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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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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“
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。
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。
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。
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。
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。
很容易用。如果不好用的话,你也不会用。
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。
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。
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。
练习,练习,还是练习。
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。
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。
最后,说一些设计些自己的电路板的好处。如果你计划参与一个或多个既定的项目,设计电路板带来的好处是显而易见的。相对于设计电路板来说,在面包板上点到点的布线太困难了,并且可靠性相对较低。并且,如果你的设计不错的话,可以将你的设计买个好价钱.