硬件工程师的小本本 —— 六、PCB简介-上

  一直都想写写我所认识到的PCB。从大学里接触到PCB开始，就一直觉得很有意思，虽然带着很多疑惑和错误的认知跟PCB打了多年的交道，但终于还是了解了关于PCB的方方面面，有了还算清晰的认知。

  电路是什么？定义为“由金属导线和电气、电子部件组成的导电回路，称为电路。”

  一个电池、一个开关、一个灯泡，加上一些导线和连接件，就组成了一个电路。下面3张百度来的图片，都是这样一个最简单的电路。

  图片里的电路，功能是点亮小灯泡，用于照明，但3张图片里用了完全不同的连接方式。

  第1张图片里，灯泡、开关和电池都放在专用的塑料座上，塑料座还有专用的螺栓连接器，可以很方便的安装器件并连接导线张图片里，灯泡、开关和电池，也都有各自专用的安装座，但确没有了螺栓连接器，导线个器件的连接通过焊接和缠绕实现；

  第3张图片里，灯泡、开关、电池，只有电池有安装座，开关和灯泡都是直接与导线连接的，导线与导线之间也是缠绕连接的。

  上面的电路就是一个手电筒的原理，但手电筒可以实用化，上面的图片里的电路却只能用于电路原理教程中的演示，而且随着连接器件的省略，电路的连接会更会复杂，可靠性会更差。

  同样是电路，核心器件相同，功能相同，但连接件和连接方法不一样，会很大的影响电路的功能实现。

  电路的核心是线路和器件，但电路是需要和结构件相配合才能实现其功能的，因此电路不仅是导线、器件，那些包裹导线的绝缘层、装载电池的电池仓、电池仓内的弹簧和金属片、拧紧导线的螺栓，这一些器件共同构成了电路。

  在PCB出现之前，电路确实是通过导线和连接件进行搭建和实现的，如果你看过著名英国演员本尼迪克特·康伯巴奇主演的电影《模仿游戏》，就能知道当年阿兰·图灵(Alan Turing)发明的“图灵甜点”(Turing Bombe)计算机搭建起来体积是多么的庞大。

  写到，“如图所示，右侧的一扇墙其实是铰链门，里面放满了电子电路，左侧一扇墙则是“图灵甜点”的机械部分。五颜六色的正方形是电阻器，一圈圈的红色金属丝则是电路。”。

  这样一台计算机，不仅体积非常庞大，制造也十分困难。大家都明白我们的智能手机里有着上亿个晶体管，这些晶体管如果还是像上图中这样进行连接，那你的手机怕不是比整个体育场都要打，而生产工人制造一台这样的机器，估计100年也不够用。

  PCB的发明，就为了减小电路的体积，同时使得电路快速的批量制造成为可能。

  将导线变成精细的铜线，将器件变成微小的芯片，导线与器件的连接不再通过螺栓固定，而是通过铜线与芯片引脚的焊接，就是这样，实现了电路的微型化，实现了电路的批量制造。

  引用内容：“PCB的创造者是奥地利人保罗·爱斯勒( Paul eisler)，1936年，他首先在收音机里采用了印刷电路板。1943年，美国人多将该技术运用于军用收音机，1948年，美国正式认可此发明可用于商业用途。自20世纪50年代中期起，印刷线路板才开始被普遍的应用。”。

  将器件焊接在PCB上，就实现了电路器件的连接，PCB把一根根导线变成了一块平板，在平板内部实现了原本多根导线导通，导线既要连接各个器件的各个引脚，又要避免导线之间短路或导线与引脚断开，PCB本身还要有足够的结构强度，保证整个电路不容易损坏，那PCB究竟是用什么样的结构实现这些功能的呢？

  首先，PCB需要有一定的结构强度，能够支撑起覆盖在上面的导线和器件，因此就需要某种材质的基板，市面上常见的PCB基板都是玻璃纤维材料，也有很多别的类型和其他参数，这里就不展开叙述了。

  PCB要实现器件的连接，必然需要类似与导线一样的存在，在PCB里，通常用铜层和铜层加工出来的铜线作为导线。

  PCB之所以叫印制电路板，关键的一点就在于铜线和铜层是可以“印制的”，“印制”并不是说有一种印刷机可以直接打印铜线，而是说一块完整铜板，通过在铜板上“印制”任意图形的防腐蚀材料，然后将整块铜板放入腐蚀液中，就能实现任意图形的腐蚀，使留下来的未被腐蚀的铜板，变成指定形状的铜线和铜层。这就是印制电路板名称的由来。

