http://nthucad.cs.nthu.edu.tw/~peng/tech/knowledge/2001_1228_pcb/2001_1228_pcb.htm

 

印刷電路板入門

(Source: http://www.big5.tomshardware.com/howto/01q3/010814/index.html)

 

目錄

導論

什麼是PCB

PCB的種類

零件封裝技術

設計流程

電磁相容問題

製造流程

節省製造成本的方法

 

 

導論

 

我們在Tom's硬體指南上為各位介紹的主機板,或是顯示卡等等的電腦零件,它們最重要的部份,莫過於印刷電路板(Printed circuit boardPCB)了。您可以由它身上測得各項生硬的規格以及測試數據,不過另一方面,您也可以仔細研究它,看看許多設計者將他們的藝術才能,都發揮在這精密的製造過程上。PCB本身可說是電子設計之美,以及純熟技術的結合。接下來我們將帶領各位看看PCB的世界,雖然我們不敢說探討到多艱深的技術,不過我們儘可能的讓這篇文章涵蓋的範圍更廣,為各位讀者們提供一個大概的觀念。

 

什麼是PCB

 

印刷電路板(Printed circuit boardPCB)幾乎會出現在每一種電子設備當中。如果在某樣設備中有電子零件,那麼它們也都是鑲在大小各異的PCB上。除了固定各種小零件外,PCB的主要功能是提供上頭各項零件的相互電流連接。隨著電子設備越來越複雜,需要的零件越來越多,PCB上頭的線路與零件也越來越密集了。

 

 

標準的PCB長得就像這樣。裸板(上頭沒有零件)也常被稱為「印刷線路板Printed Wiring BoardPWB)」。

 

板子本身的底座是由絕緣隔熱、並無法彎曲的材質所製作成。在表面可以看到的細小線路材料是銅箔,原本銅箔是覆蓋在整個板子上的,而在製造過程中部份被蝕刻處理掉,留下來的部份就變成網狀的細小線路了。這些線路被稱作導線(conductor pattern)或稱佈線,並用來提供PCB上零件的電路連接。

 

導線(Conductor Pattern

 

為了將零件固定在PCB上面,我們將它們的接腳直接焊在佈線上。在最基本的PCB(單面板)上,零件都集中在其中一面,導線則都集中在另一面。這麼一來我們就需要在板子上打洞,這樣接腳才能穿過板子到另一面,所以零件的接腳是焊在另一面上的。因為如此,PCB的正反面分別被稱為零件面(Component Side)與焊接面(Solder Side)。

 

如果PCB上頭有某些零件,需要在製作完成後也可以拿掉或裝回去,那麼該零件安裝時會用到插座(Socket)。由於插座是直接焊在板子上的,零件可以任意的拆裝。下面看到的是ZIFZero Insertion Force,不費力式)插座,它可以讓零件(這裡指的是CPU)可以輕鬆插進插座,也可以拆下來。插座旁的固定桿,可以在您插進零件後將其固定。

 

ZIF插座

 

如果要將兩塊PCB相互連結,一般我們都會用到俗稱「金手指」的邊接頭(edge connector)。金手指上包含了許多裸露的銅墊,這些銅墊事實上也是PCB佈線的一部份。通常連接時,我們將其中一片PCB上的金手指插進另一片PCB上合適的插槽上(一般叫做擴充槽Slot)。在電腦中,像是顯示卡,音效卡或是其他類似的界面卡,都是藉著金手指來與主機板連接的。

 

邊接頭(俗稱金手指)

 

AGP擴充槽

 

PCB上的綠色或是棕色,是防焊漆(solder mask)的顏色。這層是絕緣的防護層,可以保護銅線,也可以防止零件被焊到不正確的地方。在防焊層上另外會印刷上一層網版印刷面(silk screen)。通常在這上面會印上文字與符號(大多是白色的),以標示出各零件在板子上的位置。網版印刷面也被稱作圖標面(legend)。

 

有白色圖標面的綠色PCB

 

沒有圖標面的棕色PCB

 

PCB的種類

 

1. 單面板(Single-Sided Boards

 

