當代電腦的主機板和顯示卡大多使用4層的PCB板,也有一些採用6層,甚至8層的板子。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,如果您想連接其中一些線路,那麼導孔就會浪費一些其它層的線路空間。



而採用 埋孔(Buried vias)和盲孔(Blind vias)技術就可以避免這個問題。盲孔是將幾層內部PCB與表面PCB連接,不須穿透整個板子。埋孔則連接內部幾層的PCB,所以光是從表面是看不出來 的。

而上面提到的區別4層板和6/8層板的方法,就是透過觀察盲孔。因為在顯示卡和主機板上使用的4層板是1、4層走線,其他層另有用途 (地線和電源)。所以,同雙層板一樣,導孔會打穿板子。如果有的孔在板正面出現,卻在反面找不到,那麼就一定是6/8層板了。如果都能找到,自然就是4層 板。這種辨別辦法容易可靠,相信大家都能正確辨別某些廣告的真偽了。

在多層板PCB中,除了走線層外,一般會把整層都直接連接上地線與電 源。所以我們將這樣的層分類為電源層(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。

 

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在電子裝配中,印刷電路板是個關鍵零件。它搭載其他的電子零件並連通電路,以提供一個安穩的電路 工作環境。如以其上電路配置的情形可概分為三類:

a. 【單面板】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

 

b. 【雙面板】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

 

c. 【多層板】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)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電線層。

依用途區分有以下幾種:

1. 單面PCB

基板材質以紙酚銅張積層板(紙酚當底,上鋪銅箔)、紙環氧樹酯(Epoxy)銅張積層板為主。大部分使用於收音機、AV電器、暖氣機、冷藏庫、洗衣機等家電產品,以及印表機、自動販賣機、電 路機、電子元件等商業用機器,優點是價格低廉。

 

2. 雙面PCB

基板材質以Glass-Epoxy銅張積層板、Glass Composite(玻璃合成)銅張積層板,紙Epoxy銅張積層板為主。大部分使用於個人電腦、電子樂器、多功能電話機、汽車用電子機器、電子週邊、電 子玩具等。至於Glass苯樹脂銅張積層板,Glass高分子銅張積層板由於高頻特性優良,大多使用在通信機器、衛星廣播機器、集移動性通信機器,當然成 本也高。

 

3. 3~4層PCB

基板材質主要是Glass-Epoxy或苯樹脂。用途主要 是個人電腦、Me(Medical Electronics,醫學電子)機器、測量機器、半導體測試機器、NC(Numeric Control,數值控制)機、電子交換機、通信機、記憶體電路板、IC卡等。最近也有玻璃合成銅張積層板當多層PCB材料,主要著眼於其加工特性優良。

 

4. 6~8層PCB

基板材質仍是以Glass-Epoxy或Glass苯樹脂 為主。用於電子交換機、半導體測試機、中型個人電腦、EWS(Engineering Work Station,工程型工作站)、NC等機器。

 

5. 10層以上的PCB

基板以Glass苯樹脂材料為主,或是以Glass- Epoxy當多層PCB基板材料。這類PCB的應用較為特殊,大部分是大型電腦、高速電腦、防衛機器、通信機器等。主要是因其高頻特性、高溫特性優良之 故。

 

6. 其他PCB基板材質

其他PCB基板材料尚有鋁基板、鐵基板等。將電路在基板上 形成,大部分用於回轉機(小型馬達)汽車上。另外還有軟性PCB(Flexible Print Circuit Board),電路在高分子、多元酯等為主的材料上形成,可作為單層、雙層,到多層板都可以。這種軟性電路板主要應用於照相機、OA機器等的可動部分,及 上述硬性PCB間的連接或硬性PCB和軟性PCB間的有效連接組合,至於連接組合方式由於彈性高,其形狀呈多樣化。

  

零件封裝技術

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 TechnologyTHT)」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)

 

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(1) (2)

 

 

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。如下圖

表 面黏著式零件

 

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。

 

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:

 

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。

 

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。

 

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。

 

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,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)。

2 層板的導線範本

 

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。

 

印刷電路板之製程 流程    

 單 面板

雙 面板與多層板

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