一直都想寫寫我所認(rèn)識(shí)到的PCB。從大學(xué)里接觸到PCB開始，就一直覺得很有意思，雖然帶著很多疑惑和錯(cuò)誤的認(rèn)知跟PCB打了多年的交道，但終于還是了解了關(guān)于PCB的方方面面，有了還算清晰的認(rèn)知。
這篇文章就寫寫PCB是什么~
目錄
1、電路是什么？PCB/PCBA是什么？
2、為什么要有PCB
3、PCB的結(jié)構(gòu)和組成
4、PCB/PCBA的生產(chǎn)流程
5、PCB/PCBA的設(shè)計(jì)流程
6、炫酷的PCB小技巧炫酷的PCBA小技巧
正文
1、電路是什么？PCB/PCBA是什么？
電路是什么？百度百科定義為“由金屬導(dǎo)線和電氣、電子部件組成的導(dǎo)電回路，稱為電路。”
一個(gè)電池、一個(gè)開關(guān)、一個(gè)燈泡，加上一些導(dǎo)線和連接件，就組成了一個(gè)電路。下面3張百度來(lái)的圖片，都是這樣一個(gè)最簡(jiǎn)單的電路。
圖片里的電路，功能是點(diǎn)亮小燈泡，用于照明，但3張圖片里用了完全不同的連接方式。
第1張圖片里，燈泡、開關(guān)和電池都放在專用的塑料座上，塑料座還有專用的螺栓連接器，可以很方便的安裝器件并連接導(dǎo)線；
第2張圖片里，燈泡、開關(guān)和電池，也都有各自專用的安裝座，但確沒有了螺栓連接器，導(dǎo)線與3個(gè)器件的連接通過(guò)焊接和纏繞實(shí)現(xiàn)；
第3張圖片里，燈泡、開關(guān)、電池，只有電池有安裝座，開關(guān)和燈泡都是直接與導(dǎo)線連接的，導(dǎo)線與導(dǎo)線之間也是纏繞連接的。
上面的電路就是一個(gè)手電筒的原理，但手電筒可以實(shí)用化，上面的圖片里的電路卻只能用于電路原理教程中的演示，而且隨著連接器件的省略，電路的連接會(huì)更會(huì)復(fù)雜，可靠性會(huì)更差。
那這些不同之處說(shuō)明了什么？
同樣是電路，核心器件相同，功能相同，但連接件和連接方式不同，會(huì)很大的影響電路的功能實(shí)現(xiàn)。
電路的核心是線路和器件，但電路是需要和結(jié)構(gòu)件相配合才能實(shí)現(xiàn)其功能的，因此電路不僅是導(dǎo)線、器件，那些包裹導(dǎo)線的絕緣層、裝載電池的電池倉(cāng)、電池倉(cāng)內(nèi)的彈簧和金屬片、擰緊導(dǎo)線的螺栓，這些器件共同構(gòu)成了電路。
既然電路是一個(gè)復(fù)雜的整體，那PCB是什么呢？在電路中是什么角色呢？
想象一個(gè)復(fù)雜的電路，像下面這樣。
這樣一個(gè)原理圖，有76個(gè)器件，每個(gè)器件至少有2個(gè)連接關(guān)系，假如使用導(dǎo)線進(jìn)行連接，至少需要152根導(dǎo)線，如果想要批量生產(chǎn)，通過(guò)手工進(jìn)行焊接，這工作量可能我一天都搭不起來(lái)這樣一個(gè)電路。
那這么復(fù)雜的電路，到底是怎么進(jìn)行批量生產(chǎn)的呢？
答案就是PCB，即Printed Circuit Board，也就是“印制電路板”。
上面的電路圖，如果使用導(dǎo)線連接，必然是非常繁雜的景象，就類似于下圖。
但如果用PCB來(lái)搭建，則非常的簡(jiǎn)潔清爽。
下圖是生產(chǎn)完未焊接器件的PCB。
PCB
下圖是焊接完器件的PCBA，完整的實(shí)現(xiàn)了電路原理圖中的設(shè)計(jì)。
焊接上器件的PCB，即PCBA（A表示Assembly）
2、為什么要有PCB？
有了上面直觀的比較，應(yīng)該很容易理解為什么要有PCB了。
