PCB规划基础知识
PCBTech.Net 时刻:2003-05-16 04:40 来历:http://www.gb.tomshardware.com 点击:14848次 印刷电路板（Printed circuit board，PCB）简直会出现在每一种电子设备傍边。假如在某样设备中有电子零件，那么它们也都是镶在巨细各异的PCB上。除了固定各种小零件外，PCB的首要功用是供给上头各项零件的互相电气衔接。跟着电子设备越来越杂乱，需求的零件越来越多，P
印刷电路板（Printed circuit board，PCB）简直会出现在每一种电子设备傍边。假如在某样设备中有电子零件，那么它们也都是镶在巨细各异的PCB上。除了固定各种小零件外，PCB的首要功用是供给上头各项零件的互相电气衔接。跟着电子设备越来越杂乱，需求的零件越来越多，PCB上头的线路与零件也越来越密布了。 规范的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 Board（PWB）」。
板子自身的基板是由绝缘隔热、并不易曲折的原料所制作成。在外表能够看到的细微线路资料是铜箔，本来铜箔是掩盖在整个板子上的，而在制作进程中部份被蚀刻处理掉，留下来的部份就变成网状的细微线路了。这些线路被称作导线（conductor pattern）或称布线，并用来供给PCB上零件的电路衔接。
为了将零件固定在PCB上面，咱们将它们的接脚直接焊在布线上。在最基本的PCB（单面板）上，零件都会集在其间一面，导线则都会集在另一面。这么一来咱们就需求在板子上打洞，这样接脚才干穿过板子到另一面，所以零件的接脚是焊在另一面上的。由于如此，PCB的正反面别离被称为零件面（Component Side）与焊接面（Solder Side）。
假如PCB上头有某些零件，需求在制作完结后也能够拿掉或装回去，那么该零件设备时会用到插座（Socket）。由于插座是直接焊在板子上的，零件能够恣意的拆装。下面看到的是ZIF（Zero InserTIon Force，零拨插力式）插座，它能够让零件（这儿指的是CPU）能够轻松插进插座，也能够拆下来。插座旁的固定杆，能够在您插进零件后将其固定。
假如要将两块PCB互相衔接，一般咱们都会用到俗称「金手指」的边接头（edge connector）。金手指上包含了许多暴露的铜垫，这些铜垫事实上也是PCB布线的一部份。一般衔接时，咱们将其间一片PCB上的金手指插进另一片PCB上适宜的插槽上（一般叫做扩充槽Slot）。在计算机中，像是显现卡，声卡或是其它相似的界面卡，都是借着金手指来与主机板衔接的。
PCB上的绿色或是棕色，是阻焊漆（solder mask）的色彩。这层是绝缘的防护层，能够维护铜线，也能够避免零件被焊到不正确的当地。在阻焊层上别的会印刷上一层丝网印刷面（silk screen）。一般在这上面会印上文字与符号（大多是白色的），以标明出各零件在板子上的方位。丝网印刷面也被称作图标面（legend）。
单面板（Single-Sided Boards）
咱们刚刚说到过，在最基本的PCB上，零件会集在其间一面，导线则会集在另一面上。由于导线只出现在其间一面，所以咱们就称这种PCB叫作单面板（Single-sided）。由于单面板在规划线路上有许多严厉的约束（由于只需一面，布线间不能穿插而有必要绕单独的途径），所以只需前期的电路才运用这类的板子。
双面板（Double-Sided Boards）
这种电路板的双面都有布线。不过要用上双面的导线，有必要要在双面间有恰当的电路衔接才行。这种电路间的「桥梁」叫做导孔（via）。导孔是在PCB上，充溢或涂上金属的小洞，它能够与双面的导线相衔接。由于双面板的面积比单面板大了一倍，而且由于布线能够相互交织（能够绕到另一面），它更适合用在比单面板更杂乱的电路上。
多层板（MulTI-Layer Boards）
为了添加能够布线的面积，多层板用上了更多单或双面的布线板。多层板运用数片双面板，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，一般层数都是偶数，而且包含最外侧的两层。大部分的主机板都是4到8层的结构，不过技能上能够做到近100层的PCB板。大型的超级计算机大多运用适当多层的主机板，不过由于这类计算机现已能够用许多一般计算机的集群替代，超多层板现已逐渐不被运用了。由于PCB中的各层都严密的结合，一般不太简单看出实践数目，不过假如您仔细观察主机板，或许能够看出来。
