2.1　印制电路板剖析

我们对电路板都有这样的印象：又薄又硬，通常是矩形的，一面装有元件或者两面都有。顶面和底面一般是黑蓝色或绿色。元件之间走线颜色会有轻微的不同。

除了顶面和底面，现代电路板还具有被称为“层”的内部平面。内部层没有元件，但是内部层中的金属走线输送顶面和底面元件之间的往返电流。举例来说，iPhone 4手机里的电路板就有10层。

在印制电路板（PCB）设计中，“层”具有特殊的重要性。所以电路板通常划分为三类：单面板、双面板和多层板。本节将讨论此分类中每一种电路板及其内部构造。

首先，我们来回答这样一个问题，电路板因何而存在？至少，电路板要满足以下两个意图：

1）为一组元件提供机械支撑。

2）提供元件之间的电气连接。

提到电子元件，最好先简单了解电路板设计者所涉及的电子元件类型。

2.1.1　电子元件

从电路设计的黎明时期一直到今天，工程师们创造出数千种不同类型的元件。分类方法多种多样，一种常见的区分是看元件是否需要电源来运行。需要电源的元件称为有源元件，比如晶体管和集成电路IC。相应地，不需要电源的元件称为无源元件，比如电阻和电容。

对于电路板设计者，元件根据其引脚（也就是接线端）来分类。引脚是元件上用来连接电路板的金属突出。图2-1描绘了如下三种常见的引脚类型。

图2-1　元件引脚

·通孔工艺型（Through-hole）——引脚是插入电路板通孔的金属线。

·表面贴装工艺型（Surface Mount Technology，SMT）——引脚是位于器件四周的金属接线。

·球栅阵列型（Ball Grid Array，BGA）——引脚是位于器件底部的金属球。

通孔工艺型元件在20世纪居于统治地位，但现在表贴工艺型元件已经变得更为流行。这是因为表贴元件尺寸更小、不要求钻孔并且能够使用贴装机进行自动定位。

表面贴装元件的缺点是引脚数量受元件周长限制。相比之下，BGA元件中的引脚数量受元件面积的限制。因此，BGA元件能够拥有更多的引脚。

电路板上与元件引脚相接触的位置叫作焊盘（pad）。引脚通过焊料与焊盘连接，因为焊料实现金属之间的联结，所以焊盘也必须是金属的。使用金属焊盘的第二个原因是焊盘需要向引脚传送或接受电流。

一般而言，通孔型焊盘和BGA焊盘是圆形。而SMT焊盘是长方形。图2-2呈现的是用于通孔型和表面贴装型元件的典型焊盘。

图2-2　通孔型和表面贴装型焊盘

任何情况下焊盘都应当足够大，这样引脚才能可靠地焊接到电路板上。但是注意，当焊盘过大的时候，它们也许会接触到其他金属表面。

电路板的第二个功能是提供电路元件之间的连线。这需要使用导电金属来对焊盘进行连接。电路板使用称为走线（trace）的导电线来实现这些连接。为电路板布设这些走线的过程称为布线（routing），是电路设计过程的关键部分。

理论上，电路板设计相当简单：只要画出元件焊盘的位置并把它们连接在一起。但是在实践中，这个过程有大量的细节需要考虑。走线宽度应设定为多少？金属部分的密集程度是否适当？元件A应当置于顶面还是底面？元件X的焊盘1、3、5、7怎样以最佳方式连接到元件Y的焊盘2、4、6、8上？

我无法保证本书可以提供以上问题的完整解答，抑或提供找到答案的可靠方法。在这里，本书的目标是阐释如何用EAGLE来辅助读者找到属于自己的解决办法。

2.1.2　单面板

容易理解并且制造简单的电路板是单面板。图2-3显示的是电路板横截面。

图2-3　单面电路板的横截面

为了理解单面电路板如何制造，熟悉下面三个主题的内容很重要：电路板材料、光刻技术和后处理。

1.电路板材料

单面板的主体是坚固的绝缘材料，一般是环氧树脂玻璃纤维或FR4。有些著作中把电路板材料称为基板，但在本书中，我们把这种材料称为芯板。芯板的厚度用千分之一英寸，即mil（1mil=0.001in）来规定。标准的板厚是31mil、39mil和62mil。

