印刷电路板(PCB)

　对PC中的主板、显示卡来说，最基本的部分莫过于印刷电路板(PCB : Printed Circuit Board)了，它是各种板卡工作的基础。对具体产品而言，印刷电路板的设计与制造水平，也在很大程度上决定着产品的各项指标和最终性能。本文将介绍PCB的基础知识，包括相关的术语、分类及设计与制作过程等，希望能对朋友们的了解有所助益。

什么是印刷电路板(PCB : Printed Circuit Board)？

　　印刷电路板(PCB : Printed Circuit Board)几乎是任何电子产品的基础，出现在几乎每一种电子设备中，一般说来，如果在某样设备中有电子元器件，那么它们也都是被安装在大小各异的PCB上。

　　除了固定各种元器件外，PCB的主要作用是提供各项元器件之间的连接电路。随着电子设备越来越复杂，需要的元器件越来越多，PCB上头的线路与元器件也越来越密集了。

　　电路板本身是由绝缘隔热、并无法弯曲的材质制作而成，在表面可以看到的细小线路材料是铜箔。在被加工之前，铜箔是覆盖在整个电路板上的，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。——因这个加工生产过程，多是通过印刷方式形成供蚀刻的轮廓，故尔才得到印刷电路板的命名。国。——这些线路被称作导线(conductor pattern)或称布线，并用来提供PCB上元器件的电路连接。

PCB中的导线(Conductor Pattern)

　　PCB上元器件的安装

　　为了将元器件固定在PCB上面，需要它们的接脚直接焊在布线上。在最基本的PCB(单面板)上，元器件都集中在其中一面，导线则都集中在另一面。这么一来就需要在板子上打洞，以便接脚才能穿过板子到另一面，所以元器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元器件面(Component Side)与焊接面(Solder Side)。

　　对于部分可能需要频繁拔插的元器件，比如说主板上的CPU，需要给用户可以自行调整、升级的选择，就不能直接将CPU焊在主板上了，这时候便需要用到插座(Socket)：虽然插座是直接焊在电路板上，但元器件可以随意地拆装。如下方的Socket插座，即可以让元器件(这里指的是CPU)轻松插进插座，也可以拆下来。插座旁的固定杆，可以在您插进元器件后将其固定。而对于Intel的CPU而言，包括Prescott和最新的Core 2 Duo CPU，则需要如下图右方的Socket T插座以供安装。

 
主板上的CPU插座(左为Socket，右为Socket T)

　　PCB的连接

　　如果要将两块PCB相互连结，即在物理上将两块PCB在电路上连接起来，则一般需用到俗称“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。——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。

边接头(俗称金手指)

　　PCB的颜色

　　一般，PCB的以绿色或棕色居多，——当然也有部分产品采用更绚丽漂亮颜色的，不过，多是出于外观而非产品性能或生产要求方面的考虑——这是防焊漆(solder mask)的颜色。对PCB来说，防焊层是相当重要的，它是绝缘的防护层，可以保护铜线，也可以防止元器件被焊到不正确的地方。在防焊层上另外会印刷上一层网版印刷面(silk screen)。通常在这上面会印上文字与符号(大多是白色的)，以标示出各元器件在板子上的位置。网版印刷面也被称作图标面(legend)。

 
左为有白色图标面的绿色PCB，右为没有图标面的棕色PCB

PCB的分类

　　对印刷电路板而言，对其的分类有多种方法，其中根据层数分类最为常见。

　　单面板(Single-Sided Boards)

　　我们前面说到过，在最基本的PCB上，元器件集中在其中一面，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)。相对而言，单面板在设计方面存在很多限制(因为只有一面，布线间不能交叉而必须绕独自的路径)，在处理复杂电路时往往力不从心，现在已经很少使用了，除非电路确实十分简单。

 
左为单面PCB表面，右为单面PCB底面

　　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。

以互相交錯（可以繞到另一面），它更適合用在比單面板更複雜的電路上。

  
左为双面PCB表面，右为双面PCB底面

　　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4到8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群组代替，超多层板已经渐渐不被使用了。对多层板而言，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。。

　　双层板中，导孔(via)比较容易处理，只需打穿整个板子即可。但对多层板而言，则复杂了许多，比如说如果只想连接其中一些线路，那么使用导孔可能会浪费一些其它层的线路空间，因此，埋孔(Buried vias)和盲孔(Blind vias)技术便应运而生了，因为它们只穿透其中几层，其中盲孔是将几层内部PCB与表面PCB连接，不须穿透整个板子，而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讯号层(Signal)，电源层(Power)或是地线层(Ground)。如果PCB上的元器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。