在PCB出現(xiàn)之前，電路確實(shí)是通過(guò)導(dǎo)線和連接件進(jìn)行搭建和實(shí)現(xiàn)的，如果你看過(guò)著名英國(guó)演員本尼迪克特·康伯巴奇主演的電影《模仿游戲》，就能知道當(dāng)年阿蘭·圖靈(Alan Turing)發(fā)明的“圖靈甜點(diǎn)”(Turing Bombe)計(jì)算機(jī)搭建起來(lái)體積是多么的龐大。
下圖就是第一臺(tái)密碼破譯計(jì)算機(jī)的照片。
百度百科寫到，“如圖所示，右側(cè)的一扇墻其實(shí)是鉸鏈門，里面放滿了電子電路，左側(cè)一扇墻則是“圖靈甜點(diǎn)”的機(jī)械部分。五顏六色的正方形是電阻器，一圈圈的紅色金屬絲則是電路。”。
這樣一臺(tái)計(jì)算機(jī)，不僅體積龐大，制造也十分困難。大家都知道我們的智能手機(jī)里有著上億個(gè)晶體管，這些晶體管如果還是像上圖中這樣進(jìn)行連接，那你的手機(jī)怕不是比整個(gè)體育場(chǎng)都要打，而生產(chǎn)工人制造一臺(tái)這樣的機(jī)器，估計(jì)100年也不夠用。
PCB的發(fā)明，就是為了減小電路的體積，同時(shí)使得電路快速的批量制造成為可能。
將導(dǎo)線變成精細(xì)的銅線，將器件變成微小的芯片，導(dǎo)線與器件的連接不再通過(guò)螺栓固定，而是通過(guò)銅線與芯片引腳的焊接，就是這樣，實(shí)現(xiàn)了電路的微型化，實(shí)現(xiàn)了電路的批量制造。
PS：
百度百科引用內(nèi)容：“PCB的創(chuàng)造者是奧地利人保羅·愛斯勒( Paul eisler)，1936年，他首先在收音機(jī)里采用了印刷電路板。1943年，美國(guó)人多將該技術(shù)運(yùn)用于軍用收音機(jī)，1948年，美國(guó)正式認(rèn)可此發(fā)明可用于商業(yè)用途。自20世紀(jì)50年代中期起，印刷線路板才開始被廣泛運(yùn)用。”。
吳川斌的博客更新了~，剛好就是PCB的發(fā)展歷程，分享給大家看看。
3、PCB的結(jié)構(gòu)和組成
將器件焊接在PCB上，就實(shí)現(xiàn)了電路器件的連接，PCB把一根根導(dǎo)線變成了一塊平板，在平板內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了原本多根導(dǎo)線導(dǎo)通，導(dǎo)線既要連接各個(gè)器件的各個(gè)引腳，又要避免導(dǎo)線之間短路或導(dǎo)線與引腳斷開，PCB本身還要有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，保證整個(gè)電路不容易損壞，那PCB究竟是用什么樣的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)這些功能的呢？
PCB的結(jié)構(gòu)可以理解為：
a、基板
b、銅線和銅層
c、過(guò)孔
d、焊盤
e、阻焊層
f、表面處理層
a、基板。
首先，PCB需要有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，能夠支撐起覆蓋在上面的導(dǎo)線和器件，因此需要某種材質(zhì)的基板，市面上常見的PCB基板都是玻璃纖維材料，也有很多其他類型和其他參數(shù)，這里就不展開敘述了。
b、銅線和銅層。
PCB要實(shí)現(xiàn)器件的連接，必然需要類似與導(dǎo)線一樣的存在，在PCB里，一般使用銅層和銅層加工出來(lái)的銅線作為導(dǎo)線。
