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慶祝新版開張，俺也轉(zhuǎn)篇文章慶祝一下吧
我們要制作一件電子產(chǎn)品，通常是先設(shè)計(jì)電路原理圖。在電路原理圖上，用各種特定的符號(hào)代表不同的電子元器件，并把它們用線連接起來(lái)。一個(gè)電子工程師可以通過(guò)這些符號(hào)和連線清楚地看出電路工作原理和各個(gè)各部分的功能。如果電路設(shè)計(jì)無(wú)誤的話，你只需要準(zhǔn)備好所需的電子元器件，然后用導(dǎo)線把它們連接起來(lái)就能工作了。早期的電子產(chǎn)品大都如此，如果你家里還有一臺(tái)六七十年代的電子管收音機(jī)的話，你就可以看到那些凌亂的元器件和縱橫交錯(cuò)的導(dǎo)線。
好在電子管收音機(jī)的電路還算簡(jiǎn)單，但如果想做一個(gè)比較復(fù)雜的產(chǎn)品，比如說(shuō)一塊電腦主板，你可以想想看，如果還用上面的方法來(lái)做會(huì)是什么樣的結(jié)果。那可能需要幾萬(wàn)根電線，然后一根一根地進(jìn)行焊接，恐怕最熟練的工人也要累趴下。另外，用這樣的方法是無(wú)法進(jìn)行批量生產(chǎn)的。因此我們需要PCB。
PCB是什么
PCB是英文“Printed Circuit Board”的縮寫，直譯就是印制電路板的意思。其含義是：以絕緣材料為基板加工成一定尺寸的板，上面至少有一個(gè)導(dǎo)電圖形及所設(shè)計(jì)好的孔，以實(shí)現(xiàn)電子元器件之間的電氣連接，這樣的板稱為印制電路板。
一般來(lái)說(shuō)，PCB是敷銅板經(jīng)過(guò)蝕刻處理得到的。敷銅板有板基和銅箔組成，板基通常采用玻璃纖維等絕緣材料，上面覆蓋一層銅箔（通常采用無(wú)氧銅）。銅箔經(jīng)過(guò)蝕刻后就剩下一段一段曲曲折折的銅箔，這些銅箔稱為走線（trace）。這些走線的功能就相當(dāng)于電路原理圖中的那些連線，它們負(fù)責(zé)把元器件的引腳連接到一起。銅箔上鉆有一些孔，用來(lái)安裝電子元件，稱為鉆孔。而用于與元件引腳焊接的銅箔則稱為焊盤（Pad）。
顯然，PCB能為電子元器件提供固定、裝配的機(jī)械支撐，可實(shí)現(xiàn)電子元器件之間的電氣連接或絕緣。另外，我們還可以看到許多PCB上都印有元件的編號(hào)和一些圖形，這為元件插裝、檢查、維修提供了方便。
元件可通過(guò)哪些方式裝在PCB上
既然我們?cè)谇懊嬉呀?jīng)談到了PCB能為電子元器件提供機(jī)械支撐和電氣連接，那么這些電子元件又是如何安裝在PCB上的呢？其實(shí)，電子元件有很多種封裝形式，不同封裝形式的元件在PCB上的安裝方式也是不同的。傳統(tǒng)的電子元件大都是插針式的，體積較大，對(duì)于這種元件，需要在PCB上鉆孔后才能安裝。元件引腳從鉆孔穿過(guò)焊接在PCB另一面的焊盤上，焊接完成后還要剪除多余的引腳。但是現(xiàn)在電腦板卡更多采用的是成本低、體積小的SMD表面貼裝元件，因而無(wú)需在PCB上鉆孔，只要粘在設(shè)計(jì)好的位置上，把元件焊接在焊盤上即可。可元件除了可以直接焊接在PCB上之外，還可以通過(guò)插座安裝。例如大家熟知的BIOS芯片大多就是用插座安裝在主板上的。
在一些資料中常提到元件面和焊接面的概念。所謂元件面，就是電子元器件所在的那個(gè)面，焊接面就是元件的引腳通過(guò)焊錫與PCB上的焊盤連接的那個(gè)面，它是我們焊接用的。對(duì)于插針式元件，焊點(diǎn)和元件分別處于PCB的兩個(gè)面上，元件只能處于元件面，否則將給焊接帶來(lái)巨大的麻煩。對(duì)于SMD元件來(lái)說(shuō)，焊點(diǎn)和元件都在一個(gè)面上，所以元件可以在PCB的任意一個(gè)面甚至兩個(gè)面上。
為什么PCB要做成多層
對(duì)于最基本的PCB，元件集中在一面，導(dǎo)線則集中在另一面，因?yàn)橹荒茉谄渲幸幻娌季�，所以我們就稱這種PCB為單面板。雙面板的兩面都可以布線，因此布線面積比單面板大一倍，適合用在更復(fù)雜的電路上。