PCB上的元器件安装技术

　　插入安装技术(THT : Through Hole Technology)

　　将元器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 Technology，THT)”安装。大致说来，这种安装方式，元器件需要占用大量的空间，并且要为每只接脚钻一个洞，它们的接脚也要占掉两面的空间，而且焊点也比较大。但另一方面，THT元器件和SMT(Surface Mounted Technology，表面安装技术)元器件比起来，与PCB连接的构造比较好，像是排线的插座，需要能耐压力，所以通常它们都是THT封装。

HT元器件(焊接在底部)

　　表面安装技术(SMT : Surface Mounted Technology)

　　使用表面安装技术(SMT : Surface Mounted Technology)的元器件，接脚是焊在与元器件同一面。这种安装技术避免了象THT那样需要用为每个接脚的焊接都要PCB上钻洞的麻烦。而另一方面，表面安装的元器件，还可以在PCB的两面上同时安装，这也大大提高了PCB面积的利用率。

表面安装的元器件焊在PCB上的同一面。

　　另一方面，SMT也比THT的元器件要小，和使用THT元器件的PCB比起来，使用SMT技术的PCB板上元器件要密集很多。相比较而言，SMT封装元器件也比THT的要便宜，因此如今的PCB上大部分都是SMT。

　　因为目前PCB的生产过程中均采用全自动技术，尽管SMT元器件的安装焊点和元器件的接脚非常小，倒不会增加生产中的难度，不过，当出现故障维修时如果需要更换元器件，则对焊接技术提出了更高的要求。

PCB的设计流程

　　在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：

　　系统规划

　　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。

　　制作系统功能区块图

　　接下来必须要制作出系统的功能区块图。区块间的关系也必须要标示出来。

　　按功能不同分割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元器件的能力。系统功能区块图就提供了我们分割的依据。比如说对PC而言，就可以分成主板、显示卡、声卡、软盘和电源供应器等等。

　　设定板型、尺寸与安装方式

　　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，也要将线路图的质量与速度都考虑进去。

　　绘出PCB的电路原理图

　　概图中要表示出各元器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

　　电路模拟

　　为了确保设计出来的电路图可以正常运行，必须先用计算机软件来仿真模拟。这类软件有很多，大都可以读取概图，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。

　　将元器件放上PCB

　　元器件放置的方式，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。下面是总线在PCB上布线的样子。为了让各元器件都能够拥有完美的配线，放置的位置是很重要 的。

导线构成的PCB总线

PCB的设计流程

　　测试布线

　　如今，很多软件可以检查各元器件摆设的位置是否可以正确连接，或是检查是否正确运行。这项步骤称为安排元器件。如果电路设计有问题，在实地导出线路前，还可以重新安排元器件的位置。

　　导出PCB线路

　　在原理概图的连接，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的元器件层与焊接层。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)。

使用CAD软件作PCB导线设计

　　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，传送讯号的强弱，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，来避免讯号层上的传送讯号受到影响，并且可以当作讯号层的防护罩。

　　电路测试

　　为了确定线路能够正常运行，还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原理概图走。

　　电磁兼容性问题

　　没有照EMC(电磁兼容)规范设计的电子设备，运行过程中产生的电磁辐射可能便会影响自身的正常工作，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，并且要求设计时要减少对外来EMF、EMI、RFI等的磁化率。

　　换言之，EMC规定的目的就是要将电磁辐射控制在一定范围内。不过，从理论上讲，这其实是一项很难解决的问题，现实应用中大多会通过使用电源和地线层，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讯号层受干扰，金属盒的效用也差不多，能够起到一定的屏蔽作用。

　　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。

PCB的制造流程

　　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元器件间联机的布线。目前多采用负片转印(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移除。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加上铜线的方法，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。

　　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。

　　您可以由下面的图片看出铜线是如何布线的。

PCB的布线步骤

PCB的制造流程

　　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 technology，PTH)。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。

　　处理防焊层、网版印刷面和金手指部份电镀

　　接下来将防焊漆覆盖在最外层的布在线，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，以标示各元器件的位置，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，才能确保高质量的电流连接。

　　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。

　　元器件安装与焊接

　　最后一项步骤就是安装与焊接各元器件了。无论是THT与SMT元器件都利用机器设备来安装放置在PCB上。

　　THT 元器件通常都用叫做波峰焊接(Wave Soldering)的方式来焊接。这可以让所有元器件一次焊接上PCB。首先将接脚切割到靠近板子，并且稍微弯曲以让元器件能够固定。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元器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，在元器件安装在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。