PCB工藝 設計基礎知識-PCB電路板
印刷電路板(Printed circuit board,PCB)幾乎會(huì )出現在每一種電子設備當中。如果在某樣設備中有電子零件,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(zhù)電子設備越來(lái)越復雜,需要的零件越來(lái)越多,PCB上頭的線(xiàn)路與零件也越來(lái)越密集了。 標準的PCB長(cháng)得就像這樣。裸板(上頭沒(méi)有零件)也常被稱(chēng)為「印刷線(xiàn)路板Printed Wiring Board(PWB)」。
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小線(xiàn)路材料是銅箔,原本銅箔是覆蓋在整個(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)狀的細小線(xiàn)路了。這些線(xiàn)路被稱(chēng)作導線(xiàn)(conductor pattern)或稱(chēng)布線(xiàn),并用來(lái)提供PCB上零件的電路連接。
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(xiàn)上。在最基本的PCB(單面板)上,零件都集中在其中一面,導線(xiàn)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。因為如此,PCB的正反面分別被稱(chēng)為零件面(Component Side)與焊接面(Solder Side)。
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(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(lái)。插座旁的固定桿,可以在您插進(jìn)零件后將其固定。
如果要將兩塊PCB相互連結,一般我們都會(huì )用到俗稱(chēng)「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(xiàn)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上合適的插槽上(一般叫做擴充槽Slot)。在計算機中,像是顯示卡,聲卡或是其它類(lèi)似的界面卡,都是借著(zhù)金手指來(lái)與主機板連接的。
PCB上的綠色或是棕色,是阻焊漆(solder mask)的顏色。這層是絕緣的防護層,可以保護銅線(xiàn),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(silk screen)。通常在這上面會(huì )印上文字與符號(大多是白色的),以標示出各零件在板子上的位置。絲網(wǎng)印刷面也被稱(chēng)作圖標面(legend)。
單面板(Single-Sided Boards)
我們剛剛提到過(guò),在最基本的PCB上,零件集中在其中一面,導線(xiàn)則集中在另一面上。因為導線(xiàn)只出現在其中一面,所以我們就稱(chēng)這種PCB叫作單面板(Single-sided)。因為單面板在設計線(xiàn)路上有許多嚴格的限制(因為只有一面,布線(xiàn)間不能交叉而必須繞獨自的路徑),所以只有早期的電路才使用這類(lèi)的板子。
雙面板(Double-Sided Boards)
這種電路板的兩面都有布線(xiàn)。不過(guò)要用上兩面的導線(xiàn),必須要在兩面間有適當的電路連接才行。這種電路間的「橋梁」叫做導孔(via)。導孔是在PCB上,充滿(mǎn)或涂上金屬的小洞,
它可以與兩面的導線(xiàn)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(xiàn)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雜的電路上。
多層板(Multi-Layer Boards)
為了增加可以布線(xiàn)的面積,多層板用上了更多單或雙面的布線(xiàn)板。多層板使用數片雙面板,并在每層板間放進(jìn)一層絕緣層后黏牢(壓合)。板子的層數就代表了有幾層獨立的布線(xiàn)層,通常層數都是偶數,并且包含最外側的兩層。大部分的主機板都是4到8層的結構,不過(guò)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(guò)因為這類(lèi)計算機已經(jīng)可以用許多普通計算機的集群代替,超多層板已經(jīng)漸漸不被使用了。因為PCB中的各層都緊密的結合,一般不太容易看出實(shí)際數目,不過(guò)如果您仔細觀(guān)察主機板,也許可以看出來(lái)。
我們剛剛提到的導孔(via),如果應用在雙面板上,那么一定都是打穿整個(gè)板子。不過(guò)在多層板當中,如果您只想連接其中一些線(xiàn)路,那么導孔可能會(huì )浪費一些其它層的線(xiàn)路空間。埋孔(Buried vias)和盲孔(Blind vias)技術(shù)可以避免這個(gè)問(wèn)題,因為它們只穿透其中幾層。盲孔是將幾層內部PCB與表面PCB連接,不須穿透整個(gè)板子。埋孔則只連接內部的PCB,所以光是從表面是看不出來(lái)的。
在多層板PCB中,整層都直接連接上地線(xiàn)與電源。所以我們將各層分類(lèi)為信號層(Signal),電源層(Power)或是地線(xiàn)層(Ground)。如果PCB上的零件需要不同的電源供應,通常這類(lèi)PCB會(huì )有兩層以上的電源與電線(xiàn)層。 零件封裝技術(shù)
插入式封裝技術(shù)(Through Hole Technology)