對(duì)于收音機(jī)這種簡(jiǎn)單電路來(lái)說(shuō)，使用單面板或雙面板制造就行了。但隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，電路的復(fù)雜程度大幅提高，對(duì)PCB的電氣性能也提出了更高的要求，如果還采用單面板或雙面板的話，電路體積會(huì)很大，給布線也帶來(lái)了很大困難，除此之外，線路間的電磁干擾也不好處理，于是就出現(xiàn)了多層板（層數(shù)代表有幾層獨(dú)立的布線層，通常都是偶數(shù)）。
使用多層板的優(yōu)點(diǎn)有：裝配密度高，體積小；電子元器件之間的連線縮短，信號(hào)傳輸速度提高；方便布線；對(duì)于高頻電路，加入地線層，使信號(hào)線對(duì)地形成恒定的低阻抗；屏蔽效果好。但是層數(shù)越多成本越高，加工周期也更長(zhǎng)，質(zhì)量檢測(cè)比較麻煩。
我們常見的電腦板卡通常采用四層板或六層板，不過(guò)現(xiàn)在已有超過(guò)100層的實(shí)用印制線路板了。六層板與四層板的區(qū)別是在中間，即地線層和電源層之間多了兩個(gè)內(nèi)部信號(hào)層，比四層板厚一些。
多層板實(shí)際上是由蝕刻好的幾塊單面板或雙面板經(jīng)過(guò)層壓、粘合而成的。雙面板很容易分辨，對(duì)著燈光看，除了兩面的走線外，其它地方都是透光的。對(duì)于四層板和六層板來(lái)說(shuō)，因?yàn)镻CB中的各層結(jié)合得十分緊密，如果板卡上有相應(yīng)的標(biāo)記，就沒(méi)有很好的辦法進(jìn)行區(qū)分。
過(guò)孔（VIA）——電路的“橋梁”
介紹了多層板，大家心中或許會(huì)出現(xiàn)一個(gè)疑問(wèn)，層與層之間應(yīng)該是絕緣的，那它們之間的電路如何發(fā)生關(guān)系呢？為了實(shí)現(xiàn)各層之間的電氣連接，在PCB的絕緣層上打孔，然后在孔壁上鍍銅，就可以連通內(nèi)外層電路了，這種孔稱為過(guò)孔，通孔或者貫孔等。對(duì)于多層板來(lái)說(shuō)，過(guò)孔分為幾種：貫穿所有層的穿透式過(guò)孔，只能在一個(gè)面看到的半隱藏式過(guò)孔和看不見的全隱藏式過(guò)孔。
除了通過(guò)電鍍形成過(guò)孔外，最近還普及了空內(nèi)填入“導(dǎo)電膏”制作導(dǎo)通孔的方法。導(dǎo)電膏是在樹脂里加入金屬顆粒的膏狀物，填充到孔里一旦固化，金屬顆粒之間互相接觸，就可以連通電路。這樣形成的孔叫做金屬導(dǎo)通孔，銀顆粒導(dǎo)電膏所形成的孔叫做“銀導(dǎo)通孔”，最近還開始使用銅顆粒的導(dǎo)電膏。
可以看到，過(guò)孔是連接電路的“橋梁”，但是“橋梁”也是不能亂搭的，對(duì)于兩點(diǎn)之間的連線而言，經(jīng)過(guò)的過(guò)孔太多會(huì)導(dǎo)致可靠性下降。
布線的學(xué)問(wèn)
蛇行線的誤區(qū)
在許多板卡的試用報(bào)告中都可以看到類似這樣的描述：“做工不錯(cuò)，板上的蛇行線也很多”。也許大家對(duì)布線的認(rèn)識(shí)就是從蛇行線開始的，那么蛇行線究竟是怎么一回事呢？
通常所說(shuō)的蛇行線是指那種呈連續(xù)S形變化的布線。直觀地看，需要連接地兩點(diǎn)之間沒(méi)有阻礙，本來(lái)是可以布成直線連通的，但卻實(shí)際采用了蛇行布線。從理論上來(lái)看，蛇行線有這些作用：形成一個(gè)微小的電感，抑制線上的信號(hào)電流的變化；保證某些線路的等長(zhǎng)；能在一定程度上抑制串?dāng)_。可以看出，這只是一種局部的布線方式，設(shè)計(jì)人員要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)采用，并不能以蛇行線的多少來(lái)判斷PCB布線的優(yōu)劣。
粗細(xì)有別
我們?cè)谟^察PCB時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)走線有粗有細(xì)，粗的地方通常是電源線和地線，而細(xì)的則是數(shù)據(jù)線。這是因?yàn)殡娫淳�和地線要通過(guò)比較大的電流，應(yīng)盡可能粗一些。因此，空余的地方往往被成片的銅箔覆蓋作為地線。數(shù)據(jù)線上通過(guò)的電流較小，就可以設(shè)計(jì)得比較細(xì)，而且細(xì)的連線也更有利于布線。