PCB之所以叫印制電路板，關(guān)鍵的一點(diǎn)就在于銅線和銅層是可以“印制的”，“印制”并不是說(shuō)有一種印刷機(jī)可以直接打印銅線，而是說(shuō)一塊完整銅板，通過(guò)在銅板上“印制”任意圖形的防腐蝕材料，然后將整塊銅板放入腐蝕液中，就能實(shí)現(xiàn)任意圖形的腐蝕，使留下來(lái)的未被腐蝕的銅板，變成指定形狀的銅線和銅層。這就是印制電路板名稱的由來(lái)。
c、過(guò)孔。
銅線和銅層能夠任意的繪制了，實(shí)現(xiàn)了平面上的連接關(guān)系，對(duì)于焊接在同一層的器件來(lái)說(shuō)，如果有2條銅線需要交叉怎么辦呢？
印制電路板能在一塊銅板上實(shí)現(xiàn)2根交叉線的“印制”嗎？
回答是并不可以，那怎么辦呢？
PCB的研發(fā)者們想到了2個(gè)辦法：
第一種方法，使用跳線電阻，當(dāng)2條線需要交叉時(shí)，在交叉處將一條線截?cái)?，在截?cái)嗵幏胖靡粋€(gè)電阻，這個(gè)電阻可以聯(lián)通被截?cái)嗟木€，同時(shí)電阻跨在另一條線的上方，不會(huì)與另一條線短路，從而實(shí)現(xiàn)了兩條交叉線的聯(lián)通，但這種方法如果遇到特別多的交叉線時(shí)就顯得很笨了；
第二種方法，增加一層銅層，讓需要交叉的線路，其中的一條換一層的，在另一層銅線上與原來(lái)沖突的線交叉，雖然是交叉了，但并不在同一層，也就不會(huì)發(fā)生短路了。
這就很像十字路口的場(chǎng)景，東西向的車流直接通過(guò)十字路口，南北向的車流則通過(guò)搭在十字路口的橋面通行。
但PCB本身是平面結(jié)構(gòu)，不可能為了一條線就制造出跨層的銅線出來(lái)，要實(shí)現(xiàn)線路的換層，就得增加新的結(jié)構(gòu)，這就是PCB的“過(guò)孔”。
什么是過(guò)孔？
下圖是一個(gè)雙層板的示意圖，是Altium Designer的一個(gè)窗口“Layer Stack Manager”，即“疊層結(jié)構(gòu)管理器”，可以看到2個(gè)被剖面的環(huán)狀圓柱，這2個(gè)圓柱就是過(guò)孔。
在雙面電路板的頂層，一根銅線連接到了過(guò)孔，過(guò)孔從頂層穿過(guò)了基板到達(dá)了底層，底層的銅線又繼續(xù)延伸，從而完成了一根導(dǎo)線的從頂層到底層的換層。
示意圖看過(guò)了，再來(lái)看看實(shí)物的剖面圖。下圖是多層pcb在過(guò)孔處的切片的顯微照片（自己拍的太模糊了，網(wǎng)上又找不到高清無(wú)水印的~）。圖中可以看出過(guò)孔是如何連接不同層之間的銅線和銅層的。
過(guò)孔解決了銅線換層的問(wèn)題，但需要至少雙層銅板才能實(shí)現(xiàn)過(guò)孔，如果成本限制非要使用單層板，那只能選擇跳線電阻或者人工飛線的方式了。
理論上講，雙層板就可以實(shí)現(xiàn)所有的電路連接了，不管是幾十個(gè)器件、一兩百個(gè)引腳，還是幾百個(gè)器件、幾萬(wàn)個(gè)引腳，只要能在雙層板上放下器件，再增加適當(dāng)?shù)拿娣e用于線路通過(guò)過(guò)孔換層，所有的電路連接就都可以實(shí)現(xiàn)了。
但對(duì)于高速信號(hào)的電路板來(lái)說(shuō)，雙層板經(jīng)常是無(wú)法滿足布線需求的，因?yàn)楦咚傩盘?hào)不僅需要可靠的連通，沒根銅線還需要完整的參考銅層，也要盡量在多層pcb的內(nèi)層布線。
d、焊盤
