pcb設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)

PCB設(shè)計(jì)根底學(xué)問(wèn)印刷電路板Printedcircuitboard,PCB幾乎會(huì)消滅在每一種電子設(shè)備當(dāng)中;假設(shè)在某樣設(shè)備中有電子零件,那么它們也都是鑲在大小各異的PCB上;除了固定各種小零件外,PCB相互電氣連接;隨著電子設(shè)備越來(lái)越簡(jiǎn)單,需要的零件越來(lái)越多,PCB上頭的線路與零件也越來(lái)越密集了;標(biāo)準(zhǔn)的PCBPrintedWiringBoardPWB」;料是銅箔,原本銅箔是掩蓋在整個(gè)板子上的,而在制造過(guò)程中部份被蝕刻處理掉,留下來(lái)的部份就變成網(wǎng)狀的細(xì)小線路了;這些線路被稱作導(dǎo)線conductorpatternPCB為了將零件固定在PCBPCB零件都集中在其中一面,導(dǎo)線則都集中在另一面;這么一來(lái)我們就需要在板子上打洞,這樣接腳才能穿過(guò)板子到另一面,所以零件的接腳是焊在另一面上的;由于如此,PCB的正反面分別被稱為零件面ComponentSide與焊接面SolderSide;假設(shè)PCB上頭有某些零件,需要在制作完成后也可以拿掉或裝回去,那么該零件安裝時(shí)會(huì)用到插座Socket;由于插座是直接焊在板子上的,零件可以任意的拆裝;下面看到的是ZIFZeroInsertionForce,零撥插力式插座,它可以讓零件這里指的是CPU可以輕松插進(jìn)插座,也可以拆下來(lái);插座旁的固定桿,可以在您插進(jìn)零件后將其固定;假設(shè)要將兩塊PCB相互連結(jié),一般我們都會(huì)用到俗稱「金手指」的邊接頭edgeconnector;金手指上包含了很多暴露的銅墊,這些銅墊事實(shí)上也是PCB布線的一部份;通常連接時(shí),我們將其中一片PCB上的金手指插進(jìn)另一片PCB上適宜的插槽上一般叫做擴(kuò)大槽Slot;在計(jì)算機(jī)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(lái)與主機(jī)板連接的;PCBsoldermask的顏色;這層是絕緣的防護(hù)層,可以保護(hù)銅線,也可以防止零件被焊到不正確的地方;在阻焊層上另外會(huì)印刷上一層絲網(wǎng)印刷面silkscreen;通常在這上面會(huì)印上文字與符號(hào)大多是白色的,以標(biāo)示出各零件在板子上的位置;絲網(wǎng)印刷面也被稱作圖標(biāo)面legend;單面板Single-SidedBoards我們剛剛提到過(guò),在最根本的PCB上,零件集中在其中一面,導(dǎo)線則集中在另一面上;由于導(dǎo)線只消滅在其中一面,所以我們就稱這種PCB叫作單面板Single-sided;由于單面板在設(shè)計(jì)線路上有很多嚴(yán)格的限制由于只有一面,布線間不能穿插而必需繞單獨(dú)的路徑,所以只有早期的電路才使用這類的板子;雙面板Double-SidedBoards這種電路板的兩面都有布線;不過(guò)要用上兩面的導(dǎo)線,必需要在兩面間有適當(dāng)?shù)碾娐愤B接才行;這種電路間的「橋梁」叫做導(dǎo)孔via;導(dǎo)孔是在PCB上,布滿或涂上金屬的小洞,它可以與兩面的導(dǎo)線相連接;由于雙面板的面積比單面板大了一倍,而且由于布線可以相互穿插可以繞到另一面,它更適合用在比單面板更簡(jiǎn)單的電路上;多層板Multi-LayerBoards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(jìn)一層絕緣層后黏牢壓合;板子的層數(shù)就代表了有幾層獨(dú)立的布線層,通常48以做到近100PCB機(jī)已經(jīng)可以用很多一般計(jì)算機(jī)的集群代替,超多層板已經(jīng)漸漸不被使用了;由于PCB中的各層都嚴(yán)密的結(jié)合,一般不太簡(jiǎn)潔看出實(shí)際數(shù)目,不過(guò)假設(shè)您認(rèn)真觀看主機(jī)板,或許可以看出來(lái);我們剛剛提到的導(dǎo)孔via,假設(shè)應(yīng)用在雙面板上,那么肯定都是打穿整個(gè)板子;不過(guò)在多層板當(dāng)中,假設(shè)您只想連接其中一些線路,那么導(dǎo)孔可能會(huì)鋪張一些其