印刷電路板(Printed circuit board,PCB)幾乎會出現(xiàn)在每一種電子設(shè)備當(dāng)中。如果在某樣設(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的主要功能是提供上頭各項零件的相互電氣連接。隨著電子設(shè)備越來越復(fù)雜,需要的零件越來越多,PCB上頭的線路與零件也越來越密集了。 標(biāo)準(zhǔn)的PCB長得就像這樣。裸板(上頭沒有零件)也常被稱為「印刷線路板Printed Wiring Board(PWB)」。
% e1 Z3 c3 X* g9 C# x; z2 E 板子本身的基板是由絕緣隔熱、并不易彎曲的材質(zhì)所制作成。在表面可以看到的細(xì)小線路材料是銅箔,原本銅箔是覆蓋在整個板子上的,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(xì)小線路了。這些線路被稱作導(dǎo)線(conductor pattern)或稱布線,并用來提供PCB上零件的電路連接。
% _: p! S1 E4 k( u0 P( H4 ? 為了將零件固定在PCB上面,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,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,所以零件的接腳是焊在另一面上的。因?yàn)槿绱,PCB的正反面分別被稱為零件面(Component Side)與焊接面(Solder Side)。
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如果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,那么該零件安裝時會用到插座(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ZIF(Zero Insertion Force,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。插座旁的固定桿,可以在您插進(jìn)零件后將其固定。 " l2 [- t# S2 l- d9 }" H+ m
如果要將兩塊PCB相互連結(jié),一般我們都會用到俗稱「金手指」的邊接頭(edge connector)。金手指上包含了許多裸露的銅墊,這些銅墊事實(shí)上也是PCB布線的一部份。通常連接時,我們將其中一片PCB上的金手指插進(jìn)另一片PCB上合適的插槽上(一般叫做擴(kuò)充槽Slot)。在計算機(jī)中,像是顯示卡,聲卡或是其它類似的界面卡,都是借著金手指來與主機(jī)板連接的。 ( T- a! k4 G w: X' k( }
PCB上的綠色或是棕色,是阻焊漆(solder mask)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。在阻焊層上另外會印刷上一層絲網(wǎng)印刷面(silk screen)。通常在這上面會印上文字與符號(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)。
' ?, L3 B- ~, | 單面板(Single-Sided Boards)
8 E3 p1 w ?/ c+ T, h 我們剛剛提到過,在最基本的PCB上,零件集中在其中一面,導(dǎo)線則集中在另一面上。因?yàn)閷?dǎo)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)。因?yàn)閱蚊姘逶谠O(shè)計線路上有許多嚴(yán)格的限制(因?yàn)橹挥幸幻,布線間不能交叉而必須繞獨(dú)自的路徑),所以只有早期的電路才使用這類的板子。
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雙面板(Double-Sided Boards) : l# Z" h9 H4 C8 k( S
這種電路板的兩面都有布線。不過要用上兩面的導(dǎo)線,必須要在兩面間有適當(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,充滿或涂上金屬的小洞,它可以與兩面的導(dǎo)線相連接。因?yàn)殡p面板的面積比單面板大了一倍,而且因?yàn)椴季可以互相交錯(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。 , a) J5 u, G* W# t1 {" e
多層板(Multi-Layer Boards)
" D) b( t0 h; @8 v( z 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(jī)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(jī)大多使用相當(dāng)多層的主機(jī)板,不過因?yàn)檫@類計算機(jī)已經(jīng)可以用許多普通計算機(jī)的集群代替,超多層板已經(jīng)漸漸不被使用了。因?yàn)镻CB中的各層都緊密的結(jié)合,一般不太容易看出實(shí)際數(shù)目,不過如果您仔細(xì)觀察主機(jī)板,也許可以看出來。
: a9 z9 Z; n9 o) Z: p8 i) F 我們剛剛提到的導(dǎo)孔(via),如果應(yīng)用在雙面板上,那么一定都是打穿整個板子。不過在多層板當(dāng)中,如果您只想連接其中一些線路,那么導(dǎo)孔可能會浪費(fèi)一些其它層的線路空間。埋孔(Buried vias)和盲孔(Blind vias)技術(shù)可以避免這個問題,因?yàn)樗鼈冎淮┩钙渲袔讓。盲孔是將幾層?nèi)部PCB與表面PCB連接,不須穿透整個板子。埋孔則只連接內(nèi)部的PCB,所以光是從表面是看不出來的。