有一个很薄的金属层（通常是通过胶粘或电沉积）贴在电路板的一面，我们称之为顶面。这个金属层几乎总是采用铜，因为铜能够为电流提供低阻路径而且并不昂贵。如表2-1所示，铜金属层越厚，电阻越低。

或许表2-1中的铜金属层厚度用盎司度量看上去有些怪异，但是在工业界这种测量方法很普遍。就电路板而言，一盎司对应于每平方英尺铜的重量。表2-2把盎司（oz）表达的铜金属层厚度与mil表示的金属层厚度联系起来。

表2-1　铜金属层厚度和片状电阻值

表2-2　铜金属层厚度

厚的铜层具有比薄铜层更小的电阻值，可以传输更大的电流。但是，薄铜层能使电路板的细微特性更易于塑造。这就是为什么许多制造厂认可薄铜层电路板可以具有比厚铜层电路板更小的参数的原因。

2.光刻技术

为了把电路板上不需要的铜去除掉，PCB制造厂家采用光刻技术（photolithographic：photo-光，lithos-石头，graphein-写）。图2-4展示了这种方法的工作原理。

图2-4　电路板光刻技术

图2-4中给出的六个步骤描述如下：

a.铜金属层包覆上一种叫作光刻胶的光敏材料。

b.光电绘图仪使用光源有选择地对部分光刻胶进行曝光。

c.曝光后，光刻胶的化学特性改变。如果光刻胶是正片的，经过曝光的光刻胶将软化。如果光刻胶是负片的，光刻胶曝光以后会变得更坚固。图中的光刻胶是负片的。

d.软化后的光刻胶用显影剂来清除。变得更加坚硬的光刻胶依然保留，覆盖在一部分铜金属层的表面上。

e.露出来的铜层使用强酸性化学制剂去除，比如氯化铜。这个过程称为蚀刻，使用的化学制剂称为蚀刻剂。

f.清除剩下的光刻胶，电路板上剩下的就是铜金属层图案。

3.后处理

经过光刻处理后，电子元件就可以在电路板上焊接了。但是大多数电路板制造厂还要预先进行至少三个步骤的处理。

1）在电路板上（除了焊盘）覆盖阻焊层。

2）在焊盘上涂覆焊膏。

3）使用丝印层来打印文字并绘制符号。

为了保护铜金属走线，电路板制造厂的设备一般都会在电路板上覆盖一层坚固的绝缘物质，称为阻焊层（solder mask）。阻焊层通常是黑绿色或黑蓝色，这就解释了为何那么多电路板都是这两种颜色。阻焊层不应覆盖焊盘，否则在电路板上焊接电子元件时将会变得很困难。

为了使焊接过程更为顺利，一般会在表贴型焊盘上涂覆少量导电性的胶。这种胶叫作焊膏（solder paster），它是现代电路板装配中的重要部分。

你会看到许多电路板上都印有白色的文字和符号。这些标志使人能够辨认出电子元件的摆放位置，哪些引脚可以用于测试以及电路板由哪家公司设计。这个印刷过程称为丝印（silk-screening），是因为最初使用丝制作模板来印制这些符号。

2.1.3　双面板

随着电路板上电子元件数量的增加，走线的数量也同步增加。许多情况下，如果走线不相互交叉，就无法在单个平面内完成全部走线的布设。为了解决这个问题，布设走线时需要“跳”过其他走线。在电路板的底面增加铜金属层，“跳跃”就有可能实现。而且，这个底面还可以支撑更多的电子元件。两个面都有铜金属层的电路板称为双面板。

双面板的制造过程与单面板类似。铜金属层粘合在芯板材料的两个面，每个面都采用类似的光刻技术处理。

双面板与单面板的重要区别在于它需要顶面和底面之间的电气通道。这种通道被称为过孔（vias），由穿过芯板材料的通道和填充其中的金属构成。图2-5描绘了连接双面板顶层与底层过孔的横截面。

