pcb設(shè)計基礎(chǔ)知識

1、PCB設(shè)計基礎(chǔ)知識印刷電路板（Printedcircuitboard，PCB）幾乎會出此刻每一種電子設(shè)施中間。假如在某樣設(shè)施中有電子部件，那么它們也都是鑲在大小各異的PCB上。除了固定各樣小部件外，PCB的主要功能是供給上頭各項部件的相互電氣連結(jié)。跟著電子設(shè)施愈來愈復(fù)雜，需要的部件愈來愈多，PCB上頭的線路與部件也愈來愈密集了。標(biāo)準(zhǔn)的PCB長得就像這樣。裸板（上頭沒有部件）也常被稱為印刷線路板PrintedWiringBoard（PWB）。板子自己的基板是由絕緣隔熱、其實不易曲折的材質(zhì)所制作成。在表面能夠看到的渺小線路資料是銅箔，本來銅箔是覆蓋在整個板子上的，而在制造過程中部份被蝕刻辦理掉，留

2、下來的部份就變?yōu)榫W(wǎng)狀的渺小線路了。這些線路被稱作導(dǎo)線（conductorpattern）或稱布線，并用來供給PCB上部件的電路連結(jié)。為了將部件固定在PCB上邊，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，部件都集中在此中一面，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，因此部件的接腳是焊在另一面上的。因為這樣，PCB的正反面分別被稱為部件面（ComponentSide）與焊接面（SolderSide）。假如PCB上頭有某些部件，需要在制作達成后也能夠拿掉或裝回去，那么該部件安裝時會用到插座（Socket）。因為插座是直接焊在板子上的，部

3、件能夠隨意的拆裝。下邊看到的是ZIF（ZeroInsertionForce，零撥插力式）插座，它能夠讓部件（這里指的是CPU）能夠輕松插進插座，也能夠拆下來。插座旁的固定桿，能夠在您插進部件后將其固定。假如要將兩塊PCB相互連結(jié)，一般我們都會用到俗稱金手指的邊接頭（edgeconnector）。金手指上包含了很多裸露的銅墊，這些銅墊事實上也是PCB布線的一部份。往常連結(jié)時，我們將此中一片PCB上的金手指插進另一片PCB上適合的插槽上（一般叫做擴大槽Slot）。在計算機中，像是顯示卡，聲卡或是其余近似的界面卡，都是借著金手指來與主機板連結(jié)的。PCB上的綠色或是棕色，是阻焊漆（soldermask

4、）的顏色。這層是絕緣的防備層，能夠保護銅線，也能夠防備部件被焊到不正確的地方。在阻焊層上此外會印刷上一層絲網(wǎng)印刷面（silkscreen）。往常在這上邊會印上文字與符號（大多是白色的），以標(biāo)示出各部件在板子上的地點。絲網(wǎng)印刷面也被稱作圖標(biāo)面（legend）。單面板（Single-SidedBoards）我們剛才提到過，在最基本的PCB上，部件集中在此中一面，導(dǎo)線則集中在另一面上。因為導(dǎo)線只出此刻此中一面，因此我們就稱這種PCB叫作單面板（Single-sided）。因為單面板在設(shè)計線路上有很多嚴格的限制（因為只有一面，布線間不可以交織而一定繞單獨的路徑），因此只有初期的電路才使用這種的板子。雙

5、面板（Double-SidedBoards）這種電路板的兩面都有布線。可是要用上兩面的導(dǎo)線，一定要在兩面間有適合的電路連結(jié)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，它能夠與兩面的導(dǎo)線相連結(jié)。因為雙面板的面積比單面板大了一倍，并且因為布線能夠相互交織（能夠繞到另一面），它更適適用在比單面板更復(fù)雜的電路上。多層板（Multi-LayerBoards）為了增添能夠布線的面積，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，并在每層板間放進一層絕緣層后黏牢（壓合）。板子的層數(shù)就代表了有幾層獨立的布線層，往常層數(shù)都是偶數(shù)，并且包含最外側(cè)的兩層。大多數(shù)的主機