" h0 }) W. [4 r% Z* R. d 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信號層(Signal),電源層(Power)或是地線層(Ground)。如果PCB上的零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。
/ S X- I7 H" O$ Z. X" f { 零件封裝技術(shù)
3 w2 q" k: K: i+ s/ a! t) } 插入式封裝技術(shù)(Through Hole Technology)
0 r$ _( b) P. t+ C1 e 將零件安置在板子的一面,并將接腳焊在另一面上,這種技術(shù)稱為「插入式(Through Hole Technology,THT)」封裝。這種零件會需要占用大量的空間,并且要為每只接腳鉆一個洞。所以它們的接腳其實(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smt(Surface Mounted Technology,表面黏著式)零件比起來,與PCB連接的構(gòu)造比較好,關(guān)于這點(diǎn)我們稍后再談。像是排線的插座,和類似的界面都需要能耐壓力,所以通常它們都是THT封裝。
0 X) B) i1 y, u$ k. K 表面黏貼式封裝技術(shù)(Surface Mounted Technology)
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使用表面黏貼式封裝(Surface Mounted Technology,SMT)的零件,接腳是焊在與零件同一面。這種技術(shù)不用為每個接腳的焊接,而都在PCB上鉆洞。
3 T! [' P% S/ z2 A9 a& r, k/ j 表面黏貼式的零件,甚至還能在兩面都焊上。
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SMT也比THT的零件要小。和使用THT零件的PCB比起來,使用SMT技術(shù)的PCB板上零件要密集很多。SMT封裝零件也比THT的要便宜。所以現(xiàn)今的PCB上大部分都是SMT,自然不足為奇。 1 K& T2 L& S0 Y+ e
因?yàn)楹更c(diǎn)和零件的接腳非常的小,要用人工焊接實(shí)在非常難。不過如果考慮到目前的組裝都是全自動的話,這個問題只會出現(xiàn)在修復(fù)零件的時候吧。
0 K2 M4 [# N1 C# ]9 N" G0 Y 設(shè)計流程
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在PCB的設(shè)計中,其實(shí)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:
) T1 s$ X4 \! s6 V4 \7 y+ D2 i 系統(tǒng)規(guī)格
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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(yùn)作情形等等。
5 e6 ~% J! C+ F5 Z I* B; a 系統(tǒng)功能區(qū)塊圖 " l: |: M* W; e# {9 I. F6 v) p. b
接下來必須要制作出系統(tǒng)的功能方塊圖。方塊間的關(guān)系也必須要標(biāo)示出來。
# p( F) F5 w* Q4 U' m! j6 r( c 將系統(tǒng)分割幾個PCB
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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)具有升級與交換零件的能力。系統(tǒng)功能方塊圖就提供了我們分割的依據(jù)。像是計算機(jī)就可以分成主機(jī)板、顯示卡、聲卡、軟盤驅(qū)動器和電源等等。 9 A- c3 `1 P, o v) J; Y: x5 c
制造流程 6 K& ~& _! j" Q5 l& A( Q+ K
PCB的制造過程由玻璃環(huán)氧樹脂(Glass Epoxy)或類似材質(zhì)制成的「基板」開始/ \7 S' E8 ^3 R9 b& u9 p
影像(成形/導(dǎo)線制作) ) |8 q/ X, O( j
制作的第一步是建立出零件間聯(lián)機(jī)的布線。我們采用負(fù)片轉(zhuǎn)。⊿ubtractive transfer)方式將工作底片表現(xiàn)在金屬導(dǎo)體上。這項技巧是將整個表面鋪上一層薄薄的銅箔,并且把多余的部份給消除。追加式轉(zhuǎn)。ˋdditive Pattern transfer)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,不過我們在這里就不多談了。 + S- c+ n. M) B. `" `6 |
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一起。
5 C, T9 ~& T7 H8 C8 i* r 接下來的流程圖,介紹了導(dǎo)線如何焊在基板上。
6 l+ L0 q& S% i. `9 {4 i8 i 正光阻劑(positive photoresist)是由感光劑制成的,它在照明下會溶解(負(fù)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(xì)的導(dǎo)線。
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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。 0 i# ]& A' w" l& H, t
