原创 PCB之美

我们要制作一件电子产品，通常是先设计电路原理图。在电路原理图上，用各种特定的符号代表不同的电子元器件，并把它们用线连接起来。一个电子工程师 可以通过这些符号和连线清楚地看出电路工作原理和各个各部分的功能。如果电路设计无误的话，你只需要准备好所需的电子元器件，然后用导线把它们连接起来就 能工作了。早期的电子产品大都如此，如果你家里还有一台六七十年代的电子管收音机的话，你就可以看到那些凌乱的元器件和纵横交错的导线。

　　好在电子管收音机的电路还算简单，但如果想做一个比较复杂的产品，比如说一块电脑主板，你可以想想看，如果还用上面的方法来做会是什么样的结 果。那可能需要几万根电线，然后一根一根地进行焊接，恐怕最熟练的工人也要累趴下。另外，用这样的方法是无法进行批量生产的。因此我们需要PCB。 

　　 PCB是什么

　　PCB是英文“Printed Circuit Board”的缩写，直译就是印制电路板的意思。其含义是：以绝缘材料为基板加工成一定尺寸的板，上面至少有一个导电图形及所设计好的孔，以实现电子元器件之间的电气连接，这样的板称为印制电路板。

　　一般来说，PCB是敷铜板经过蚀刻处理得到的。敷铜板有板基和铜箔组成，板基通常采用玻璃纤维等绝缘材料，上面覆盖一层铜箔（通常采用无氧 铜）。铜箔经过蚀刻后就剩下一段一段曲曲折折的铜箔，这些铜箔称为走线（trace）。这些走线的功能就相当于电路原理图中的那些连线，它们负责把元器件 的引脚连接到一起。铜箔上钻有一些孔，用来安装电子元件，称为钻孔。而用于与元件引脚焊接的铜箔则称为焊盘（Pad）。

　　显然，PCB能为电子元器件提供固定、装配的机械支撑，可实现电子元器件之间的电气连接或绝缘。另外，我们还可以看到许多PCB上都印有元件的编号和一些图形，这为元件插装、检查、维修提供了方便。

　　 元件可通过哪些方式装在PCB上

　　 既然我们在前面已经谈到了PCB能为电子元器件提供机械支撑和电气连接，那么这些电子元件又是如何安装在PCB上的呢？其实，电子元件有很多种封装形式， 不同封装形式的元件在PCB上的安装方式也是不同的。传统的电子元件大都是插针式的，体积较大，对于这种元件，需要在PCB上钻孔后才能安装。元件引脚从 钻孔穿过焊接在PCB另一面的焊盘上，焊接完成后还要剪除多余的引脚。但是现在电脑板卡更多采用的是成本低、体积小的SMD表面贴装元件，因而无需在 PCB上钻孔，只要粘在设计好的位置上，把元件焊接在焊盘上即可。可元件除了可以直接焊接在PCB上之外，还可以通过插座安装。例如大家熟知的BIOS芯 片大多就是用插座安装在主板上的。

　　在一些资料中常提到元件面和焊接面的概念。所谓元件面，就是电子元器件所在的那个面，焊接面就是元件的引脚通过焊锡与PCB上的焊盘连接的那个 面，它是我们焊接用的。对于插针式元件，焊点和元件分别处于PCB的两个面上，元件只能处于元件面，否则将给焊接带来巨大的麻烦。对于SMD元件来说，焊 点和元件都在一个面上，所以元件可以在PCB的任意一个面甚至两个面上。

　　为什么PCB要做成多层

　　对于最基本的PCB，元件集中在一面，导线则集中在另一面，因为只能在其中一面布线，所以我们就称这种PCB为单面板。双面板的两面都可以布线，因此布线面积比单面板大一倍，适合用在更复杂的电路上。

　　对于收音机这种简单电路来说，使用单面板或双面板制造就行了。但随着微电子技术的发展，电路的复杂程度大幅提高，对PCB的电气性能也提出了更 高的要求，如果还采用单面板或双面板的话，电路体积会很大，给布线也带来了很大困难，除此之外，线路间的电磁干扰也不好处理，于是就出现了多层板（层数代 表有几层独立的布线层，通常都是偶数）。

　　使用多层板的优点有：装配密度高，体积小；电子元器件之间的连线缩短，信号传输速度提高；方便布线；对于高频电路，加入地线层，使信号线对地形成恒定的低阻抗；屏蔽效果好。但是层数越多成本越高，加工周期也更长，质量检测比较麻烦。

　　我们常见的电脑板卡通常采用四层板或六层板，不过现在已有超过100层的实用印制线路板了。六层板与四层板的区别是在中间，即地线层和电源层之间多了两个内部信号层，比四层板厚一些。

　　多层板实际上是由蚀刻好的几块单面板或双面板经过层压、粘合而成的。双面板很容易分辨，对着灯光看，除了两面的走线外，其它地方都是透光的。对于四层板和六层板来说，因为PCB中的各层结合得十分紧密，如果板卡上有相应的标记，就没有很好的办法进行区分。

　　过孔（VIA）——电路的“桥梁”

　　介绍了多层板，大家心中或许会出现一个疑问，层与层之间应该是绝缘的，那它们之间的电路如何发生关系呢？为了实现各层之间的电气连接，在PCB 的绝缘层上打孔，然后在孔壁上镀铜，就可以连通内外层电路了，这种孔称为过孔，通孔或者贯孔等。对于多层板来说，过孔分为几种：贯穿所有层的穿透式过孔， 只能在一个面看到的半隐藏式过孔和看不见的全隐藏式过孔。