我們剛剛提到過,在最基本的PCB上,零件集中在其中一面,導線則集中在另一面上。因為導線只出現在其中一面,所以我們就稱這種PCB叫作單面板(Single-sided)。因為單面板在設計線路上有許多嚴格的限制(因為只有一面,佈線間不能交叉而必須繞獨自的路徑),所以只有早期的電路才使用這類的板子。

 

單面PCB表面

 

單面PCB底面

 

2. 雙面板(Double-Sided Boards

 

這種電路板的兩面都有佈線。不過要用上兩面的導線,必須要在兩面間有適當的電路連接才行。這種電路間的「橋樑」叫做導孔(via)。導孔是在PCB上,充滿或塗上金屬的小洞,它可以與兩面的導線相連接。因為雙面板的面積比單面板大了一倍,而且因為佈線可以互相交錯(可以繞到另一面),它更適合用在比單面板更複雜的電路上。

 

雙面PCB表面

 

雙面PCB底面

 

多層板(Multi-Layer Boards

 

為了增加可以佈線的面積,多層板用上了更多單或雙面的佈線板。多層板使用數片雙面板,並在每層板間放進一層絕緣層後黏牢(壓合)。板子的層數就代表了有幾層獨立的佈線層,通常層數都是偶數,並且包含最外側的兩層。大部分的主機板都是48層的結構,不過技術上可以做到近100層的PCB板。大型的超級電腦大多使用相當多層的主機板,不過因為這類電腦已經可以用許多普通電腦的群組代替,超多層板已經漸漸不被使用了。因為PCB中的各層都緊密的結合,一般不太容易看出實際數目,不過如果您仔細觀察主機板,也許可以看出來。

 

我們剛剛提到的導孔(via),如果應用在雙面板上,那麼一定都是打穿整個板子。不過在多層板當中,如果您只想連接其中一些線路,那麼導孔可能會浪費一些其他層的線路空間。埋孔(Buried vias)和盲孔(Blind vias)技術可以避免這個問題,因為它們只穿透其中幾層。盲孔是將幾層內部PCB與表面PCB連接,不須穿透整個板子。埋孔則只連接內部的PCB,所以光是從表面是看不出來的。

 

在多層板PCB中,整層都直接連接上地線與電源。所以我們將各層分類為訊號層(Signal),電源層(Power)或是地線層(Ground)。如果PCB上的零件需要不同的電源供應,通常這類PCB會有兩層以上的電源與地線層。

 

零件封裝技術

 

1. 插入式封裝技術(Through Hole Technology

 

將零件安置在板子的一面,並將接腳焊在另一面上,這種技術稱為「插入式(Through Hole TechnologyTHT)」封裝。這種零件會需要佔用大量的空間,並且要為每隻接腳鑽一個洞。所以它們的接腳其實佔掉兩面的空間,而且焊點也比較大。但另一方面,THT零件和SMTSurface Mounted Technology,表面黏著式)零件比起來,與PCB連接的構造比較好,關於這點我們稍後再談。像是排線的插座,和類似的界面都需要能耐壓力,所以通常它們都是THT封裝。

 

THT零件(焊接在底部)

 

2. 表面黏著式封裝技術(Surface Mounted Technology

 

使用表面黏著式封裝(Surface Mounted TechnologySMT)的零件,接腳是焊在與零件同一面。這種技術不用為每個接腳的焊接,而都在PCB上鑽洞。

 

   

表面黏著式零件

 

表面黏著式的零件,甚至還能在兩面都焊上。

 

表面黏著式的零件焊在PCB上的同一面。

 

SMT也比THT的零件要小。和使用THT零件的PCB比起來,使用SMT技術的PCB板上零件要密集很多。SMT封裝零件也比THT的要便宜。所以現今的PCB上大部分都是SMT,自然不足為奇。

 

因為焊點和零件的接腳非常的小,要用人工焊接實在非常難。不過如果考慮到目前的組裝都是全自動的話,這個問題只會出現在修復零件的時候吧。

 

設計流程

 

PCB的設計中,其實在正式佈線前,還要經過很漫長的步驟,以下就是主要設計的流程:

 

