝缘的防护层，可以保护铜线，也可以防止元器件被焊到不正确的地方。在防焊层上另外会印刷上一层丝印层(silkscreen)。通常在这上面会印上文字与符号(大多是白色的)，以标示出各元器件在板子上的位置。左为有白色图标面的绿色PCB，右为没有图标面的棕色PCB五、PCB的分类对印刷电路板而言，对其的分类有多种方法，其中根据层数分类最为常见。1.单面板(Single-SidedBoards)在最基本的PCB上，元器件集中在其中一面，导线则集中在另一面上。因为导线只出现在其中一面，这种PCB为称单面板(Single-sided)。相对而言，单面板在设计方面存在很多限制(因为只有一面，布线间不能交叉而必须绕独自的路径)，在处理复杂电路时往往力不从心，现在已经很少使用了，除非电路确实十分简单。左为单面PCB表面，右为单面PCB底面2.双面板(Double-SidedBoards)这种电路板的两面都有布线。不过要用上下两面的导线，必须要在两面间有适当的电路连接才行。这种电路间的「桥梁」叫做导孔(via)。导孔是在PCB上，充满或涂上金属的小洞，它可以与两面的导线相连接。因为双面板的面积比单面板大了一倍，而且因为布线可以互相交错(可以绕到另一面)，它更适合用在比单面板更复杂的电路上。左为双面PCB表面，右为双面PCB底面3.多层板(Multi-LayerBoards)多层板使用数片双面板，并在每层板间放进一层绝缘层后黏牢(压合)。板子的层数就代表了有几层独立的布线层，通常层数都是偶数，并且包含最外侧的两层。大部分的主机板都是4到8层的结构，不过技术上可以做到近100层的PCB板。对多层板而言，因为PCB中的各层都紧密的结合，一般不太容易看出实际数目。双层板中，导孔(via)比较容易处理，只需打穿整个板子即可。但对多层板而言，则复杂许多，比如只想连接其中一些线路，那么使用导孔可能会浪费一些其它层的线路空间，因此，埋孔(Buriedvias)和盲孔(Blindvias)技术便应运而生了，因为它们只穿透其中几层，其中盲孔是将几层内部PCB与表面PCB连接，不须穿透整个板子，而埋孔则只连接内部的PCB，所以光是从表面是看不出来的。在多层板PCB中，整层都直接连接上地线与电源。所以我们将各层分类为信号层(Signal)，电源层(Power)或是地线层(Ground)。如果PCB上的元器件需要不同的电源供应，通常这类PCB会有两层以上的电源与电线层。六、PCB上的元器件安装技术1.插入安装技术(THT)将元器件安置在板子的一面，并将接脚焊在另一面上，这种技术称为“插入式(ThroughHoleTechnology，THT)”安装。这种安装方式，元器件需要占用大量的空间，并且要为每只接脚钻一个洞，它们的接脚也要占掉两面的空间，而且焊点也比较大。但另一方面，THT元器件和SMT(表面安装技术)元器件比起来，与PCB连接的构造比较好，像是排线的插座，需要能耐压力，所以通常它们都是THT封装。THT元器件(焊接在底部)2.表面安装技术(SMT)使用表面安装技术(SMT:SurfaceMountedTechnology)的元器件，接脚是焊在与元器件同一面。这种安装技术避免了像THT那样需要用为每个接脚的焊接都要PCB上钻洞的麻烦。另一方面，表面安装的元器件，还可以在PCB的两面上同时安装，这也大大提高了PCB面积的利用率。表面安装的元器件焊在PCB上的同一面。SMT比THT的元器件要小，和使用THT元器件的PCB比起来，使用SMT技术的PCB板上元器件要密集很多。相比较而言，SMT封装元器件也比THT的要便宜，因此如今的PCB上大部分都是SMT。因为目前PCB的生产过程中均采用全自动技术，尽管SMT元器件的安装焊点和元器件的接脚非常小，倒不会增加生产中的难度，不过，当出现故障维修时如果需要更换元器件，则对焊接技术提出了更高的要求。七、PCB的设计流程在PCB的设计中，其实在正式布线前，还要经过很漫长的步骤，以下就是主要设计的流程：系统规划首先要规划出该电子设备的各项系统规格。包含系统功能，成本限制，大小，运作情形等等。制作系统功能区块图接下来必须要制作出系统的功能区块图。区块间的关系也必须要标示出来。按功能不同分割PCB将系统分割数个PCB的话，不仅在尺寸上可以缩小，也可以让系统具有升级与交换元器件的能力。系统功能区块图就提供了我们分割的依据。比如说对PC而言，就可以分成主板、显示卡、声卡、软盘和电源供应器等等。设定板型、尺寸与安装方式当各PCB使用的技术和电路数量都决定好了，接下来就是决定板子的大小了。如果设计的过大，那么封装技术就要改变，或是重新作分割的动作。