印制电路板是怎样画成的印制电路板是怎样画成的内内 容容l l第一部份第一部份第一部份第一部份 印刷印刷印刷印刷电电路板路板路板路板基本概念基本概念基本概念基本概念l l第二部分第二部分第二部分第二部分 零件封装技零件封装技零件封装技零件封装技术术l l第三部分第三部分第三部分第三部分 设计设计流程流程流程流程l l第四部分第四部分第四部分第四部分 电电磁兼容磁兼容磁兼容磁兼容对对对对PCBPCBPCBPCB的重要性的重要性的重要性的重要性l l第五部分第五部分第五部分第五部分 节节省制造成本的方法省制造成本的方法省制造成本的方法省制造成本的方法 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 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。丝丝网印刷面网印刷面网印刷面网印刷面也被称作图标图标面面面面（legend）。 PCBPCBPCBPCB丝印面丝印面丝印面丝印面 设计图纸设计图纸设计图纸设计图纸 1.1.1.1.单单面板（面板（面板（面板（Single-Sided BoardsSingle-Sided BoardsSingle-Sided BoardsSingle-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。 2.2.2.2.双面板（双面板（双面板（双面板（Double-Sided BoardsDouble-Sided BoardsDouble-Sided BoardsDouble-Sided Boards） 这种电路板的两面都有布线。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导孔孔孔孔（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。 3.3.3.3.多多多多层层板（板（板（板（Multi-Layer BoardsMulti-Layer BoardsMulti-Layer BoardsMulti-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PCB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。盲盲盲盲孔孔孔孔是将几层内部PCB与表面PCB连接，不须穿透整个板子。埋埋埋埋孔孔孔孔则只连接内部的PCB，所以光是从表面是看不出来的。 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） 第二部分第二部分第二部分第二部分 零件封装技零件封装技零件封装技零件封装技术术 1.1.1.1.插入式封装技插入式封装技插入式封装技插入式封装技术术（Through Hole TechnologyThrough Hole TechnologyThrough Hole TechnologyThrough 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。 2.2.2.2.表面黏表面黏表面黏表面黏贴贴式封装技式封装技式封装技式封装技术术（Surface Mounted TechnologySurface Mounted TechnologySurface Mounted TechnologySurface 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。 第三部分第三部分第三部分第三部分 设计设计流程流程流程流程 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： 1.1.1.1.系系系系统规统规格格格格 : : : : 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。 2.2.2.2.系系系系统统功能区功能区功能区功能区块图块图 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 3 3 3. . . .绘绘出所有出所有出所有出所有PCBPCBPCBPCB的的的的电电路路路路原理原理原理原理图图 原理原理原理原理图图中要表示出各零件间的相互连接细节。 4.4.4.4.将系将系将系将系统统分割几个分割几个分割几个分割几个PCB PCB PCB PCB 可分为：主板（motherboard ）、背板：backplane 、连接板（connect board）、子板：daughterboard 、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 outline Package短输出线双列扁平封装DIP-Dual ln-linePackage 双列直插式封装 5. 5. 决定决定决定决定PCBPCB大小大小大小大小 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. 6. 6. 6.将零件放上将零件放上将零件放上将零件放上PCB PCB PCB PCB l l一些定位元件需要机构一些定位元件需要机构工程师的确认才能放置、工程师的确认才能放置、这与元件的高度也是密这与元件的高度也是密不可分的。不可分的。l 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，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。 l 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！l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。 7.7.7.7.决定决定决定决定零件放置的方式零件放置的方式零件放置的方式零件放置的方式8.8.8.8.仿真仿真仿真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。l9 9. .导出出PCBPCB上上线路路。 