板子本身的基板是由絕緣隔熱、并不易彎曲的材質(zhì)所制作成。在表面可以看到的細小線(xiàn)路材料是銅箔，原本銅箔是覆蓋在整個(gè)板子上的，而在制造過(guò)程中部份被蝕刻處理掉，留下來(lái)的部份就變成網(wǎng)狀的細小線(xiàn)路了。這些線(xiàn)路被稱(chēng)作導線(xiàn)(conductor pattern)或稱(chēng)布線(xiàn)，并用來(lái)提供PCB上零件的電路連接。

　　為了將零件固定在PCB上面，我們將它們的接腳直接焊在布線(xiàn)上。在基本的PCB(單面板)上，零件都集中在其中一面，導線(xiàn)則都集中在另一面。這么一來(lái)我們就需要在板子上打洞，這樣接腳才能穿過(guò)板子到另一面，所以零件的接腳是焊在另一面上的。因為如此，PCB的正反面分別被稱(chēng)為零件面(Component Side)與焊接面(Solder Side)。

　　如果PCB設計上頭有某些零件，需要在制作完成后也可以拿掉或裝回去，那么該零件安裝時(shí)會(huì )用到插座(Socket)。由于插座是直接焊在板子上的，零件可以任意的拆裝。下面看到的是ZIF(Zero Insertion Force，零撥插力式)插座，它可以讓零件(這里指的是CPU)可以輕松插進(jìn)插座，也可以拆下來(lái)。插座旁的固定桿，可以在您插進(jìn)零件后將其固定。

　　如果要將兩塊PCB相互連結，一般我們都會(huì )用到俗稱(chēng)「金手指」的邊接頭(edge connector)。金手指上包含了許多裸露的銅墊，這些銅墊事實(shí)上也是PCB布線(xiàn)的一部份。通常連接時(shí)，我們將其中一片PCB上的金手指插進(jìn)另一片PCB上合適的插槽上(一般叫做擴充槽Slot)。在計算機中，像是顯示卡，聲卡或是其它類(lèi)似的界面卡，都是借著(zhù)金手指來(lái)與主機板連接的。

　　PCB上的綠色或是棕色，是阻焊漆(solder mask)的顏色。這層是絕緣的防護層，可以保護銅線(xiàn)，也可以防止零件被焊到不正確的地方。在阻焊層上另外會(huì )印刷上一層絲網(wǎng)印刷面(silk screen)。通常在這上面會(huì )印上文字與符號(大多是白色的)，以標示出各零件在板子上的位置。絲網(wǎng)印刷面也被稱(chēng)作圖標面(legend)。

　　單面板(Single-Sided Boards)

　　我們剛剛提到過(guò)，在基本的PCB上，零件集中在其中一面，導線(xiàn)則集中在另一面上。因為導線(xiàn)只出現在其中一面，所以我們就稱(chēng)這種PCB叫作單面板(Single-sided)。因為單面板在設計線(xiàn)路上有許多嚴格的限制(因為只有一面，布線(xiàn)間不能交叉而必須繞獨自的路徑)，所以只有早期的電路才使用這類(lèi)的板子。

　　雙面板(Double-Sided Boards)

　　這種電路板的兩面都有布線(xiàn)。不過(guò)要用上兩面的導線(xiàn)，必須要在兩面間有適當的電路連接才行。這種電路間的「橋梁」叫做導孔(via)。導孔是在PCB上，充滿(mǎn)或涂上金屬的小洞，它可以與兩面的導線(xiàn)相連接。因為雙面板的面積比單面板大了一倍，而且因為布線(xiàn)可以互相交錯(可以繞到另一面)，它更適合用在比單面板更復雜的電路上。

　　多層板(Multi-Layer Boards)

　　為了增加可以布線(xiàn)的面積，多層板用上了更多單或雙面的布線(xiàn)板。多層板使用數片雙面板，并在每層板間放進(jìn)一層絕緣層后黏牢(壓合)。板子的層數就代表了有幾層獨立的布線(xiàn)層，通常層數都是偶數，并且包含外側的兩層。大部分的主機板都是4到8層的結構，不過(guò)技術(shù)上可以做到近100層的PCB板。大型的超級計算機大多使用相當多層的主機板，不過(guò)因為這類(lèi)計算機已經(jīng)可以用許多普通計算機的集群代替，超多層板已經(jīng)漸漸不被使用了。因為PCB中的各層都緊密的結合，一般不太容易看出實(shí)際數目，不過(guò)如果您仔細觀(guān)察主機板，也許可以看出來(lái)。

