印刷电路板(PCB)基础知识.docx

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 : Printed Circuit Board)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 : Printed Circuit Board)印刷电路板(PCB : Printed Circuit Board)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(conductor pattern)或称布线，并用来提供PCB上元器件的电路连接。PCB中的导线(Conductor Pattern)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 (Component Side)与焊接面(Solder Side)。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Core 2 Duo CPU，则需要如下图右方的Socket T插座以供安装。主板上的CPU插座(左为Socket，右为Socket T)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(edge connector)。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(solder mask)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(silk screen)。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-Sided Boards)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-Sided Boards)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-Layer Boards)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(Buried vias)和盲孔(Blind vias)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 : Through Hole Technology)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(Through Hole Technology，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(Surface Mounted Technology，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 : Surface Mounted Technology)使用表面安装技术(SMT : Surface Mounted Technology)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，Computer Aided Design)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的制造过程由玻璃环氧树脂(Glass Epoxy)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联机的布线。目前多采用负片转印(Subtractive transfer)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(Additive Pattern transfer)是另一种比较少人使用的方式，这是只在需要的地方加上铜线的方法，不过我们在这里就不多谈了。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(positive photoresist)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，将会变成布线。在光阻剂显影之后，要蚀刻的其它的裸铜部份。蚀刻过程可以将板子浸到蚀刻溶剂中，或是将溶剂喷在板子上。一般用作蚀刻溶剂的有，氯化铁 (Ferric Chloride)，碱性氨(Alkaline Ammonia)，硫酸加过氧化氢(Sulfuric Acid + Hydrogen Peroxide)，和氯化铜(Cupric Chloride)等。蚀刻结束后将剩下的光阻剂去除掉。这称作脱膜(Stripping)程序。您可以由下面的图片看出铜线是如何布线的。 PCB的布线步骤PCB的制造流程钻孔与电镀如果制作的是多层PCB板，并且里头包含埋孔或是盲孔的话，每一层板子在黏合前必须要先钻孔与电镀。如果不经过这个步骤，那么就没办法互相连接了。在根据钻孔需求由机器设备钻孔之后，孔璧里头必须经过电镀(镀通孔技术，Plated-Through-Hole technology，PTH)。在孔璧内部作金属处理后，可以让内部的各层线路能够彼此连接。在开始电镀之前，必须先清掉孔内的杂物。这是因为树脂环氧物在加热后会产生一些化学变化，而它会覆盖住内部PCB层，所以要先清掉。清除与电镀动作都会在化学制程中完成。多层PCB压合各单片层必须要压合才能制造出多层板。压合动作包括在各层间加入绝缘层，以及将彼此黏牢等。如果有透过好几层的导孔，那么每层都必须要重复处理。多层板的外侧两面上的布线，则通常在多层板压合后才处理。处理防焊层、网版印刷面和金手指部份电镀接下来将防焊漆覆盖在最外层的布在线，这样一来布线就不会接触到电镀部份外了。网版印刷面则印在其上，以标示各元器件的位置，它不能够覆盖在任何布线或是金手 指上，不然可能会减低可焊性或是电流连接的稳定性。金手指部份通常会镀上金，这样在插入扩充槽时，才能确保高质量的电流连接。测试测试PCB是否有短路或是断路的状况，可以使用光学或电子方式测试。光学方式采用扫描以找出各层的缺陷，电子测试则通常用飞针探测仪 (Flying-Probe)来检查所有连接。电子测试在寻找短路或断路比较准确，不过光学测试可以更容易侦测到导体间不正确空隙的问题。元器件安装与焊接最后一项步骤就是安装与焊接各元器件了。无论是THT与SMT元器件都利用机器设备来安装放置在PCB上。THT 元器件通常都用叫做波峰焊接(Wave Soldering)的方式来焊接。这可以让所有元器件一次焊接上PCB。首先将接脚切割到靠近板子，并且稍微弯曲以让元器件能够固定。接着将PCB移到助溶 剂的水波上，让底部接触到助溶剂，这样可以将底部金属上的氧化物给除去。在加热PCB后，这次则移到融化的焊料上，在和底部接触后焊接就完成了。自动焊接SMT元器件的方式则称为再流回焊接(Over Reflow Soldering)。里头含有助溶剂与焊料的糊状焊接物，在元器件安装在PCB上后先处理一次，经过PCB加热后再处理一次。待PCB冷却之后焊接就完成了，接下来就是准备进行PCB的最终测试了