6、板都是4到8層的結(jié)構(gòu)，可是技術(shù)上能夠做到近100層的PCB板。大型的超級計算機大多使用相當(dāng)多層的主機板，可是因為這種計算機已經(jīng)能夠用很多一般計算機的集群取代，超多層板已經(jīng)逐漸不被使用了。因為PCB中的各層都密切的聯(lián)合，一般不太簡單看出實質(zhì)數(shù)目，可是假如您認真察看主機板，或許能夠看出來。我們剛才提到的導(dǎo)孔（via），假如應(yīng)用在雙面板上，那么必定都是打穿整個板子?？墒窃诙鄬影逯虚g，假如您只想連結(jié)此中一些線路，那么導(dǎo)孔可能會浪費一些其余層的線路空間。埋孔（Buriedvias）和盲孔（Blindvias）技術(shù)能夠防止這個問題，因為它們只穿透此中幾層。盲孔是將幾層內(nèi)部PCB與表面PCB連結(jié)，不須穿透整

7、個板子。埋孔則只連結(jié)內(nèi)部的PCB，因此光是從表面是看不出來的。在多層板PCB中，整層都直接連結(jié)上地線與電源。因此我們將各層分類為信號層（Signal），電源層（Power）或是地線層（Ground）。假如PCB上的部件需要不一樣的電源供給，往常這類PCB會有兩層以上的電源與電線層。部件封裝技術(shù)插入式封裝技術(shù)（ThroughHoleTechnology）將部件布置在板子的一面，并將接腳焊在另一面上，這種技術(shù)稱為插入式（ThroughHoleTechnology，THT）封裝。這種部件會需要占用大批的空間，并且要為每只接腳鉆一個洞。因此它們的接腳其實占掉兩面的空間，并且焊點也比較大。但另一方面，T

8、HT部件和SMT（SurfaceMountedTechnology，表面黏著式）部件比起來，與PCB連結(jié)的結(jié)構(gòu)比較好，對于這點我們稍后再談。像是排線的插座，和近似的界面都需要能耐壓力，因此往常它們都是THT封裝。表面黏貼式封裝技術(shù)（SurfaceMountedTechnology）使用表面黏貼式封裝（SurfaceMountedTechnology，SMT）的部件，接腳是焊在與部件同一面。這種技術(shù)不用為每個接腳的焊接，而都在PCB上鉆洞。表面黏貼式的部件，甚至還可以在兩面都焊上。SMT也比THT的部件要小。和使用THT部件的PCB比起來，使用SMT技術(shù)的PCB板上部件要密集好多。SMT封裝部件

9、也比THT的要廉價。因此當(dāng)今的PCB上大多數(shù)都是SMT，自然不以為奇。因為焊點和部件的接腳特別的小，要用人工焊接實在特別難?？墒羌偃缈紤]到當(dāng)前的組裝都是全自動的話，這個問題只會出此刻修復(fù)部件的時候吧。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)格第一要先規(guī)劃出該電子設(shè)施的各項系統(tǒng)規(guī)格。包含了系統(tǒng)功能，成本限制，大小，運作情形等等。系統(tǒng)功能區(qū)塊圖接下來一定要制作出系統(tǒng)的功能方塊圖。方塊間的關(guān)系也一定要標(biāo)示出來。將系統(tǒng)切割幾個PCB將系統(tǒng)切割數(shù)個PCB的話，不單在尺寸上能夠減小，也能夠讓系統(tǒng)擁有升級與互換部件的能力。系統(tǒng)功能方塊圖就供給了我們切割

10、的依照。像是計算機就能夠分紅主機板、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)目都決定好了，接下來就是決定板子的大小了。假如設(shè)計的過大，那么封裝技術(shù)就要改變，或是從頭作切割的動作。在選擇技術(shù)時，也要將線路圖的品質(zhì)與速度都考量進去。繪出全部PCB的電路概圖概圖中要表示出各部件間的相互連結(jié)細節(jié)。全部系統(tǒng)中的采納CAD（計算機協(xié)助設(shè)計，ComputerPCB都一定要描出來，當(dāng)今大多AidedDesign）的方式。下邊就是使用CircuitMakerTM設(shè)計的典范。PCB的電路概圖初步設(shè)計的仿真運作為了保證設(shè)計出來的電路圖能夠正常運作，這一定先用

