史上最全主板PCB设计解析

史上最全主板PCB设计解析前言：在《菜鸟能看懂史上最全主板供电用料解析》一文中笔者从处理器供电设计、用料两大方面，供电相数、相数独立设计、处理器辅助供电、电容、电感、MOSMET、耦合电容七个细节对主板供电用料进行了详细解析。在本文中，笔者将PCB层数、PCB颜色，防变型背板、内存插槽设计、主板散热、接口布局六个方面，对主板PCB的设计进行详细讲解，供大家学习、参考。首先我们先了解一下什么是PCB。PCB是英文Printedcircuitboard的缩写，中文翻译为印刷电路板。不光是主板，几乎所有的电子设备上都有PCB，其它的电子元器件都是镶嵌在PCB上，并通过你所看不见的线连接起来进行工作。PCB主要由玻璃纤维和树脂构成。玻璃纤维与树脂相结合、硬化，变成了一种隔热、绝缘，且不容易弯曲的板，这就是PCB基板。当然，光靠玻璃纤维和树脂结合而成的PCB基板是不能传导信号的，所以在PCB基板上，生产厂商会在表面覆盖一层铜，因此PCB基板也可以叫做覆铜基板。PCB的一个重要参数是PCB的层数，这个参数也一直是网友衡量主板优劣的一个标准。那PCB的层数是越多越好吗？答案是否定的。以目前销售的H55主板为例，由于H55系列主板采用单芯片设计，主板布线相对简单，因此无论是华硕等一线品牌还是本土同路品牌，H55主板均采用了4层PCB基板。6层PCB和4层PCB对比那什么是PCB层数呢？概括来讲主板的板基是由4层或6层树脂材料粘合在一起的PCB（印制电路板），其上的电子元件是通过PCB内部的迹线（即铜箔线）连接的。一般的主板分为四层，最上面和最下面的两层为“信号层”，中间两层分别是“接地层”和“电源层”。将信号层放在电源层和接地层的两侧，既可以防止相互之间的干扰，又便于对信号线做出修正。布线复杂的主板通常会使用6层PCB，这样可使PCB具有三或四个信号层、一个接地层、一或两个电源层。这样的设计可使信号线相距足够远的距离，减少彼此的干扰，并且有足够的电流供应。华硕某高端主板上的PCB层数标识虽然PCB层数能够让主板信号干扰减少，从某种程度上说提升超频性，不过所花费的代价是巨大的。如一款6层PCB的主板超频性能大概会比4层PCB的主板高5%左右，而价格却会高出30%以上！因此，除了极少数极端发烧超频主板外，4层PCB已经足够使用了。小结：PCB的层数直接影响主板的电气性能，然而随着层数的增加，主板的成本出现了几何性的增长。4层PCB基板，在价格与性能之间找到了平衡，因此被主板厂商广泛采用。很多网友喜欢根据PCB基板的颜色来判断主板的优劣。事实上主板颜色与性能并无直接关系。PCB板表面的颜色实际上是一种阻焊剂（也称阻焊漆）的颜色，其作用是防止电器原件在焊接过程中出现错焊，同时它还有另一个作用，就是防止焊接元器件在使用过程中线路氧化和腐蚀，减少故障率。事实上颜色过深，往往会提高主板的检验和维修难度。以最早出现的黑色PCB基板为例。在洗PCB的过程中，黑色是最容易造成色差的，如果PCB工厂使用的原料和自作工艺稍有偏差，就会因为色差造成PCB不良率的升高。由于黑色PCB的电路走线难以辨认会增加后期维修和Debug的难度，一般主板厂商不会轻易用黑色PCB。因此我们看到，即使是军工、工业产品这样对品质要求极高的产品也只使用了绿色PCB基板。主板布线清晰的褐色PCB依旧保持了良好的卖相那为什么还要使用黑色PCB基板呢?笔者认为主要原因还是为了增加产品的视觉效果。显然，主板厂商在维修过程中尝到了黑色PCB基板低色差的苦头，纷纷弃用了黑色PCB，转而使用了兼顾良好卖相同时又能清晰识别主板布线的咖啡色PCB基板。小结：颜色对于主板的性能没有丝毫的影响，黑色或是褐色PCB主板更多的是为产品的卖相服务。不建议用户将PCB颜色作为选购主板参考的因素主板背板并非一开始就有，在Socket478之前的年代里，几乎从未有此设计（或许在当时的一些中高端产品上才能看到，更多的可能是散热器上会带有固定装置）。