印製電路板

印製電路板(5張)

在印製電路板出現之前，電子元件之間的互連都是依靠電線直接連接而組成完整的線路。在當代，電路面板只是作為有效的實驗工具而存在，而印刷電路板在電子工業中已經成了佔據了絕對統治的地位。

20世紀初，人們為了簡化電子機器的製作，減少電子零件間的配線，降低製作成本等優點，於是開始鑽研以印刷的方式取代配線的方法。三十年間，不斷有工程師提出在絕緣的基板上加以金屬導體作配線。而最成功的是1925年，美國的Charles Ducas 在絕緣的基板上印刷出線路圖案，再以電鍍的方式，成功建立導體作配線。

直至1936年，奧地利人保羅·愛斯勒（Paul Eisler）在英國發表了箔膜技術，他在一個收音機裝置內採用了印刷電路板；而在日本，宮本喜之助以噴附配線法“メタリコン法吹着配線方法（特許119384號）”成功申請專利。而兩者中Paul Eisler 的方法與現今的印製電路板最為相似，這類做法稱為減去法，是把不需要的金屬除去；而Charles Ducas、宮本喜之助的做法是隻加上所需的配線，稱為加成法。雖然如此，但因為當時的電子零件發熱量大，兩者的基板也難以配合使用，以致未有正式的實用作，不過也使印刷電路技術更進一步。

近十幾年來，我國印製電路板（Printed Circuit Board，簡稱PCB）製造行業發展迅速，總產值、總產量雙雙位居世界第一。由於電子產品日新月異，價格戰改變了供應鏈的結構，中國兼具產業分佈、成本和市場優勢，已經成為全球最重要的印製電路板生產基地。

印製電路板從單層發展到雙面板、多層板和撓性板，並不斷地向高精度、高密度和高可靠性方向發展。不斷縮小體積、減少成本、提高性能，使得印製電路板在未來電子產品的發展過程中，仍然保持強大的生命力。

未來印製電路板生產製造技術發展趨勢是在性能上向高密度、高精度、細孔徑、細導線、小間距、高可靠、多層化、高速傳輸、輕量、薄型方向發展。

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。

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，雙面板解決了單面板中因為佈線交錯的難點（可以通過導孔通到另一面），它更適合用在比單面板更復雜的電路上。

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。用一塊雙面作內層、二塊單面作外層或二塊雙面作內層、二塊單面作外層的印刷線路板，通過定位系統及絕緣粘結材料交替在一起且導電圖形按設計要求進行互連的印刷線路板就成為四層、六層印刷電路板了，也稱為多層印刷線路板。板子的層數並不代表有幾層獨立的佈線層，在特殊情況下會加入空層來控制板厚，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，不過技術上理論可以做到近100層的PCB。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羣代替，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，不過如果仔細觀察主機板，還是可以看出來。

目前的電路板，主要由以下組成

線路與圖面（Pattern）：線路是做為原件之間導通的工具，在設計上會另外設計大銅面作為接地及電源層。線路與圖面是同時做出的。

介電層（Dielectric）：用來保持線路及各層之間的絕緣性，俗稱為基材。

孔（Through hole / via）：導通孔可使兩層次以上的線路彼此導通，較大的導通孔則做為零件插件用，另外有非導通孔（nPTH）通常用來作為表面貼裝定位，組裝時固定螺絲用。

防焊油墨（Solder resistant /Solder Mask） ：並非全部的銅面都要吃錫上零件，因此非吃錫的區域，會印一層隔絕銅面吃錫的物質（通常為環氧樹脂），避免非吃錫的線路間短路。根據不同的工藝，分為綠油、紅油、藍油。

絲印（Legend /Marking/Silk screen）：此為非必要之構成，主要的功能是在電路板上標註各零件的名稱、位置框，方便組裝後維修及辨識用。

表面處理（Surface Finish）：由於銅面在一般環境中，很容易氧化，導致無法上錫（焊錫性不良），因此會在要吃錫的銅面上進行保護。保護的方式有噴錫（HASL），化金（ENIG），化銀（Immersion Silver），化錫（Immersion Tin），有機保焊劑（OSP），方法各有優缺點，統稱為表面處理。

