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PCB工艺知识

印刷电路板入门(新手学习)

表面贴装技术(surface 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。 

(表面黏着式的零件焊在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。 


设计流程 


在pcb的设计中,其实在正式布线前,还要经过很漫长的步骤,以下就是主要设计的流程: 

系统规格 


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。 


系统功能区块图 


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。 


将系统分割几个pcb 


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 


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。

绘出所有pcb的电路概图 


概图中要表示出各零件间的相互连接细节。所有系统中的pcb都必须要描出来,现今大多采用cad(计算机辅助设计,computer aided design)的

方式。下面就是使用circuitmakertm设计的范例。 


 

pcb的电路概图 


初步设计的仿真运作 


为了确保设计出来的电路图可以正常运作,这必须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。

将零件放上pcb :


零件放置的方式,是根据它们之间如何相连来决定的。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。下面是总线在pcb上布线的样子。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。 

导线构成的总线 

测试布线可能性,与高速下的正确运作 


现今的部份计算机软件,可以检查各零件摆设的位置是否可以正确连接,或是检查在高速运作下,这样是否可以正确运作。这项步骤称为安排零

件,不过我们不会太深入研究这些。如果电路设计有问题,在实地导出线路前,还可以重新安排零件的位置。 


导出pcb上线路 


在概图中的连接,现在将会实地作成布线的样子。这项步骤通常都是全自动的,不过一般来说还是需要手动更改某些部份。下面是2层板的导线模

板。红色和蓝色的线条,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。最右方我们可以看到pcb上的焊接面有金手指。这个pcb的最终构图通常称为工作底片(artwork)。 

使用cad软件作pcb导线设计 



每一次的设计,都必须要符合一套规定,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。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。

导线后电路测试 


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概图走。 


建立制作档案 


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。 


电磁兼容问题 


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。对这些问题我们就不过于深入了。 


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。如果两者之间的的电流差距过大,那么一

定要拉长两者间的距离。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。 


制造流程 


pcb的制造过程由玻璃环氧树脂(glass epoxy)或类似材质制成的「基板」开始。 


影像(成形/导线制作) 


制作的第一步是建立出零件间联机的布线。我们采用负片转印(subtractive transfer)方式将工作底片表现在金属导体上。这项技巧是将整个表

面铺上一层薄薄的铜箔,并且把多余的部份给消除。追加式转印(additive pattern transfer)是另一种比较少人使用的方式,这是只在需要的

地方敷上铜线的方法,不过我们在这里就不多谈了。 


如果制作的是双面板,那么pcb的基板两面都会铺上铜箔,如果制作的是多层板,接下来的步骤则会将这些板子黏在一起。 


接下来的流程图,介绍了导线如何焊在基板上。



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