PCB设计必看的基础知识.docx
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PCB设计必看的基础知识
设计必看的基础知识
设计必看的基础知识
作为在行业领域的人士来说,抄板,设计基础知识必须得牢固掌握,以下就是设计的一些基础知识希望对设计的人士能有所帮助。
印刷电路板(,)几乎会出现在每一种电子设备当中。
如果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上。
除了固定各种小零件外,的主要功能是提供上头各项零件的相互电气连接。
随着电子设备越来越复杂,需要的零件越来越多,上头的线路及零件也越来越密集了。
标准的设计长得就像这样。
裸板(上头没有零件)也常被称为「印刷线路板()」。
板子本身的基板是由绝缘隔热、并不易弯曲的材质所制作成。
在表面可以看到的细小线路材料是铜箔,原本铜箔是覆盖在整个板子上的,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。
这些线路被称作导线()或称布线,并用来提供上零件的电路连接。
为了将零件固定在上面,我们将它们的接脚直接焊在布线上。
在最基本的(单面板)上,零件都集中在其中一面,导线则都集中在另一面。
这么一来我们就需要在板子上打洞,这样接脚才能穿过板子到另一面,所以零件的接脚是焊在另一面上的。
因为如此,的正反面分别被称为零件面()及焊接面()。
如果上头有某些零件,需要在制作完成后也可以拿掉或装回去,那么该零件安装时会用到插座()。
由于插座是直接焊在板子上的,零件可以任意的拆装。
下面看到的是(,零拨插力式)插座,它可以让零件(这里指的是)可以轻松插进插座,也可以拆下来。
插座旁的固定杆,可以在您插进零件后将其固定。
如果要将两块相互连结,一般我们都会用到俗称「金手指」的边接头()。
金手指上包含了许多裸露的铜垫,这些铜垫事实上也是布线的一部份。
通常连接时,我们将其中一片上的金手指插进另一片上合适的插槽上(一般叫做扩充槽)。
在计算机中,像是显示卡,声卡或是其它类似的界面卡,都是借着金手指来及主机板连接的。
上的绿色或是棕色,是阻焊漆()的颜色。
这层是绝缘的防护层,可以保护铜线,也可以防止零件被焊到不正确的地方。
在阻焊层上另外会印刷上一层丝网印刷面()。
通常在这上面会印上文字及符号(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()。
单面板()我们刚刚提到过,在最基本的上,零件集中在其中一面,导线则集中在另一面上。
因为导线只出现在其中一面,所以我们就称这种叫作单面板()。
因为单面板在设计线路上有许多严格的限制(因为只有一面,布线间不能交叉而必须绕独自的路径),所以只有早期的电路才使用这类的板子。
双面板()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()。
导孔是在上,充满或涂上金属的小洞,它可以及两面的导线相连接。
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。
多层板()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集群代替,超多层板已经渐渐不被使用了。
因为中的各层都紧密的结合,一般不太容易看出实际数目,不过如果您仔细观察主机板,也许可以看出来。
我们刚刚提到的导孔(),如果应用在双面板上,那么一定都是打穿整个板子。
不过在多层板当中,如果您只想连接其中一些线路,那么导孔可能会浪费一些其它层的线路空间。
埋孔()和盲孔()技术可以避免这个问题,因为它们只穿透其中几层。
盲孔是将几层内部及表面连接,不须穿透整个板子。
埋孔则只连接内部的,所以光是从表面是看不出来的。
在多层板中,整层都直接连接上地线及电源。
所以我们将各层分类为信号层(),电源层()或是地线层()。
如果上的零件需要不同的电源供应,通常这类设计会有两层以上的电源及电线层。
零件封装技术
插入式封装技术()
将零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(,)」封装。
这种零件会需要占用大量的空间,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,而且焊点也比较大。
但另一方面,零件和(,表面黏着式)零件比起来,及连接的构造比较好,关于这点我们稍后再谈。
像是排线的插座,和类似的界面都需要能耐压力,所以通常它们都是封装。
表面黏贴式封装技术()
使用表面黏贴式封装(,)的零件,接脚是焊在及零件同一面。
这种技术不用为每个接脚的焊接,而都在上钻洞。
表面黏贴式的零件,甚至还能在两面都焊上。
也比的零件要小。
和使用零件的比起来,使用技术的板上零件要密集很多。
封装零件也比的要便宜。
所以现今的上大部分都是,自然不足为奇。
因为焊点和零件的接脚非常的小,要用人工焊接实在非常难。
不过如果考虑到目前的组装都是全自动的话,这个问题只会出现在修复零件的时候吧。
设计流程
在的设计中,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。
包含了系统功能,成本限制,大小,运作情形等等。
系统功能区块图
接下来必须要制作出系统的功能方块图。
方块间的关系也必须要标示出来。
将系统分割几个
将系统分割数个的话,不仅在尺寸上可以缩小,也可以让系统具有升级及交换零件的能力。
系统功能方块图就提供了我们分割的依据。
像是计算机就可以分成主机板、显示卡、声卡、软盘驱动器和电源等等。
决定使用封装方法,和各的大小
当各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,也要将线路图的品质及速度都考量进去。
绘出所有的电路概图
概图中要表示出各零件间的相互连接细节。
所有系统中的都必须要描出来,现今大多采用(计算机辅助设计,)的方式。
下面就是使用设计的范例。
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可以正常运作,这必须先用计算机软件来仿真一次。
这类软件可以读取设计图,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,然后用手动测量要来的有效率多了。
将零件放上
零件放置的方式,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及路径相连接。
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。
下面是总线在上布线的样子。
为了让各零件都能够拥有完美的配线,放置的位置是很重要的。
测试布线可能性,及高速下的正确运作