11、計算機軟件來仿真一次。這種軟件能夠讀取設(shè)計圖，并且用很多方式顯示電路運作的狀況。這比起實質(zhì)做出一塊樣本PCB，而后用手動丈量要來的有效率多了。將部件放上PCB部件擱置的方式，是依據(jù)它們之間怎樣相連來決定的。它們一定以最有效率的方式與路徑相連結(jié)。所謂有效率的布線，就是牽線越短并且經(jīng)過層數(shù)越少（這也同時減少導(dǎo)孔的數(shù)目）越好，可是在真實布線時，我們會再提到這個問題。下邊是總線在PCB上布線的樣子。為了讓各部件都能夠擁有完滿的配線，擱置的地點是很重要的。測試布線可能性，與高速下的正確運作當(dāng)今的部份計算機軟件，能夠檢查各部件陳設(shè)的地點能否能夠正確連結(jié)，或是檢查在高速運作下，這樣能否能夠正確運作。這項步驟

12、稱為安排部件，可是我們不會太深入研究這些。假如電路設(shè)計有問題，在實地導(dǎo)出線路前，還可以夠從頭安排部件的地點。導(dǎo)出PCB上線路在概圖中的連結(jié)，此刻將會實地作成布線的樣子。這項步驟往常都是全自動的，可是一般來說仍是需要手動改正某些部份。下邊是2層板的導(dǎo)線模板。紅色和藍色的線條，分別代表PCB的部件層與焊接層。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。最右方我們能夠看到PCB上的焊接面有金手指。這個PCB的最后構(gòu)圖往常稱為工作底片（Artwork）。每一次的設(shè)計，都一定要切合一套規(guī)定，像是線路間的最小保存縫隙，最小線路寬度，和其余近似的實質(zhì)限制等。這些規(guī)定依照電路

13、的速度，傳遞信號的強弱，電路對耗電與噪聲的敏感度，以及材質(zhì)質(zhì)量與制造設(shè)施等要素而有不一樣。假如電流強度上漲，那導(dǎo)線的粗細也必須要增添。為了減少PCB的成本，在減少層數(shù)的同時，也一定要注意這些規(guī)定能否依舊符合。假如需要超出2層的結(jié)構(gòu)的話，那么往常會使用到電源層以及地線層，來防止信號層上的傳遞信號遇到影響，并且能夠看作信號層的防備罩。導(dǎo)線后電路測試為了確立線路在導(dǎo)線后能夠正常運作，它一定要經(jīng)過最后檢測。這項檢測也能夠檢查能否有不正確的連結(jié)，并且全部聯(lián)機都照著概圖走。成立制作檔案因為當(dāng)前有很多設(shè)計PCB的CAD工具，制造廠商一定有切合標(biāo)準(zhǔn)的檔案，才能制造板子。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格有好幾種，可是最常用的是Gerb

14、erfiles規(guī)格。一組Gerberfiles包含各信號、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)施，很可能會發(fā)散出電磁能量，并且擾亂鄰近的電器。EMC對電磁擾亂（EMI），電磁場（EMF）和射頻擾亂（RFI）等都規(guī)定了最大的限制。這項規(guī)定能夠保證該電器與鄰近其余電器的正常運作。EMC對一項設(shè)施，散射或傳EMFEMIRFI換言之，這項規(guī)定的目的就是要防備電磁能量進入或由裝置發(fā)散出。這實質(zhì)上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放進金屬盒子中間以解決這些問題。電源和地線層能夠防備信號

15、層受擾亂，金屬盒的功效也差不多。對這些問題我們便可是于深入了。電路的最大速度得看怎樣照EMC規(guī)定做了。內(nèi)部的EMI，像是導(dǎo)體間的電流耗費，會隨著頻次上漲而加強。假如二者之間的的電流差距過大，那么必定要拉長二者間的距離。這也告訴我們怎樣防止高壓，以及讓電路的電流耗費降到最低。布線的延緩率也很重要，因此長度自然越短越好。因此布線優(yōu)秀的小PCB，會比大PCB更適合在高速下運作。制造流程PCB的制造過程由玻璃環(huán)氧樹脂（GlassEpoxy）或近似材質(zhì)制成的基板開始影像（成形導(dǎo)線制作）制作的第一步是成立出部件間聯(lián)機的布線。我們采納負片轉(zhuǎn)?。⊿ubtractivetransfer）方式將工作底片表此刻金屬

