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零件封裝技術
插入式封裝技術(Through Hole Technology)
將零件安置在板子的一面,并將接腳焊在另一面上,這種技術稱為「插入式(Through Hole Technology,THT)」封裝。這種零件會需要占用大量的空間,并且要為每只接腳鉆一個洞。所以它們的接腳其實占掉兩面的空間,而且焊點也比較大。但另一方面,THT零件和SMT(Surface Mounted Technology,表面黏著式)零件比起來,與PCB連接的構造比較好,關于這點我們稍后再談。像是排線的插座,和類似的界面都需要能耐壓力,所以通常它們都是THT封裝。
表面黏貼式封裝技術(Surface Mounted Technology)
使用表面黏貼式封裝(Surface Mounted Technology,SMT)的零件,接腳是焊在與零件同一面。這種技術不用為每個接腳的焊接,而都在PCB上鉆洞。
表面黏貼式的零件,甚至還能在兩面都焊上。
SMT也比THT的零件要小。和使用THT零件的PCB比起來,使用SMT技術的PCB板上零件要密集很多。SMT封裝零件也比THT的要便宜。所以現今的PCB上大部分都是SMT,自然不足為奇。
因為焊點和零件的接腳非常的小,要用人工焊接實在非常難。不過如果考慮到目前的組裝都是全自動的話,這個問題只會出現在修復零件的時候吧。
設計流程
在PCB的設計中,其實在正式布線前,還要經過很漫長的步驟,以下就是主要設計的流程:
系統規格
首先要先規劃出該電子設備的各項系統規格。包含了系統功能,成本限制,大小,運作情形等等。
系統功能區塊圖
接下來必須要制作出系統的功能方塊圖。方塊間的關系也必須要標示出來。
將系統分割幾個PCB
將系統分割數個PCB的話,不僅在尺寸上可以縮小,也可以讓系統具有升級與交換零件的能力。系統功能方塊圖就提供了我們分割的依據。像是計算機就可以分成主機板、顯示卡、聲卡、軟盤驅動器和電源等等。
決定使用封裝方法,和各PCB的大小
當各PCB使用的技術和電路數量都決定好了,接下來就是決定板子的大小了。如果設計的過大,那么封裝技術就要改變,或是重新作分割的動作。在選擇技術時,也要將線路圖的品質與速度都考量進去。
繪出所有PCB的電路概圖
概圖中要表示出各零件間的相互連接細節。所有系統中的PCB都必須要描出來,現今大多采用CAD(計算機輔助設計,Computer Aided Design)的方式。下面就是使用CircuitMakerTM設計的范例。
PCB的電路概圖
初步設計的仿真運作
為了確保設計出來的電路圖可以正常運作,這必須先用計算機軟件來仿真一次。這類軟件可以讀取設計圖,并且用許多方式顯示電路運作的情況。這比起實際做出一塊樣本PCB,然后用手動測量要來的有效率多了。
將零件放上PCB
零件放置的方式,是根據它們之間如何相連來決定的。它們必須以最有效率的方式與路徑相連接。所謂有效率的布線,就是牽線越短并且通過層數越少(這也同時減少導孔的數目)越好,不過在真正布線時,我們會再提到這個問題。下面是總線在PCB上布線的樣子。為了讓各零件都能夠擁有完美的配線,放置的位置是很重要的。
測試布線可能性,與高速下的正確運作
現今的部份計算機軟件,可以檢查各零件擺設的位置是否可以正確連接,或是檢查在高速運作下,這樣是否可以正確運作。這項步驟稱為安排零件,不過我們不會太深入研究這些。如果電路設計有問題,在實地導出線路前,還可以重新安排零件的位置。
導出PCB上線路
在概圖中的連接,現在將會實地作成布線的樣子。這項步驟通常都是全自動的,不過一般來說還是需要手動更改某些部份。下面是2層板的導線模板。紅色和藍色的線條,分別代表PCB的零件層與焊接層。白色的文字與四方形代表的是網版印刷面的各項標示。紅色的點和圓圈代表鉆洞與導孔。最右方我們可以看到PCB上的焊接面有金手指。這個PCB的最終構圖通常稱為工作底片(Artwork)。
每一次的設計,都必須要符合一套規定,像是線路間的最小保留空隙,最小線路寬度,和其它類似的實際限制等。這些規定依照電路的速度,傳送信號的強弱,電路對耗電與噪聲的敏感度,以及材質品質與制造設備等因素而有不同。如果電流強度上升,那導線的粗細也必須要增加。為了減少PCB的成本,在減少層數的同時,也必須要注意這些規定是否仍舊符合。如果需要超過2層的構造的話,那么通常會使用到電源層以及地線層,來避免信號層上的傳送信號受到影響,并且可以當作信號層的防護罩。
導線后電路測試
為了確定線路在導線后能夠正常運作,它必須要通過最后檢測。這項檢測也可以檢查是否有不正確的連接,并且所有聯機都照著概圖走。
建立制作檔案
因為目前有許多設計PCB的CAD工具,制造廠商必須有符合標準的檔案,才能制造板子。標準規格有好幾種,不過最常用的是Gerber files規格。一組Gerber files包括各信號、電源以及地線層的平面圖,阻焊層與網板印刷面的平面圖,以及鉆孔與取放等指定檔案。
電磁兼容問題
沒有照EMC(電磁兼容)規格設計的電子設備,很可能會散發出電磁能量,并且干擾附近的電器。EMC對電磁干擾(EMI),電磁場(EMF)和射頻干擾(RFI)等都規定了最大的限制。這項規定可以確保該電器與附近其它電器的正常運作。EMC對一項設備,散射或傳導到另一設備的能量有嚴格的限制,并且設計時要減少對外來EMF、EMI、RFI等的磁化率。換言之,這項規定的目的就是要防止電磁能量進入或由裝置散發出。這其實是一項很難解決的問題,一般大多會使用電源和地線層,或是將PCB放進金屬盒子當中以解決這些問題。電源和地線層可以防止信號層受干擾,金屬盒的效用也差不多。對這些問題我們就不過于深入了。
電路的最大速度得看如何照EMC規定做了。內部的EMI,像是導體間的電流耗損,會隨著頻率上升而增強。如果兩者之間的的電流差距過大,那么一定要拉長兩者間的距離。這也告訴我們如何避免高壓,以及讓電路的電流消耗降到最低。布線的延遲率也很重要,所以長度自然越短越好。所以布線良好的小PCB,會比大PCB更適合在高速下運作。