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PCB设计基础知识

作者:PCB厂家 发布时间:2019-06-21 11:22:39点击:
印刷电路板(Printed circuit board,PCB)简直会呈现在每一种电子设备当中。假如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的主要功用是提供上头各项零件的互相电气衔接。随着电子设备越来越复杂,需求的零件越来越多,PCB上头的线路与零件也越来越密集了。 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、并不易弯曲的材质所制造成。在外表能够看到的细小线路资料是铜箔,本来铜箔是掩盖在整个板子上的,而在制造过程中部份被蚀刻处置掉,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上零件的电路衔接。
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。在最根本的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的正背面分别被称为零件面(Component Side)与焊接面(Solder Side)。 
假如PCB上头有某些零件,需求在制造完成后也能够拿掉或装回去,那么该零件装置时会用到插座(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(这里指的是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互相连结,普通我们都会用到俗称「金手指」的边接头(edge connector)。金手指上包含了许多暴露的铜垫,这些铜垫事实上也是PCB布线的一部份。通常衔接时,我们将其中一片PCB上的金手指插进另一片PCB上适宜的插槽上(普通叫做扩大槽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)的颜色。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中央。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,在最根本的PCB上,零件集中在其中一面,导线则集中在另一面上。由于导线只呈现在其中一面,所以我们就称这种PCB叫作单面板(Single-sided)。由于单面板在设计线路上有许多严厉的限制(由于只要一面,布线间不能穿插而必需绕单独的途径),所以只要早期的电路才运用这类的板子。 
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,必需要在两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,它能够与两面的导线相衔接。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),它更合适用在比单面板更复杂的电路上。 
多层板(Multi-Layer Boards)

 

为了增加能够布线的面积,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,通常层数都是偶数,并且包含最外侧的两层。大局部的主机板都是4到8层的构造,不过技术上能够做到近100层的PCB板。大型的超级计算机大多运用相当多层的主机板,不过由于这类计算机曾经能够用许多普通计算机的集群替代,超多层板曾经慢慢不被运用了。由于PCB中的各层都严密的分离,普通不太容易看出实践数目,不过假如您认真察看主机板,或许能够看出来。

我们刚刚提到的导孔(via),假如应用在双面板上,那么一定都是打穿整个板子。不过在多层板当中,假如您只想衔接其中一些线路,那么导孔可能会糜费一些其它层的线路空间。埋孔(Buried vias)和盲孔(Blind vias)技术能够防止这个问题,由于它们只穿透其中几层。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。所以我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,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)

将零件安顿在板子的一面,并将接脚焊在另一面上,这种技术称为「插入式(Through Hole Technology,THT)」封装。这种零件会需求占用大量的空间,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,而且焊点也比拟大。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衔接的结构比拟好,关于这点我们稍后再谈。像是排线的插座,和相似的界面都需求能耐压力,所以通常它们都是THT封装。 
外表黏贴式封装技术(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。这种技术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,以至还能在两面都焊上。 
SMT也比THT的零件要小。和运用THT零件的PCB比起来,运用SMT技术的PCB板上零件要密集很多。SMT封装零件也比THT的要廉价。所以现今的PCB上大局部都是SMT,自然屡见不鲜。

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。不过假如思索到目前的组装都是全自动的话,这个问题只会呈现在修复零件的时分吧。

设计流程

在PCB的设计中,其真实正式布线前,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。包含了系统功用,本钱限制,大小,运作情形等等。

系统功用区块图

接下来必需要制造出系统的功用方块图。方块间的关系也必需要标示出来。

将系统分割几个PCB

将系统分割数个PCB的话,不只在尺寸上能够减少,也能够让系统具有晋级与交流零件的才能。系统功用方块图就提供了我们分割的根据。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的大小

当各PCB运用的技术和电路数量都决议好了,接下来就是决议板子的大小了。假如设计的过大,那么封装技术就要改动,或是重新作分割的动作。在选择技术时,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。一切系统中的PCB都必需要描出来,现今大多采用CAD(计算机辅助设计,Computer Aided Design)的方式。下面就是运用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能够正常运作,这必需先用计算机软件来仿真一次。这类软件能够读取设计图,并且用许多方式显现电路运作的状况。这比起实践做出一块样本PCB,然后用手动丈量要来的有效率多了。

将零件放上PCB

零件放置的方式,是依据它们之间如何相连来决议的。它们必需以最有效率的方式与途径相衔接。所谓有效率的布线,就是牵线越短并且经过层数越少(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。下面是总线在PCB上布线的样子。为了让各零件都可以具有圆满的配线,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,能够检查各零件摆设的位置能否能够正确衔接,或是检查在高速运作下,这样能否能够正确运作。这项步骤称为布置零件,不过我们不会太深化研讨这些。假如电路设计有问题,在实地导出线路前,还能够重新布置零件的位置。

导出PCB上线路

在概图中的衔接,如今将会实地作成布线的样子。这项步骤通常都是全自动的,不过普通来说还是需求手动更改某些部份。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。最右方我们能够看到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,都必需要契合一套规则,像是线路间的最小保存空隙,最小线路宽度,和其它相似的实践限制等。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,以及材质质量与制造设备等要素而有不同。假如电流强度上升,那导线的粗细也必需要增加。为了减少PCB的本钱,在减少层数的同时,也必需要留意这些规则能否仍旧契合。假如需求超越2层的结构的话,那么通常会运用到电源层以及地线层,来防止信号层上的传送信号遭到影响,并且能够当作信号层的防护罩。

