印刷電路板基礎(chǔ)知識

印刷電路板(PCB)基礎(chǔ)知識對PC中的主板、顯示卡來說，最基本的部分莫過于印刷電路板(PCB:PrintedCircuitBoard)了，它是各種板卡工作的基礎(chǔ)。對具體產(chǎn)品而言，印刷電路板的設(shè)計與制造水平，也在很大程度上決定著產(chǎn)品的各項指標和最終性能。什么是印刷電路板(PCB:PrintedCircuitBoard)印刷電路板(PCB:PrintedCircuitBoard)幾乎是任何電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)，出現(xiàn)在幾乎每一種電子設(shè)備中，一般說來，如果在某樣設(shè)備中有電子元器件，那么它們也都是被安裝在大小各異的PCB上。除了固定各種元器件外，PCB的主要作用是提供各項元器件之間的連接電路。隨著電子設(shè)備越來越復(fù)雜，需要的元器件越來越多，PCB上頭的線路與元器件也越來越密集了。電路板本身是由絕緣隔熱、并無法彎曲的材質(zhì)制作而成，在表面可以看到的細小線路材料是銅箔。在被加工之前，銅箔是覆蓋在整個電路板上的，而在制造過程中部份被蝕刻處理掉，留下來的部份就變成網(wǎng)狀的細小線路了。一一因這個加工生產(chǎn)過程，多是通過印刷方式形成供蝕刻的輪廓，故爾才得到印刷電路板的命名。國。這些線路被稱作導線(conductorpattern)或稱布線，并用來提供PCB上元器件的電路連接。PCB中的導線(ConductorPattern)PCB上元器件的安裝為了將元器件固定在PCB上面，需要它們的接腳直接焊在布線上。在最基本的PCB(單面板)上，元器件都集中在其中一面，導線則都集中在另一面。這么一來就需要在板子上打洞，以便接腳才能穿過板子到另一面，所以元器件的接腳是焊在另一面上的。因為如此，PCB的正反面分別被稱為元器件面(ComponentSide)與焊接面(SolderSide)。對于部分可能需要頻繁拔插的元器件，比如說主板上的

