2.1　印制電路板剖析

我們對電路板都有這樣的印象：又薄又硬，通常是矩形的，一面裝有元件或者兩面都有。頂面和底面一般是黑藍色或綠色。元件之間走線顏色會有輕微的不同。

除了頂面和底面，現代電路板還具有被稱為“層”的內部平面。內部層沒有元件，但是內部層中的金屬走線輸送頂面和底面元件之間的往返電流。舉例來說，iPhone 4手機里的電路板就有10層。

在印制電路板（PCB）設計中，“層”具有特殊的重要性。所以電路板通常劃分為三類：單面板、雙面板和多層板。本節將討論此分類中每一種電路板及其內部構造。

首先，我們來回答這樣一個問題，電路板因何而存在？至少，電路板要滿足以下兩個意圖：

1）為一組元件提供機械支撐。

2）提供元件之間的電氣連接。

提到電子元件，最好先簡單了解電路板設計者所涉及的電子元件類型。

2.1.1　電子元件

從電路設計的黎明時期一直到今天，工程師們創造出數千種不同類型的元件。分類方法多種多樣，一種常見的區分是看元件是否需要電源來運行。需要電源的元件稱為有源元件，比如晶體管和集成電路IC。相應地，不需要電源的元件稱為無源元件，比如電阻和電容。

對于電路板設計者，元件根據其引腳（也就是接線端）來分類。引腳是元件上用來連接電路板的金屬突出。圖2-1描繪了如下三種常見的引腳類型。

圖2-1　元件引腳

·通孔工藝型（Through-hole）——引腳是插入電路板通孔的金屬線。

·表面貼裝工藝型（Surface Mount Technology，SMT）——引腳是位于器件四周的金屬接線。

·球柵陣列型（Ball Grid Array，BGA）——引腳是位于器件底部的金屬球。

通孔工藝型元件在20世紀居于統治地位，但現在表貼工藝型元件已經變得更為流行。這是因為表貼元件尺寸更小、不要求鉆孔并且能夠使用貼裝機進行自動定位。

表面貼裝元件的缺點是引腳數量受元件周長限制。相比之下，BGA元件中的引腳數量受元件面積的限制。因此，BGA元件能夠擁有更多的引腳。

電路板上與元件引腳相接觸的位置叫作焊盤（pad）。引腳通過焊料與焊盤連接，因為焊料實現金屬之間的聯結，所以焊盤也必須是金屬的。使用金屬焊盤的第二個原因是焊盤需要向引腳傳送或接受電流。

一般而言，通孔型焊盤和BGA焊盤是圓形。而SMT焊盤是長方形。圖2-2呈現的是用于通孔型和表面貼裝型元件的典型焊盤。

圖2-2　通孔型和表面貼裝型焊盤

任何情況下焊盤都應當足夠大，這樣引腳才能可靠地焊接到電路板上。但是注意，當焊盤過大的時候，它們也許會接觸到其他金屬表面。

電路板的第二個功能是提供電路元件之間的連線。這需要使用導電金屬來對焊盤進行連接。電路板使用稱為走線（trace）的導電線來實現這些連接。為電路板布設這些走線的過程稱為布線（routing），是電路設計過程的關鍵部分。

理論上，電路板設計相當簡單：只要畫出元件焊盤的位置并把它們連接在一起。但是在實踐中，這個過程有大量的細節需要考慮。走線寬度應設定為多少？金屬部分的密集程度是否適當？元件A應當置于頂面還是底面？元件X的焊盤1、3、5、7怎樣以最佳方式連接到元件Y的焊盤2、4、6、8上？

我無法保證本書可以提供以上問題的完整解答，抑或提供找到答案的可靠方法。在這里，本書的目標是闡釋如何用EAGLE來輔助讀者找到屬于自己的解決辦法。

2.1.2　單面板

容易理解并且制造簡單的電路板是單面板。圖2-3顯示的是電路板橫截面。

圖2-3　單面電路板的橫截面

為了理解單面電路板如何制造，熟悉下面三個主題的內容很重要：電路板材料、光刻技術和后處理。

1.電路板材料

單面板的主體是堅固的絕緣材料，一般是環氧樹脂玻璃纖維或FR4。有些著作中把電路板材料稱為基板，但在本書中，我們把這種材料稱為芯板。芯板的厚度用千分之一英寸，即mil（1mil=0.001in）來規定。標準的板厚是31mil、39mil和62mil。

