PCB基础知识

Posted 2021-01-06 ydvely521

在电子行业有一个关键的部件叫做PCB(printed circuit board,印刷电路板)。这是一个太基础的部件，导致很多人都很难解释到底什么是PCB。这篇文章将会详细解释PCB的构成，以及在PCB的领域里面常用的一些术语。

 在接下来的几页里面，我们将讨论PCB的组成，包括一些术语，简要的组装方法，以及简介PCB的设计过程。

 

 

What‘s a PCB?
PCB(Printed circuit board)是一个最普遍的叫法，也可以叫做“printed wiring boards” 或者 “printed wiring cards”。在PCB出现之前，电路是通过点到点的接线组成的。这种方法的可靠性很低，因为随着电路的老化，线路的破裂会导致线路节点的断路或者短路。

 

绕线技术是电路技术的一个重大进步，这种方法通过将小口径线材绕在连接点的柱子上，提升了线路的耐久性以及可更换性。

 

（1977年Z80计算机的绕线背板）

 

当电子行业从真空管、继电器发展到硅半导体以及集成电路的时候，电子元器件的尺寸和价格也在下降。电子产品越来越频繁的出现在了消费领域，促使厂商去寻找更小以及性价比更高的方案。于是，PCB诞生了。

 

 

Composition（组成）
PCB看上去像多层蛋糕或者千层面--制作中将不同的材料的层，通过热量和粘合剂压制到一起。

 

 

从中间层开始吧。

 

FR4
PCB的基材一般都是玻璃纤维。大多数情况下，PCB的玻璃纤维基材一般就指"FR4"这种材料。"FR4"这种固体材料给予了PCB硬度和厚度。除了FR4这种基材外，还有柔性高温塑料（聚酰亚胺或类似）上生产的柔性电路板等等。

 

你可能会发现有不同厚度的PCB；然而 SparkFun的产品的厚度大部分都是1.6mm（0.063‘‘）。有一些产品也采用了其它厚度，比如 LilyPad、Arudino Pro Micro boards采用了0.8mm的板厚。

 

 

廉价的PCB和洞洞板（见上图）是由环氧树脂或酚这样的材料制成，缺乏 FR4那种耐用性，但是却便宜很多。当在这种板子上焊接东西时，将会闻到很大的异味。这种类型的基材，常常被用在很低端的消费品里面。酚类物质具有较低的热分解温度，焊接时间过长会导致其分解碳化，并且散发出难闻的味道。

 

Copper
 

（露铜的PCB，无阻焊&丝印）

 

接下来介绍是很薄的铜箔层，生产中通过热量以及黏合剂将其压制倒基材上面。在双面板上，铜箔会压制到基材的正反两面。在一些低成本的场合，可能只会在基材的一面压制铜箔。当我们提及到”双面板“或者”两层板“的时候，指的是我们的千层面上有两层铜箔。当然，不同的PCB设计中，铜箔层的数量可能是1层这么少，或者比16层还多。

 

铜层的厚度种类比较多，而且是用重量做单位的，一般采用铜均匀的覆盖一平方英尺的重量（盎司oz）来表示。大部分PCB的铜厚是1oz，但是有一些大功率的PCB可能会用到2oz或者3oz的铜厚。将盎司(oz)每平方英尺换算一下，大概是 35um或者1.4mil的铜厚。

 

Soldermask（阻焊）
在铜层上面的是阻焊层。这一层让PCB看起来是绿色的（或者是SparkFun的红色）。阻焊层覆盖住铜层上面的走线，防止PCB上的走线和其他的金属、焊锡或者其它的导电物体接触导致短路。阻焊层的存在，使大家可以在正确的地方进行焊接 ，并且防止了焊锡搭桥。

 

 

在上图这个例子里，我们可以看到阻焊覆盖了PCB的大部分（包括走线），但是露出了银色的孔环以及SMD焊盘，以方便焊接。

 