CPU,需要給用戶可以自行調(diào)整、升級的選擇，就不能直接將

CPU焊在主板上了，這時候便需要用到插座(Socket):雖然插

座是直接焊在電路板上，但元器件可以隨意地拆裝。如下方的

Socket插座，即可以讓元器件(這里指的是CPU)輕松插進插座，

也可以拆下來。插座旁的固定桿，可以在您插進元器件后將其固

定。而對于Intel的CPU而言，包括Prescott和最新的Core2DuoCPU,則需要如下圖右方的SocketT插座以供安裝。主板上的CPU插座（左為Socket,右為SocketT）主板上的CPU插座（左為Socket,右為SocketT）PCB的連接如果要將兩塊PCB相互連結(jié)，即在物理上將兩塊PCB在電路上連接起來，則一般需用到俗稱“金手指”的邊接頭（edgeconnector）。金手指上包含了許多裸露的銅墊，這些銅墊事實上也是PCB布線的一部份。一一將其中一片PCB上的金手指插進另一片PCB上合適的插槽上（一般叫做擴充槽Slot）o在計算機中，像是顯示卡，聲卡或是其它類似的界面卡，都是借著金手指來與主機板連接的。邊接頭（俗稱金手指）PCB的顏色一般，PCB的以綠色或棕色居多，一一當然也有部分產(chǎn)品采用更絢麗漂亮顏色的，不過，多是出于外觀而非產(chǎn)品性能或生產(chǎn)要求方面的考慮這是防焊漆（soldermask）的顏色。對PCB來說，防焊層是相當重要的，它是絕緣的防護層，可以保護銅線，也可以防止元器件被焊到不正確的地方。在防焊層上另外會印刷上一層網(wǎng)版印刷面（silkscreen）。通常在這上面會印上文字與符號（大多是白色的），以標示出各元器件在板子上的位置。網(wǎng)版印刷面也被稱作圖標面（legend）。左為有白色圖標面的綠色PCB,右為沒有圖標面的棕色PCBPCB的分類對印刷電路板而言，對其的分類有多種方法，其中根據(jù)層數(shù)分類最為常見。我們前面說到過，在最基本的PCB上，元器件集中在其中一面，導線則集中在另一面上。因為導線只出現(xiàn)在其中一面，所以我們就稱這種PCB叫作單面板(Single-sided)。相對而言，單面板在設(shè)計方面存在很多限制(因為只有一面，布線間不能交叉而必須繞獨自的路徑)，在處理復(fù)雜電路時往往力不從心，現(xiàn)在已經(jīng)很少使用了，除非電路確實十分簡單。左為單面PCB表面，右為單面PCB底面雙面板(Double-SidedBoards)這種電路板的兩面都有布線。不過要用上兩面的導線，必須要在兩面間有適當?shù)碾娐愤B接才行。這種電路間的「橋梁」叫做導孔(via)。導孔是在PCB上，充滿或涂上金屬的小洞，它可以與兩面的導線相連接。因為雙面板的面積比單面板大了一倍，而且因為布線可以互相交錯(可以繞到另一面)，它更適合用在比單面板更復(fù)雜的電路上。以互相交金昔(可以到另一面)，它更遹合用在比罩面板更褸親隹的重路上。左為雙面PCB表面，右為雙面PCB底面多層板(Multi-Layer為了增加可以布線的面積，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，通常層數(shù)都是偶數(shù)，并且包含最外側(cè)的兩層。大部分的主機板都是4到8層的結(jié)構(gòu)，不過技術(shù)上可以做到近100層的PCB板。大型的超級計算機大多使用相當多層的主機板，不過因為這類計算機已經(jīng)可以用許多普通計算機的群組代替，超多層板已經(jīng)漸漸不被使用了。對多層板而言，因為PCB中的各層都緊密的結(jié)合，一般不太容易看出實際數(shù)目。。雙層板中，導孔(via)比較容易處理，只需打穿整個板子即可。但對多層板而言，則復(fù)雜了許多，比如說如果只想連接其中一些線路，那么使用導孔可能會浪費一些其它層的線路空間，因此，埋孔(Buriedvias)和盲孔(Blindvias)技術(shù)便應(yīng)運而生了，因為它們只穿透其中幾層，其中盲孔是將幾層部PCB與表面PCB連接，不須穿透整個板子，而埋孔則只連接部的PCB,所以光是從表面是看不出來的。在多層板PCB中，整層都直接連接上地線與電源。所以我們將各層分類為訊號層(Signal),電源層(Power)或是地線層(Ground)。如果PCB上的元器件需要不同的電源供應(yīng)，通常這類PCB會有兩層以上的電源與電線層。PCB上的元器件安裝技術(shù)插入安裝技術(shù)(THT:ThroughHoleTechnology)將元器件安置在板子的一面，弁將接腳焊在另一面上，這種技術(shù)稱為“插入式(ThroughHoleTechnology,THT)”安裝。大致說來，這種安裝方式，元器件需要占用大量的空間，弁且要為每只接腳鉆一個洞，它們的接腳也要占掉兩面的空間，而且焊點也比較大。但另一方面，THT元器件和SMT(SurfaceMountedTechnology,表面安裝技術(shù))元器件比起來，與PCB連接的構(gòu)造比較好，像是排線的插座，需要能耐壓力，所以通常它們都是THT封裝。HT元器件(焊接在底部)表面安裝技術(shù)(SMT:SurfaceMountedTechnology)使用表面安裝技術(shù)(SMT:SurfaceMountedTechnology)的元器件，接腳是焊在與元器件同一面。這種安裝技術(shù)避免了象THT那樣需要用為每個接腳的焊接都要PCB上鉆洞的麻煩。而另一方面，表面安裝的元器件，還可以在PCB的兩面上同時安裝，這也大大提高了PCB面積的利用率。表面安裝的元器件焊在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比起來，使用SMT技術(shù)的PCB板上元器件要密集很多。

相比較而言，SMT封裝元器件也比THT的要便宜，因此如今的

PCB上大部分都是SMTo因為目前PCB的生產(chǎn)過程中均采用全自動技術(shù)，盡管SMT元器件的安裝焊點和元器件的接腳非常小，倒不會增加生產(chǎn)中的難度，不過，當出現(xiàn)故障維修時如果需要更換元器件，則對焊接技術(shù)提出了更高的要求。PCB的設(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)劃