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上零件的電路連接。

通常PCB的顏色都是綠色或是棕色，這是阻焊（solder mask）的顏色。是絕緣的防護層，可以保護銅線，也防止波焊時造成的短路，並節省焊錫之用量。在阻焊層上還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標面（legend）。

在製成最終產品時，其上會安裝集成電路、電晶體、二極管、被動元件（如：電阻、電容、連接器等）及其他各種各樣的電子零件。藉着導線連通，可以形成電子訊號連結及應有機能。

採用印製板的主要優點是：

1，由於圖形具有重複性（再現性）和一致性，減少了佈線和裝配的差錯，節省了設備的維修、調試和檢查時間；

2，設計上可以標準化，利於互換；

3，佈線密度高，體積小，重量輕，利於電子設備的小型化；

4，利於機械化、自動化生產，提高了勞動生產率並降低了電子設備的造價。

5，印製板的製造方法可分為減去法（減成法）和添加法（加成法）兩個大類。目前，大規模工業生產還是以減去法中的腐蝕銅箔法為主。

6，特別是FPC軟性板的耐彎折性，精密性，更好的應用到高精密儀器上。（如相機，手機，攝像機等）

基材普遍是以基板的絕緣部分作分類，常見的原料為電木板、玻璃纖維板，以及各式的塑膠板。而PCB的製造商普遍會以一種以玻璃纖維、不織物料、以及樹脂組成的絕緣部分，再以環氧樹脂和銅箔壓制成“黏合片”（prepreg）使用。

Xgs遊戲機電路設計而常見的基材及主要成份有：

FR-1 ──酚醛棉紙，這基材通稱電木板（比FR-2較高經濟性）

FR-2 ──酚醛棉紙，

FR-3 ──棉紙（Cotton paper）、環氧樹脂

FR-4 ──玻璃布（Woven glass）、環氧樹脂

FR-5 ──玻璃布、環氧樹脂

FR-6 ──毛面玻璃、聚酯

G-10 ──玻璃布、環氧樹脂

CEM-1 ──棉紙、環氧樹脂（阻燃）

CEM-2 ──棉紙、環氧樹脂（非阻燃）

CEM-3 ──玻璃布、環氧樹脂

CEM-4 ──玻璃布、環氧樹脂

CEM-5 ──玻璃布、多元酯

AIN ──氮化鋁

SIC ──碳化硅

金屬塗層除了是基板上的配線外，也就是基板線路跟電子元件焊接的地方。此外，由於不同的金屬價錢不同，因此直接影響生產的成本。另外，每種金屬的可焊性、接觸性，電阻阻值等等不同，這也會直接影響元件的效能。

常用的金屬塗層有：銅、錫（厚度通常在5至15μm）、鉛錫合金（或錫銅合金，即焊料，厚度通常在5至25μm，錫含量約在63%）、金（一般只會鍍在接口）、銀（一般只會鍍在接口，或以整體也是銀的合金）。

印製電路板的設計是以電路原理圖為藍本，實現電路使用者所需要的功能。印刷電路板的設計主要指版圖設計，需要內部電子元件、金屬連線、通孔和外部連接的佈局、電磁保護、熱耗散、串音等各種因素。優秀的線路設計可以節約生產成本，達到良好的電路性能和散熱性能。簡單的版圖設計可以用手工實現，但複雜的線路設計一般也需要藉助計算機輔助設計（CAD）實現，而著名的設計軟件有OrCAD、Pads （也即PowerPCB）、Altium designer （也即Protel）、FreePCB、CAM350等。