然而自从进入LGA775后，主板的背板设计开始流行起来，终其原因，很大一部分在于随着CPU的发热量增加，CPU超频的需要，为增强散热性能，散热器做的越来越大，越来越重。过重的散热器，让主板难堪重负，PCB变形难以避免，而PCB变形直接增加了电路虚焊等问题发生的几率。因此设计者为保证主板的稳定，为主板提供了防变形背板。超重的CPU风扇给主板带来了不小的压力（PS：夭折的升技主板）除了CPU风扇外，高性能显卡的需求越来越大，而此类显卡的重量也在不断增加。而由于主板在机箱中是竖立固定，而CPU风扇和显卡都是平行摆放，因此很容易对主板造成向下的引力，让主板在长时间使用下发生变形，甚至断裂。显卡越来越重也让主板有了变形的隐患。防变形背板带来的好处是显而易见的。由于防变形背板存在材料等差异，因此虽然目前主板均提供了防变形背板，但用户在选购主板时仍需要挑选。金属背板拥有更高的硬度，同时兼顾主板散热防变形背板的材质、大小、薄厚都有严格的限定。以目前AMD平台主板为例，防变形背板的材质主要有金属和塑料两类。金属材质防变形背板，凭借着更优秀的硬度以及辅助散热性能，明显优越于塑料背板。不过由于塑料价格相对更低，有一定硬度时能对主板PCB起到固定作用，防止变形，因此采用也比较普遍。消费者在选购主板时，需要仔细查看。（PS:曾有主板厂商，由于塑料背板过厚，导致主板拱起，最终造成北桥芯片脱焊，因此建议网友尽量选择采用金属背板的主板。）小结：防变形背板承担着防止主板变形的重任，因此在选购主板时绝对不可忽略。金属背板拥有更优秀的硬度和韧性，同时兼顾散热性能，明显优于塑料材质的背板。建议用户优先选购采用金属背板设计的主板。之所以会加入内存设计，原因在于目前依然处于DDR2和DDR3的交替阶段。DDR3内存，凭借着更优秀的性能、更有利于日后升级，目前被广泛使用（C61,G41主板均升级为DDR3内存规格）。而DDR2内存，凭借更优秀的价格，在一部分主板上一直被沿用。因此，目前出现了同时支持DDR2\DDR3内存规格的COMBO主板。COMBO可以说是内存交替时代特定的产物，为内存交替提供了良好的过渡。双内存规格的主板具有良好的过渡性那消费者选哪类主板好呢？我们不可一概而定。采用4条纯DDR3内存插槽的主板，后期升级空间更充足，性能更加优秀。采用DDR2/DDR3双内存规格的COMBO虽然升级空间受到局限，但有利于DDR2升级用户使用。具体选哪类主板，还需要消费者根据自身需求选购。穿插式内存插槽设计有利于双通道内存散热除规格外，内存插槽的位置也是用户选购主板时需要考虑的因素。目前主流的H55/880G主板均采用4条内存插槽设计，2条分为一组，即双通道。有些主板会将每组插槽采用穿插式设计，这样的优势是更有利于内存的散热。建议消费者选购这类主板。（华硕主板提供了一种单卡扣设计内存插槽，内存的安装更加便利。）小结：目前正处于DDR2\DDR3内存的过渡时期，两类内存各有优势，用户可根据自己的需求选择主板。由于穿插式内存插槽设计更有利于双通道内存的散热，建议用户优先选择。作为电脑所有部件的承载体，主板最容易受到发热影响，从而导致死机等问题的发生。因此无论芯片速度再怎么加快，主板设计再如何创新，散热一直是主板厂商的大课题，北桥和南桥的发热量不用说，而MOSFET之前也有提到，同样是“热度非凡”。因此，出色的散热设计，为主板能够长时间稳定工作提供了保障。MOSFET覆盖散热器已经成为了标配增加散热的最好方式就是使用散热器。因此我们看到，除部分低端产品外，目前所有主板的南北桥芯片均会覆盖散热器。不过MOSFET散热片并非所有主板都有，由于MOSFET的发热量同样十分“庞大”，因此建议用户尽量选购带有MOSFET散热片的主板。散热片本身的好坏就从两个部分去看，第一个是材质，一般主板都采用铜和铝材质。不过目前95%以上主板都采用了铝散热片，一些高端产品或许会采用铜质散热片，但毕竟较少。