　　我們剛剛提到的導孔(via)，如果應用在雙面板上，那么一定都是打穿整個(gè)板子。不過(guò)在多層板當中，如果您只想連接其中一些線(xiàn)路，那么導孔可能會(huì )浪費一些其它層的線(xiàn)路空間。埋孔(Buried vias)和盲孔(Blind vias)技術(shù)可以避免這個(gè)問(wèn)題，因為它們只穿透其中幾層。盲孔是將幾層內部PCB與表面PCB連接，不須穿透整個(gè)板子。埋孔則只連接內部的PCB，所以光是從表面是看不出來(lái)的。

　　在多層板PCB中，整層都直接連接上地線(xiàn)與電源。所以我們將各層分類(lèi)為信號層(Signal)，電源層(Power)或是地線(xiàn)層(Ground)。如果PCB上的零件需要不同的電源供應，通常這類(lèi)PCB會(huì )有兩層以上的電源與電線(xiàn)層。

　　零件封裝技術(shù)

　　插入式封裝技術(shù)(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(shù)稱(chēng)為「插入式(Through Hole Technology，THT)」封裝。這種零件會(huì )需要占用大量的空間，并且要為每只接腳鉆一個(gè)洞。所以它們的接腳其實(shí)占掉兩面的空間，而且焊點(diǎn)也比較大。但另一方面，THT零件和smt(Surface Mounted Technology，表面黏著(zhù)式)零件比起來(lái)，與PCB連接的構造比較好，關(guān)于這點(diǎn)我們稍后再談。像是排線(xiàn)的插座，和類(lèi)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(shù)(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(shù)不用為每個(gè)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(lái)，使用smt技術(shù)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(diǎn)和零件的接腳非常的小，要用人工焊接實(shí)在非常難。不過(guò)如果考慮到目前的組裝都是全自動(dòng)的話(huà)，這個(gè)問(wèn)題只會(huì )出現在修復零件的時(shí)候吧。

　　設計流程

　　在PCB的設計中，其實(shí)在正式布線(xiàn)前，還要經(jīng)過(guò)很漫長(cháng)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(lái)必須要制作出系統的功能方塊圖。方塊間的關(guān)系也必須要標示出來(lái)。

　　將系統分割幾個(gè)PCB

　　將系統分割數個(gè)PCB的話(huà)，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(pán)驅動(dòng)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(shù)和電路數量都決定好了，接下來(lái)就是決定板子的大小了。如果設計的過(guò)大，那么封裝技術(shù)就要改變，或是重新作分割的動(dòng)作。在選擇技術(shù)時(shí)，也要將線(xiàn)路圖的品質(zhì)與速度都考量進(jìn)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(lái)，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(lái)的電路圖可以正常運作，這必須先用計算機軟件來(lái)仿真一次。這類(lèi)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(shí)際做出一塊樣本PCB，然后用手動(dòng)測量要來(lái)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(lái)決定的。它們必須以有效率的方式與路徑相連接。所謂有效率的布線(xiàn)，就是牽線(xiàn)越短并且通過(guò)層數越少(這也同時(shí)減少導孔的數目)越好，不過(guò)在真正布線(xiàn)時(shí)，我們會(huì )再提到這個(gè)問(wèn)題。下面是總線(xiàn)在PCB上布線(xiàn)的樣子。為了讓各零件都能夠擁有完美的配線(xiàn)，放置的位置是很重要的。

　　測試布線(xiàn)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(chēng)為安排零件，不過(guò)我們不會(huì )太深入研究這些。如果電路設計有問(wèn)題，在實(shí)地導出線(xiàn)路前，還可以重新安排零件的位置。

　　導出PCB上線(xiàn)路

　　在概圖中的連接，現在將會(huì )實(shí)地作成布線(xiàn)的樣子。這項步驟通常都是全自動(dòng)的，不過(guò)一般來(lái)說(shuō)還是需要手動(dòng)更改某些部份。下面是2層板的導線(xiàn)模板。紅色和藍色的線(xiàn)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(wǎng)版印刷面的各項標示。紅色的點(diǎn)和圓圈代表鉆洞與導孔。右方我們可以看到PCB上的焊接面有金手指。這個(gè)PCB的終構圖通常稱(chēng)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(xiàn)路間的小保留空隙，小線(xiàn)路寬度，和其它類(lèi)似的實(shí)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(zhì)品質(zhì)與制造設備等因素而有不同。如果電流強度上升，那導線(xiàn)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(shí)，也必須要注意這些規定是否仍舊符合。如果需要超過(guò)2層的構造的話(huà)，那么通常會(huì )使用到電源層以及地線(xiàn)層，來(lái)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(xiàn)后電路測試