咱们刚刚说到的导孔（via），假如应用在双面板上，那么必定都是打穿整个板子。不过在多层板傍边，假如您只想衔接其间一些线路，那么导孔或许会糟蹋一些其它层的线路空间。埋孔（Buried vias）和盲孔（Blind vias）技能能够避免这个问题，由于它们只穿透其间几层。盲孔是将几层内部PCB与外表PCB衔接，不须穿透整个板子。埋孔则只衔接内部的PCB，所以光是从外表是看不出来的。
在多层板PCB中，整层都直接衔接上地线与电源。所以咱们将各层分类为信号层（Signal），电源层（Power）或是地线层（Ground）。假如PCB上的零件需求不同的电源供给，一般这类PCB会有两层以上的电源与电线层。
零件封装技能
刺进式封装技能（Through Hole Technology）
将零件安顿在板子的一面，并将接脚焊在另一面上，这种技能称为「刺进式（Through Hole Technology，THT）」封装。这种零件会需求占用许多的空间，而且要为每只接脚钻一个洞。所以它们的接脚其实占掉双面的空间，而且焊点也比较大。但另一方面，THT零件和SMT（Surface Mounted Technology，外表黏着式）零件比起来，与PCB衔接的结构比较好，关于这点咱们稍后再谈。像是排线的插座，和相似的界面都需求本领压力，所以一般它们都是THT封装。
外表黏贴式封装技能（Surface Mounted Technology）
运用外表黏贴式封装（Surface Mounted Technology，SMT）的零件，接脚是焊在与零件同一面。这种技能不用为每个接脚的焊接，而都在PCB上钻洞。
外表黏贴式的零件，乃至还能在双面都焊上。
SMT也比THT的零件要小。和运用THT零件的PCB比起来，运用SMT技能的PCB板上零件要密布许多。SMT封装零件也比THT的要廉价。所以如今的PCB上大部分都是SMT，天然家常便饭。
由于焊点和零件的接脚十分的小，要用人工焊接真实十分难。不过假如考虑到现在的拼装都是全主动的话，这个问题只会出现在修正零件的时分吧。
规划流程
在PCB的规划中，其真实正式布线前，还要通过很绵长的进程，以下便是首要规划的流程：
体系规范
首先要先规划出该电子设备的各项体系规范。包含了体系功用，本钱约束，巨细，运作景象等等。
体系功用区块图
接下来有必要要制作出体系的功用方块图。方块间的联系也有必要要标明出来。
将体系切割几个PCB
将体系切割数个PCB的话，不仅在尺度上能够缩小，也能够让体系具有晋级与交流零件的才干。体系功用方块图就供给了咱们切割的依据。像是计算机就能够分红主机板、显现卡、声卡、软盘驱动器和电源等等。
决议运用封装办法，和各PCB的巨细
当各PCB运用的技能和电路数量都决议好了，接下来便是决议板子的巨细了。假如规划的过大，那么封装技能就要改动，或是重新作切割的动作。在挑选技能时，也要将线路图的质量与速度都考量进去。
绘出一切PCB的电路概图
概图中要表示出各零件间的互相衔接细节。一切体系中的PCB都有必要要描出来，如今大多选用CAD（计算机辅助规划，Computer Aided Design）的办法。下面便是运用CircuitMakerTM规划的典范。
PCB的电路概图
初步规划的仿真运作
为了确保规划出来的电路图能够正常运作，这有必要先用计算机软件来仿真一次。这类软件能够读取规划图，而且用许多办法显现电路运作的情况。这比起实践做出一块样本PCB，然后用手动丈量要来的有功率多了。
将零件放上PCB
零件放置的办法，是依据它们之间怎么相连来决议的。它们有必要以最有功率的办法与途径相衔接。所谓有功率的布线，便是牵线越短而且通过层数越少（这也一同削减导孔的数目）越好，不过在真实布线时，咱们会再说到这个问题。下面是总线在PCB上布线的姿态。为了让各零件都能够具有完美的配线，放置的方位是很重要的。
测验布线或许性，与高速下的正确运作
