PCB设计基础知识

2009年07月05日 12:07    xiaoaihua
关键词: PCB


印刷电路板(Printed circuit boardPCB)几乎会出现在每一种电子设备当中。如果在某样设备中有电子零件,那么它们也都是镶在大小各异的PCB上。除了固定各种小零件外,PCB的主要功能是提供上头各项零件的相互电气连接。随着电子设备越来越复杂,需要的零件越来越多,PCB上头的线路与零件也越来越密集了。标准的PCB长得就像这样。裸板(上头没有零件)也常被称为「印刷线路板Printed Wiring BoardPWB)」。

板子本身的基板是由绝缘隔热、并不易弯曲的材质所制作成。在表面可以看到的细小线路材料是铜箔,原本铜箔是覆盖在整个板子上的,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。这些线路被称作导线(conductor pattern)或称布线,并用来提供PCB上零件的电路连接。

为了将零件固定在PCB上面,我们将它们的接脚直接焊在布线上。在最基本的PCB(单面板)上,零件都集中在其中一面,导线则都集中在另一面。这么一来我们就需要在板子上打洞,这样接脚才能穿过板子到另一面,所以零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零件面(Component Side)与焊接面(Solder Side)。

如果PCB上头有某些零件,需要在制作完成后也可以拿掉或装回去,那么该零件安装时会用到插座(Socket)。由于插座是直接焊在板子上的,零件可以任意的拆装。下面看到的是ZIFZero Insertion Force,零拨插力式)插座,它可以让零件(这里指的是CPU)可以轻松插进插座,也可以拆下来。插座旁的固定杆,可以在您插进零件后将其固定。

如果要将两块PCB相互连结,一般我们都会用到俗称「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。通常连接时,我们将其中一片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。

PCB
上的绿色或是棕色,是阻焊漆(solder mask)的颜色。这层是绝缘的防护层,可以保护铜线,也可以防止零件被焊到不正确的地方。在阻焊层上另外会印刷上一层丝网印刷面(silk screen)。通常在这上面会印上文字与符号(大多是白色的),以标示出各零件在板子上的位置。丝网印刷面也被称作图标面(legend)。
单面板(Single-Sided Boards

我们刚刚提到过,在最基本的PCB上,零件集中在其中一面,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)。因为单面板在设计线路上有许多严格的限制(因为只有一面,布线间不能交叉而必须绕独自的路径),所以只有早期的电路才使用这类的板子。
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。
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48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集群代替,超多层板已经渐渐不被使用了。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,不过如果您仔细观察主机板,也许可以看出来。

我们刚刚提到的导孔(via),如果应用在双面板上,那么一定都是打穿整个板子。不过在多层板当中,如果您只想连接其中一些线路,那么导孔可能会浪费一些其它层的线路空间。埋孔(Buried vias)和盲孔(Blind vias)技术可以避免这个问题,因为它们只穿透其中几层。盲孔是将几层内部PCB与表面PCB连接,不须穿透整个板子。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信号层(Signal),电源层(Power)或是地线层(Ground)。如果PCB上的零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。
零件封装技术
插入式封装技术(Through Hole Technology

将零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 TechnologyTHT)」封装。这种零件会需要占用大量的空间,并且要为每只接脚钻一个洞。所以它们的接脚其实占掉两面的空间,而且焊点也比较大。但另一方面,THT零件和SMTSurface Mounted Technology,表面黏着式)零件比起来,与PCB连接的构造比较好,关于这点我们稍后再谈。像是排线的插座,和类似的界面都需要能耐压力,所以通常它们都是THT封装。
表面黏贴式封装技术(Surface Mounted Technology

使用表面黏贴式封装(Surface Mounted TechnologySMT)的零件,接脚是焊在与零件同一面。这种技术不用为每个接脚的焊接,而都在PCB上钻洞。
表面黏贴式的零件,甚至还能在两面都焊上。

SMT
也比THT的零件要小。和使用THT零件的PCB比起来,使用SMT技术的PCB板上零件要密集很多。SMT封装零件也比THT的要便宜。所以现今的PCB上大部分都是SMT,自然不足为奇。

因为焊点和零件的接脚非常的小,要用人工焊接实在非常难。不过如果考虑到目前的组装都是全自动的话,这个问题只会出现在修复零件的时候吧。
设计流程

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:
系统规格

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。
系统功能区块图

接下来必须要制作出系统的功能方块图。方块间的关系也必须要标示出来。
将系统分割几个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零件的能力。系统功能方块图就提供了我们分割的依据。像是计算机就可以分成主机板、显示卡、声卡、软盘驱动器和电源等等。
决定使用封装方法,和各PCB的大小

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,也要将线路图的品质与速度都考量进去。
绘出所有PCB的电路概图

概图中要表示出各零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
初步设计的仿真运作

为了确保设计出来的电路图可以正常运作,这必须先用计算机软件来仿真一次。这类软件可以读取设计图,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。
将零件放上PCB