　　為了確定線(xiàn)路在導線(xiàn)后能夠正常運作，它必須要通過(guò)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(lián)機都照著(zhù)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(chǎng)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(guò)常用的是Gerber files規格。一組Gerber files包括各信號、電源以及地線(xiàn)層的平面圖，阻焊層與網(wǎng)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(wèn)題

　　沒(méi)有照EMC(電磁兼容)規格設計的電子設備，很可能會(huì )散發(fā)出電磁能量，并且干擾附近的電器。EMC對電磁干擾(EMI)，電磁場(chǎng)(EMF)和射頻干擾(RFI)等都規定了大的限制。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(shí)要減少對外來(lái)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(jìn)入或由裝置散發(fā)出。這其實(shí)是一項很難解決的問(wèn)題，一般大多會(huì )使用電源和地線(xiàn)層，或是將PCB放進(jìn)金屬盒子當中以解決這些問(wèn)題。電源和地線(xiàn)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(wèn)題我們就不過(guò)于深入了。

　　電路的大速度得看如何照EMC規定做了。內部的EMI，像是導體間的電流耗損，會(huì )隨著(zhù)頻率上升而增強。如果兩者之間的的電流差距過(guò)大，那么一定要拉長(cháng)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低。布線(xiàn)的延遲率也很重要，所以長(cháng)度自然越短越好。所以布線(xiàn)良好的小PCB，會(huì )比大PCB更適合在高速下運作。

　　制造流程

　　PCB的制造過(guò)程由玻璃環(huán)氧樹(shù)脂(Glass Epoxy)或類(lèi)似材質(zhì)制成的「基板」開(kāi)始

　　影像(成形/導線(xiàn)制作)

　　制作的一步是建立出零件間聯(lián)機的布線(xiàn)。我們采用負片轉印(Subtractive transfer)方式將工作底片表現在金屬導體上。這項技巧是將整個(gè)表面鋪上一層薄薄的銅箔，并且把多余的部份給消除。追加式轉印(Additive Pattern transfer)是另一種比較少人使用的方式，這是只在需要的地方敷上銅線(xiàn)的方法，不過(guò)我們在這里就不多談了。

　　如果制作的是雙面板，那么PCB的基板兩面都會(huì )鋪上銅箔，如果制作的是多層板，接下來(lái)的步驟則會(huì )將這些板子黏在一起。

　　接下來(lái)的流程圖，介紹了導線(xiàn)如何焊在基板上。

　　正光阻劑(positive photoresist)是由感光劑制成的，它在照明下會(huì )溶解(負光阻劑則是如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)照明就會(huì )分解)。有很多方式可以處理銅表面的光阻劑，不過(guò)普遍的方式，是將它加熱，并在含有光阻劑的表面上滾動(dòng)(稱(chēng)作干膜光阻劑)。它也可以用液態(tài)的方式噴在上頭，不過(guò)干膜式提供比較高的分辨率，也可以制作出比較細的導線(xiàn)。

　　遮光罩只是一個(gè)制造中PCB層的模板。在PCB板上的光阻劑經(jīng)過(guò)UV光曝光之前，覆蓋在上面的遮光罩可以防止部份區域的光阻劑不被曝光(假設用的是正光阻劑)。這些被光阻劑蓋住的地方，將會(huì )變成布線(xiàn)。

　　在光阻劑顯影之后，要蝕刻的其它的裸銅部份。蝕刻過(guò)程可以將板子浸到蝕刻溶劑中，或是將溶劑噴在板子上。一般用作蝕刻溶劑的有，氯化鐵(FerrIC Chloride)，堿性氨(Alkaline Ammonia)，硫酸加過(guò)氧化氫(Sulfuric Acid + Hydrogen Peroxide)，和氯化銅(Cupric Chloride)等。蝕刻結束后將剩下的光阻劑去除掉。這稱(chēng)作脫膜(Stripping)程序。

　　鉆孔與電鍍

　　如果制作的是多層PCB板，并且里頭包含埋孔或是盲孔的話(huà)，每一層板子在黏合前必須要先鉆孔與電鍍。如果不經(jīng)過(guò)這個(gè)步驟，那么就沒(méi)辦法互相連接了。

　　在根據鉆孔需求由機器設備鉆孔之后，孔璧里頭必須經(jīng)過(guò)電鍍(鍍通孔技術(shù)，Plated-Through-Hole technology，PTH)。在孔璧內部作金屬處理后，可以讓內部的各層線(xiàn)路能夠彼此連接。在開(kāi)始電鍍之前，必須先清掉孔內的雜物。這是因為樹(shù)脂環(huán)氧物在加熱后會(huì )產(chǎn)生一些化學(xué)變化，而它會(huì )覆蓋住內部PCB層，所以要先清掉。清除與電鍍動(dòng)作都會(huì )在化學(xué)制程中完成。