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(Ferric Chloride),堿性氨(Alkaline Ammonia),硫酸加過氧化氫(Sulfuric Acid + Hydrogen Peroxide),和氯化銅(Cupric Chloride)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。 - U9 F- p5 L( ?4 I
鉆孔與電鍍
6 A( @0 r# |/ l- D: R 如果制作的是多層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。
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在根據(jù)鉆孔需求由機(jī)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-Hole technology,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。在開始電鍍之前,必須先清掉孔內(nèi)的雜物。這是因?yàn)闃渲h(huán)氧物在加熱后會產(chǎn)生一些化學(xué)變化,而它會覆蓋住內(nèi)部PCB層,所以要先清掉。清除與電鍍動作都會在化學(xué)制程中完成。 2 i \* Y+ X1 s) z$ e Z
多層PCB壓合
, ?1 R. I( K Y! X3 y 各單片層必須要壓合才能制造出多層板。壓合動作包括在各層間加入絕緣層,以及將彼此黏牢等。如果有透過好幾層的導(dǎo)孔,那么每層都必須要重復(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。
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處理阻焊層、網(wǎng)版印刷面和金手指部份電鍍
~: @6 v/ P# u e: w& P- } 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)示各零件的位置,它不能夠覆蓋在任何布線或是金手指上,不然可能會減低可焊性或是電流連接的穩(wěn)定性。金手指部份通常會鍍上金,這樣在插入擴(kuò)充槽時,才能確保高品質(zhì)的電流連接。 ; q5 A: j. C) J! H
測試 ! y* `2 D4 m" ~( c# y9 {
測試PCB是否有短路或是斷路的狀況,可以使用光學(xué)或電子方式測試。光學(xué)方式采用掃描以找出各層的缺陷,電子測試則通常用飛針探測儀(Flying-Probe)來檢查所有連接。電子測試在尋找短路或斷路比較準(zhǔn)確,不過光學(xué)測試可以更容易偵測到導(dǎo)體間不正確空隙的問題。 8 R) C+ N7 ~5 u: q# l
零件安裝與焊接
3 K4 h! s* o0 x+ u) |# A# U 最后一項步驟就是安裝與焊接各零件了。無論是THT與SMT零件都利用機(jī)器設(shè)備來安裝放置在PCB上。
. J. H& Z8 J Z' |. |5 n THT零件通常都用叫做波峰焊接(Wave Soldering)的方式來焊接。這可以讓所有零件一次焊接上PCB。首先將接腳切割到靠近板子,并且稍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,這次則移到融化的焊料上,在和底部接觸后焊接就完成了。
6 ~0 v3 J* Q- l @* j8 k 自動焊接SMT零件的方式則稱為再流回焊接(Over Reflow Soldering)。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PCB加熱后再處理一次。待PCB冷卻之后焊接就完成了,接下來就是準(zhǔn)備進(jìn)行PCB的最終測試了
6 O0 g! G6 T: S: ^ 節(jié)省制造成本的方法
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為了讓PCB的成本能夠越低越好,有許多因素必須要列入考量: % w4 y% X! e$ f' M8 I( W* g
板子的大小自然是個重點(diǎn)。板子越小成本就越低。部份的PCB尺寸已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn),只要照著尺寸作那么成本就自然會下降。CustomPCB網(wǎng)站上有一些關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)尺寸的信息。
* x- |3 q% R; L# ?9 M% l 使用SMT會比THT來得省錢,因?yàn)镻CB上的零件會更密集(也會比較。
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另一方面,如果板子上的零件很密集,那么布線也必須更細(xì),使用的設(shè)備也相對的要更高階。同時使用的材質(zhì)也要更高級,在導(dǎo)線設(shè)計上也必須要更小心,以免造成耗電等會對電路造成影響的問題。這些問題帶來的成本,可比縮小PCB尺寸所節(jié)省的還要多。
9 z0 I* b; P0 `) k3 s' o+ a 層數(shù)越多成本越高,不過層數(shù)少的PCB通常會造成大小的增加。
+ I9 Q' c$ [+ `. Y* X 鉆孔需要時間,所以導(dǎo)孔越少越好。
$ P4 f2 E* g" X* A, G 埋孔比貫穿所有層的導(dǎo)孔要貴。因?yàn)槁窨妆仨氁诮雍锨熬拖茹@好洞。
0 s) V/ x( J: K3 G- I" `; e 板子上孔的大小是依照零件接腳的直徑來決定。如果板子上有不同類型接腳的零件,那么因?yàn)闄C(jī)器不能使用同一個鉆頭鉆所有的洞,相對的比較耗時間,也代表制造成本相對提升。
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使用飛針式探測方式的電子測試,通常比光學(xué)方式貴。一般來說光學(xué)測試已經(jīng)足夠保證PCB上沒有任何錯誤。 . E2 {% B( d" ]6 k$ @3 ^