1. 系統規格

首先要先規劃出該電子設備的各項系統規格。包含了系統功能,成本限制,大小,運作情形等等。

 

2. 系統功能區塊圖

接下來必須要製作出系統的功能區塊圖。區塊間的關係也必須要標示出來。

 

3. 將系統分割幾個PCB

將系統分割數個PCB的話,不僅在尺寸上可以縮小,也可以讓系統具有升級與交換零件的能力。系統功能區塊圖就提供了我們分割的依據。像是電腦就可以分成主機板、顯示卡、音效卡、軟碟和電源供應器等等。

 

4. 決定使用封裝方法,和各PCB的大小

當各PCB使用的技術和電路數量都決定好了,接下來就是決定板子的大小了。如果設計的過大,那麼封裝技術就要改變,或是重新作分割的動作。在選擇技術時,也要將線路圖的品質與速度都考量進去。

 

5. 繪出所有PCB的電路概圖

概圖中要表示出各零件間的相互連接細節。所有系統中的PCB都必須要描出來,現今大多採用CAD(電腦輔助設計,Computer Aided Design)的方式。下面就是使用CircuitMakerTM設計的範例。

CircuitMakerTM: http://www.circuitmaker.com/products/cm2000.htm

 

 

PCB的電路概圖

 

初步設計的模擬運作 為了確保設計出來的電路圖可以正常運作,這必須先用電腦軟體來模擬一次。這類軟體可以讀取概圖,並且用許多方式顯示電路運作的情況。這比起實際做出一塊樣本PCB,然後用手動測量要來的有效率多了。

 

將零件放上PCB

 

零件放置的方式,是根據它們之間如何相連來決定的。它們必須以最有效率的方式與路徑相連接。所謂有效率的佈線,就是牽線越短並且通過層數越少(這也同時減少導孔的數目)越好,不過在真正佈線時,我們會再提到這個問題。下面是匯流排在PCB上佈線的樣子。為了讓各零件都能夠擁有完美的配線,放置的位置是很重要的。

 

導線構成的匯流排

 

測試佈線可能性,與高速下的正確運作

 

現今的部份電腦軟體,可以檢查各零件擺設的位置是否可以正確連接,或是檢查在高速運作下,這樣是否可以正確運作。這項步驟稱為安排零件,不過我們不會太深入研究這些。如果電路設計有問題,在實地導出線路前,還可以重新安排零件的位置。

 

導出PCB上線路

 

在概圖中的連接,現在將會實地作成佈線的樣子。這項步驟通常都是全自動的,不過一般來說還是需要手動更改某些部份。下面是2層板的導線範本。紅色和藍色的線條,分別代表PCB的零件層與焊接層。白色的文字與四方形代表的是網版印刷面的各項標示。紅色的點和圓圈代表鑽洞與導孔。最右方我們可以看到PCB上的焊接面有金手指。這個PCB的最終構圖通常稱為工作底片(Artwork)。

 

使用CAD軟體作PCB導線設計

 

每一次的設計,都必須要符合一套規定,像是線路間的最小保留空隙,最小線路寬度,和其他類似的實際限制等。這些規定依照電路的速度,傳送訊號的強弱,電路對耗電與雜訊的敏感度,以及材質品質與製造設備等因素而有不同。如果電流強度上升,那導線的粗細也必須要增加。為了減少PCB的成本,在減少層數的同時,也必須要注意這些規定是否仍舊符合。如果需要超過2層的構造的話,那麼通常會使用到電源層以及地線層,來避免訊號層上的傳送訊號受到影響,並且可以當作訊號層的防護罩。

 

導線後電路測試

 

為了確定線路在導線後能夠正常運作,它必須要通過最後檢測。這項檢測也可以檢查是否有不正確的連接,並且所有連線都照著概圖走。

 

建立製作檔案

 

因為目前有許多設計PCBCAD工具,製造廠商必須有符合標準的檔案,才能製造板子。標準規格有好幾種,不過最常用的是Gerber files規格。一組Gerber files包括各訊號、電源以及地線層的平面圖,防焊層與網板印刷面的平面圖,以及鑽孔與取放等指定檔案。

 

電磁相容問題

 