现今的部份计算机软件,可以检查各零件摆设的位置是否可以正确连接,或是检查在高速运作下,这样是否可以正确运作。
这项步骤称为安排零件,不过我们不会太深入研究这些。
如果电路设计有问题,在实地导出线路前,还可以重新安排零件的位置。
导出上线路
在概图中的连接,现在将会实地做成布线的样子。
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,分别代表的零件层及焊接层。
白色的文字及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及导孔。
最右方我们可以看到上的焊接面有金手指。
这个的最终构图通常称为工作底片()。
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,传送信号的强弱,电路对耗电及噪声的敏感度,以及材质品质及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,来避免信号层上的传送信号受到影响,并且可以当作信号层的防护罩。
导线后电路测试
为了确定线路在导线后能够正常运作,它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概图走。
建立制作档案
因为目前有许多设计的工具,制造厂商必须有符合标准的档案,才能制造板子。
标准规格有好几种,不过最常用的是规格。
一组包括各信号、电源以及地线层的平面图,阻焊层及网板印刷面的平面图,以及钻孔及取放等指定档案
电磁兼容问题
没有照(电磁兼容)规格设计的电子设备,很可能会散发出电磁能量,并且干扰附近的电器。
对电磁干扰(),电磁场()和射频干扰()等都规定了最大的限制。
这项规定可以确保该电器及附近其它电器的正常运作。
对一项设备,散射或传导到另一设备的能量有严格的限制,并且设计时要减少对外来、、等的磁化率。
换言之,这项规定的目的就是要防止电磁能量进入或由装置散发出。
这其实是一项很难解决的问题,一般大多会使用电源和地线层,或是将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信号层受干扰,金属盒的效用也差不多。
对这些问题我们就不过于深入了。
电路的最大速度得看如何照规定做了。
内部的,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,会比大更适合在高速下运作。
制造流程
的制造过程由玻璃环氧树脂()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零件间联机的布线。
我们采用负片转印()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消除。
追加式转印()是另一种比较少人使用的方式,这是只在需要的地方敷上铜线的方法,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。
接下来的流程图,介绍了导线如何焊在基板上。
正光阻剂()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层的模板。
在板上的光阻剂经过光曝光之前,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(),碱性氨(),硫酸加过氧化氢(+),和氯化铜()等。
蚀刻结束后将剩下的光阻剂去除掉。
这称作脱膜()程序。
钻孔及电镀
如果制作的是多层板,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及电镀。
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,,)。
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,而它会覆盖住内部层,所以要先清掉。
清除及电镀动作都会在化学制程中完成。
多层压合
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。
处理阻焊层、网版印刷面和金手指部份电镀
接下来将阻焊漆覆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,才能确保高品质的电流连接。
测试
测试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()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。
零件安装及焊接
最后一项步骤就是安装及焊接各零件了。
无论是及零件都利用机器设备来安装放置在上。
零件通常都用叫做波峰焊接()的方式来焊接。
这可以让所有零件一次焊接上。
首先将接脚切割到靠近板子,并且稍微弯曲以让零件能够固定。
接着将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。
自动焊接零件的方式则称为再流回焊接()。
里头含有助溶剂及焊料的糊状焊接物,在零件安装在上后先处理一次,经过加热后再处理一次。
待冷却之后焊接就完成了,接下来就是准备进行的最终测试了
节省制造成本的方法
为了让的成本能够越低越好,有许多因素必须要列入考量:
板子的大小自然是个重点。
板子越小成本就越低。
部份的尺寸已经成为标准,只要照着尺寸作那么成本就自然会下降。
网站上有一些关于标准尺寸的信息。
使用会比来得省钱,因为上的零件会更密集(也会比较小)。
另一方面,如果板子上的零件很密集,那么布线也必须更细,使用的设备也相对的要更高阶。
同时使用的材质也要更高级,在导线设计上也必须要更小心,以免造成耗电等会对电路造成影响的问题。
这些问题带来的成本,可比缩小尺寸所节省的还要多。
层数越多成本越高,不过层数少的通常会造成大小的增加。
钻孔需要时间,所以导孔越少越好。
埋孔比贯穿所有层的导孔要贵。
因为埋孔必须要在接合前就先钻好洞。
板子上孔的大小是依照零件接脚的直径来决定。
如果板子上有不同类型接脚的零件,那么因为机器不能使用同一个钻头钻所有的洞,相对的比较耗时间,也代表制造成本相对提升。
使用飞针式探测方式的电子测试,通常比光学方式贵。
一般来说光学测试已经足够保证上没有任何错误。
总而言之,厂商在设备上下的工夫也是越来越复杂了。
了解的制造过程是很有用的,因为当我们在比较主机板时,相同效能的板子成本可能不同,稳定性也各异,这也让我们得以比较各厂商的能力。
好的工程师可以光看主机板设计,就知道设计品质的好坏。
您也许自认没那么强,不过下次您拿到主机板或是显示卡时,不妨先鉴赏一下设计之美吧!
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