大面积更有利于散热另一方面则看散热面积，增大散热器面积是让温度快速挥发的较好方法，同时多散热鳍片也能扩大散热面积。目前不少主板在多鳍片的基础上还增加了面积扩展，这都是为了更好的为芯片和MOSFET进行散热。热管设计谈到散热就必须说一下热管。从2006年开始，市场上有一段时间非常流行热管散热器，目前也有不少品牌在沿用。热管的散热优势是显而易见的，但也存在一个问题，由于不同的主板芯片和MOSFET等位置不同，因此每个热管都需要单独开模，这样必然会增加制造成本。同时，由于热管散热器的体积都比较庞大，往往会影响散热器的安装。网友购买主板时同样需要留意。散热锡条除了增加散热器的方式外，很多主板还会增加主板背面的焊锡条的数量，来加强主板的散热。小结：主板散热的优劣直接影响到主板能否长时间稳定运行，因此关键位置覆盖大面积的散热器自然是必不可少的。同时金属防变形背板，散热锡条均有利于主板的散热，用户可优先考虑购买。可以毫不夸张的说，主板布线是主板设计的灵魂所在。如果将PCB比做一个人的骨架，将电容、电感比做人的各项器官，那主板走线布局就是人的经络！一块用上“猛料”却设计粗糙的主板与四肢发达、头脑简单的人没有什么区别。由于主板走线和布局设计的形式很多，技术性非常强，因此这也是优质主板与劣质主板的一大分别。工整的走线就像写的一手好字，是主板设计品质的标志。判断走线的好坏可以从走线的转弯角度和分布密度看出。优秀的主板布线应该比较均匀整齐，从设备到控制的芯片之间的连线应该尽量短。走线转弯角度不应小于135度，而且过孔应尽量减少（因为每一个过孔相当于两个90度的直角，转弯角度过小的走线和过孔在高频电路中相当于电感元件），CPU到北桥附近的步线应该尽量平滑均匀，排列整齐，过孔少。对于电源走线则正与此相反。某些设计水平很差的主板厂商在设计走线时，由于技术实力原因往往会导致最后的成品有缺陷。此时，便采取人工修补的方法来解决问题，这种因设计不合理而出现的导线，称之为“飞线”。如果一块主板上有飞线，就证明该主板的走线设计有一些问题。测试用主板通常会存在飞线另外，在一块主板上，从北桥芯片到CPU、内存、PCI-E插槽的距离应该相等，这是主板设计的基本要求，即所谓的“时钟线等长”概念。作为CPU与内存连接桥梁的北桥芯片，在布局上是很有讲究的。例如，部分有开发实力的主板厂商，就在北桥芯片的安排布局上采用旋转45度的巧妙设计，不但缩短了北桥芯片与CPU、内存插槽及PCI-E插槽之间的走线长度，而且更能使时钟线等长。蛇行线是一种电脑主板上常见的走线形式。主板上的走线设计是一门专业学问，有人认为蛇行线越多就说明有越高的设计水平，这个观点是错误的。主板之所以会采用蛇行走线，一是为了保证走线线路的等长。因为像CPU到北桥芯片的时钟线，它不同于普通家电的电路板线路，在这些线路上以100MHz左右的频率高速运行的信号，对线路的长度十分敏感。不等长的时钟线路会引起信号的不同步，继而造成系统不稳定。故此，某些线路必须以弯曲的方式走线来调节长度。另一个使用蛇行线的常见原因为了尽可能减少电磁辐射(EMI)对主板其余部件和人体的影响。因为高速而单调的数字信号会干扰主板中各种零件的正常工作。通常，主板厂商抑制EMI的一种简便方法就是设计蛇形线，尽可能多地消化吸收辐射。但是，我们也应该看到，虽然采用蛇行线有上面这些好处，也并不是说在设计主板走线时使用的蛇行线越多越好。因为过多过密的主板走线会造成主板布局的疏密不均，会对主板的质量有一定的影响。好的走线应使主板上各部分线路密度差别不大，并且要尽可能均匀分布，否则很容易造成主板的不稳定。主板的布局则主要是从板上各部件（如集成电路芯片、电阻、电容、插槽等）的位置安排，以及线路走线来体现的。小结：主板布线是主板设计的灵魂所在，出色的主板布线设计，相比堆料优势更为明显。由于PCB分为几层，用户只能通过最上和最下两层PCB布线来简单识别主板的布线设计，辨别难度较大。因此用户在选购主板时，尽量选择品牌认知度较高的产品。主板的布局好坏，直接影响用户安装、使用是否方便，因此是