根據不同的技術可分為消除和增加兩大類過程。

減去法（Subtractive），是利用化學品或機械將空白的電路板（即鋪有完整一塊的金屬箔的電路板）上不需要的地方除去，餘下的地方便是所需要的電路。

絲網印刷：把預先設計好的電路圖製成絲網遮罩，絲網上不需要的電路部分會被蠟或者不透水的物料覆蓋，然後把絲網遮罩放到空白線路板上面，再在絲網上油上不會被腐蝕的保護劑，把線路板放到腐蝕液中，沒有被保護劑遮住的部份便會被蝕走，最後把保護劑清理。

感光板：把預先設計好的電路圖制在透光的膠片遮罩上（最簡單的做法就是用打印機印出來的投影片），同理應把需要的部份印成不透明的顏色，再在空白線路板上塗上感光顏料，將預備好的膠片遮罩放在電路板上照射強光數分鐘，除去遮罩後用顯影劑把電路板上的圖案顯示出來，最後如同用絲網印刷的方法一樣把電路腐蝕。

刻印：利用銑牀或雷射雕刻機直接把空白線路上不需要的部份除去。

加成法（Additive），現在普遍是在一塊預先鍍上薄銅的基板上，覆蓋光阻劑（D/F），經紫外光曝光再顯影，把需要的地方露出，然後利用電鍍把線路板上正式線路銅厚增厚到所需要的規格,再鍍上一層抗蝕刻阻劑－金屬薄錫，最後除去光阻劑（這製程稱為去膜），再把光阻劑下的銅箔層蝕刻掉。

積層法是製作多層印刷電路板的方法之一。是在製作內層後才包上外層，再把外層以減去法或加成法所處理。不斷重複積層法的動作，可以得到再多層的多層印刷電路板則為順序積層法。

1.內層製作

2.積層編成（即黏合不同的層數的動作）

3.積層完成（減去法的外層含金屬箔膜；加成法）

4.鑽孔

1.全塊PCB電鍍

2.在表面要保留的地方加上阻絕層（resist，防以被蝕刻）

3.蝕刻

4.去除阻絕層

1.在表面不要保留的地方加上阻絕層

2.電鍍所需表面至一定厚度

3.去除阻絕層

4.蝕刻至不需要的金屬箔膜消失

1.在不要導體的地方加上阻絕層

2.以無電解銅組成線路

1.以無電解銅覆蓋整塊PCB

2.在不要導體的地方加上阻絕層

3.電解鍍銅

4.去除阻絕層

5.蝕刻至原在阻絕層下無電解銅消失

ALIVH（Any Layer Interstitial Via Hole，Any Layer IVA）是日本松下電器開發的增層技術。這是使用芳香族聚酰胺（Aramid）纖維布料為基材。

1.把纖維布料浸在環氧樹脂成為“黏合片”（prepreg）

2.雷射鑽孔

3.鑽孔中填滿導電膏

4.在外層黏上銅箔

5.銅箔上以蝕刻的方法制作線路圖案

6.把完成第二步驟的半成品黏上在銅箔上

7.積層編成

8.再不停重複第五至七的步驟，直至完成

B2it（Buried Bump Interconnection Technology）是東芝開發的增層技術。

1.先製作一塊雙面板或多層板

2.在銅箔上印刷圓錐銀膏

3.放黏合片在銀膏上，並使銀膏貫穿黏合片

4.把上一步的黏合片黏在第一步的板上

5.以蝕刻的方法把黏合片的銅箔製成線路圖案

6.再不停重複第二至四的步驟，直至完成

更密集的PCB、更高的總線速度以及模擬RF電路等等對測試都提出了前所未有的挑戰，這種環境下的功能測試需要認真的設計、深思熟慮的測試方法和適當的工具才能提供可信的測試結果。

