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。 標準的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)」。
& E' ^! J( e% z8 s/ D+ ^+ N, ~ 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)狀的細小線路了。這些線路被稱作導線(conductor pattern)或稱布線,并用來提供PCB上零件的電路連接。
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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。因為如此,PCB的正反面分別被稱為零件面(Component Side)與焊接面(Solder Side)。
( J7 v3 b" k. p2 }/ L% w4 q6 h 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)可以輕松插進插座,也可以拆下來。插座旁的固定桿,可以在您插進零件后將其固定。
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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,聲卡或是其它類似的界面卡,都是借著金手指來與主機板連接的。
1 ~8 S. o* i& I; U7 M) L4 F 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,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),以標示出各零件在板子上的位置。絲網(wǎng)印刷面也被稱作圖標面(legend)。
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單面板(Single-Sided Boards)
C' B9 X' W6 X" j6 O F3 I 我們剛剛提到過,在最基本的PCB上,零件集中在其中一面,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)。因為單面板在設(shè)計線路上有許多嚴格的限制(因為只有一面,布線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的板子。
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雙面板(Double-Sided Boards) , Q. t- H+ y# `7 y6 j; U
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。
$ _ J: E# b% v; M 多層板(Multi-Layer Boards) 6 |& t0 d: _& k$ U3 ^/ O8 g" B7 w% @) `% F
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(jié)合,一般不太容易看出實際數(shù)目,不過如果您仔細觀察主機板,也許可以看出來。
0 D: T! |6 f# G. F4 `* [. ^$ p, j, y 我們剛剛提到的導孔(via),如果應(yīng)用在雙面板上,那么一定都是打穿整個板子。不過在多層板當中,如果您只想連接其中一些線路,那么導孔可能會浪費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,因為它們只穿透其中幾層。盲孔是將幾層內(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。
r8 V! }# H1 j2 U9 T% o: G 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。
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零件封裝技術(shù)
, R3 [0 i7 C, V! m8 G- o 插入式封裝技術(shù)(Through Hole Technology)
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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占掉兩面的空間,而且焊點也比較大。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。
, k7 g0 \* R* g; ?9 I6 X 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。 4 x) _' V3 l7 |+ ?
表面黏貼式的零件,甚至還能在兩面都焊上。
9 D& y3 f; T# g k 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。
& s3 I& @+ t( R- E 因為焊點和零件的接腳非常的小,要用人工焊接實在非常難。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。
3 o# a) \9 e4 X$ i+ O 設(shè)計流程
6 g% p. u$ `! Z+ A5 H 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:
9 X$ n( [, O1 b: W- t6 D 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,運作情形等等。
+ [1 V: _" }' Q* T6 Y! h 系統(tǒng)功能區(qū)塊圖 9 z! U- h2 _0 @" P! C9 X# P8 H
接下來必須要制作出系統(tǒng)的功能方塊圖。方塊間的關(guān)系也必須要標示出來。
+ M+ X5 e1 G/ b' Y. K( \ 將系統(tǒng)分割幾個PCB
. x* [5 C; n* z. D- n 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)。像是計算機就可以分成主機板、顯示卡、聲卡、軟盤驅(qū)動器和電源等等。
: ]/ {7 O8 `/ l4 N/ n 制造流程 2 C q) h5 H" Z: `* }
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2 s& R- ?" p7 G+ G- U; a
影像(成形/導線制作)
( ^& M, G% \+ d/ b 制作的第一步是建立出零件間聯(lián)機的布線。我們采用負片轉(zhuǎn)。⊿ubtractive transfer)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消除。追加式轉(zhuǎn)印(Additive 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。
g( H1 K! p1 `& _: \% d1 M! V8 C 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。
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接下來的流程圖,介紹了導線如何焊在基板上。 * G5 k( Z9 Q) s$ }) V- p
正光阻劑(positive photoresist)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。
9 K; Q" k+ \' M! R2 g 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。
6 o% t( F3 Z5 H* _% E( O2 P+ u 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。