PCB的主要作用在于實(shí)現(xiàn)器件的互聯(lián)，用于導(dǎo)通的部分只有銅線、銅層、過(guò)孔，想要和芯片、連接器等實(shí)現(xiàn)連接，還需要某種可以與芯片和連接器相連接的結(jié)構(gòu)，而焊盤就是專門用于對(duì)外連接的結(jié)構(gòu)。
焊盤長(zhǎng)什么樣呢？
沒焊接器件的PCB的焊盤，如下圖所示。紅色圓框里的是一個(gè)網(wǎng)線插座的直插引腳的焊盤，紅色方框里的是貼片電容的焊盤。
焊盤不僅能夠焊接引腳，也能夠連通到其他器件的引腳上，上圖中可以看出，每一個(gè)焊盤，都引出了一根連接線，連接到了另一個(gè)器件的焊盤上。
焊盤是如何與器件的引腳焊接上的呢？
以二極管為例，二極管有側(cè)面出線的直插封裝、底面出線的直插封裝，也有2側(cè)引出引腳的貼片封裝。
如果是直插器件，焊盤是類似于過(guò)孔的通孔，將器件的引腳插入通孔之中，再用融化的焊錫填滿通孔，使得引腳和通孔焊盤焊接在一起，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了固定和電氣連接。
如果是貼片器件的手工焊接，則一般是將焊錫先融化在一個(gè)焊盤上，保持電烙鐵不動(dòng)，然后將器件的引腳放置在帶有焊錫的焊盤上，移開電烙鐵，等待焊錫凝固，最后再焊接另一個(gè)引腳。
當(dāng)然，貼片器件其實(shí)更適合使用回流焊的工藝進(jìn)行批量的焊接。
e、阻焊層
PCB的阻焊層就是覆蓋在表層銅層上的“綠油”，它的作用就是“阻焊”，防止不想焊接的地方和需要焊接的地方在焊接時(shí)發(fā)生短路，最重要的是，阻焊層能保護(hù)表層的銅線和銅層，不會(huì)因?yàn)槁懵对诳諝庵卸桓g或損壞。
阻焊層的顏色是非常多樣的，平時(shí)看到的多是綠色阻焊和白色絲印，一來(lái)因?yàn)楸阋?，二?lái)大家也都習(xí)慣了，但如果想要PCB好看，可以選擇黑色、藍(lán)色、白色等顏色的阻焊，看起來(lái)會(huì)有一些設(shè)計(jì)感。
下圖就是黑色阻焊加白色絲印的裸板PCB，而且還特意用沒覆蓋阻焊的銅層繪制了一個(gè)logo。
下圖則是一個(gè)白色阻焊層加黑色絲印的PCB。
阻焊的顏色其實(shí)不太重要，不過(guò)酷炫也能側(cè)面展示出產(chǎn)品設(shè)計(jì)的態(tài)度。
下面的阻焊顏色是一家PCB加工商所能提供的阻焊顏色選項(xiàng)。
f、表面處理層
PCB本身其實(shí)只是板材、銅層、過(guò)孔、焊盤、阻焊這幾部分組成的，但PCB想要成為一個(gè)實(shí)用的硬件系統(tǒng)，就必然要跟芯片、連接器等其他組件進(jìn)行焊接，而焊接就必須要對(duì)PCB裸露的焊盤進(jìn)行表面處理，如果PCB不進(jìn)行表面處理，也不進(jìn)行空氣隔絕的防護(hù)，銅層會(huì)很快地在空氣中被腐蝕，變得難以焊接。
有的PCB，還會(huì)特意保留一部分銅層裸露，作為連接器的插入端來(lái)使用，一般叫做金手指。這種PCB的金手指，為了增加可重復(fù)插拔的次數(shù)，保持連接可靠性，就必須要進(jìn)行表面處理，大多都是采用沉金或鍍金的工藝。
對(duì)于沒有特殊要求的低成本PCB，則一般選擇有錢噴錫或無(wú)鉛噴錫的表面處理方式，這種表面處理一般要求PCB在生產(chǎn)完成后塑封起來(lái)，隔絕空氣，在器件焊接之前禁止過(guò)早開啟包裝，暴露太長(zhǎng)時(shí)間，否則會(huì)引起焊接困難等問(wèn)題。
結(jié)尾
以上就是PCB簡(jiǎn)介的第一部分了，后續(xù)再寫下面的內(nèi)容。