  铜线和铜层能够任意的绘制了，实现了平面上的连接关系，对于焊接在同一层的器件来说，如果有2条铜线需要交叉怎么办呢？

  第一种方法，使用跳线条线需要交叉时，在交叉处将一条线截断，在截断处放置一个电阻，这个电阻可以联通被截断的线，同时电阻跨在另一条线的上方，不会与另一条线短路，以此来实现了两条交叉线的联通，但这种方法若遇到特别多的交叉线时就显得很笨了；

  第二种方法，增加一层铜层，让需要交叉的线路，其中的一条换一层的，在另一层铜线上与原来冲突的线交叉，虽然是交叉了，但并不在同一层，也就不会发生短路了。

  这就很像十字路口的场景，东西向的车流直接通过十字路口，南北向的车流则通过搭在十字路口的桥面通行。

  但PCB本身是平面结构，不可能为一条线就制造出跨层的铜线出来，要实现线路的换层，就得增加新的结构，这就是PCB的“过孔”。

  下图是一个双层板的示意图，是Altium Designer的一个窗口“Layer Stack Manager”，即“叠层结构管理器”，能够正常的看到2个被剖面的环状圆柱，这2个圆柱就是过孔。

  在双面电路板的顶层，一根铜线连接到了过孔，过孔从顶层穿过了基板到达了底层，底层的铜线又继续延伸，从而完成了一根导线的从顶层到底层的换层。

  理论上讲，双层板就能轻松实现所有的电路连接了，不管是几十个器件、一两百个引脚，还是几百个器件、几万个引脚，只要能在双层板上放下器件，再增加适当的面积用于线路通过过孔换层，所有的电路连接就都能轻松实现了。

  但对于高速信号的电路板来说，双层板经常是不足以满足布线需求的，因为高速信号不仅需要可靠的连通，没根铜线还需要完整的参考铜层，也要尽量在多层pcb的内层布线。

  PCB的最大的作用在于实现器件的互联，用于导通的部分只有铜线、铜层、过孔，想要和芯片、连接器等实现连接，还需要某种可以与芯片和连接器相连接的结构，而焊盘就是专门用于对外连接的结构。

  没焊接器件的PCB的焊盘，如下图所示。红色圆框里的是一个网线插座的直插引脚的焊盘，红色方框里的是贴片电容的焊盘。

  以二极管为例，二极管有侧面出线的直插封装、底面出线侧引出引脚的贴片封装。

  PCB的阻焊层就是覆盖在表层铜层上的“绿油”，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时发生短路，最重要的是，阻焊层能保护表层的铜线和铜层，不会因为在空气中而被腐蚀或损坏。

  阻焊层的颜色是非常多样的，平时看到的多是绿色阻焊和白色丝印，一来因为便宜，二来大家也都习惯了，但如果想要PCB好看，可以再一次进行选择黑色、蓝色、白色等颜色的阻焊，看起来会有一些设计感。

  下图就是黑色阻焊加白色丝印的裸板PCB，而且还特意用没覆盖阻焊的铜层绘制了一个logo。

  PCB本身其实只是板材、铜层、过孔、焊盘、阻焊这几部分所组成的，但PCB想要成为一个实用的硬件系统，就必然要跟芯片、连接器等其他组件进行焊接，而焊接就必须要对PCB的焊盘进行表面处理，如果PCB不进行表面处理，也不进行空气隔绝的防护，铜层会很快地在空气中被腐蚀，变得难以焊接。

  有的PCB，还会特意保留一部分铜层，作为连接器的插入端来使用，一般叫做金手指。这种PCB的金手指，为增加可重复插拔的次数，保持连接可靠性，就必须要进行表面处理，大多都是采用沉金或镀金的工艺。

  对于没有特别的条件的低成本PCB，则一般选择有钱喷锡或无铅喷锡的表面解决方法，这种表面处理一般要求PCB在生产完成后塑封起来，隔绝空气，在器件焊接之前禁止过早开启包装，暴露太长时间，否则会引起焊接困难等问题。