在同夾具供應商打交道時，要記住這些問題，同時還要想到產品將在何處製造，這是一個很多測試工程師會忽略的地方。例如我們假定測試工程師身在美國的加利福尼亞，而產品製造地卻在泰國。測試工程師會認為產品需要昂貴的自動化夾具，因為在加州廠房價格高，要求測試儀儘量少，而且還要用自動化夾具以減少僱用高技術高工資的操作工。但在泰國，這兩個問題都不存在，讓人工來解決這些問題更加便宜，因為這裏的勞動力成本很低，地價也很便宜，大廠房不是一個問題。因此有時候一流設備在有的國家可能不一定受歡迎。

在高密度UUT中，如果需要校準或診斷則很可能需要由人工進行探查，這是由於針牀接觸受到限制以及測試更快（用探針測試UUT可以迅速採集到數據而不是將信息反饋到邊緣連接器上）等原因，所以要求由操作員探查UUT上的測試點。不管在哪裏，都應確保測試點已清楚地標出。

探針類型和普通操作工也應該注意，需要考慮的問題包括：

探針大過測試點嗎？探針有使幾個測試點短路並損壞UUT的危險嗎？對操作工有觸電危害嗎？

每個操作工能很快找出測試點並進行檢查嗎？測試點是否很大易於辨認呢？

操作工將探針按在測試點上要多長時間才能得出準確的讀數？如果時間太長，在小的測試區會出現一些麻煩，如操作工的手會因測試時間太長而滑動，所以建議擴大測試區以避免這個問題。

考慮上述問題後測試工程師應重新評估測試探針的類型，修改測試文件以更好地識別出測試點位置，或者甚至改變對操作工的要求。

在某些情況下會要求使用自動探查，例如在PCB難以用人工探查，或者操作工技術水平所限而使得測試速度大大降低的時候，這時就應考慮用自動化方法。

自動探查可以消除人為誤差，降低幾個測試點短路的可能性,並使測試操作加快。但是要知道自動探查也可能存在一些侷限，根據供應商的設計而各有不同，包括：

UUT的大小

同步探針的數量

兩個測試點相距有多近？

測試探針的定位精度

系統能對UUT進行兩面探測嗎？

探針移至下一個測試點有多快？

探針系統要求的實際間隔是多少？（一般來講它比離線式功能測試系統要大）

自動探查通常不用針牀夾具接觸其它測試點，而且一般它比生產線速度慢，因此可能需要採取兩種步驟：如果探測儀僅用於診斷，可以考慮在生產線上採用傳統的功能測試系統，而把探測儀作為診斷系統放在生產線邊上；如果探測儀的目的是UUT校準，那麼唯一的真正解決辦法是採用多個系統，要知道這還是比人工操作要快得多。

如何整合到生產線上也是必須要研究的一個關鍵問題，生產線上還有空間嗎？系統能與傳送帶連接嗎？幸好許多新型探測系統都與SMEMA標準兼容，因此它們可以在在線環境下工作。

這項技術早在產品設計階段就應該進行討論，因為它需要專門的元器件來執行這項任務。在以數字電路為主的UUT中，可以購買帶有IEEE1194（邊界掃描）支持的器件，這樣只做很少或不用探測就能解決大部分診斷問題。邊界掃描會降低UUT的整體功能性，因為它會增大每個兼容器件的面積（每個芯片增加4～5個引腳以及一些線路），所以選擇這項技術的原則，就是所花費的成本應該能使診斷結果得到改善。應記住邊界掃描可用於對UUT上的閃速存儲器和PLD器件進行編程，這也更進一步增加了選用該測試方法的理由。

如何處理一個有侷限的設計？

如果UUT設計已經完成並確定下來，此時選擇就很有限。當然也可以要求在下次改版或新產品中進行修改，但是工藝改善總是需要一定的時間，而你仍然要對目前的狀況進行處理。

隨着電子技術的快速發展，印製電路板廣泛應用於各個領域，幾乎所有的電子設備中都包含相應的印製電路板。為保證電子設備正常工作，減少相互間的電磁干擾，降低電磁污染對人類及生態環境的不利影響，電磁兼容設計不容忽視。本文介紹了印製電路板的設計方法和技巧。