l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。9.9.9.9.布线设计规定布线设计规定布线设计规定布线设计规定 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1.01.5mm。 印刷电路板上的导线宽度度，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流与电压降降如下： 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，线间电容和容和导线间距的分布距的分布电容量容量关系如下： 这些规定依照电路的速度，传送信号的强弱，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。10.10.10.10.布完导线后电路测试布完导线后电路测试布完导线后电路测试布完导线后电路测试 （DRCDRC）Design Rules CheckDesign 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. 11. 11. 11.建立制作档案建立制作档案建立制作档案建立制作档案工作底片（工作底片（ArtworkArtwork） 当所有的设计工作完成时，就得输出最终的作品了；这就是通常讲的工作底片（工作底片（ArtworkArtwork） ，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。其实真正的名称应该是叫做RS-274-D format。这是因为该格式的制定是依 EIA美国电子工业协会Electronic Industries Association 的 RS-274-D 标准码所衍生订定的，而其资料内容包括 word address 资料及绘图机的叁数档与控制码。RS-274-D 码被使用至今已数十年了。因电子产品的演变早已超出当初的须求， 因此原用的 RS-274-D格式也慢慢的不敷使用，许多的定义都付之阙如，也因此才会再衍生出强化版的 Gerber format，称为RS-274-X format。 RS-274-X format即现今最常用的资料格式。第四部分第四部分第四部分第四部分 电电磁兼容磁兼容磁兼容磁兼容对对对对PCBPCBPCBPCB的重要性的重要性的重要性的重要性 没有照EMC（电磁兼容）规格设计的电子设备，很可能会散发出电磁能量，并且干扰附近的电器。EMC对电磁干扰（EMI），电磁场（EMF）和射频干扰（RFI）等都规定了最大的限制。这项规定可以确保该电器与附近其它电器的正常运作。EMC对一项设备，散射或传导到另一设备的能量有严格的限制，并且设计时要减少对外来EMF、EMI、RFI等的磁化率。换言之，这项规定的目的就是要防止电磁能量进入或由装置散发出。这其实是一项很难解决的问题，一般大多会使用电源和地线层，或是将PCB放进金属盒子当中以解决这些问题。电源和地线层可以防止信号层受干扰，金属盒的效用也差不多。对这些问题我就不过于深入了,在座的很多都是专家！电路的最大速度得看如何照EMC规定做了。内部的EMI，像是导体间的电流耗损，会随着频率上升而增强。如果两者之间的电流差距过大，那么一定要拉长两者间的离。这也告诉我们如何避免高压，以及让电路的电流消耗降到最低。布线的延迟率也很重要，所以长度自然越短越好。所以布线良好的小PCB，会比大PCB更适合在高速下运作。第五部分第五部分第五部分第五部分 节节省制造成本的方法省制造成本的方法省制造成本的方法省制造成本的方法 为了让PCB的成本能够越低越好，有许多因素必须要列入考量： 板子的大小自然是个重点。板子越小成本就越低。 （手机板早已由机构工程师确定外形，就不要操心这丫了！）部份的PCB尺寸已经成为标准，只要照着尺寸作那么成本就自然会下降。 标准尺寸的信息： 降低制版成本,更好地利用PCB经济尺寸。在电子产品的设计中，成本是最重要的指标之一，能够减少成本的方法很多，这里主要谈谈PCB板的成本问题。有人说，我把PCB设计得很小，不就减少了成本吗？其实不尽然， 板子做得太小了，加工不方便，生产效率低，这就增加了加工成本，对整个产品来说，总成本说不定还增加了。同样，板子做得太大时，加工也不方便，还会有曲硗变形等不利因素。 那什么样的PCB板成本最低呢？在目前，主要（但不仅只）有以下三方面： （1）单板PCB的面积尽量小。 PCB板的价格一般按面积的大小来计算的，板子小了，单板价格自然便宜。 （2）PCB板大小适中，加工方便。 当单板很小时，就要进行拼板开模，以提高生产效率，减少加工工时，节约加工成本。 （3）PCB厂家在生产PCB板时，原材料的利用率最高。 PCB板厂的原材料一般都是1020mm1020mm和1020mm1220mm规格的多，如果单板或拼板的尺寸不合适，PCB生产过程中，就会产生很多的原料废边，PCB板厂会把之些废边的价格都加到你的板子上，这样你的PCB板单位价格就贵一些；如果板子大小设计得好，单板或拼板的尺寸是原材料的n等分，那么原材料的利用率就最高，PCB板厂也好开料，以一样的原材料尺寸，做出最多的板子，单板价格也就是最便宜的了。 使用SMT会比THT来得省钱，因为PCB上的零件会更密集（也会比较小，当然电性能也是好得多）。 另一方面，如果板子上的零件很密集，那么布线也必须更细，使用的设备也相对的要更高阶。同时使用的材质也要更高级，在导线设计上也必须要更小心，以免对电路造成影响。这些问题带来的成本，可比缩小PCB尺寸所节省的还要多。 层数越多成本越高，不过层数少的PCB通常会造成面积大小的增加。 钻孔会影响电路品质，所以导孔越少越好。 埋孔比贯穿所有层的导孔要贵。因为埋孔必须要在接合前就先钻好洞。 板子上孔的大小是依照零件接脚的直径来决定。如果板子上有不同类型接脚的零件，那么因为机器不能使用同一个钻头钻所有的洞，相对的比较耗时间，也代表制造成本相对提升。 当前，PCB制作的工艺也是越来越复杂了。了解PCB的设计与制造过程是很有用的，因为当我们在比较主机板时，相同效能的板子成本可能不同，稳定性也各异，这也让我们得以比较各厂商的能力。 好的工程师可以光看主机板设计，就知道设计品质的好坏。如果下次您拿到主机板或是显示卡时，不妨先鉴赏一下PCB设计之美吧！ 感谢大家的参与！