拐彎也有講究
PCB上的走線不可能全是直線，因此就要涉及到轉(zhuǎn)向的問(wèn)題。設(shè)計(jì)上通常要求走線在轉(zhuǎn)向時(shí)不能是直角，而是45度角（指與線延伸方向的夾角度）左右。這是因?yàn)橹苯呛弯J角的圖形在高頻電路中會(huì)影響電氣性能，而且在高溫情況下容易剝落，所以通常要求走線的轉(zhuǎn)向處為鈍角或圓角。
我們對(duì)電腦板卡的第一印象恐怕就是它的顏色，除了最常見的綠色和棕色外，還有藍(lán)色、紅色、黑色、紫色等，那么這些顏色到底有什么意義呢？要回答這個(gè)問(wèn)題，我們先思考一下為什么PCB上其它銅導(dǎo)線不上錫呢。在PCB上除了需要錫焊的焊盤等部分外，其余部分的表面有一層耐波峰焊的阻焊膜，其作用是防止進(jìn)行波峰焊時(shí)產(chǎn)生橋接現(xiàn)象，提高焊接質(zhì)量和節(jié)約焊料等優(yōu)點(diǎn)。它也是印制板的永久性保護(hù)層，能起到防潮，防腐蝕，防霉和機(jī)械擦傷等作用。阻焊膜多數(shù)為綠色，所以在PCB行業(yè)常把阻焊油叫成綠油，PCB的顏色實(shí)際就是阻焊油的顏色。如果阻焊油加入其它的化學(xué)原料就可以改變它的顏色，但是顏色只是起到裝飾作用，對(duì)性能是沒(méi)有什么影響的。
看似尋常的細(xì)節(jié)
安裝孔就是固定板卡的螺絲孔，如果不是用于接地的話，周圍5mm內(nèi)不能用銅箔。這些孔是用于接地的，所以周圍有一圈銅箔。這樣，板卡的地線通過(guò)金屬螺絲與機(jī)箱的金屬外殼相連，可以起到屏蔽作用。
基準(zhǔn)點(diǎn)
大量采用SMD元件的板卡通常元件非常密集，某些大規(guī)模集成電路的引腳排列更加密集，要采用自動(dòng)化設(shè)備對(duì)PCB進(jìn)行元件貼放就要求非常高的精密度。為了滿足這一要求，通常在PCB上設(shè)計(jì)有基準(zhǔn)點(diǎn)，以幫助自動(dòng)化設(shè)備對(duì)準(zhǔn)PCB。PCB上通常有全局基準(zhǔn)點(diǎn)和局部基準(zhǔn)點(diǎn)，在整個(gè)PCB的對(duì)角線上看到的兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)是全局基準(zhǔn)點(diǎn)，在密間距QFP、TSOP和BGA封裝的元件的對(duì)角線上看到的是局部基準(zhǔn)點(diǎn)。有了這些基準(zhǔn)點(diǎn)，所有的元件就能與PCB上設(shè)計(jì)的位置精確重合。
PCB是如何制造出來(lái)的
隨便拿一塊主板看看，你可能會(huì)覺(jué)得不可思議，如此復(fù)雜的電路是怎么做成PCB的呢？要制作PCB，首先要用專門的軟件（如Protel）設(shè)計(jì)電路原理圖，然后將原理圖導(dǎo)入PCB設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行布局，也就是確定每個(gè)元器件在PCB上的位置。位置確定好后，就要軟件中的畫線工具把這些元器件連接到一起，這些線就是PCB上實(shí)際的銅箔了。連線是不可以隨意交叉的，交叉就意味著電氣上的連接，只有電路原理圖中允許連接的才能交叉。所以我們PCB上的銅箔連線都是曲曲折折、繞來(lái)繞去的。
PCB圖設(shè)計(jì)好以后，就可以由工廠來(lái)加工了。
可以看到，PCB的制造并不那么簡(jiǎn)單。如果是制造多層板，其加工工藝更加復(fù)雜，成本也更高。實(shí)際上，PCB在電腦板卡的成本中所占的比例是較大的，這就是為什么有的板卡為了降低成本而使用四層板設(shè)計(jì)的原因。
總的來(lái)說(shuō)，PCB的設(shè)計(jì)制造是一門復(fù)雜的學(xué)問(wèn)，即使市面上那些不起眼的小廠生產(chǎn)的電腦板卡也都是專業(yè)PCB工程師設(shè)計(jì)的。當(dāng)你購(gòu)買電腦板卡時(shí)，不妨先欣賞一下PCB。 |
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發(fā)表于 2009-6-24 11:46:56
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