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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。印刷电路板入门09439-印刷電路板入門什麼是PCB？印刷電路板（Printedcircuitboard，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PrintedWiringBoard（PWB）。板子本身的底座是由絕緣隔熱、
2、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（conductorpattern）或稱佈線，並用來提供PCB上零件的電路連接。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（ComponentSide）與焊接面（SolderSide）。如果PCB
3、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（ZeroInsertionForce，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（edgeconnector）。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
4、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（soldermask）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（silkscreen）。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PCBPCB的種類單面板（Single-SidedBoards）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
5、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底面雙面板（Double-SidedBoards）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P
6、CB底面多層板（Multi-LayerBoards）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
7、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（Buriedvias）和盲孔（Blindvias）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電線層。零件封裝技術插入式封裝技術（ThroughHoleTechno
8、logy）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（ThroughHoleTechnology，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（SurfaceMountedTechnology，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）表面黏著式封裝技術（SurfaceMountedTechnology）使用表面黏著式封裝（SurfaceMo
9、untedTechnology，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
10、就是主要設計的流程：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。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。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。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
11、速度都考量進去。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，ComputerAidedDesign）的方式。下面就是使用CircuitMakerTM設計的範例。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
12、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
13、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
14、，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Gerberfiles規格。一組Gerberfiles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
15、。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
16、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。PCB製造流程PCB的製造過程由玻璃環氧樹脂（GlassEpoxy）或類似材質製成的基板開始。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（Subtractivetransfer）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（AdditivePatterntransfer）是另一種比較少人使用的方式
17、，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。影像（成形導線製作）正光阻劑（positivephotoresist）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
18、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（FerricChloride），鹼性氨（AlkalineAmmonia），硫酸加過氧化氫（SulfuricAcid+HydrogenPeroxide），和氯化銅（CupricChloride）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。鑽孔與電鍍如果製作的是
19、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-Holetechnology，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。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
20、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。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。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
21、學測試可以更容易偵測到導體間不正確空隙的問題。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（WaveSoldering）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（OverReflowSoldering）。裡頭含有助溶劑與焊料的糊狀焊接物，在零件
22、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：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。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）。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
23、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。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。鑽孔需要時間，所以導孔越少越好。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。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。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。-