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PCB线路板设计基础知识

  除了固定各种小零件外,PCB多层板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,PCB多层板上头的线路与零件也越来越密集了。标准的PCB多层板长得就像这样。裸板(上头没有零件)也常被称为「印刷线路板PrintedWiringBoard(PWB)」。

  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(conductorpattern)或称布线,并用来提供PCB多层板上零件的电路连接。

  为了将零件固定在PCB多层板上面,我们将它们的接脚直接焊在布线上。在最基本的PCB多层板(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,PCB多层板的正反面分别被称为零件面(ComponentSide)与焊接面(SolderSide)。

  如果PCB多层板上头有某些零件,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(Socket)。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ZIF(ZeroInsertionForce,零拨插力式)插座,它可以让零件(这里指的是CPU)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PCB多层板相互连结,一般我们都会用到俗称「金手指」的边接头(edgeconnector)。金手指上包含了许多裸露的铜垫,这些铜垫事实上也是PCB多层板布线的一部份。通常连接时,我们将其中一片PCB多层板上的金手指插进另一片PCB多层板上合适的插槽上(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。

  PCB多层板上的绿色或是棕色,是阻焊漆(soldermask)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(silkscreen)。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-SidedBoards)

  我们刚刚提到过,在最基本的PCB多层板上,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PCB多层板叫作单面板(Single-sided)。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(Double-SidedBoards)

  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多层板上,充满或涂上金属的小洞,

大有彩票平台   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。

大有彩票平台   多层板(Multi-LayerBoards)

  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多层板板。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PCB多层板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(via),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(Buriedvias)和盲孔(Blindvias)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PCB多层板与表面PCB多层板连接,不须穿透整个板子。埋孔则只连接内部的PCB多层板,所以光是从表面是看不出来的。

  在多层板PCB多层板中,整层都直接连接上地线与电源。所以我们将各层分类为信号层(Signal),电源层(Power)或是地线层(Ground)。如果PCB多层板上的零件需要不同的电源供应,通常这类PCB多层板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(ThroughHoleTechnology)

大有彩票平台   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(ThroughHoleTechnology,THT)」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,THT零件和SMT(SurfaceMountedTechnology,表面黏着式)零件比起来,与PCB多层板连接的构造比较好,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THT封装。

  表面黏贴式封装技术(SurfaceMountedTechnology)

  使用表面黏贴式封装(SurfaceMountedTechnology,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多层板上钻洞。

  表面黏贴式的零件,甚至还能在两面都焊上。

  SMT也比THT的零件要小。和使用THT零件的PCB多层板比起来,使用SMT技术的PCB多层板板上零件要密集很多。SMT封装零件也比THT的要便宜。所以现今的PCB多层板上大部分都是SMT,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。

大有彩票平台   设计流程

  在PCB多层板的设计中,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PCB多层板

  将系统分割数个PCB多层板的话,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PCB多层板的大小。

  当各PCB多层板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与速度都考量进去。

  绘出所有PCB多层板的电路概图

  概图中要表示出各零件间的相互连接细节。所有系统中的PCB多层板都必须要描出来,现今大多采用CAD(计算机辅助设计,ComputerAidedDesign)的方式。下面就是使用CircuitMakerTM设计的范例。

  PCB多层板的电路概图

  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PCB多层板,然后用手动测量要来的有效率多了。

  将零件放上PCB多层板

  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多层板上布线的样子。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,与高速下的正确运作

  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PCB多层板上线路

  在概图中的连接,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多层板的零件层与焊接层。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。最右方我们可以看到PCB多层板上的焊接面有金手指。这个PCB多层板的最终构图通常称为工作底片(Artwork)。

  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,电路对耗电与噪声的敏感度,以及材质品质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多层板的成本,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PCB多层板的CAD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Gerberfiles规格。一组Gerberfiles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。

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