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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)計電路原理圖。在電路原理圖上，用各種特定的符號代表不同的電子元器件，并把它們用線連接起來。一個電子工程師可以通過這些符號和連線清楚地看出電路工作原理和各個各部分的功能。如果電路設(shè)計無誤的話，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的導(dǎo)線。
好在電子管收音機(jī)的電路還算簡單，但如果想做一個比較復(fù)雜的產(chǎn)品，比如說一塊電腦主板，你可以想想看，如果還用上面的方法來做會是什么樣的結(jié)果。那可能需要幾萬根電線，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，上面至少有一個導(dǎo)電圖形及所設(shè)計好的孔，以實現(xiàn)電子元器件之間的電氣連接，這樣的板稱為印制電路板。
一般來說，PCB是敷銅板經(jīng)過蝕刻處理得到的。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（通常采用無氧銅）。銅箔經(jīng)過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。
元件可通過哪些方式裝在PCB上
既然我們在前面已經(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，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，因而無需在PCB上鉆孔，只要粘在設(shè)計好的位置上，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面，焊接面就是元件的引腳通過焊錫與PCB上的焊盤連接的那個面，它是我們焊接用的。對于插針式元件，焊點(diǎn)和元件分別處于PCB的兩個面上，元件只能處于元件面，否則將給焊接帶來巨大的麻煩。對于SMD元件來說，焊點(diǎn)和元件都在一個面上，所以元件可以在PCB的任意一個面甚至兩個面上。
為什么PCB要做成多層
對于最基本的PCB，元件集中在一面，導(dǎo)線則集中在另一面，因為只能在其中一面布線，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。
對于收音機(jī)這種簡單電路來說，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，電路體積會很大，給布線也帶來了很大困難，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，信號傳輸速度提高；方便布線；對于高頻電路，加入地線層，使信號線對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，質(zhì)量檢測比較麻煩。
我們常見的電腦板卡通常采用四層板或六層板，不過現(xiàn)在已有超過100層的實用印制線路板了。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內(nèi)部信號層，比四層板厚一些。
多層板實際上是由蝕刻好的幾塊單面板或雙面板經(jīng)過層壓、粘合而成的。雙面板很容易分辨，對著燈光看，除了兩面的走線外，其它地方都是透光的。對于四層板和六層板來說，因為PCB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，就沒有很好的辦法進(jìn)行區(qū)分。
過孔（VIA）——電路的“橋梁”
介紹了多層板，大家心中或許會出現(xiàn)一個疑問，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，這種孔稱為過孔，通孔或者貫孔等。對于多層板來說，過孔分為幾種：貫穿所有層的穿透式過孔，只能在一個面看到的半隱藏式過孔和看不見的全隱藏式過孔。
除了通過電鍍形成過孔外，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，過孔是連接電路的“橋梁”，但是“橋梁”也是不能亂搭的，對于兩點(diǎn)之間的連線而言，經(jīng)過的過孔太多會導(dǎo)致可靠性下降。
布線的學(xué)問
蛇行線的誤區(qū)
在許多板卡的試用報告中都可以看到類似這樣的描述：“做工不錯，板上的蛇行線也很多”。也許大家對布線的認(rèn)識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)之間沒有阻礙，本來是可以布成直線連通的，但卻實際采用了蛇行布線。從理論上來看，蛇行線有這些作用：形成一個微小的電感，抑制線上的信號電流的變化；保證某些線路的等長；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)計人員要根據(jù)實際情況來采用，并不能以蛇行線的多少來判斷PCB布線的優(yōu)劣。
粗細(xì)有別
我們在觀察PCB時會發(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。這是因為電源線和地線要通過比較大的電流，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)線上通過的電流較小，就可以設(shè)計得比較細(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)向的問題。設(shè)計上通常要求走線在轉(zhuǎn)向時不能是直角，而是45度角（指與線延伸方向的夾角度）左右。這是因為直角和銳角的圖形在高頻電路中會影響電氣性能，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？要回答這個問題，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，對性能是沒有什么影響的。
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，要采用自動化設(shè)備對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)計有基準(zhǔn)點(diǎn)，以幫助自動化設(shè)備對準(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PCB的對角線上看到的兩個基準(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)計的位置精確重合。
PCB是如何制造出來的
隨便拿一塊主板看看，你可能會覺得不可思議，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)計電路原理圖，然后將原理圖導(dǎo)入PCB設(shè)計軟件進(jìn)行布局，也就是確定每個元器件在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、繞來繞去的。
PCB圖設(shè)計好以后，就可以由工廠來加工了。
可以看到，PCB的制造并不那么簡單。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)計的原因。
總的來說，PCB的設(shè)計制造是一門復(fù)雜的學(xué)問，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)計的。當(dāng)你購買電腦板卡時，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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