它層的線路空間;埋孔Buriedvias和盲孔BlindviasPCBPCB連接,不須穿透整個(gè)板子;埋孔則只連接內(nèi)部的PCB,所以光是從外表是看不出來(lái)的;在多層板PCBSignal,電PowerGroundPCBPCB兩層以上的電源與電線層;零件封裝技術(shù)插入式封裝技術(shù)ThroughHoleTechnologyThroughHoleTechnology,THT它們的接腳其實(shí)占掉兩面的空間,而且焊點(diǎn)也比較大;但另一方面,THT零件和SMTSurfaceMountedTechnology,外表黏著式零件比起來(lái),與PCB連接的構(gòu)造比較好,關(guān)于這點(diǎn)我們稍后再談;像THT外表黏貼式封裝技術(shù)SurfaceMountedTechnology使用外表黏貼式封裝SurfaceMountedTechnology,SMT的零件,接腳是焊在與零件同一面;這種技術(shù)不用為每個(gè)接腳的焊接,而都PCB外表黏貼式的零件,甚至還能在兩面都焊上;SMTTHTTHTPCBSMTPCB密集很多;SMTTHTPCB上大局部都是SMT,自然缺乏為奇;由于焊點(diǎn)和零件的接腳格外的小,要用人工焊接實(shí)在格外難;不過(guò)假設(shè)考慮到目前的組裝都是全自動(dòng)的話,這個(gè)問(wèn)題只會(huì)消滅在修復(fù)零件的時(shí)候吧;設(shè)計(jì)流程PCB系統(tǒng)規(guī)格首先要先規(guī)劃出該電子設(shè)備的各項(xiàng)系統(tǒng)規(guī)格;包含了系統(tǒng)功能,本錢限制,大小,運(yùn)作情形等等;系統(tǒng)功能區(qū)塊圖接下來(lái)必需要制作出系統(tǒng)的功能方塊圖;方塊間的關(guān)系也必需要標(biāo)示出來(lái);將系統(tǒng)分割幾個(gè)PCBPCB的話,不僅在尺寸上可以縮小,也可以讓系統(tǒng)具有升級(jí)與交換零件的力量;系統(tǒng)功能方塊圖就供給了我們分割的依據(jù);像是計(jì)算機(jī)就可以分成主機(jī)板軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器和電源等等;打算使用封裝方法,和各PCB的大小當(dāng)各PCB使用的技術(shù)和電路數(shù)量都打算好了,接下來(lái)就是打算板子的大小了;假設(shè)設(shè)計(jì)的過(guò)大,那么封裝技術(shù)就要轉(zhuǎn)變,或是重作分割的動(dòng)作;在選擇技術(shù)時(shí),也要將線路圖的品質(zhì)與速度都考量進(jìn)去;繪出全部PCB概圖中要表示出各零件間的相互連接細(xì)節(jié);全部系統(tǒng)中的PCB都必需要描出來(lái),現(xiàn)今大多承受CAD,ComputerAidedDesignCircuitMakerTMPCB初步設(shè)計(jì)的仿真運(yùn)作為了確保設(shè)計(jì)出來(lái)的電路圖可以正常運(yùn)作,這必需先用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)仿真一次;這類軟件可以讀取設(shè)計(jì)圖,并且用很多方式顯示電路運(yùn)作的狀況;這比起實(shí)際做出一塊樣本PCB,然后用手動(dòng)測(cè)量要來(lái)的有效率多了;將零件放上PCB零件放置的方式,是依據(jù)它們之間如何相連來(lái)打算的;它們必需以最有效率的方式與路徑相連接;所謂有效率的布線,就是牽線越短并且通過(guò)層數(shù)越少這也同時(shí)削減導(dǎo)孔的數(shù)目越好,不過(guò)在真正布線時(shí),我們會(huì)再提到這個(gè)問(wèn)題;下面是總線在PCB上布線的樣子;為了讓各零件都能夠擁有完善的配線,放置的位置是很重要的;測(cè)試布線可能性,與高速下的正確運(yùn)作現(xiàn)今的部份計(jì)算機(jī)軟件,可以檢查各零件擺設(shè)的位置是否可以正確連接,或是檢查在高速運(yùn)作下,這樣是否可以正確運(yùn)作;這項(xiàng)步驟稱為安排零件,不過(guò)我們不會(huì)太深入爭(zhēng)論這些;假設(shè)電路設(shè)計(jì)有問(wèn)題,在實(shí)地導(dǎo)出線路前,還可以重安排零件的位置;導(dǎo)出PCB在概圖中的連接,現(xiàn)在將會(huì)實(shí)地作成布線的樣子;