首先要先規(guī)劃出該電子設(shè)備的各項系統(tǒng)規(guī)格。包含了系

統(tǒng)功能，成本限制，大小，運作情形等等。制作系統(tǒng)功能區(qū)塊圖接下來必須要制作出系統(tǒng)的功能區(qū)塊圖。區(qū)塊間的關(guān)系也必須要標示出來。按功能不同分割PCB將系統(tǒng)分割數(shù)個PCB的話，不僅在尺寸上可以縮小，也可以讓系統(tǒng)具有升級與交換元器件的能力。系統(tǒng)功能區(qū)塊圖就提供了我們分割的依據(jù)。比如說對PC而言，就可以分成主板、顯示卡、聲卡、軟盤和電源供應(yīng)器等等。設(shè)定板型、尺寸與安裝方式當各PCB使用的技術(shù)和電路數(shù)量都決定好了，接下來就是決定板子的大小了。如果設(shè)計的過大，那么封裝技術(shù)就要改變，或是重新作分割的動作。在選擇技術(shù)時，也要將線路圖的質(zhì)量與速度都考慮進去。繪出PCB的電路原理圖概圖中要表示出各元器件間的相互連接細節(jié)。所有系統(tǒng)

中的PCB都必須要描出來，現(xiàn)今大多采用CAD（計算機輔助設(shè)

計，ComputerAidedDesign）的方式。下面就是使用CircuitMakerTM設(shè)計的例。

ISgqDataBus1A3C1IKey宜工”1煲1DataBus2加ISgqDataBus1A3C1IKey宜工”1煲1DataBus2加APCB的電路概圖電路模擬為了確保設(shè)計出來的電路圖可以正常運行，必須先用計算機軟件來仿真模擬。這類軟件有很多，大都可以讀取概圖，弁且用許多方式顯示電路運作的情況。這比起實際做出一塊樣本PCB,然后用手動測量要來的有效率多了。將元器件放上PCB元器件放置的方式，是根據(jù)它們之間如何相連來決定的。它們必須以最有效率的方式與路徑相連接。所謂有效率的布線，就是牽線越短弁且通過層數(shù)越少（這也同時減少導孔的數(shù)目）越好，不過在真正布線時，我們會再提到這個問題。下面是總線在PCB上布線的樣子。為了讓各元器件都能夠擁有完美的配線，放置的位置是很重要的。導線構(gòu)成的PCB總線PCB的設(shè)計流程測試布線如今，很多軟件可以檢查各元器件擺設(shè)的位置是否可以正確連接，或是檢查是否正確運行。這項步驟稱為安排元器件。如果電路設(shè)計有問題，在實地導出線路前，還可以重新安排元器件的位置。導由PCB線路在原理概圖的連接，現(xiàn)在將會實地作成布線的樣子。這項步驟通常都是全自動的，不過一般來說還是需要手動更改某些部份。下面是2層板的導線模板。紅色和藍色的線條，分別代表PCB的元器件層與焊接層。白色的文字與四方形代表的是網(wǎng)版印刷面的各項標示。紅色的點和圓圈代表鉆洞與導孔。最右方我們可以看到PCB上的焊接面有金手指。這個PCB的最終構(gòu)圖通常稱為工作底片(Artwork)。