　　除了通过电镀形成过孔外，最近还普及了空内填入“导电膏”制作导通孔的方法。导电膏是在树脂里加入金属颗粒的膏状物，填充到孔里一旦固化，金属 颗粒之间互相接触，就可以连通电路。这样形成的孔叫做金属导通孔，银颗粒导电膏所形成的孔叫做“银导通孔”，最近还开始使用铜颗粒的导电膏。

　　可以看到，过孔是连接电路的“桥梁”，但是“桥梁”也是不能乱搭的，对于两点之间的连线而言，经过的过孔太多会导致可靠性下降。 
　 布线的学问

　　蛇行线的误区

　　在许多板卡的试用报告中都可以看到类似这样的描述：“做工不错，板上的蛇行线也很多”。也许大家对布线的认识就是从蛇行线开始的，那么蛇行线究竟是怎么一回事呢？

　　通常所说的蛇行线是指那种呈连续S形变化的布线。直观地看，需要连接地两点之间没有阻碍，本来是可以布成直线连通的，但却实际采用了蛇行布线。 从理论上来看，蛇行线有这些作用：形成一个微小的电感，抑制线上的信号电流的变化；保证某些线路的等长；能在一定程度上抑制串扰。可以看出，这只是一种局 部的布线方式，设计人员要根据实际情况来采用，并不能以蛇行线的多少来判断PCB布线的优劣。

　　粗细有别

　　我们在观察PCB时会发现走线有粗有细，粗的地方通常是电源线和地线，而细的则是数据线。这是因为电源线和地线要通过比较大的电流，应尽可能粗 一些。因此，空余的地方往往被成片的铜箔覆盖作为地线。数据线上通过的电流较小，就可以设计得比较细，而且细的连线也更有利于布线。

　　拐弯也有讲究

　　PCB上的走线不可能全是直线，因此就要涉及到转向的问题。设计上通常要求走线在转向时不能是直角，而是45度角（指与线延伸方向的夹角度）左 右。这是因为直角和锐角的图形在高频电路中会影响电气性能，而且在高温情况下容易剥落，所以通常要求走线的转向处为钝角或圆角。

　　PCB的五彩外衣

　　我们对电脑板卡的第一印象恐怕就是它的颜色，除了最常见的绿色和棕色外，还有蓝色、红色、黑色、紫色等，那么这些颜色到底有什么意义呢？要回答 这个问题，我们先思考一下为什么PCB上其它铜导线不上锡呢。在PCB上除了需要锡焊的焊盘等部分外，其余部分的表面有一层耐波峰焊的阻焊膜，其作用是防 止进行波峰焊时产生桥接现象，提高焊接质量和节约焊料等优点。它也是印制板的永久性保护层，能起到防潮，防腐蚀，防霉和机械擦伤等作用。阻焊膜多数为绿 色，所以在PCB行业常把阻焊油叫成绿油，PCB的颜色实际就是阻焊油的颜色。如果阻焊油加入其它的化学原料就可以改变它的颜色，但是颜色只是起到装饰作 用，对性能是没有什么影响的。 

　　 看似寻常的细节

　　安装孔

　　安装孔就是固定板卡的螺丝孔，如果不是用于接地的话，周围5mm内不能用铜箔。这些孔是用于接地的，所以周围有一圈铜箔。这样，板卡的地线通过金属螺丝与机箱的金属外壳相连，可以起到屏蔽作用。

　　基准点

　　大量采用SMD元件的板卡通常元件非常密集，某些大规模集成电路的引脚排列更加密集，要采用自动化设备对PCB进行元件贴放就要求非常高的精密 度。为了满足这一要求，通常在PCB上设计有基准点，以帮助自动化设备对准PCB。PCB上通常有全局基准点和局部基准点，在整个PCB的对角线上看到的 两个基准点是全局基准点，在密间距QFP、TSOP和BGA封装的元件的对角线上看到的是局部基准点。有了这些基准点，所有的元件就能与PCB上设计的位 置精确重合。

　　PCB是如何制造出来的

　　随便拿一块主板看看，你可能会觉得不可思议，如此复杂的电路是怎么做成PCB的呢？要制作PCB，首先要用专门的软件（如Protel）设计电 路原理图，然后将原理图导入PCB设计软件进行布局，也就是确定每个元器件在PCB上的位置。位置确定好后，就要软件中的画线工具把这些元器件连接到一 起，这些线就是PCB上实际的铜箔了。连线是不可以随意交叉的，交叉就意味着电气上的连接，只有电路原理图中允许连接的才能交叉。所以我们PCB上的铜箔 连线都是曲曲折折、绕来绕去的。

　　PCB图设计好以后，就可以由工厂来加工了。

　　可以看到，PCB的制造并不那么简单。如果是制造多层板，其加工工艺更加复杂，成本也更高。实际上，PCB在电脑板卡的成本中所占的比例是较大的，这就是为什么有的板卡为了降低成本而使用四层板设计的原因。

　　总的来说，PCB的设计制造是一门复杂的学问，即使市面上那些不起眼的小厂生产的电脑板卡也都是专业PCB工程师设计的。当你购买电脑板卡时，不妨先欣赏一下PCB之美吧。