PCB設計必看的基礎知識

2022-11-30 15:09:04 字數 4867 閱讀 6793

作為在pcb行業領域的人士來說,pcb抄板,pcb設計基礎知識必須得牢固掌握,以下就是pcb設計的一些基礎知識希望對pcb設計的人士能有所幫助。

pcb印刷電路板(printed circuit board,pcb)幾乎會出現在每一種電子裝置當中。如果在某樣裝置中有電子零件,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氣連線。

隨著電子裝置越來越複雜,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設計長得就像這樣。裸板(上頭沒有零件)也常被稱為「印刷線路板printed wiring board(pwb)」。

板子本身的基板是由絕緣隔熱、並不易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(conductor pattern)或稱佈線,並用來提供pcb上零件的電路連線。

為了將零件固定在pcb上面,我們將它們的接腳直接焊在布線上。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(component side)與焊接面(solder side)。

如果pcb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(zero insertion force,零撥插力式)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。

插座旁的固定杆,可以在您插進零件後將其固定。

如果要將兩塊pcb相互鏈結,一般我們都會用到俗稱「金手指」的邊接頭(edge connector)。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。通常連線時,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)。

在計算機中,像是顯示卡,音效卡或是其它類似的介面卡,都是藉著金手指來與主機板連線的。 pcb上的綠色或是棕色,是阻焊漆(solder mask)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。

在阻焊層上另外會印刷上一層絲網印刷面(silk screen)。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。絲網印刷面也被稱作圖示面(legend)。

單面板(single-sided boards) 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。

雙面板(double-sided boards)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線才行。這種電路間的「橋梁」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線。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。

多層板(multi-layer boards) 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。大型的超級計算機大多使用相當多層的主機板,不過因為這類計算機已經可以用許多普通計算機的集群代替,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,如果您只想連線其中一些線路,那麼導孔可能會浪費一些其它層的線路空間。埋孔(buried vias)和盲孔(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連線,不須穿透整個板子。埋孔則只連線內部的pcb,所以光是從表面是看不出來的。

在多層板pcb中,整層都直接連線上地線與電源。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**,通常這類pcb設計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(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 technology,tht)」封裝。這種零件會需要占用大量的空間,並且要為每只接腳鑽乙個洞。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(su***ce mounted technology,表面黏著式)零件比起來,與pcb連線的構造比較好,關於這點我們稍後再談。像是排線的插座,和類似的介面都需要能耐壓力,所以通常它們都是tht封裝。

表面黏貼式封裝技術(su***ce mounted technology)

使用表面黏貼式封裝(su***ce 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。 表面黏貼式的零件,甚至還能在兩面都焊上。

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,以下就是主要設計的流程:

系統規格

首先要先規劃出該電子裝置的各項系統規格。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方塊圖。方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,也可以讓系統具有公升級與交換零件的能力。系統功能方塊圖就提供了我們分割的依據。像是計算機就可以分成主機板、顯示卡、音效卡、軟盤驅動器和電源等等。

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線細節。所有系統中的pcb都必須要描出來,現今大多採用cad(計算機輔助設計,computer aided design)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**運作

為了確保設計出來的電路圖可以正常運作,這必須先用計算機軟體來**一次。這類軟體可以讀取設計圖,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線。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。

測試佈線可能性,與高速下的正確運作

現今的部份計算機軟體,可以檢查各零件擺設的位置是否可以正確連線,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,在實地匯出線路前,還可以重新安排零件的位置。

匯出pcb上線路

在概圖中的連線,現在將會實地做成佈線的樣子。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層板的導線模板。

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)。

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,和其它類似的實際限制等。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裝置等因素而有不同。如果電流強度上公升,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線,並且所有聯機都照著概圖走。

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,阻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)規格設計的電子裝置,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它電器的正常運作。

emc對一項裝置,散射或傳導到另一裝置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。

PCB設計基礎知識

1,1mil 0.0254mm 2,線與線之間,線與焊盤之間的距離應 0.33mm 13mil 3,焊盤的直徑要比孔的直徑 0.6mm 4,優化佈線的時間是初次佈線時間的2倍 5,鋪銅一般鋪地線 注意模擬地和數字地的分離 6,為保證pcb佈線的電氣效能,網路檢查正確通過後,進行drc檢查 7,pcb...

整理Pcb設計基礎知識

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