　　多層PCB壓合

　　各單片層必須要壓合才能制造出多層板。壓合動(dòng)作包括在各層間加入絕緣層，以及將彼此黏牢等。如果有透過(guò)好幾層的導孔，那么每層都必須要重復處理。多層板的外側兩面上的布線(xiàn)，則通常在多層板壓合后才處理。

　　處理阻焊層、網(wǎng)版印刷面和金手指部份電鍍

　　接下來(lái)將阻焊漆覆蓋在外層的布線(xiàn)上，這樣一來(lái)布線(xiàn)就不會(huì )接觸到電鍍部份外了。網(wǎng)版印刷面則印在其上，以標示各零件的位置，它不能夠覆蓋在任何布線(xiàn)或是金手指上，不然可能會(huì )減低可焊性或是電流連接的穩定性。金手指部份通常會(huì )鍍上金，這樣在插入擴充槽時(shí)，才能確保高品質(zhì)的電流連接。

　　測試

　　測試PCB是否有短路或是斷路的狀況，可以使用光學(xué)或電子方式測試。光學(xué)方式采用掃描以找出各層的缺陷，電子測試則通常用飛針探測儀(Flying-Probe)來(lái)檢查所有連接。電子測試在尋找短路或斷路比較準確，不過(guò)光學(xué)測試可以更容易偵測到導體間不正確空隙的問(wèn)題。

　　零件安裝與焊接

　　后一項步驟就是安裝與焊接各零件了。無(wú)論是THT與smt零件都利用機器設備來(lái)安裝放置在PCB上。

　　THT零件通常都用叫做波峰焊接(Wave Soldering)的方式來(lái)焊接。這可以讓所有零件一次焊接上PCB。首先將接腳切割到靠近板子，并且稍微彎曲以讓零件能夠固定。接著(zhù)將PCB移到助溶劑的水波上，讓底部接觸到助溶劑，這樣可以將底部金屬上的氧化物給除去。在加熱PCB后，這次則移到融化的焊料上，在和底部接觸后焊接就完成了。

　　自動(dòng)焊接smt零件的方式則稱(chēng)為再流回焊接(Over Reflow Soldering)。里頭含有助溶劑與焊料的糊狀焊接物，在零件安裝在PCB上后先處理一次，經(jīng)過(guò)PCB加熱后再處理一次。待PCB冷卻之后焊接就完成了，接下來(lái)就是準備進(jìn)行PCB的終測試了

　　節省制造成本的方法

　　為了讓PCB的成本能夠越低越好，有許多因素必須要列入考量：

　　板子的大小自然是個(gè)重點(diǎn)。板子越小成本就越低。部份的PCB尺寸已經(jīng)成為標準，只要照著(zhù)尺寸作那么成本就自然會(huì )下降。CustomPCB網(wǎng)站上有一些關(guān)于標準尺寸的信息。

　　使用smt會(huì )比THT來(lái)得省錢(qián)，因為PCB上的零件會(huì )更密集(也會(huì )比較小)。

　　另一方面，如果板子上的零件很密集，那么布線(xiàn)也必須更細，使用的設備也相對的要更高階。同時(shí)使用的材質(zhì)也要更高級，在導線(xiàn)設計上也必須要更小心，以免造成耗電等會(huì )對電路造成影響的問(wèn)題。這些問(wèn)題帶來(lái)的成本，可比縮小PCB尺寸所節省的還要多。

　　層數越多成本越高，不過(guò)層數少的PCB通常會(huì )造成大小的增加。

　　鉆孔需要時(shí)間，所以導孔越少越好。

　　埋孔比貫穿所有層的導孔要貴。因為埋孔必須要在接合前就先鉆好洞。

　　板子上孔的大小是依照零件接腳的直徑來(lái)決定。如果板子上有不同類(lèi)型接腳的零件，那么因為機器不能使用同一個(gè)鉆頭鉆所有的洞，相對的比較耗時(shí)間，也代表制造成本相對提升。

　　使用飛針式探測方式的電子測試，通常比光學(xué)方式貴。一般來(lái)說(shuō)光學(xué)測試已經(jīng)足夠保證PCB上沒(méi)有任何錯誤。

　　總而言之，廠(chǎng)商在設備上下的工夫也是越來(lái)越復雜了。了解PCB的制造過(guò)程是很有用的，因為當我們在比較主機板時(shí)，相同效能的板子成本可能不同，穩定性也各異，這也讓我們得以比較各廠(chǎng)商的能力。

　　好的工程師可以光看主機板設計，就知道設計品質(zhì)的好壞。您也許自認沒(méi)那么強，不過(guò)下次您拿到主機板或是顯示卡時(shí)，不妨先鑒賞一下PCB設計之美吧!