一般来说，阻焊都是绿色的，但几乎所有的颜色可以用来做阻焊。SparkFun的板卡大部分是红色的，但是IOIO板卡用了白色，LilyPad板卡是紫色的。

 

Silkscreen（丝印）

 

 

在阻焊层上面，是白色的丝印层。在PCB的丝印层上印有字母、数字以及符号，这样可以方便组装以及指导大家更好地理解板卡的设计。我们经常会用丝印层的符号标示某些管脚或者LED的功能等。

 

丝印层是最最常见的颜色是白色，同样，丝印层几乎可以做成任何颜色。黑色，灰色，红色甚至是黄色的丝印层并不少见。然而，很少见到单个板卡上有多种丝印层颜色。

下一页会介绍一些PCB方面的常用术语。

 

Terminology（术语）
现在你知道了PCB的结构组成，下面我们来看一下PCB相关的术语吧。

 

孔环 -- PCB上的金属化孔上的铜环。

 

 

Examples of annular rings. 孔环的例子

 

DRC -- 设计规则检查。一个检查设计是否包含错误的程序，比如，走线短路，走线太细，或者钻孔太小。

 

钻孔命中 -- 用来表示设计中要求的钻孔位置和实际的钻孔位置的偏差。钝钻头导致的不正确的钻孔中心是PCB制造里的普遍问题。

 

 不是太准确的drill hit示意图

 

（金）手指 -- 在板卡边上裸露的金属焊盘，一般用做连接两个电路板。比如计算机的扩展模块的边缘、内存条以及老的游戏卡。

 

邮票孔 -- 除了V-Cut外，另一种可选择的分板设计方法。用一些连续的孔形成一个薄弱的连接点，就可以容易将板卡从拼版上分割出来。SparkFun的Protosnap板卡是一个比较好的例子。

 

ProtoSnap上的邮票孔使PCB能简单的弯折下来。

 

焊盘 -- 在PCB表面裸露的一部分金属，用来焊接器件。

 

 

 左边是 插件焊盘，右边是贴片焊盘

 

拼板 -- 一个由很多可分割的小电路板组成的大电路板。自动化的电路板生产设备在生产小板卡的时候经常会出问题，将几个小板卡组合到一起，可以加快生产速度。

3拼板（原图挂了，自己找的）

 

钢网 -- 一个薄金属模板（也可以是塑料），在组装的时候，将其放在PCB上让焊锡透过某些特定部位。

 

钢网（原图挂了，自己找的配图）

 

Pick-and-place - 将元器件放到线路板上的机器或者流程。

平面 -- 线路板上一段连续的铜皮。一般是由边界来定义，而不是 路径。也称作”覆铜“

 

图示PCB上大部分地方没有走线，但是有地的覆铜

 

金属化过孔 -- PCB上的一个孔，包含孔环以及电镀的孔壁。金属化过孔可能是一个插件的连接点，信号的换层处，或者是一个安装孔。

 

 FABFM PCB上的一个插件电阻。电阻的两个腿已经穿过了PCB的过孔。电镀的孔壁可以使PCB正反两面的走线连接到一起。

 

Pogo pin -- 一个弹簧支撑的临时接触点，一般用作测试或烧录程序。

 

有尖头的pogo pin, 在测试针床中用的很多。

 

回流焊 -- 将焊锡融化，使焊盘（SMD）和器件管脚连接到一起。

丝印 -- 在PCB板上的字母、数字、符号或者图形等。基本上每个板卡上只有一种颜色，并且分辨率相对比较低。

 丝印指出了这个LED是电源指示灯。

 

开槽 -- 指的是PCB上任何不是圆形的洞。开槽可以电镀也可以不电镀。由于开槽需要额外的切割时间，有时会增加板卡的成本。

 

在ProtoSnap - Pro Mini板卡上的复杂开槽。同样有很多邮票孔。注意: 由于开槽的刀具是圆形的，开槽的边缘不能完全做成直角。

 