沒有照EMC(電磁相容)規格設計的電子設備,很可能會散發出電磁能量,並且干擾附近的電器。EMC對電磁干擾(EMI),電磁場(EMF)和射頻干擾(RFI)等都規定了最大的限制。這項規定可以確保該電器與附近其他電器的正常運作。EMC對一項設備,散射或傳導到另一設備的能量有嚴格的限制,並且設計時要減少對外來EMFEMIRFI等的磁化率。換言之,這項規定的目的就是要防止電磁能量進入或由裝置散發出。這其實是一項很難解決的問題,一般大多會使用電源和地線層,或是將PCB放進金屬盒子當中以解決這些問題。電源和地線層可以防止訊號層受干擾,金屬盒的效用也差不多。對這些問題我們就不過於深入了。

 

電路的最大速度得看如何照EMC規定做了。內部的EMI,像是導體間的電流耗損,會隨著頻率上升而增強。如果兩者之間的的電流差距過大,那麼一定要拉長兩者間的距離。這也告訴我們如何避免高壓,以及讓電路的電流消耗降到最低。佈線的延遲率也很重要,所以長度自然越短越好。所以佈線良好的小PCB,會比大PCB更適合在高速下運作。

 

製造流程

 

PCB的製造過程由玻璃環氧樹脂(Glass Epoxy)或類似材質製成的「基板」開始。

 

Step1: 影像(成形/導線製作)

 

製作的第一步是建立出零件間連線的佈線。我們採用負片轉印(Subtractive transfer)方式將工作底片表現在金屬導體上。這項技巧是將整個表面鋪上一層薄薄的銅箔,並且把多餘的部份給移除。追加式轉印(Additive Pattern transfer)是另一種比較少人使用的方式,這是只在需要的地方加上銅線的方法,不過我們在這裡就不多談了。

 

如果製作的是雙面板,那麼PCB的基板兩面都會鋪上銅箔,如果製作的是多層板,接下來的步驟則會將這些板子黏在一起。

 

接下來的流程圖,介紹了導線如何焊在基板上。

 

 

正光阻劑(positive photoresist)是由感光劑製成的,它在照明下會溶解(負光阻劑則是如果沒有經過照明就會分解)。有很多方式可以處理銅表面的光阻劑,不過最普遍的方式,是將它加熱,並在含有光阻劑的表面上滾動(稱作乾膜光阻劑)。它也可以用液態的方式噴在上頭,不過乾膜式提供比較高的解析度,也可以製作出比較細的導線。

 

遮光罩只是一個製造中PCB層的模板。在PCB板上的光阻劑經過UV光曝光之前,覆蓋在上面的遮光罩可以防止部份區域的光阻劑不被曝光(假設用的是正光阻劑)。這些被光阻劑蓋住的地方,將會變成佈線。

 

在光阻劑顯影之後,要蝕刻的其他的裸銅部份。蝕刻過程可以將板子浸到蝕刻溶劑中,或是將溶劑噴在板子上。一般用作蝕刻溶劑的有,氯化鐵(Ferric Chloride),鹼性氨(Alkaline Ammonia),硫酸加過氧化氫(Sulfuric Acid + Hydrogen Peroxide),和氯化銅(Cupric Chloride)等。蝕刻結束後將剩下的光阻劑去除掉。這稱作脫膜(Stripping)程序。

 

您可以由下面的圖片看出銅線是如何佈線的。

 

這項步驟可以同時作兩面的佈線。

 

Step2: 鑽孔與電鍍

 

如果製作的是多層PCB板,並且裡頭包含埋孔或是盲孔的話,每一層板子在黏合前必須要先鑽孔與電鍍。如果不經過這個步驟,那麼就沒辦法互相連接了。

 

在根據鑽孔需求由機器設備鑽孔之後,孔璧裡頭必須經過電鍍(鍍通孔技術,Plated-Through-Hole technologyPTH)。在孔璧內部作金屬處理後,可以讓內部的各層線路能夠彼此連接。在開始電鍍之前,必須先清掉孔內的雜物。這是因為樹脂環氧物在加熱後會產生一些化學變化,而它會覆蓋住內部PCB層,所以要先清掉。清除與電鍍動作都會在化學製程中完成。