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鉆孔與電鍍
* R6 u; P3 D4 T 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,而它會覆蓋住內(nèi)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。 / T1 n: S' h& Q! T. R
多層PCB壓合 # Y+ f/ b/ ]( t' v
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。
l2 ? r; `8 u% a 處理阻焊層、網(wǎng)版印刷面和金手指部份電鍍
6 q5 C D7 { R) f+ B2 B 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,這樣在插入擴充槽時,才能確保高品質(zhì)的電流連接。 # q$ l& F, A2 C1 c) U" c9 @3 {
測試
6 }' V- E9 g* @2 i* R" D 測試PCB是否有短路或是斷路的狀況,可以使用光學或電子方式測試。光學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確,不過光學測試可以更容易偵測到導體間不正確空隙的問題。
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零件安裝與焊接
; f- u2 h* Z7 j9 |0 w 最后一項步驟就是安裝與焊接各零件了。無論是THT與SMT零件都利用機器設(shè)備來安裝放置在PCB上。 # ]/ g4 B/ H! j8 d
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。
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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,接下來就是準備進行PCB的最終測試了
) L+ }5 E. U# l Y% ~ 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: $ T+ g1 O2 G2 u3 w( M& i9 X$ n/ S
板子的大小自然是個重點。板子越小成本就越低。部份的PCB尺寸已經(jīng)成為標準,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)于標準尺寸的信息。
) k1 m- _2 q0 P+ q3 W, n 使用SMT會比THT來得省錢,因為PCB上的零件會更密集(也會比較。。
2 y4 j% p9 P& C# s) D, Z% `+ U 另一方面,如果板子上的零件很密集,那么布線也必須更細,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。
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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。 8 g w7 {: F/ F3 @" ?3 n% @
鉆孔需要時間,所以導孔越少越好。 " Q+ ?9 R% ]( {3 d: D* y
埋孔比貫穿所有層的導孔要貴。因為埋孔必須要在接合前就先鉆好洞。
8 g7 x% @2 v: P 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,那么因為機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。
H4 C8 v4 j0 h# F" R; B 使用飛針式探測方式的電子測試,通常比光學方式貴。一般來說光學測試已經(jīng)足夠保證PCB上沒有任何錯誤。
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決定使用封裝方法,和各PCB的大小
' I" d2 }/ W2 F 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,也要將線路圖的品質(zhì)與速度都考量進去。
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繪出所有PCB的電路概圖
) e& s4 J z n* e* S 概圖中要表示出各零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,Computer Aided Design)的方式。下面就是使用CircuitMakerTM設(shè)計的范例。
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PCB的電路概圖
- W- q1 h/ {4 q' L# u0 a# p# d 初步設(shè)計的仿真運作 1 H0 ?" U' W3 f2 r2 j
為了確保設(shè)計出來的電路圖可以正常運作,這必須先用計算機軟件來仿真一次。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。
- _7 @+ Y( ]0 z; k 將零件放上PCB
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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。 & V: _ X% h" I2 T
測試布線可能性,與高速下的正確運作 - ~3 H. d& x& }. D7 L- S0 r
現(xiàn)今的部份計算機軟件,可以檢查各零件擺設(shè)的位置是否可以正確連接,或是檢查在高速運作下,這樣是否可以正確運作。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,在實地導出線路前,還可以重新安排零件的位置。
3 s8 C1 G$ U' v% U; V 導出PCB上線路
9 Z& D% @, U7 i4 e6 p3 b' e e 在概圖中的連接,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)。
- `, J+ O) l2 m' q0 X% m$ F 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(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。
0 R, v0 I' I Z8 K1 l' q% } 導線后電路測試
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為了確定線路在導線后能夠正常運作,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)機都照著概圖走。
( O2 ^! a; x& T$ p2 @: E% v: I$ l 建立制作檔案
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因為目前有許多設(shè)計PCB的CAD工具,制造廠商必須有符合標準的檔案,才能制造板子。標準規(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。
- R$ O8 z2 ]( b _2 N 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入或由裝置散發(fā)出。這其實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放進金屬盒子當中以解決這些問題。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。 ; s1 Q: d- Y8 b+ Y% R+ p; @* t! \( S+ |
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。
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