锡膏层 -- 在往PCB上放置元器件之前，会通过钢网在表贴器件的焊盘上形成的一定厚度的锡膏层。在回流焊过程中，锡膏融化，在焊盘和器件管脚间建立可靠的电气和机械连接。

在放置元器件之前，PCB上短暂的锡膏层，记得去了解一下钢网的定义。

 

焊锡炉 -- 焊接插件的炉子。一般里面有少量的熔融的焊锡，板卡在上面迅速的通过，就可以将暴露的管脚上锡焊接好。

 

阻焊 -- 为了防止短路、腐蚀以及其它问题，铜上面会覆盖一层保护膜。保护膜一般是绿色，也可能是其它颜色(SparkFun红色，Arduino蓝色，或者Apple黑色)。一般称作“阻焊”。

 

Solder mask covers up the signal traces but leaves the pads to solder to.阻焊覆盖了信号线，但是露出了焊盘以便于焊接。

 

连锡 -- 器件上的两个相连的管脚，被一小滴焊锡错误的连接到了一起。

 

表面贴装 -- 一种组装的方法，器件只需要简单的放在板卡上，不需要将器件管脚穿过板卡上的过孔。

 

热焊盘 -- 指的是连接焊盘到平面间的一段短走线。如果焊盘没有做恰当的散热设计，焊接时很难将焊盘加热到足够的焊接温度。不恰当的散热焊盘设计，会感觉焊盘比较黏，并且回流焊的时间相对比较长。（译者注，一般热焊盘做在插件与波峰焊接触的一面。不知道这个文章里面为什么会提到reflow，reflow主要要考虑的是热平衡，防止立碑。）

 

在左边，焊盘通过两个短走线（热焊盘）连接到地平面。在右边，过孔直接连接到地平面，没有采用热焊盘。

 

走线 -- 在电路板上，一般连续的铜的路径。

 一段连接复位点和板卡上其它地方的细走线。一个相对粗一点的走线连接了5V电源点。

 

V-score -- 将板卡进行一条不完全的切割，可以将板卡通过这条直线折断。（译者注：国内常叫做“V-CUT”）

过孔 -- 在板卡上的一个洞，一般用来将信号从一层切换到另外一层。塞孔指的是在过孔上覆盖阻焊，以防被焊接。连接器或者器件管脚过孔，因为需要焊接，一般不会进行塞孔。

 

 

同一个PCB上塞孔的正反两面。这个过孔将正面的信号，通过在板卡上的钻孔，传输到了背面。

 

波峰焊 -- 一个焊接插件器件的方法。将板卡匀速的通过一个产生稳定波峰的熔融焊锡炉，焊锡的波峰会将器件管脚和暴露的焊盘焊接到一起。

 

下一页将简要的介绍一下如何设计自己的PCB板卡。 

 

Designing your own! 设计自己的！

你希望开始设计自己的PCB吗。在PCB设计中的曲曲弯弯在这边说太复杂了。不过，如果你真的想开始，下面有几个要点。

1. 找到一个CAD的工具：在PCB设计的市场里，有很多低价或者免费的选择。当找一个工具的时候，可以考虑以下几点。
2. 论坛支持：有没有很多人使用这个工具？越多的人使用，你越容易找到你需要的器件的已经设计好的封装库。
3. 很容易用。如果不好用的话，你也不会用。
4. 性能： 很多程序对设计有限制，比如层数，器件数，以及板卡尺寸等。大部分需要你去购买授权去升级性能。
5. 可抑制性： 一些免费的程序不允许导出或者迁移到其它软件，将你限制在唯一的供应商上。可能软件的低价以及便捷性值得这样的付出，但有时候不太值得。
6. 去看看其他人的布板设计。开源硬件让这个事情越来越容易。
7. 练习，练习，还是练习。
8. 保持低的期望值。你设计的第一个板卡可能有很多问题，但是第20个可能就少很多，但是还会有一些问题。但是你很难将所有问题清除。
9. 原理图相当重要。尝试去设计一个没有好的原理图支持的PCB板卡是徒劳的。