印刷电路板(PCB)基础知识

印刷电路板(PCB)基础知识对PC中的主板、显示卡来说，最基本的部分莫过于印刷电路板(PCB:PrintedCircuitBoard)了，它是各种板卡工作的基础。对具体产品而言，印刷电路板的设计与制造水平，也在很大程度上决定着产品的各项指标和最终性能。什么是印刷电路板(PCB:PrintedCircuitBoard)印刷电路板(PCB:PrintedCircuitBoard)几乎是任何电子产品的基础，出现在几乎每一种电子设备中，一般说来，如果在某样设备中有电子元器件，那么它们也都是被安装在大小各异的PCB上。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。随着电子设备越来越复杂，需要的元器件越来越多，PCB上头的线路与元器件也越来越密集了。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。国。——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)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。因为如此，PCB的正反面分别被称为元器件面(ComponentSide)与焊接面(SolderSide)。对于部分可能需要频繁拔插的元器件，比如说主板上的CPU，需要给用户可以自行调整、升级的选择，就不能直接将CPU焊在主板上了，这时候便需要用到插座(Socket)：虽然插座是直接焊在电路板上，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)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)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网版印刷面(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。网版印刷面也被称作图标面(legend)。左为有白色图标面的绿色PCB，右为没有图标面的棕色PCBPCB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。单面板(Single-SidedBoards)我们前面说到过，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，所以我们就称这种PCB叫作单面板(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底面双面板(Double-SidedBoards)这种电路板的两面都有布线。不过要用上两面的导线，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。以互相交錯（可以繞到另一面），它更適合用在比單面板更複雜的電路上。左为双面PCB表面，右为双面PCB底面多层板(Multi-LayerBoards)为了增加可以布线的面积，多层板用上了更多单或双面的布线板。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。大型的超级计算机大多使用相当多层的主机板，不过因为这类计算机已经可以用许多普通计算机的群组代替，超多层板已经渐渐不被使用了。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，则复杂了许多，比如说如果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讯号层(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。PCB上的元器件安装技术插入安装技术(THT:ThroughHoleTechnology)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。大致说来，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(SurfaceMountedTechnology，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。HT元器件(焊接在底部)表面安装技术(SMT:SurfaceMountedTechnology)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象THT那样需要用为每个接脚的焊接都要PCB上钻洞的麻烦。而另一方面，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。另一方面，SMT也比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。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：系统规划首先要先规划出该电子设备的各项系统规格。包含了系统功能，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，不过在真正布线时，我们会再提到这个问题。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PCB的设计流程测试布线如今，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。红色和蓝色的线条，分别代表PCB的元器件层与焊接层。白色的文字与四方形代表的是网版印刷面的各项标示。红色的点和圆圈代表钻洞与导孔。最右方我们可以看到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，传送讯号的强弱，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，来避免讯号层上的传送讯号受到影响，并且可以当作讯号层的防护罩。电路测试为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，这其实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。PCB的制造流程PCB的制造过程由玻璃