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(chēng)為「插入式(Through Hole Technology,THT)」封裝。這種零件會(huì )需要占用大量的空間,并且要為每只接腳鉆一個(gè)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(zhù)式)零件比起來(lái),與PCB連接的構造比較好,關(guān)于這點(diǎn)我們稍后再談。像是排線(xiàn)的插座,和類(lèi)似的界面都需要能耐壓力,所以通常它們都是THT封裝。
表面黏貼式封裝技術(shù)(Surface Mounted Technology)
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(gè)接腳的焊接,而都在PCB上鉆洞。
表面黏貼式的零件,甚至還能在兩面都焊上。
SMT也比THT的零件要小。和使用THT零件的PCB比起來(lái),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。所以現今的PCB上大部分都是SMT,自然不足為奇。
因為焊點(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(guò)如果考慮到目前的組裝都是全自動(dòng)的話(huà),這個(gè)問(wèn)題只會(huì )出現在修復零件的時(shí)候吧。
設計流程
在PCB的設計中,其實(shí)在正式布線(xiàn)前,還要經(jīng)過(guò)很漫長(cháng)的步驟,以下就是主要設計的流程:
系統規格
首先要先規劃出該電子設備的各項系統規格。包含了系統功能,成本限制,大小,運作情形等等。 系統功能區塊圖 接下來(lái)必須要制作出系統的功能方塊圖。方塊間的關(guān)系也必須要標示出來(lái)。
將系統分割幾個(gè)PCB
將系統分割數個(gè)PCB的話(huà),不僅在尺寸上可以縮小,也可以讓系統具有升級與交換零件的能力。系統功能方塊圖就提供了我們分割的依據。像是計算機就可以分成主機板、顯示卡、聲卡、軟盤(pán)驅動(dòng)器和電源等等。 決定使用封裝方法,和各PCB的大小。
當各PCB使用的技術(shù)和電路數量都決定好了,接下來(lái)就是決定板子的大小了。如果設計的過(guò)大,那么封裝技術(shù)就要改變,或是重新作分割的動(dòng)作。在選擇技術(shù)時(shí),也要將線(xiàn)路圖的品質(zhì)與速度都考量進(jìn)去。
繪出所有PCB的電路概圖
概圖中要表示出各零件間的相互連接細節。所有系統中的PCB都必須要描出來(lái),現今大多采用CAD(計算機輔助設計,Computer Aided Design)的方式。下面就是使用CircuitMakerTM設計的范例。
PCB的電路概圖
初步設計的仿真運作
為了確保設計出來(lái)的電路圖可以正常運作,這必須先用計算機軟件來(lái)仿真一次。這類(lèi)軟件可以讀取設計圖,并且用許多方式顯示電路運作的情況。這比起實(shí)際做出一塊樣本PCB,然后用手動(dòng)測量要來(lái)的有效率多了。
將零件放上PCB
零件放置的方式,是根據它們之間如何相連來(lái)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(xiàn),就是牽線(xiàn)越短并且通過(guò)層數越少(這也同時(shí)減少導孔的數目)越好,不過(guò)在真正布線(xiàn)時(shí),我們會(huì )再提到這個(gè)問(wèn)題。下面是總線(xiàn)在PCB上布線(xiàn)的樣子。為了讓各零件都能夠擁有完美的配線(xiàn),放置的位置是很重要的。
測試布線(xiàn)可能性,與高速下的正確運作
現今的部份計算機軟件,可以檢查各零件擺設的位置是否可以正確連接,或是檢查在高速運作下,這樣是否可以正確運作。這項步驟稱(chēng)為安排零件,不過(guò)我們不會(huì )太深入研究這些。如果電路設計有問(wèn)題,在實(shí)地導出線(xiàn)路前,還可以重新安排零件的位置。
導出PCB上線(xiàn)路
在概圖中的連接,現在將會(huì )實(shí)地作成布線(xiàn)的樣子。這項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層板的導線(xiàn)模板。紅色和藍色的線(xiàn)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)版印刷面的各項標示。紅色的點(diǎn)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(gè)PCB的最終構圖通常稱(chēng)為工作底片(Artwork)。
每一次的設計,都必須要符合一套規定,像是線(xiàn)路間的最小保留空隙,最小線(xiàn)路寬度,和其它類(lèi)似的實(shí)際限制等。這些規定依照電路的速度,傳送信號的強弱,電路對耗電與噪聲的敏感度,以及材質(zhì)品質(zhì)與制造設備等因素而有不同。如果電流強度上升,那導線(xiàn)的粗細也必須要增加。為了減少PCB的成本,在減少層數的同時(shí),也必須要注意這些規定是否仍舊符合。如果需要超過(guò)2層的構造的話(huà),那么通常會(huì )使用到電源層以及地線(xiàn)層,來(lái)避免信號層上的傳送信號受到影響,并且可以當作信號層的防護罩。
導線(xiàn)后電路測試
為了確定線(xiàn)路在導線(xiàn)后能夠正常運作,它必須要通過(guò)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)機都照著(zhù)概圖走。
建立制作檔案
因為目前有許多設計PCB的CAD工具,制造廠(chǎng)商必須有符合標準的檔案,才能制造板子。標準規格有好幾種,不過(guò)最常用的是Gerber files規格。一組Gerber files包括各信號、電源以及地線(xiàn)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。