Sophy's Notebook

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 board，PCB）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 board，PCB）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 Board（PWB）」。

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ZIF（Zero 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4到8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 Technology，THT）」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SMT（Surface 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 Technology，SMT）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

在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PCB的CAD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EMF、EMI、RFI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 technology，PTH）。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THT與SMT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！