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1、印制电路板是如何画出来的,准备：丁中华 2004年8月10日,内 容,第一部份 印刷电路板基本概念 第二部分 零件封装技术 第三部分 设计流程 第四部分 电磁兼容对PCB的重要性 第五部分 节省制造成本的方法,第一部份 印刷电路板基本概念印刷电路板（Printed circuit board，PCB）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PCB上。除了固定各种小零件外，PCB的主要功能是提供上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上的线路与零件也越来越密集了。 标准的PCB长得就像下图这样。,PDP视频主板（
2、四层）设计图纸,PC主板（四层）实物,裸板（上面没有零件）也常被称为印刷线路板Printed Wiring Board（PWB）。上面有零件:PCBA（Printed Circuit Board Assembly，印刷电路板装配）.,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（conductor pattern）或称布线，并用来提供PCB上零件的电路连接。,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。在最基本的PCB
3、（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的正反面分别被称为零件面（Component Side）与焊接面（Solder Side）。 如果PCB上有某些零件，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。上面看到的是ZIF（Zero Insertion Force，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
4、。 如果要将两块PCB相互连结，一般我们都会用到俗称金手指的边接头（edge connector）。,三星2410ARM9核心开发板,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。通常连接时，我们将其中一片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。 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，可以保护铜线，也可以防止零件被焊到不正确的地方（大多是绿色的，所以又叫绿油） 。在阻焊层上另外会印刷上一层丝网印刷面（silk
5、screen）。通常在这上面会印上文字与符号（大多是白色的，所以又叫白油），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）。,PCB丝印面 设计图纸,1.单面板（Single-Sided Boards） 我们刚刚提到过，在最基本的PCB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。,2.双面板（Double-Sided Boards） 这种电路板的两面都有布
6、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。 3.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PC
7、B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PCB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（Buried vias）和盲孔（Blind vias）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与表面PCB连接，不须穿透整个板子。埋孔则只连接内部的PCB，所以光是从表面是
8、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信号层（Signal），电源层（Power）或是地线层（Ground）。如果PCB上的零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。,埋孔（Buried vias）,盲孔（Blind vias）,第二部分 零件封装技术 1.插入式封装技术（Through Hole Technology） 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（Through Hole Technology，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
9、的空间，而且焊点也比较大。但另一方面，THT零件和SMT（Surface Mounted Technology，表面黏着式）零件比起来，与PCB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够耐压力，所以通常它们都是THT封装。,2.表面黏贴式封装技术（Surface Mounted Technology） 使用表面黏贴式封装（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。 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
10、比起来，使用SMT技术的PCB板上零件要密集很多。SMT封装零件也比THT的要便宜。所以现今的PCB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。,第三部分 设计流程 在PCB的设计中，其实在正式画板前，还要经过很漫长的准备步骤，以下就是主要设计的流程： 1.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。,2.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。,3.绘出所有PCB的电路原理图,
11、原理图中要表示出各零件间的相互连接细节。,4.将系统分割几个PCB 可分为：主板（mother board ）、背板：backplane 、连接板（connect board）、子板：daughter board 、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的大小 :,QFPQuad Flat Package 小型方块平面封装 BGABall Grid Array Package球栅阵列封装。 SOP-Small out
12、line Package短输出线双列扁平封装 DIP-Dual ln-line Package 双列直插式封装,5. 决定PCB大小,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，也要将线路图的品质与速度都考量进去。外观也是很重要的哦！那就去找机构工程师来解决吧、这将影响到装配的成功与否。,6.将零件放上PCB,一些定位元件需要机构工程师的确认才能放置、这与元件的高度也是密不可分的。,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
13、，不过在真正布线时，我们会再提到这个问题。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 ，这个在座各位比我熟悉。呵呵！ 一些经验丰富的RF工程师会给出重要的信息来指引PCB上的元件布局与布线。,7.决定零件放置的方式,8.仿真 为了确保设计出来的电路图可以正常运作，这有可能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，然后用手动测量要来的有效率多了。,9.导出PCB上线路。 在原理图中的连接，现在将会实地作成布线的样子。这项步骤可以是自动的，不过一般来说还是需要手动更改某些部
14、份。右边是样板的导线模板。红色和蓝色的部份，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。,9.布线设计规定每一次的设计，都必须要符合一套EMI（Electromagnetic Interference ）/SI（Signal Integrity）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。导线间距的确定应考虑到最坏的工作条件下导线之间的绝缘电阻和击穿电压。实践证明：导线的间距在1.5mm时，其绝缘电阻超过20M，允许电压可达300V；间距在1.0mm时，允许电压为200V，所以导线的间距通常应采用1.0
15、1.5mm。印刷电路板上的导线宽度，主要由导线（铜箔）与绝缘板之间粘附强度，通过它们的电流强度和最大允许温升确定的。如果在20时，允许有微小温升，导线宽度和允许电流的对应关系如下：（铜箔厚度为0.05mm=50um时）,由于印刷电路板上的导线具有一定的电阻，因此在电流通过时必然会产生电压降。在20时，宽度为1mm，厚度为0.05mm的导线其导线电流与电压降如下：当铜箔的厚度确定之后，两根印刷导线之间的分布电容容量的大小与线间距离成反比，与线间的平行长度成正比。在高频状态工作时，更要注意分布电容对电路的不良影响。一般情况下，线间电容和导线间距的分布电容量关系如下：,这些规定依照电路的速度，传送信
16、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。,10.布完导线后电路测试 （DRC）Design Rules Check,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原理图走。,11.建立制作档案工作底片（Artwork）,当所有的设计工作完成时，就得输出最终的作
17、品了；这就是通常讲的工作底片（Artwork） ，以便送到PCB制造厂商。 因为目前有许多设计PCB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。 Gerber Format简介 Gerber Format 是电子业之间通用的资料格式，而它是被用於设计完成与上线制造PCB的中间媒介， 就像土木或机械五金业常用的 Autocad 软体所输出的 DXF 或 HPGL 格式一般， 当设计师把图稿设计完成後所产生的与其它系统连结的工作资料档。这本是美国 Gerber 公司自行制定出来给该公司所生产的光学绘图机来使用的，也因此而称为 Gerber data ，但因为该格式颇能符合电子业间的需求，也因此大家广泛使用久而久之演变成一种业界标准的资料格式， 後来因为该格式被电子业广为接受慢慢的大家都称为 Gerber format。,