如今的部份计算机软件，能够查看各零件铺排的方位是否能够正确衔接，或是查看在高速运作下，这样是否能够正确运作。这项进程称为组织零件，不过咱们不会太深入研究这些。假如电路规划有问题，在实地导出线路前，还能够重新组织零件的方位。
导出PCB上线路
在概图中的衔接，现在将会实地作成布线的姿态。这项进程一般都是全主动的，不过一般来说仍是需求手动更改某些部份。下面是2层板的导线模板。赤色和蓝色的线条，别离代表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明。赤色的点和圆圈代表钻洞与导孔。最右方咱们能够看到PCB上的焊接面有金手指。这个PCB的终究构图一般称为作业底片（Artwork）。
每一次的规划，都有必要要契合一套规则，像是线路间的最小保存空地，最小线路宽度，和其它相似的实践约束等。这些规则按照电路的速度，传送信号的强弱，电路对耗电与噪声的敏感度，以及原料质量与制作设备等要素而有不同。假如电流强度上升，那导线的粗细也有必要要添加。为了削减PCB的本钱，在削减层数的一同，也有必要要注意这些规则是否依旧契合。假如需求超越2层的结构的话，那么一般会运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，而且能够当作信号层的防护罩。
导线后电路测验
为了确认线路在导线后能够正常运作，它有必要要通过终究检测。这项检测也能够查看是否有不正确的衔接，而且一切联机都照着概图走。
树立制作档案
由于现在有许多规划PCB的CAD东西，制作厂商有必要有契合规范的档案，才干制作板子。规范规范有好几种，不过最常用的是Gerber files规范。一组Gerber files包含各信号、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）规范规划的电子设备，很或许会散发出电磁能量，而且搅扰邻近的电器。EMC对电磁搅扰（EMI），电磁场（EMF）和射频搅扰（RFI）等都规则了最大的约束。这项规则能够确保该电器与邻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厉的约束，而且规划时要削减对外来EMF、EMI、RFI等的磁化率。换言之，这项规则的意图便是要避免电磁能量进入或由设备散发出。这其实是一项很难处理的问题，一般大多会运用电源和地线层，或是将PCB放进金属盒子傍边以处理这些问题。电源和地线层能够避免信号层受搅扰，金属盒的功效也差不多。对这些问题咱们就不过于深入了。
电路的最大速度得看怎么照EMC规则做了。内部的EMI，像是导体间的电流耗费，会跟着频率上升而增强。假如两者之间的的电流间隔过大，那么必定要拉长两者间的间隔。这也告知咱们怎么避免高压，以及让电路的电流耗费降到最低。布线的推迟率也很重要，所以长度天然越短越好。所以布线杰出的小PCB，会比大PCB更适合在高速下运作。
制作流程
PCB的制作进程由玻璃环氧树脂（Glass Epoxy）或相似原料制成的「基板」开端
印象（成形／导线制作）
制作的第一步是树立出零件间联机的布线。咱们选用负片转印（SubtracTIve transfer）办法将作业底片表现在金属导体上。这项技巧是将整个外表铺上一层薄薄的铜箔，而且把剩余的部份给消除。追加式转印（AddiTIve Pattern transfer）是另一种比较少人运用的办法，这是只在需求的当地敷上铜线的办法，不过咱们在这儿就不多谈了。
假如制作的是双面板，那么PCB的基板双面都会铺上铜箔，假如制作的是多层板，接下来的进程则会将这些板子黏在一同。
接下来的流程图，介绍了导线怎么焊在基板上。
正光阻剂（positive photoresist）是由感光剂制成的，它在照明下会溶解（负光阻剂则是假如没有通过照明就会分化）。有许多办法能够处理铜外表的光阻剂，不过最遍及的办法，是将它加热，并在含有光阻剂的外表上翻滚（称作干膜光阻剂）。它也能够用液态的办法喷在上头，不过干膜式供给比较高的分辨率，也能够制作出比较细的导线。