ul=LL.nDFW+4'.".-I-*rWMp-思Irtpy口L51垢E淵ul=LL.nDFW+4'.".-I-*rWMp-思Irtpy口L51垢E淵40刀一以口一幻2使用CAD軟件作PCB導線設(shè)計每一次的設(shè)計，都必須要符合一套規(guī)定，像是線路間的最小保留空隙，最小線路寬度，和其它類似的實際限制等。這些規(guī)定依照電路的速度，傳送訊號的強弱，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)備等因素而有不同。如果電流強度上升，那導線的粗細也必須要增加。為了減少PCB的成本，在減少層數(shù)的同時，也必須要注意這些規(guī)定是否仍舊符合。如果需要超過2層的構(gòu)造的話，那么通常會使用到電源層以及地線層，來避免訊號層上的傳送訊號受到影響，弁且可以當作訊號層的防護罩。電路測試為了確定線路能夠正常運行，還必須要通過最后檢測。這項檢測也可以檢查是否有不正確的連接，弁且所有聯(lián)機都照著原理概圖走。電磁兼容性問題沒有照EMC(電磁兼容)規(guī)設(shè)計的電子設(shè)備，運行過程中產(chǎn)生的電磁輻射可能便會影響自身的正常工作，并且干擾附近的電器。EMC對電磁干擾(EMI),電磁場(EMF)和射頻干擾(RFI)等都規(guī)定了最大的限制。這項規(guī)定可以確保該電器與附近其它電器的正常運作。EMC對一項設(shè)備，散射或傳導到另一設(shè)備的能量有嚴格的限制，并且要求設(shè)計時要減少對外來EMF、EMI、RFI等的磁化率。換言之，EMC規(guī)定的目的就是要將電磁輻射控制在一定圍。不過，從理論上講，這其實是一項很難解決的問題，現(xiàn)實應(yīng)用多會通過使用電源和地線層，或是將PCB放進金屬盒子當中以解決這些問題。電源和地線層可以防止訊號層受干擾，金屬盒的效用也差不多，能夠起到一定的屏蔽作用。電路的最大速度得看如何照EMC規(guī)定做了。部的EMI,像是導體間的電流耗損，會隨著頻率上升而增強。如果兩者之間的的電流差距過大，那么一定要拉長兩者間的距離。這也告訴我們?nèi)绾伪苊飧邏?，以及讓電路的電流消耗降到最低。布線的延遲率也很重要，所以長度自然越短越好。所以布線良好的小PCB,會比大PCB更適合在高速下運作。PCB的制造流程PCB的制造過程由玻璃環(huán)氧樹脂(GlassEpoxy)或類似材質(zhì)制成的「基板」開始。影像（成形/導線制作）制作的第一步是建立出元器件間聯(lián)機的布線。目前多采用負片轉(zhuǎn)?。⊿ubtractivetransfer）方式將工作底片表現(xiàn)在金屬導體上。這項技巧是將整個表面鋪上一層薄薄的銅箔，并且把多余的部份給移除。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加上銅線的方法，不過我們在這里就不多談了。如果制作的是雙面板，那么PCB的基板兩面都會鋪上銅箔，如果制作的是多層板，接下來的步驟則會將這些板子黏在^起。正光阻劑（positivephotoresist）是由感光劑制成的，它在照明下會溶解（負光阻劑則是如果沒有經(jīng)過照明就會分解）。有很多方式可以處理銅表面的光阻劑，不過最普遍的方式，是將它加熱，并在含有光阻劑的表面上滾動（稱作干膜光阻劑）。它也可以用液態(tài)的方式噴在上頭，不過干膜式提供比較高的分辨率，也可以制作出比較細的導線。遮光罩只是一個制造中PCB層的模板。在PCB板上的光阻劑經(jīng)過UV光曝光之前，覆蓋在上面的遮光罩可以防止部份區(qū)域的光阻劑不被曝光（假設(shè)用的是正光阻劑）。這些被光阻劑蓋住的地方，將會變成布線。在光阻劑顯影之后，要蝕刻的其它的裸銅部份。蝕刻過程可以將板子浸到蝕刻溶劑中，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)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。您可以由下面的圖片看出銅線是如何布線的。Dev&iopPhotoresfstEtchcopperStrip

PhotoresistResultPhotonslstUlmCopperNmBaist^jbsiraftAExposePhotoresistxzCopperWiresDev&iopPhotoresfstEtchcopperStrip

PhotoresistResultPhotonslstUlmCopperNmBaist^jbsiraftAExposePhotoresistxzCopperWiresBasesubsiraWPCB的布線步驟PCB的制造流程鉆孔與電鍍?nèi)绻谱鞯氖嵌鄬覲CB板，并且里頭包含埋孔或是盲孔的話，每一層板子在黏合前必須要先鉆孔與電鍍。如果不經(jīng)過這個步驟，那么就沒辦法互相連接了。在根據(jù)鉆孔需求由機器設(shè)備鉆孔之后，孔璧里頭必須經(jīng)過電鍍（鍍通孔技術(shù)，Plated-Through-Holetechnology,PTH）O在孔璧部作金屬處理后，可以讓部的各層線路能夠彼此連接。在開始電鍍之前，必須先清掉孔的雜物。這是因為樹脂環(huán)氧物在加熱后會產(chǎn)生一些化學變化，而它會覆蓋住部PCB層，所以要先清掉。清除與電鍍動作都會在化學制程中完成。多層PCB壓合各單片層必須要壓合才能制造