什么是 PCB（印制电路板）？
PCB（Printed Circuit Board，印制电路板）是一种以导电材料制成的板状结构，用于连接和支持电子元件。简单来说，它是电子元件的支撑体，通过导电的铜线路，将元器件（如电阻、电容、芯片等）连接起来，使它们能够协同工作。
以基板的绝缘及强化部分作分类，常见的 PCB 基材原料为电木板、玻璃纤维板，以及各式的塑胶板。传统的电路板，采用印刷蚀刻阻剂的工法，做出电路的线路及图面，因此被称为印刷电路板或印刷线路板。由于电子产品不断微小化跟精细化，目前大多数的电路板都是采用贴附蚀刻阻剂（压膜或涂布），经过曝光显影后，再以蚀刻做出电路板。
目前常见的电路板，主要由以下部分组成：
- 线路与图面（Pattern）：线路是做为原件之间导通的工具，在设计上会另外设计大铜面作为接地及电源层。线路与图面是同时做出的。
- 介电层（Dielectric）：用来保持线路及各层之间的绝缘性，俗称为基材。
- 孔（Through hole / via）：导通孔可使两层次以上的线路彼此导通，较大的导通孔则做为零件插件用，另外有非导通孔（nPTH）通常用来作为表面贴装定位，组装时固定螺丝用。
- 防焊油墨（Solder resistant /Solder Mask）：并非全部的铜面都要吃锡上零件，因此非吃锡的区域，会印一层隔绝铜面吃锡的物质（通常为环氧树脂），避免非吃锡的线路间短路。根据不同的工艺，分为绿油、红油、蓝油。
- 丝印（Legend /Marking/Silk screen）：此为非必要的结构，主要的功能是在电路板上标注各零件的名称、位置框，方便组装后维修及辨识用。
- 表面处理（Surface Finish）：由于铜面在一般环境中，很容易氧化，导致无法上锡（焊锡性不良），因此会在要吃锡的铜面上进行保护。保护的方式有喷锡（HASL）、化金（ENIG）、化银（Immersion Silver）、化锡（Immersion Tin）、有机保焊剂（OSP），方法各有优缺点，统称为表面处理。
PCB 是分层设计的，下表展示了各层的名称和功能。
| 中文名 | 英文名 | 说明 |
|---|---|---|
| 顶层（元件层） | Top Layer | 主要用来放置元器件，对于比层板和多层板可以用来布线。 |
| 中间层 | Mid Layer | 最多可有 30 层，在多层板中用于布信号线。 |
| 底层（焊接层） | Bootom Layer | 主要用于布线及焊接，有时也可放置元器件。 |
| 顶部丝印层 | TopOverlayer | 用于标注元器件的投影轮廓、元器件的标号、标称值或型号及各种注释字符。 |
| 底部丝印层 | BottomOverlayer | 与顶部丝印层作用相同，如果各种标注在顶部丝印层都含有，那么在底部丝印层就不需要了。 |
| 内部电源接地层 | Internal Planes | |
| 机械层 | Mechanical Layers | 机械层是定义整个 PCB 板的外观的，它一般用于设置电路板的外形尺寸，数据标记，对齐标记，装配说明以及其它的机械信息。 |
| 阻焊层 | Solder Mask | 有顶部阻焊层（Top solderMask）和底部阻焊层（Bootom Solder mask）两层。 |
| 防锡膏层（SMD贴片层） | 有顶部防锡膏层（Top PastMask）和底部防锡膏层（Bottom Pastmask）两层。 | |
| 禁止布线层 | Keep Ou Layer | 定义布线层的边界。定义了禁止布线层后，在以后的布线过程中，具有电气特性的布线不可以超出禁止布线层的边界。 |
| 多层 | MultiLayer | 指 PCB 板的所有层。电路板上焊盘和穿透式过孔要穿透整个电路板，与不同的导电图形层建立电气连接关系。 |