遮光罩仅仅一个制作中PCB层的模板。在PCB板上的光阻剂通过UV光曝光之前，掩盖在上面的遮光罩能够避免部份区域的光阻剂不被曝光（假定用的是正光阻剂）。这些被光阻剂盖住的当地，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。蚀刻进程能够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。蚀刻完毕后将剩余的光阻剂去除掉。这称作脱膜（Stripping）程序。
钻孔与电镀
假如制作的是多层PCB板，而且里头包含埋孔或是盲孔的话，每一层板子在黏合前有必要要先钻孔与电镀。假如不通过这个进程，那么就没办法相互衔接了。
在依据钻孔需求由机器设备钻孔之后，孔璧里头有必要通过电镀（镀通孔技能，Plated-Through-Hole technology，PTH）。在孔璧内部作金属处理后，能够让内部的各层线路能够互相衔接。在开端电镀之前，有必要先清掉孔内的杂物。这是由于树脂环氧物在加热后会发生一些化学变化，而它会掩盖住内部PCB层，所以要先清掉。铲除与电镀动作都会在化学制程中完结。
多层PCB压合
各单片层有必要要压合才干制作出多层板。压合动作包含在各层间参加绝缘层，以及将互相黏牢等。假如有透过好几层的导孔，那么每层都有必要要重复处理。多层板的外侧双面上的布线，则一般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
接下来将阻焊漆掩盖在最外层的布线上，这样一来布线就不会触摸到电镀部份外了。网版印刷面则印在其上，以标明各零件的方位，它不能够掩盖在任何布线或是金手指上，否则或许会减低可焊性或是电流衔接的稳定性。金手指部份一般会镀上金，这样在刺进扩充槽时，才干确保高质量的电流衔接
测验
测验PCB是否有短路或是断路的情况，能够运用光学或电子办法测验。光学办法选用扫描以找出各层的缺点，电子测验则一般用飞针勘探仪（Flying-Probe）来查看一切衔接。电子测验在寻觅短路或断路比较精确，不过光学测验能够更简单侦测到导体间不正确空地的问题。
零件设备与焊接
终究一项进程便是设备与焊接各零件了。无论是THT与SMT零件都运用机器设备来设备放置在PCB上。
THT零件一般都用叫做波峰焊接（Wave Soldering）的办法来焊接。这能够让一切零件一次焊接上PCB。首先将接脚切割到接近板子，而且略微曲折以让零件能够固定。接着将PCB移到助溶剂的水波上，让底部触摸到助溶剂，这样能够将底部金属上的氧化物给除掉。在加热PCB后，这次则移到消融的焊料上，在和底部触摸后焊接就完结了。
主动焊接SMT零件的办法则称为再流回焊接（Over Reflow Soldering）。里头含有助溶剂与焊料的糊状焊接物，在零件设备在PCB上后先处理一次，通过PCB加热后再处理一次。待PCB冷却之后焊接就完结了，接下来便是预备进行PCB的终究测验了
节约制作本钱的办法
为了让PCB的本钱能够越低越好，有许多要素有必要要列入考量：
板子的巨细天然是个要点。板子越小本钱就越低。部份的PCB尺度现已成为规范，只需照着尺度作那么本钱就天然会下降。CustomPCB网站上有一些关于规范尺度的信息。
运用SMT会比THT来得省钱，由于PCB上的零件会更密布（也会比较小）。
另一方面，假如板子上的零件很密布，那么布线也有必要更细，运用的设备也相对的要更高阶。一同运用的原料也要更高档，在导线规划上也有必要要更当心，避免形成耗电等会对电路形成影响的问题。这些问题带来的本钱，可比缩小PCB尺度所节约的还要多。
层数越多本钱越高，不过层数少的PCB一般会形成巨细的添加。
钻孔需求时刻，所以导孔越少越好。
埋孔比贯穿一切层的导孔要贵。由于埋孔有必要要在接合前就先钻好洞。
板子上孔的巨细是按照零件接脚的直径来决议。假如板子上有不同类型接脚的零件，那么由于机器不能运用同一个钻头钻一切的洞，相对的比较耗时刻，也代表制作本钱相对提高。
运用飞针式勘探办法的电子测验，一般比光学办法贵。一般来说光学测验现已满足确保PCB上没有任何过错。
总而言之，厂商在设备上下的时间也是越来越杂乱了。了解PCB的制作进程是很有用的，由于当咱们在比较主机板时，相同效能的板子本钱或许不同，稳定性也各异，这也让咱们得以比较各厂商的才干。
好的工程师能够光看主机板规划，就知道规划质量的好坏。您或许自认没那么强，不过下次您拿到主机板或是显现卡时，无妨先鉴赏一下PCB规划之美吧！