16、導(dǎo)體上。這項技巧是將整個表面鋪上一層薄薄的銅箔，并且把剩余的部份給除去。追加式轉(zhuǎn)?。ˋdditivePatterntransfer）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，可是我們在這里就不多談了。假如制作的是雙面板，那么PCB的基板兩面都會鋪上銅箔，假如制作的是多層板，接下來的步驟則會將這些板子黏在一同。接下來的流程圖，介紹了導(dǎo)線怎樣焊在基板上。正光阻劑（positivephotoresist）是由感光劑制成的，它在照明下會溶解（負光阻劑則是假如沒有經(jīng)過照明就會分解）。有好多方式能夠辦理銅表面的光阻劑，可是最廣泛的方式，是將它加熱，并在含有光阻劑的表面上轉(zhuǎn)動（稱作干膜光

17、阻劑）。它也能夠用液態(tài)的方式噴在上頭，可是干膜式提供比較高的分辨率，也能夠制作出比較細的導(dǎo)線。遮光罩不過一個制造中PCB層的模板。在PCB板上的光阻劑經(jīng)過UV光曝光以前，覆蓋在上邊的遮光罩能夠防備部份地區(qū)的光阻劑不被曝光（假定用的是正光阻劑）。這些被光阻劑遮住的地方，將會變?yōu)椴季€。在光阻劑顯影以后，要蝕刻的其余的裸銅部份。蝕刻過程能夠?qū)遄咏轿g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（FerricChloride），堿性氨（AlkalineAmmonia），硫酸加過氧化氫（SulfuricAcid+HydrogenPeroxide），和氯化銅（CupricChloride

18、）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。鉆孔與電鍍假如制作的是多層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一定要先鉆孔與電鍍。假如不經(jīng)過這個步驟，那么就沒方法相互連結(jié)了。在依據(jù)鉆孔需求由機器設(shè)施鉆孔以后，孔璧里頭一定經(jīng)過電鍍（鍍通孔技術(shù)，Plated-Through-Holetechnology，PTH）。在孔璧內(nèi)部作金屬辦理后，能夠讓內(nèi)部的各層線路能夠相互連結(jié)。在開始電鍍以前，一定先清掉孔內(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，而它會覆遮住內(nèi)部PCB層，因此要先清掉。除去與電鍍動作都會在化學(xué)制程中達成。多層PCB壓合各單片

19、層一定要壓合才能制造出多層板。壓合動作包含在各層間加入絕緣層，以及將相互黏牢等。假如有透過好幾層的導(dǎo)孔，那么每層都一定要重復(fù)辦理。多層板的外側(cè)兩面上的布線，則往常在多層板壓合后才辦理。辦理阻焊層、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)示各部件的地點，它不可以夠覆蓋在任何布線或是金手指上，否則可能會減低可焊性或是電流連結(jié)的穩(wěn)固性。金手指部份往常會鍍上金，這樣在插入擴大槽時，才能保證高質(zhì)量的電流連結(jié)。測試測試PCB能否有短路或是斷路的狀況，能夠使用光學(xué)或電子方式測試。光學(xué)方式采納掃描以找出各層的缺點，電子測試則

20、往常用飛針探測儀（Flying-Probe）來檢查全部連結(jié)。電子測試在找尋短路或斷路比較正確，可是光學(xué)測試能夠更簡單偵測到導(dǎo)體間不正確縫隙的問題。部件安裝與焊接最后一項步驟就是安裝與焊接各部件了。不論是THT與SMT部件都利用機器設(shè)施來安裝擱置在PCB上。THT部件往常都用叫做波峰焊接（WaveSoldering）的方式來焊接。這能夠讓全部部件一次焊接上PCB。第一將接腳切割到湊近板子，并且略微曲折以讓部件能夠固定。接著將PCB移到助溶劑的水波上，讓底部接觸到助溶劑，這樣能夠?qū)⒌撞拷饘偕系难趸锝o除掉。在加熱PCB后，此次則移到消融的焊料上，在和底部接觸后焊接就達成了。自動焊接SMT部件的方式則稱為再流回焊接（OverReflowSoldering）。里頭含有助溶劑與焊料的糊狀焊接物，在部件安裝在PCB上后先辦理一次，經(jīng)過PCB加熱后