在选择技术时，也要将线路图的质量与速度都考虑进去。绘出PCB的电路原理图概图中要表示出各元器件间的相互连接细节。所有系统中的PCB都必须要描出来，现今大多采用CAD(计算机辅助设计，ComputerAidedDesign)的方式。下面就是使用CircuitMakerTM设计的范例。PCB的电路概图电路模拟为了确保设计出来的电路图可以正常运行，必须先用计算机软件来仿真模拟。这类软件有很多，大都可以读取概图，并且用许多方式显示电路运作的情况。这比起实际做出一块样本PCB，然后用手动测量要来的有效率多了。将元器件放上PCB元器件放置的方式，是根据它们之间如何相连来决定的。它们必须以最有效率的方式与路径相连接。所谓有效率的布线，就是牵线越短并且通过层数越少(这也同时减少导孔的数目)越好。下面是总线在PCB上布线的样子。为了让各元器件都能够拥有完美的配线，放置的位置是很重要的。导线构成的PCB总线测试布线如今，很多软件可以检查各元器件摆设的位置是否可以正确连接，或是检查是否正确运行。这项步骤称为安排元器件。如果电路设计有问题，在实地导出线路前，还可以重新安排元器件的位置。导出PCB线路在原理概图的连接，现在将会实地作成布线的样子。这项步骤通常都是全自动的，不过一般来说还是需要手动更改某些部份。下面是2层板的导线模板。1.红色和蓝色的线条，分别代表PCB的元件层与焊接层。2.白色的文字与四方形代表的是丝印层各项标示。3.红色的点和圆圈代表钻洞与导孔。4.最右方可以看到PCB上的焊接面有金手指。这个PCB的最终构图通常称为工作底片(Artwork)。使用CAD软件作PCB导线设计每一次的设计，都必须要符合一套规定，像是线路间的最小保留空隙，最小线路宽度，和其它类似的实际限制等。这些规定依照电路的速度，传送信号的强弱，电路对耗电与噪声的敏感度，以及材质质量与制造设备等因素而有不同。如果电流强度上升，那导线的粗细也必须要增加。为了减少PCB的成本，在减少层数的同时，也必须要注意这些规定是否仍旧符合。如果需要超过2层的构造的话，那么通常会使用到电源层以及地线层，来避免信号层上的传送信号受到影响，并且可以当作信号层的防护罩。电路测试了确定线路能够正常运行，还必须要通过最后检测。这项检测也可以检查是否有不正确的连接，并且所有联机都照着原理概图走。电磁兼容性问题没有照EMC(电磁兼容)规范设计的电子设备，运行过程中产生的电磁辐射可能便会影响自身的正常工作，并且干扰附近的电器。EMC对电磁干扰(EMI)，电磁场(EMF)和射频干扰(RFI)等都规定了最大的限制。这项规定可以确保该电器与附近其它电器的正常运作。EMC对一项设备，散射或传导到另一设备的能量有严格的限制，并且要求设计时要减少对外来EMF、EMI、RFI等的磁化率。换言之，EMC规定的目的就是要将电磁辐射控制在一定范围内。不过，从理论上讲，这是一项很难解决的问题，现实应用中大多会通过使用电源和地线层，或是将PCB放进金属盒子当中以解决这些问题。电源和地线层可以防止讯号层受干扰，金属盒的效用也差不多，能够起到一定的屏蔽作用。电路的最大速度得看如何照EMC规定做了。内部的EMI，像是导体间的电流耗损，会随着频率上升而增强。如果两者之间的的电流差距过大，那么一定要拉长两者间的距离。这也告诉我们如何避免高压，以及让电路的电流消耗降到最低。布线的延迟率也很重要，所以长度自然越短越好。所以布线良好的小PCB，会比大PCB更适合在高速下运作。八、PCB的制造流程PCB的制造过程由玻璃环氧树脂(GlassEpoxy)或类似材质制成的「基板」开始。影像(成形／导线制作)制作的第一步是建立出元器件间连接的布线。目前多采用负片转印方式将工作底片表现在金属导体上。这项技巧是将整个表面铺上一层薄薄的铜箔，并且把多余的部份给移除。追加式转印是另一种比较少使用的方式，这是只在需要的地方加上铜线的方法。如果制作的是双面板，那么PCB的基板两面都会铺上铜箔，如果制作的是多层板，接下来的步骤则会将这些板子黏在一起。正光阻剂(positivephotoresist)是由感光剂制成的，它在照明下会溶解(负光阻剂则是如果没有经过照明就会分解)。有很多方式可以处理铜表面的光阻剂，不过最普遍的方式，是将它加热，并在含有光阻剂的表面上滚动(称作干膜光阻剂)。它也可以用液态的方式喷在上头，不过干膜式提供比较高的分辨率，也可以制作出比较细的导线。遮光罩只是一个制造中PCB层的模板。在PCB板上的光阻剂经过UV光曝光之前，覆盖在上面的遮光罩可以防止部份区域的光阻剂不被曝光(假设用的是正光阻剂)。这些被光阻剂盖住的地方，