 

Step3: 多層PCB壓合

 

各單片層必須要壓合才能製造出多層板。壓合動作包括在各層間加入絕緣層,以及將彼此黏牢等。如果有透過好幾層的導孔,那麼每層都必須要重複處理。多層板的外側兩面上的佈線,則通常在多層板壓合後才處理。

 

Step4: 處理防焊層、網版印刷面和金手指部份電鍍

 

接下來將防焊漆覆蓋在最外層的佈線上,這樣一來佈線就不會接觸到電鍍部份外了。網版印刷面則印在其上,以標示各零件的位置,它不能夠覆蓋在任何佈線或是金手指上,不然可能會減低可焊性或是電流連接的穩定性。金手指部份通常會鍍上金,這樣在插入擴充槽時,才能確保高品質的電流連接。

 

Step5: 測試

 

測試PCB是否有短路或是斷路的狀況,可以使用光學或電子方式測試。光學方式採用掃描以找出各層的缺陷,電子測試則通常用飛針探測儀(Flying-Probe)來檢查所有連接。電子測試在尋找短路或斷路比較準確,不過光學測試可以更容易偵測到導體間不正確空隙的問題。

 

Step6: 零件安裝與焊接

 

最後一項步驟就是安裝與焊接各零件了。無論是THTSMT零件都利用機器設備來安裝放置在PCB上。

 

THT零件通常都用叫做波峰焊接(Wave Soldering)的方式來焊接。這可以讓所有零件一次焊接上PCB。首先將接腳切割到靠近板子,並且稍微彎曲以讓零件能夠固定。接著將PCB移到助溶劑的水波上,讓底部接觸到助溶劑,這樣可以將底部金屬上的氧化物給除去。在加熱PCB後,這次則移到融化的焊料上,在和底部接觸後焊接就完成了。

 

自動焊接SMT零件的方式則稱為再流回焊接(Over Reflow Soldering)。裡頭含有助溶劑與焊料的糊狀焊接物,在零件安裝在PCB上後先處理一次,經過PCB加熱後再處理一次。待PCB冷卻之後焊接就完成了,接下來就是準備進行PCB的最終測試了。

 

節省製造成本的方法

 

為了讓PCB的成本能夠越低越好,有許多因素必須要列入考量:

 

1.      板子的大小自然是個重點。板子越小成本就越低。部份的PCB尺寸已經成為標準,只要照著尺寸作那麼成本就自然會下降。CustomPCB網站上有一些關於標準尺寸的資訊。

CustomPCB: http://www.custompcb.com/pcbsize.shtml

2.      使用SMT會比THT來得省錢,因為PCB上的零件會更密集(也會比較小)。

3.      另一方面,如果板子上的零件很密集,那麼佈線也必須更細,使用的設備也相對的要更高階。同時使用的材質也要更高級,在導線設計上也必須要更小心,以免造成耗電等會對電路造成影響的問題。這些問題帶來的成本,可比縮小PCB尺寸所節省的還要多。

4.      層數越多成本越高,不過層數少的PCB通常會造成大小的增加。

5.      鑽孔需要時間,所以導孔越少越好。

6.      埋孔比貫穿所有層的導孔要貴。因為埋孔必須要在接合前就先鑽好洞。

7.      板子上孔的大小是依照零件接腳的直徑來決定。如果板子上有不同類型接腳的零件,那麼因為機器不能使用同一個鑽頭鑽所有的洞,相對的比較耗時間,也代表製造成本相對提升。

8.      使用飛針式探測方式的電子測試,通常比光學方式貴。一般來說光學測試已經足夠保證PCB上沒有任何錯誤。

 

總而言之,廠商在設備上下的工夫也是越來越複雜了。了解PCB的製造過程是很有用的,因為當我們在比較主機板時,相同效能的板子成本可能不同,穩定性也各異,這也讓我們得以比較各廠商的能力。

 

好的工程師可以光看主機板設計,就知道設計品質的好壞。您也許自認沒那麼強,不過下次您拿到主機板或是顯示卡時,不妨先鑑賞一下PCB設計之美吧!

 

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