這項(xiàng)步驟通常都是全自動(dòng)的,不過(guò)一般來(lái)說(shuō)還是需要手動(dòng)更改某些部份;下面是2層板的導(dǎo)線模板;紅色和藍(lán)色的線條,分別代表PCB的零件層與焊接層;白色的文字與四方形代表的是網(wǎng)版印刷面的各項(xiàng)標(biāo)示;紅色的點(diǎn)和圓圈代表鉆洞與導(dǎo)孔;最右方我們可以看到PCBPCB為工作底片Artwork;每一次的設(shè)計(jì),都必需要符合一套規(guī)定,像是線路間的最小保存空隙,最小線路寬度,和其它類似的實(shí)際限制等;這些規(guī)定依照電路的速度,傳送信號(hào)的強(qiáng)弱,電路對(duì)耗電與噪聲的敏感度,以及材質(zhì)品質(zhì)與制造設(shè)備等因素而有不同;假設(shè)電流強(qiáng)度上升,那導(dǎo)線的粗細(xì)也必需要增加;PCB過(guò)2層的構(gòu)造的話,那么通常會(huì)使用到電源層以及地線層,來(lái)避開(kāi)信號(hào)層上的傳送信號(hào)受到影響,并且可以當(dāng)作信號(hào)層的防護(hù)罩;導(dǎo)線后電路測(cè)試為了確定線路在導(dǎo)線后能夠正常運(yùn)作,它必需要通過(guò)最終檢測(cè);這項(xiàng)檢測(cè)也可以檢查是否有不正確的連接,并且全部聯(lián)機(jī)都照著概圖走;建立制作檔案由于目前有很多設(shè)計(jì)PCB的CAD規(guī)格有好幾種,不過(guò)最常用的是Gerberfiles規(guī)格;一組Gerberfiles包括各信號(hào)、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(wèn)題沒(méi)有照EMC電磁兼容規(guī)格設(shè)計(jì)的電子設(shè)備,很可能會(huì)散發(fā)出電磁能量,并且干擾四周的電器;EMC對(duì)電磁干擾EMIEMF和射頻干擾RFI該電器與四周其它電器的正常運(yùn)作;EMC對(duì)一項(xiàng)設(shè)備,散射或傳導(dǎo)到另一設(shè)備的能量有嚴(yán)格的限制,并且設(shè)計(jì)時(shí)要削減對(duì)外來(lái)EMF、EMI、RFI等的磁化率;換言之,這項(xiàng)規(guī)定的目的就是要防止電磁能量進(jìn)入或由裝置散發(fā)出;這其實(shí)是一項(xiàng)很難解決的問(wèn)題,一般大多會(huì)使用電源和地線層,或是將PCB放進(jìn)金屬盒子當(dāng)中以解決這些問(wèn)題;電源和地線層可以防止信號(hào)層受干擾,金屬盒的效用也差不多;對(duì)這些問(wèn)題我們就不過(guò)于深入了;電路的最大速度得看如何照EMC規(guī)定做了;內(nèi)部的EMI,像是導(dǎo)體間的電流耗損,會(huì)隨著頻率上升而增加;假設(shè)兩者之間的的電流差距過(guò)大,那么肯定要拉長(zhǎng)兩者間的距離;這也告知我們?nèi)绾伪荛_(kāi)高壓,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(zhǎng)度自然越短越好;所以布線良好的小PCB,會(huì)比大PCB制造流程PCBGlassEpoxy影像成形／導(dǎo)線制作制作的第一步是建立出零件間聯(lián)機(jī)的布線;我們承受負(fù)片轉(zhuǎn)印Subtractivetransfer方式將工作底片表現(xiàn)在金屬導(dǎo)體上;這項(xiàng)技巧是將整個(gè)外表鋪上一層薄薄的銅箔,并且把多余的部份給消退;追加式轉(zhuǎn)印AdditivePatterntransfer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,不過(guò)我們?cè)谶@里就不多談了;假設(shè)制作的是雙面板,那么PCB的基板兩面都會(huì)鋪上銅箔,假設(shè)制作的是多層板,接下來(lái)的步驟則會(huì)將這些板子黏在一起;接下來(lái)的流程圖,介紹了導(dǎo)線如何焊在基板上;正光阻劑positivephotoresist是由感光劑制成的,它在照明下會(huì)溶解負(fù)光阻劑則是假設(shè)沒(méi)有經(jīng)過(guò)照明就會(huì)分解;有很多方式可以處理銅外表的光阻劑,不過(guò)最普遍的方式,是將它加熱,并在含有光阻劑的外表上滾動(dòng)稱作干膜光阻劑