导线后电路测试

为了肯定线路在导线后可以正常运作,它必需要经过最后检测。这项检测也能够检查能否有不正确的衔接,并且一切联机都照着概图走。 
树立制造档案

由于目前有许多设计PCB的CAD工具,制造厂商必需有契合规范的档案,才干制造板子。规范规格有好几种,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,很可能会分发出电磁能量,并且干扰左近的电器。EMC对电磁干扰(EMI),电磁场(EMF)和射频干扰(RFI)等都规则了最大的限制。这项规则能够确保该电器与左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限制,并且设计时要减少对外来EMF、EMI、RFI等的磁化率。换言之,这项规则的目的就是要避免电磁能量进入或由安装分发出。这其实是一项很难处理的问题,普通大多会运用电源和地线层,或是将PCB放进金属盒子当中以处理这些问题。电源和地线层能够避免信号层受干扰,金属盒的功效也差不多。对这些问题我们就不过于深化了。

电路的最大速度得看如何照EMC规则做了。内部的EMI,像是导体间的电流耗损,会随着频率上升而加强。假如两者之间的的电流差距过大,那么一定要拉长两者间的间隔。这也通知我们如何防止高压,以及让电路的电流耗费降到最低。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更合适在高速下运作。 
制造流程

PCB的制造过程由玻璃环氧树脂(Glass Epoxy)或相似材质制成的「基板」开端
影像(成形/导线制造)

制造的第一步是树立出零件间联机的布线。我们采用负片转印(Subtractive transfer)方式将工作底片表如今金属导体上。这项技巧是将整个外表铺上一层薄薄的铜箔,并且把多余的部份给消弭。追加式转印(Additive Pattern transfer)是另一种比拟少人运用的方式,这是只在需求的中央敷上铜线的办法,不过我们在这里就不多谈了。

假如制造的是双面板,那么PCB的基板两面都会铺上铜箔,假如制造的是多层板,接下来的步骤则会将这些板子黏在一同。

接下来的流程图,引见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(负光阻剂则是假如没有经过照明就会合成)。有很多方式能够处置铜外表的光阻剂,不过最普遍的方式,是将它加热,并在含有光阻剂的外表上滚动(称作干膜光阻剂)。它也能够用液态的方式喷在上头,不过干膜式提供比拟高的分辨率,也能够制造出比拟细的导线。

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,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中央,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。蚀刻过程能够将板子浸到蚀刻溶剂中,或是将溶剂喷在板子上。普通用作蚀刻溶剂的有,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。蚀刻完毕后将剩下的光阻剂去除掉。这称作脱膜(Stripping)程序。
钻孔与电镀

假如制造的是多层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需要先钻孔与电镀。假如不经过这个步骤,那么就没方法相互衔接了。

在依据钻孔需求由机器设备钻孔之后,孔璧里头必需经过电镀(镀通孔技术,Plated-Through-Hole technology,PTH)。在孔璧内部作金属处置后,能够让内部的各层线路可以彼此衔接。在开端电镀之前,必需先清掉孔内的杂物。这是由于树脂环氧物在加热后会产生一些化学变化,而它会掩盖住内部PCB层,所以要先清掉。肃清与电镀动作都会在化学制程中完成。

多层PCB压合

各单片层必需要压合才干制造出多层板。压合动作包括在各层间参加绝缘层,以及将彼此黏牢等。假如有透过好几层的导孔,那么每层都必需要反复处置。多层板的外侧两面上的布线,则通常在多层板压合后才处置。

处置阻焊层、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,它不可以掩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衔接的稳定性。金手指部份通常会镀上金,这样在插入扩大槽时,才干确保高质量的电流衔接。

测试

测试PCB能否有短路或是断路的情况,能够运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)来检查一切衔接。电子测试在寻觅短路或断路比拟精确,不过光学测试能够更容易侦测到导体间不正确空隙的问题。

零件装置与焊接

最后一项步骤就是装置与焊接各零件了。无论是THT与SMT零件都应用机器设备来装置放置在PCB上。

THT零件通常都用叫做波峰焊接(Wave Soldering)的方式来焊接。这能够让一切零件一次焊接上PCB。首先将接脚切割到靠近板子,并且略微弯曲以让零件可以固定。接着将PCB移到助溶剂的水波上,让底部接触到助溶剂,这样能够将底部金属上的氧化物给除去。在加热PCB后,这次则移到消融的焊料上,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,在零件装置在PCB上后先处置一次,经过PCB加热后再处置一次。待PCB冷却之后焊接就完成了,接下来就是准备停止PCB的最终测试了
俭省制形成本的办法

为了让PCB的本钱可以越低越好,有许多要素必需要列入考量:

板子的大小自然是个重点。板子越小本钱就越低。部份的PCB尺寸曾经成为规范,只需照着尺寸作那么本钱就自然会降落。CustomPCB网站上有一些关于规范尺寸的信息。 
运用SMT会比THT来得省钱,由于PCB上的零件会更密集(也会比拟小)。 
另一方面,假如板子上的零件很密集,那么布线也必需更细,运用的设备也相对的要更高阶。同时运用的材质也要更高级,在导线设计上也必需要更当心,以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,可比减少PCB尺寸所俭省的还要多。 
层数越多本钱越高,不过层数少的PCB通常会形成大小的增加。 
钻孔需求时间,所以导孔越少越好。 
埋孔比贯串一切层的导孔要贵。由于埋孔必需要在接合前就先钻好洞。 
板子上孔的大小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,相对的比拟耗时间,也代表制形成本相对提升。 
运用飞针式探测方式的电子测试,通常比光学方式贵。普通来说光学测试曾经足够保证PCB上没有任何错误。 
总而言之,厂商在设备上下的时间也是越来越复杂了。理解PCB的制造过程是很有用的,由于当我们在比拟主机板时,相同效能的板子本钱可能不同,稳定性也各异,这也让我们得以比拟各厂商的才能。

好的工程师能够光看主机板设计,就晓得设计质量的好坏。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设计之美吧!

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