有一個很薄的金屬層（通常是通過膠粘或電沉積）貼在電路板的一面，我們稱之為頂面。這個金屬層幾乎總是采用銅，因為銅能夠為電流提供低阻路徑而且并不昂貴。如表2-1所示，銅金屬層越厚，電阻越低。

或許表2-1中的銅金屬層厚度用盎司度量看上去有些怪異，但是在工業界這種測量方法很普遍。就電路板而言，一盎司對應于每平方英尺銅的重量。表2-2把盎司（oz）表達的銅金屬層厚度與mil表示的金屬層厚度聯系起來。

表2-1　銅金屬層厚度和片狀電阻值

表2-2　銅金屬層厚度

厚的銅層具有比薄銅層更小的電阻值，可以傳輸更大的電流。但是，薄銅層能使電路板的細微特性更易于塑造。這就是為什么許多制造廠認可薄銅層電路板可以具有比厚銅層電路板更小的參數的原因。

2.光刻技術

為了把電路板上不需要的銅去除掉，PCB制造廠家采用光刻技術（photolithographic：photo-光，lithos-石頭，graphein-寫）。圖2-4展示了這種方法的工作原理。

圖2-4　電路板光刻技術

圖2-4中給出的六個步驟描述如下：

a.銅金屬層包覆上一種叫作光刻膠的光敏材料。

b.光電繪圖儀使用光源有選擇地對部分光刻膠進行曝光。

c.曝光后，光刻膠的化學特性改變。如果光刻膠是正片的，經過曝光的光刻膠將軟化。如果光刻膠是負片的，光刻膠曝光以后會變得更堅固。圖中的光刻膠是負片的。

d.軟化后的光刻膠用顯影劑來清除。變得更加堅硬的光刻膠依然保留，覆蓋在一部分銅金屬層的表面上。

e.露出來的銅層使用強酸性化學制劑去除，比如氯化銅。這個過程稱為蝕刻，使用的化學制劑稱為蝕刻劑。

f.清除剩下的光刻膠，電路板上剩下的就是銅金屬層圖案。

3.后處理

經過光刻處理后，電子元件就可以在電路板上焊接了。但是大多數電路板制造廠還要預先進行至少三個步驟的處理。

1）在電路板上（除了焊盤）覆蓋阻焊層。

2）在焊盤上涂覆焊膏。

3）使用絲印層來打印文字并繪制符號。

為了保護銅金屬走線，電路板制造廠的設備一般都會在電路板上覆蓋一層堅固的絕緣物質，稱為阻焊層（solder mask）。阻焊層通常是黑綠色或黑藍色，這就解釋了為何那么多電路板都是這兩種顏色。阻焊層不應覆蓋焊盤，否則在電路板上焊接電子元件時將會變得很困難。

為了使焊接過程更為順利，一般會在表貼型焊盤上涂覆少量導電性的膠。這種膠叫作焊膏（solder paster），它是現代電路板裝配中的重要部分。

你會看到許多電路板上都印有白色的文字和符號。這些標志使人能夠辨認出電子元件的擺放位置，哪些引腳可以用于測試以及電路板由哪家公司設計。這個印刷過程稱為絲印（silk-screening），是因為最初使用絲制作模板來印制這些符號。

2.1.3　雙面板

隨著電路板上電子元件數量的增加，走線的數量也同步增加。許多情況下，如果走線不相互交叉，就無法在單個平面內完成全部走線的布設。為了解決這個問題，布設走線時需要“跳”過其他走線。在電路板的底面增加銅金屬層，“跳躍”就有可能實現。而且，這個底面還可以支撐更多的電子元件。兩個面都有銅金屬層的電路板稱為雙面板。

雙面板的制造過程與單面板類似。銅金屬層粘合在芯板材料的兩個面，每個面都采用類似的光刻技術處理。

雙面板與單面板的重要區別在于它需要頂面和底面之間的電氣通道。這種通道被稱為過孔（vias），由穿過芯板材料的通道和填充其中的金屬構成。圖2-5描繪了連接雙面板頂層與底層過孔的橫截面。