;它也可以用液態(tài)的方式噴在上頭,不過(guò)干膜式供給比較高的區(qū)分率,也可以制作出比較細(xì)的導(dǎo)線;遮光罩只是一個(gè)制造中PCB層的模板;在PCBUV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(huì)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(guò)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(guò)氧化氫SulfuricAcid+HydrogenPeroxideCupricChlorideStripping鉆孔與電鍍假設(shè)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必需要先鉆孔與電鍍;假設(shè)不經(jīng)過(guò)這個(gè)步驟,那么就沒(méi)方法相互連接了;在依據(jù)鉆孔需求由機(jī)器設(shè)備鉆孔之后,孔璧里頭必需經(jīng)過(guò)電鍍鍍通孔技術(shù),Plated-Through-Holetechnology,PTH;在孔璧內(nèi)部作金屬處理后,可以讓內(nèi)部的各層線路能夠彼此連接;在開(kāi)頭電鍍之前,必需先清掉孔內(nèi)的雜物;這是由于樹(shù)脂環(huán)氧物在加熱后會(huì)產(chǎn)生一些化學(xué)變化,而它會(huì)掩蓋住內(nèi)部PCB多層PCB各單片層必需要壓合才能制造出多層板;壓合動(dòng)作包括在各層間參加絕緣層,以及將彼此黏牢等;假設(shè)有透過(guò)好幾層的導(dǎo)孔,那么每層都必需要重復(fù)處理;多層板的外側(cè)兩面上的布線,則通常在多層板壓合后才處理;處理阻焊層、網(wǎng)版印刷面和金手指部份電鍍接下來(lái)將阻焊漆掩蓋在最外層的布線上,這樣一來(lái)布線就不會(huì)接觸到電鍍部份外了;網(wǎng)版印刷面則印在其上,以標(biāo)示各零件的位置,它不能夠掩蓋在任何布線或是金手指上,不然可能會(huì)減低可焊性或是電流連接的穩(wěn)定性;金手指部份通常會(huì)鍍上金,這樣在插入擴(kuò)大槽時(shí),才能確保高品質(zhì)的電流連接;測(cè)試測(cè)試PCB是否有短路或是斷路的狀況,可以使用光學(xué)或電子方式測(cè)試;光學(xué)方式承受掃描以找出各層的缺陷,電子測(cè)試則通常用飛針探測(cè)儀Flying-Probe來(lái)檢查全部連接;電子測(cè)試在查找短路或斷路比較準(zhǔn)確,不過(guò)光學(xué)測(cè)試可以更簡(jiǎn)潔偵測(cè)到導(dǎo)體間不正確空隙的問(wèn)題;零件安裝與焊接最終一項(xiàng)步驟就是安裝與焊接各零件了;無(wú)論是THT與SMTPCBTHTWaveSoldering的方式來(lái)焊接;這可以讓全部零件一次焊接上PCB;首先將接腳切割到靠近板子,并且略微彎曲以讓零件能夠固定;接著將PCB移到助溶劑的水波上,讓底部接觸到助溶劑,這樣可以將底部金屬上的氧化物給除去;在加熱PCB后,這次則移到溶化的焊料上,在和底部接觸后焊接就完成了;自動(dòng)焊接SMTOverReflowSoldering;里頭含有助溶劑與焊料的糊狀焊接物,在零件安裝在PCB上后先處理一次,經(jīng)過(guò)PCB加熱后再處理一次;待PCBPCB了節(jié)約制造本錢的方法為了讓PCB的本錢能夠越低越好,有很多因素必需要列入考量：板子的大小自然是個(gè)重點(diǎn);板子越小本錢就越低;部份的PCB尺寸已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn),只要照著尺寸作那么本錢就自然會(huì)下降;CustomPCB使用SMT會(huì)比THT來(lái)得省錢,由于PCB另一方面,假設(shè)板子上的零件很密集,那么布線也必需更細(xì),使用的設(shè)備也相對(duì)的要更高階;同時(shí)使用的材質(zhì)也要更高級(jí),在導(dǎo)線設(shè)計(jì)上也必需要更留神,以免造成耗電等會(huì)對(duì)電路造成影響的問(wèn)題;這些問(wèn)題帶來(lái)的本錢,可比縮小PCB層數(shù)越多本錢越高,不過(guò)層數(shù)少的PCB通常會(huì)造成大小的增加;鉆孔需要時(shí)間,所以導(dǎo)孔越少越好;埋孔比貫穿全部層的導(dǎo)孔要貴;由于埋孔必需要在