決定使用封裝方法,和各PCB的大小
" Y# W4 C1 k; G 當(dāng)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,也要將線路圖的品質(zhì)與速度都考量進(jìn)去。
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繪出所有PCB的電路概圖
6 w5 s- B( ~! g7 U; L0 | 概圖中要表示出各零件間的相互連接細(xì)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(jī)輔助設(shè)計,Computer Aided Design)的方式。下面就是使用CircuitMakerTM設(shè)計的范例。
4 Y' Z% S3 X) b" |; J( x$ s' p PCB的電路概圖
& l, C; e1 w( o7 {' l2 Z0 J 初步設(shè)計的仿真運(yùn)作
" `# H% @* F+ C0 X3 v 為了確保設(shè)計出來的電路圖可以正常運(yùn)作,這必須先用計算機(jī)軟件來仿真一次。這類軟件可以讀取設(shè)計圖,并且用許多方式顯示電路運(yùn)作的情況。這比起實(shí)際做出一塊樣本PCB,然后用手動測量要來的有效率多了。
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將零件放上PCB
2 f2 {3 A- U+ y 零件放置的方式,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,就是牽線越短并且通過層數(shù)越少(這也同時減少導(dǎo)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。為了讓各零件都能夠擁有完美的配線,放置的位置是很重要的。
' E" P5 x6 ?( j2 I& d: s 測試布線可能性,與高速下的正確運(yùn)作 , C+ G( O7 E0 Q) L. h8 O
現(xiàn)今的部份計算機(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。這項步驟稱為安排零件,不過我們不會太深入研究這些。如果電路設(shè)計有問題,在實(shí)地導(dǎo)出線路前,還可以重新安排零件的位置。
2 ^, A& N: E* r' ? 導(dǎo)出PCB上線路
9 Y2 x1 ?) m6 M+ A% t' j 在概圖中的連接,現(xiàn)在將會實(shí)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(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)。
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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(shí)際限制等。這些規(guī)定依照電路的速度,傳送信號的強(qiáng)弱,電路對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。如果電流強(qiáng)度上升,那導(dǎo)線的粗細(xì)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,來避免信號層上的傳送信號受到影響,并且可以當(dāng)作信號層的防護(hù)罩。 & t* M3 o3 k- L
導(dǎo)線后電路測試
4 ~) y" T1 P `0 `/ ~8 z 為了確定線路在導(dǎo)線后能夠正常運(yùn)作,它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,并且所有聯(lián)機(jī)都照著概圖走。
r" L" Q& p+ e- Y, r& ^: d 建立制作檔案
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因?yàn)槟壳坝性S多設(shè)計PCB的CAD工具,制造廠商必須有符合標(biāo)準(zhǔn)的檔案,才能制造板子。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格有好幾種,不過最常用的是Gerber files規(guī)格。一組Gerber files包括各信號、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。
& P6 i9 e/ v/ a. U6 \ 電磁兼容問題
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沒有照emc(電磁兼容)規(guī)格設(shè)計的電子設(shè)備,很可能會散發(fā)出電磁能量,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(yùn)作。EMC對一項設(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)計時要減少對外來EMF、EMI、RFI等的磁化率。換言之,這項規(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(jìn)金屬盒子當(dāng)中以解決這些問題。電源和地線層可以防止信號層受干擾,金屬盒的效用也差不多。對這些問題我們就不過于深入了。
( o* }- i a5 E 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,會隨著頻率上升而增強(qiáng)。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(yùn)作。
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