图2-5　穿过双面板的一个过孔

在两层之间的过孔，主体是一个空心金属孔。过孔与表面相接的位置形成一个焊盘。过孔高宽比就是它的高与直径的比率。

注意　过孔的焊盘未必是一个正规的焊盘。换言之，过孔的焊盘通常不会连接到电子元件的引脚。如果一个过孔焊盘直接与元件引脚相连，就称为焊盘内过孔（via-in-pad）。

过孔按照制造时的打孔方式进行分类。最常见的方式是用钻头穿过芯板来打孔，然后在孔内壁沉积金属层。这种情况下，过孔被称为通孔（plate through hole）或PTH。PTH直径一般使用mil作为单位，常见的过孔直径为12mil、13mil和25mil。

第二种打孔方式是使用激光、光刻或蚀刻技术，能够打出比使用钻头打孔方式更小的孔。这种过孔叫作微孔（microvias），直径通常用毫米表示。典型的微孔直径有0.1mm和0.3mm。微孔一般用焊膏填充。

2.1.4　多层板

相对单层板，在双层板内可以进行更复杂的布线，但是很多情况下两层仍是不够的。当电子元件的引脚有上百个甚至更多的时候，电路板设计就会遇到这种两层仍然不够用的情况。此外，电源或者地线设计需要整个层的情形也很重要。

为了解决这些问题，电路板设计者就要创建一个多层板设计。本质上讲，多层板就是一组双面板使用半固化片压在一起构成的。和胶类似，半固化片起初是柔软的，经过高温和增压处理后会变得很坚固。多层板中排列的芯板和半固化片部分称为电路板的叠层（stackup）。图2-6所示为一个八层板的叠层。

图2-6　一个八层板的叠层

这个叠层包括3层芯板材料和4层半固化片。而电路板定义为8层板是因为它具有8个含铜的金属平面。

与双层板一样，过孔在各层之间传输电流。对于一个多层板，过孔具有四种类型。

·通孔（Through vias）：连接电路板顶面与底面，与内部层没有联系。

·桩孔（Stub vias）：贯穿电路板，能够连接一个或两个外部层到任意的内部层。

·盲孔（Blind vias）：连接一个外部层到一个内部层，但没有完整贯穿电路板，只能从一个面看到它。

·埋孔（Buried vias）：对内部层进行连接，但是与外部层没有联系，从电路板外面看不到。

图2-7提供了包括以上各类型过孔的一个多层板实例。这其实不足为奇，许多制造厂家都支持这些过孔类型，价格视困难程度而定。

图2-7　多层板中的过孔

2.1.5　Gerb和Excellon文件

电路板设计者的工作通常不会涉及PCB制造过程。我们的工作是为制造厂家提供把我们的设计变成实物时所需要的信息。这些信息由以下三部分组成：

·位置（Locations）——对于每一个特征主体（比如焊盘或过孔），我们需要定义它所在的层和（x，y）坐标。

·规格（Dimensions）——我们要提供包括走线宽度、焊盘面积和铜金属层厚度等几何数据。

·钻孔（Drill holes）——对于每一个钻孔，我们要定义每个孔的位置和所需的钻头直径。

设计者为制造厂家提供这些内容时，使用的是计算机文件。有多种格式的文件来描述电路板，但是到了本书写作的时候，最广泛接受的格式是RS-274X，通常是指“扩展Gerber格式”或“Gerber格式”本身。附录B讨论了Gerber格式的细节。

Gerber文件控制光刻设备，使光刻设备知道应当在电路板上制造出怎样的铜金属层样式（见图2-4）。而为了告知制造厂家钻孔信息，还需要另一种类型的文件。含有钻孔信息的文件称为Excellon文件。

PCB设计的最终目标就是创建出这些精确描述电路板的文件。下节将讲解EAGLE如何自动生成这些重要文件。