PCB電路板的基礎(chǔ)知識(shí)

1、ZT 我們要制作一件電子產(chǎn)品， 通常是先設(shè)計(jì)電路原理圖。 在電路原理圖上， 用各種特定的符號(hào) 代表不同的電子元器件， 并把它們用線連接起來(lái)。 一個(gè)電子工程師可以通過(guò)這些符號(hào)和連線 清楚地看出電路工作原理和各個(gè)各部分的功能。 如果電路設(shè)計(jì)無(wú)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(lái)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(tái)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(cuò)的導(dǎo)線。好在電子管收音機(jī)的電路還算簡(jiǎn)單， 但如果想做一個(gè)比較復(fù)雜的產(chǎn)品， 比如說(shuō)一塊電腦 主板，你可以想想看， 如果還用上面的方法來(lái)做會(huì)是什么樣的結(jié)果。 那可能

2、需要幾萬(wàn)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(wú)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(xiě)，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(gè)導(dǎo)電圖形及所設(shè)計(jì)好的孔， 以實(shí)現(xiàn)電 子元器件之間的電氣連接，這樣的板稱(chēng)為印制電路板。一般來(lái)說(shuō)， PCB 是敷銅板經(jīng)過(guò)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(wú)氧銅） 。銅箔經(jīng)過(guò)蝕刻后就剩下 一段一段曲曲折折的銅箔，這些銅箔

3、稱(chēng)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(lái)安裝電子 元件，稱(chēng)為鉆孔。而用于與元件引腳焊接的銅箔則稱(chēng)為焊盤(pán)（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(shí)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(hào)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(guò)哪些方式裝在 PCB 上既然我們?cè)谇懊嬉呀?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(shí)，電子元件有很多種封裝形式，不同封

4、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(duì) 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(guò)焊接在 PCB 另一面的焊 盤(pán)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(wú)需在 PCB 上鉆孔，只要粘在設(shè)計(jì)好的位置上，把元件焊接在焊 盤(pán)上即可。可元件除了可以直接焊接在 PCB 上之外，還可以通過(guò)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(gè) 面，焊接面就是元件

5、的引腳通過(guò)焊錫與PCB 上的焊盤(pán)連接的那個(gè)面，它是我們焊接用的。對(duì)于插針式元件，焊點(diǎn)和元件分別處于PCB 的兩個(gè)面上，元件只能處于元件面，否則將給焊接帶來(lái)巨大的麻煩。 對(duì)于 SMD 元件來(lái)說(shuō)， 焊點(diǎn)和元件都在一個(gè)面上， 所以元件可以在 PCB的任意一個(gè)面甚至兩個(gè)面上。為什么 PCB 要做成多層對(duì)于最基本的 PCB，元件集中在一面，導(dǎo)線則集中在另一面，因?yàn)橹荒茉谄渲幸幻娌?線，所以我們就稱(chēng)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(duì)于收音機(jī)這種簡(jiǎn)單電路來(lái)說(shuō)， 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

6、高，對(duì) 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(huì)很大，給布線也帶來(lái)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??；電子元器件之間的連線縮短，信號(hào)傳輸速 度提高；方便布線；對(duì)于高頻電路，加入地線層，使信號(hào)線對(duì)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(zhǎng)，質(zhì)量檢測(cè)比較麻煩。我們常見(jiàn)的電腦板卡通常采用四層板或六層板， 不過(guò)現(xiàn)在已有超過(guò) 100 層的實(shí)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

7、了兩個(gè)內(nèi)部信號(hào)層， 比 四層板厚一些。多層板實(shí)際上是由蝕刻好的幾塊單面板或雙面板經(jīng)過(guò)層壓、 粘合而成的。 雙面板很容易 分辨，對(duì)著燈光看，除了兩面的走線外，其它地方都是透光的。對(duì)于四層板和六層板來(lái)說(shuō)， 因?yàn)?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(méi)有很好的辦法進(jìn)行區(qū) 分。過(guò)孔（ VIA ） 電路的 “橋梁 ”介紹了多層板， 大家心中或許會(huì)出現(xiàn)一個(gè)疑問(wèn)， 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(shí)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(chēng)為過(guò)孔，通孔或者貫孔等。對(duì)于多層板來(lái) 說(shuō)，過(guò)孔分為幾種：