在印製電路板的設計中，元器件佈局和電路連接的佈線是關鍵的兩個環節。 ^[1] 

佈局，是把電路器件放在印製電路板佈線區內。佈局是否合理不僅影響後面的佈線工作，而且對整個電路板的性能也有重要影響。在保證電路功能和性能指標後，要滿足工藝性、檢測和維修方面的要求，元件應均勻、整齊、緊湊布放在PCB上，儘量減少和縮短各元器件之間的引線和連接，以得到均勻的組裝密度。

按電路流程安排各個功能電路單元的位置，輸入和輸出信號、高電平和低電平部分儘可能不交叉，信號傳輸路線最短。

元器件的位置應按電源電壓、數字及模擬電路、速度快慢、電流大小等進行分組，以免相互干擾。

電路板上同時安裝數字電路和模擬電路時，兩種電路的地線和供電系統完全分開，有條件時將數字電路和模擬電路安排在不同層內。電路板上需要佈置快速、中速和低速邏輯電路時，應安放在緊靠連接器範圍內;而低速邏輯和存儲器，應安放在遠離連接器範圍內。這樣，有利於減小共阻抗耦合、輻射和交擾的減小。時鐘電路和高頻電路是主要的騷擾輻射源，一定要單獨安排，遠離敏感電路。

發熱元件與熱敏元件儘可能遠離，要考慮電磁兼容的影響。

貼裝元件儘可能在一面，簡化組裝工藝。

元器件之間距離的最小限制根據元件外形和其他相關性能確定，目前元器件之間的距離一般不小於0.2 mm～0.3mm，元器件距印製板邊緣的距離應大於2mm。

元件排列的方向和疏密程度應有利於空氣的對流。考慮組裝工藝，元件方向儘可能一致。

印製導線的最小寬度，主要由導線和絕緣基板間的粘附強度和流過它們的電流值決定。印製導線可儘量寬一些，尤其是電源線和地線，在板面允許的條件下儘量寬一些，即使面積緊張的條件下一般不小於1mm。特別是地線，即使局部不允許加寬，也應在允許的地方加寬，以降低整個地線系統的電阻。對長度超過80mm的導線，即使工作電流不大，也應加寬以減小導線壓降對電路的影響。

要極小化佈線的長度，佈線越短，干擾和串擾越少，並且它的寄生電抗也越低，輻射更少。特別是場效應管柵極，三極管的基極和高頻迴路更應注意佈線要短。

相鄰導線之間的距離應滿足電氣安全的要求，串擾和電壓擊穿是影響佈線間距的主要電氣特性。為了便於操作和生產，間距應儘量寬些，選擇最小間距至少應該適合所施加的電壓。這個電壓包括工作電壓、附加的波動電壓、過電壓和因其它原因產生的峯值電壓。當電路中存在有市電電壓時，出於安全的需要間距應該更寬些。

信號路徑的寬度，從驅動到負載應該是常數。改變路徑寬度對路徑阻抗（電阻、電感、和電容）產生改變，會產生反射和造成線路阻抗不平衡。所以，最好保持路徑的寬度不變。在佈線中，最好避免使用直角和鋭角，一般拐角應該大於90°。直角的路徑內部的邊緣能產生集中的電場，該電場產生耦合到相鄰路徑的噪聲，45°路徑優於直角和鋭角路徑。當兩條導線以鋭角相遇連接時，應將鋭角改成圓形。

2、孔徑和焊盤尺寸

元件安裝孔的直徑應該與元件的引線直徑較好的匹配，使安裝孔的直徑略大於元件引線直徑的（0.15～0.3）mm。通常DIL封裝的管腳和絕大多數的小型元件使用0.8mm的孔徑，焊盤直徑大約為2mm。對於大孔徑焊盤為了獲得較好的附着能力，焊盤的直徑與孔徑之比，對於環氧玻璃板基大約為2，而對於苯酚紙板基應為（2.5～3）。