圖2-5　穿過雙面板的一個過孔

在兩層之間的過孔，主體是一個空心金屬孔。過孔與表面相接的位置形成一個焊盤。過孔高寬比就是它的高與直徑的比率。

注意　過孔的焊盤未必是一個正規的焊盤。換言之，過孔的焊盤通常不會連接到電子元件的引腳。如果一個過孔焊盤直接與元件引腳相連，就稱為焊盤內過孔（via-in-pad）。

過孔按照制造時的打孔方式進行分類。最常見的方式是用鉆頭穿過芯板來打孔，然后在孔內壁沉積金屬層。這種情況下，過孔被稱為通孔（plate through hole）或PTH。PTH直徑一般使用mil作為單位，常見的過孔直徑為12mil、13mil和25mil。

第二種打孔方式是使用激光、光刻或蝕刻技術，能夠打出比使用鉆頭打孔方式更小的孔。這種過孔叫作微孔（microvias），直徑通常用毫米表示。典型的微孔直徑有0.1mm和0.3mm。微孔一般用焊膏填充。

2.1.4　多層板

相對單層板，在雙層板內可以進行更復雜的布線，但是很多情況下兩層仍是不夠的。當電子元件的引腳有上百個甚至更多的時候，電路板設計就會遇到這種兩層仍然不夠用的情況。此外，電源或者地線設計需要整個層的情形也很重要。

為了解決這些問題，電路板設計者就要創建一個多層板設計。本質上講，多層板就是一組雙面板使用半固化片壓在一起構成的。和膠類似，半固化片起初是柔軟的，經過高溫和增壓處理后會變得很堅固。多層板中排列的芯板和半固化片部分稱為電路板的疊層（stackup）。圖2-6所示為一個八層板的疊層。

圖2-6　一個八層板的疊層

這個疊層包括3層芯板材料和4層半固化片。而電路板定義為8層板是因為它具有8個含銅的金屬平面。

與雙層板一樣，過孔在各層之間傳輸電流。對于一個多層板，過孔具有四種類型。

·通孔（Through vias）：連接電路板頂面與底面，與內部層沒有聯系。

·樁孔（Stub vias）：貫穿電路板，能夠連接一個或兩個外部層到任意的內部層。

·盲孔（Blind vias）：連接一個外部層到一個內部層，但沒有完整貫穿電路板，只能從一個面看到它。

·埋孔（Buried vias）：對內部層進行連接，但是與外部層沒有聯系，從電路板外面看不到。

圖2-7提供了包括以上各類型過孔的一個多層板實例。這其實不足為奇，許多制造廠家都支持這些過孔類型，價格視困難程度而定。

圖2-7　多層板中的過孔

2.1.5　Gerb和Excellon文件

電路板設計者的工作通常不會涉及PCB制造過程。我們的工作是為制造廠家提供把我們的設計變成實物時所需要的信息。這些信息由以下三部分組成：

·位置（Locations）——對于每一個特征主體（比如焊盤或過孔），我們需要定義它所在的層和（x，y）坐標。

·規格（Dimensions）——我們要提供包括走線寬度、焊盤面積和銅金屬層厚度等幾何數據。

·鉆孔（Drill holes）——對于每一個鉆孔，我們要定義每個孔的位置和所需的鉆頭直徑。

設計者為制造廠家提供這些內容時，使用的是計算機文件。有多種格式的文件來描述電路板，但是到了本書寫作的時候，最廣泛接受的格式是RS-274X，通常是指“擴展Gerber格式”或“Gerber格式”本身。附錄B討論了Gerber格式的細節。

Gerber文件控制光刻設備，使光刻設備知道應當在電路板上制造出怎樣的銅金屬層樣式（見圖2-4）。而為了告知制造廠家鉆孔信息，還需要另一種類型的文件。含有鉆孔信息的文件稱為Excellon文件。

PCB設計的最終目標就是創建出這些精確描述電路板的文件。下節將講解EAGLE如何自動生成這些重要文件。