8、貫穿所有層的穿透式過(guò)孔， 只能在一個(gè)面看到的半隱藏式過(guò)孔和看不見(jiàn) 的全隱藏式過(guò)孔。除了通過(guò)電鍍形成過(guò)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(shù)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(kāi)始使用銅顆粒的導(dǎo)電膏?？梢钥吹?，過(guò)孔是連接電路的 “橋梁”，但是 “橋梁 ”也是不能亂搭的，對(duì)于兩點(diǎn)之間的連 線而言，經(jīng)過(guò)的過(guò)孔太多會(huì)導(dǎo)致可靠性下降。布線的學(xué)問(wèn)蛇行線的誤區(qū)做工不錯(cuò)，板上的蛇行線也很在許多板卡的試用報(bào)告中都可以看到類(lèi)似這樣的描述：多

9、”。也許大家對(duì)布線的認(rèn)識(shí)就是從蛇行線開(kāi)始的，那么蛇行線究竟是怎么一回事呢？通常所說(shuō)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(méi)有阻礙， 本來(lái)是可以布成直線連通的， 但卻實(shí)際采用了蛇行布線。從理論上來(lái)看，蛇行線 有這些作用：形成一個(gè)微小的電感， 抑制線上的信號(hào)電流的變化； 保證某些線路的等長(zhǎng)；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(jì)人員要根據(jù)實(shí)際情況 來(lái)采用，并不能以蛇行線的多少來(lái)判斷 PCB 布線的優(yōu)劣。粗細(xì)有別我們?cè)谟^察 PCB 時(shí)會(huì)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?yàn)殡娫淳€和地線要通過(guò)比較大

10、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(guò)的電流較小， 就可以設(shè)計(jì)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(wèn)題。設(shè)計(jì)上通常要求走線在 轉(zhuǎn)向時(shí)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?yàn)橹苯呛弯J角 的圖形在高頻電路中會(huì)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。PCB 的五彩外衣我們對(duì)電腦板卡的第一印象恐怕就是它的顏色， 除了最常見(jiàn)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(gè)問(wèn)

11、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(pán)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(shí)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，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， 作用，對(duì)性能是沒(méi)有什么影響的。PCB 的顏色實(shí)際就是阻 但是顏色只是起到裝飾看似尋常的細(xì)節(jié)安裝孔安裝孔就是固定板卡的螺絲孔，如果不是用于接地的話，周?chē)?mm 內(nèi)不能用銅箔。這些孔是用于接地的， 所以周

12、圍有一圈銅箔。 這樣， 板卡的地線通過(guò)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(dòng)化設(shè)備對(duì) PCB 進(jìn)行元件貼放就要求非常高的精密度。為了滿(mǎn)足這一要求， 通常在PCB上設(shè)計(jì)有基準(zhǔn)點(diǎn)，以幫助自動(dòng)化設(shè)備對(duì)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(gè) PCB 的對(duì)角線上看到的兩個(gè)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(duì)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(jì)的位置精確重合。PCB 是如何制造出來(lái)的隨便拿一塊主板看看， 你可能會(huì)覺(jué)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(zhuān)門(mén)的軟件（如 Protel）設(shè)計(jì)電路原理圖，然后將原理圖導(dǎo)入PCB設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行布局，也就是確定每個(gè)元器件在 PCB 上的位置。位置確定好后，就要軟件中 的畫(huà)線工具把這些元器件連接到一起，這些線就是 PCB 上實(shí)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(lái)繞去的。PCB 圖設(shè)計(jì)好以后，就可