過孔，一般被使用在多層PCB中，它的最小可用直徑是與板基的厚度相關，通常板基的厚度與過孔直徑比是6：1。高速信號時，過孔產生（1～4）nH的電感和（0.3～0.8）pF的電容的路徑。因此，當鋪設高速信號通道時，過孔應該被保持到絕對的最小。對於高速的並行線（例如地址和數據線），如果層的改變是不可避免，應該確保每根信號線的過孔數一樣。並且應儘量減少過孔數量，必要時需設置印製導線保護環或保護線，以防止振盪和改善電路性能。

不合理的地線設計會使印製電路板產生干擾，達不到設計指標，甚至無法工作。地線是電路中電位的參考點，又是電流公共通道。地電位理論上是零電位，但實際上由於導線阻抗的存在，地線各處電位不都是零。因為地線只要有一定長度就不是一個處處為零的等電位點，地線不僅是必不可少的電路公共通道，又是產生干擾的一個渠道。

一點接地是消除地線干擾的基本原則。所有電路、設備的地線都必須接到統一的接地點上，以該點作為電路、設備的零電位參考點（面）。一點接地分公用地線串聯一點接地和獨立地線並聯一點接地。

公用地線串聯一點接地方式比較簡單，各個電路接地引線比較短，其電阻相對小，這種接地方式常用於設備機櫃中的接地。獨立地線並聯一點接地，只有一個物理點被定義為接地參考點，其他各個需要接地的點都直接接到這一點上，各電路的地電位只與本電路的地電流基地阻抗有關，不受其他電路的影響。

具體佈線時應注意以下幾點:

⑴走線長度儘量短，以便使引線電感極小化。在低頻電路中，因為所有電路的地電流流經公共的接地阻抗或接地平面，所以避免採用多點接地。

⑵公共地線應儘量佈置在印製電路板邊緣部分。電路板上應儘可能多保留銅箔做地線，可以增強屏蔽能力。

⑶雙層板可以使用地線面，地線面的目的是提供一個低阻抗的地線。

⑷多層印製電路板中，可設置接地層，接地層設計成網狀。地線網格的間距不能太大，因為地線的一個主要作用是提供信號迴流路徑，若網格的間距過大，會形成較大的信號環路面積。大環路面積會引起輻射和敏感度問題。另外，信號迴流實際走環路面積小的路徑，其他地線並不起作用。

⑸地線面能夠使輻射的環路最小。

印製電路板製造技術是一項非常複雜的、綜合性很高的加工技術。尤其是在濕法加工過程中，需採用大量的水，因而有多種重金屬廢水和有機廢水排出，成分複雜，處理難度較大。按印製電路板銅箔的利用率為30%~40%進行計算，那麼在廢液、廢水中的含銅量就相當可觀了。按一萬平方米雙面板計算（每面銅箔厚度為35微米），則廢液、廢水中的含銅量就有4500公斤左右，並還有不少其他的重金屬和貴金屬。這些存在於廢液、廢水中的金屬如不經處理就排放，既造成了浪費又污染了環境。因此，在印製板生產過程中的廢水處理和銅等金屬的回收是很有意義的，是印製板生產中不可缺少的部分。

眾所周知，印製電路板生產過程中的廢水，其中大量的是銅，極少量的有鉛、錫、金、銀、氟、氨、有機物和有機絡合物等。

至於產生銅廢水的工序，主要有：沉銅、全板電鍍銅、圖形電鍍銅、蝕刻以及各種印製板前處理工序（化學前處理、刷板前處理、火山灰磨板前處理等）。

以上工序所產生的含銅廢水，按其成分，大致可分為絡合物廢水和非絡合物廢水。為使廢水處理達到國家規定的排放標準，其中銅及其化合物的最高允許排放濃度為1mg/l（按銅計），必須針對不同的含銅廢水，採取不同的廢水處理方法。