| NC 钻孔层 | NC Drill | |
| 钻孔参考图层 | Drill Drawing |
PCB 的组成
一个完整的 PCB 通常由以下几层组成：
-
基板（Substrate）
是 PCB 的支撑材料，通常使用绝缘的玻璃纤维增强材料（如 FR4）制成。它的主要作用是提供机械支撑，并确保板子的强度和耐用性。
-
导电层（Copper Layer）
铜箔是 PCB 的核心部分，用于形成电路。根据设计，导电层可以有单层、多层（如双层板或多层板）。复杂的电路板可能包含几十层导电层。
-
阻焊层（Solder Mask）
阻焊层是 PCB 上覆盖的一层绿色（或其他颜色）的保护涂层，它可以防止铜线路被氧化，并防止焊接时发生短路。
-
丝印层（Silkscreen）
丝印层上通常标记有元件编号、测试点或其他信息，方便装配和维护。
-
保护层（Overcoat Layer）
在一些特定环境中使用的 PCB 可能需要额外的保护涂层，以防止潮湿、腐蚀或其他外界影响。
PCB 的分类
根据结构和用途，PCB 可分为以下几类：
- 单面板（Single-Sided PCB）：电路仅分布在一面，主要用于简单电子设备，如低成本玩具和开关控制板。
- 双面板（Double-Sided PCB）：两面都有电路，通过过孔（Via）实现导电连接。它适用于中等复杂度的设备，例如家电和汽车电子。
- 多层板（Multi-Layer PCB）：有三层或更多的导电层，通常用于高性能电子设备，如电脑主板、服务器和通信设备。
- 柔性 PCB（Flexible PCB）：采用柔性材料，可以弯曲和折叠，常用于可穿戴设备、摄像头模组等需要节省空间的应用场景。
- 刚柔结合 PCB（Rigid-Flex PCB）：结合了刚性和柔性 PCB 的特点，适用于复杂且空间有限的设计，如医疗设备和军事应用。
PCB 的制造流程
PCB 的生产是一项复杂且精密的工艺，大致可以分为以下几个步骤：
-
设计电路图
使用软件（如 Altium Designer、Eagle 或 KiCAD）绘制电路图和 PCB 布局。
-
制作模板
根据设计生成光绘文件（Gerber 文件），用于制造电路板的光刻掩膜。
-
基板制作
在绝缘材料上覆盖一层铜箔，并通过化学腐蚀或激光切割形成导电线路。
-
钻孔和过孔镀层
在板上钻出安装元件或 连接导电层的孔，并用导电材料镀覆孔壁。
-
添加阻焊层和丝印层
通过涂覆或印刷方式添加阻焊层，保护电路；随后印刷丝印层，标记元件信息。
-
电气测试和质量检查
使用专用设备测试 PCB 的电气性能，并检查是否有断路或短路等缺陷。
-
裁剪与包装
最后将 PCB 裁剪成指定尺寸，并进行包装，准备出厂。
PCB 的重要参数
在设计或使用 PCB 时，以下参数尤为重要：
| 参数 | 描述 |
|---|---|
| 层数 | 指导电层的数量，例如单层、双层或多层。 |
| 板厚 | PCB 的厚度通常在 0.2mm 到 2mm 之间，具体取决于应用需求。 |
| 线宽和间距 | 导电线路的宽度和线路之间的最小间距决定了电路板的复杂程度。 |
| 过孔大小 | 过孔的直径通常影响连接的稳定性和导电性。 |
| 耐温性 | PCB 的材料需要能够承受焊接和工作环境的高温。 |
小结
PCB 是现代电子设备的基石，为元件提供了一个可靠的物理和电气连接平台。通过层数增加、材料改进以及工艺升级，PCB 在 支持越来越复杂的电子设备方面发挥了不可或缺的作用。而随着电子技术的不断进步，PCB 也在朝着高密度、高性能、小型化和柔性化的方向发展。例如，5G 技术对高速高频 PCB 提出了更高要求，而可穿戴设备的发展推动了柔性 PCB 的普及。此外，环保型 PCB 材料和制造工艺也正在成为重要的研究方向。