零件放置的方式,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PCB上布线的样子。为了让各零件都能够拥有完美的配线,放置的位置是很重要的。
测试布线可能性,与高速下的正确运作

现今的部份计算机软件,可以检查各零件摆设的位置是否可以正确连接,或是检查在高速运作下,这样是否可以正确运作。这项步骤称为安排零件,不过我们不会太深入研究这些。如果电路设计有问题,在实地导出线路前,还可以重新安排零件的位置。
导出PCB上线路

在概图中的连接,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的零件层与焊接层。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)。

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,传送信号的强弱,电路对耗电与噪声的敏感度,以及材质品质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,来避免信号层上的传送信号受到影响,并且可以当作信号层的防护罩。
导线后电路测试

为了确定线路在导线后能够正常运作,它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概图走。
建立制作档案

因为目前有许多设计PCBCAD工具,制造厂商必须有符合标准的档案,才能制造板子。标准规格有好几种,不过最常用的是Gerber files规格。一组Gerber files包括各信号、电源以及地线层的平面图,阻焊层与网板印刷面的平面图,以及钻孔与取放等指定档案。
电磁兼容问题
没有照EMC(电磁兼容)规格设计的电子设备,很可能会散发出电磁能量,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,并且设计时要减少对外来EMFEMIRFI等的磁化率。换言之,这项规定的目的就是要防止电磁能量进入或由装置散发出。这其实是一项很难解决的问题,一般大多会使用电源和地线层,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信号层受干扰,金属盒的效用也差不多。对这些问题我们就不过于深入了。
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。
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零件间联机的布线。我们采用负片转印(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消除。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敷上铜线的方法,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。

接下来的流程图,介绍了导线如何焊在基板上。

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。
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 technologyPTH)。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。
处理阻焊层、网版印刷面和金手指部份电镀

接下来将阻焊漆覆盖在最外层的布线上,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,以标示各零件的位置,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,才能确保高品质的电流连接。
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。
零件安装与焊接

最后一项步骤就是安装与焊接各零件了。无论是THTSMT零件都利用机器设备来安装放置在PCB上。

THT
零件通常都用叫做波峰焊接(Wave Soldering)的方式来焊接。这可以让所有零件一次焊接上PCB。首先将接脚切割到靠近板子,并且稍微弯曲以让零件能够固定。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零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,在零件安装在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
节省制造成本的方法

为了让PCB的成本能够越低越好,有许多因素必须要列入考量:

板子的大小自然是个重点。板子越小成本就越低。部份的PCB尺寸已经成为标准,只要照着尺寸作那么成本就自然会下降。CustomPCB网站上有一些关于标准尺寸的信息。
使用SMT会比THT来得省钱,因为PCB上的零件会更密集(也会比较小)。

另一方面,如果板子上的零件很密集,那么布线也必须更细,使用的设备也相对的要更高阶。同时使用的材质也要更高级,在导线设计上也必须要更小心,以免造成耗电等会对电路造成影响的问题。这些问题带来的成本,可比缩小PCB尺寸所节省的还要多。

层数越多成本越高,不过层数少的PCB通常会造成大小的增加。

钻孔需要时间,所以导孔越少越好。

埋孔比贯穿所有层的导孔要贵。因为埋孔必须要在接合前就先钻好洞。

板子上孔的大小是依照零件接脚的直径来决定。如果板子上有不同类型接脚的零件,那么因为机器不能使用同一个钻头钻所有的洞,相对的比较耗时间,也代表制造成本相对提升。
使用飞针式探测方式的电子测试,通常比光学方式贵。一般来说光学测试已经足够保证PCB上没有任何错误。

总而言之,厂商在设备上下的工夫也是越来越复杂了。了解PCB的制造过程是很有用的,因为当我们在比较主机板时,相同效能的板子成本可能不同,稳定性也各异,这也让我们得以比较各厂商的能力。

好的工程师可以光看主机板设计,就知道设计品质的好坏。您也许自认没那么强,不过下次您拿到主机板或是显示卡时,不妨先鉴赏一下PCB设计之美吧!
欢迎分享本文,转载请保留出处:http://www.eechina.com/thread-1184-1-1.html     【打印本页】
f.luo 发表于 2009-7-5 16:14:56
支持。
“您也许自认没那么强,不过下次您拿到主机板或是显示卡时,不妨先鉴赏一下PCB设计之美吧!”
xyzabc123333 发表于 2010-5-26 16:21:04
感谢楼主分享!
bluecatfin 发表于 2010-5-27 10:22:19
收藏,学习一下
凸凹 发表于 2011-3-15 21:56:12
ding
凸凹 发表于 2011-3-15 21:57:12
应该学习
xiao_gou 发表于 2011-9-18 01:13:21
谢谢分享
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