什么是pcb？
印刷电路板(PCB)几乎会出现在每一种电子设备中。如果某个设备里有电子零件，都是嵌在不同尺寸的PCB里。PCB除了固定各种小零件外，主要作用是提供上述零件的相互电连接。随着电子设备越来越复杂，需要的零件越来越多，PCB上的线路和零件也越来越密集。
板材本身的基板是由不易弯曲的绝缘隔热材料制成的。表面能看到的精细布线材料是铜箔。本来全板都覆铜箔，但是在制造过程中蚀刻掉了一部分，剩下的部分就成了网状的精细布线。这些线被称为导体图案或布线，用于提供PCB上部件的电路连接。
为了将零件固定在PCB上，我们将它们的引脚直接焊接在布线上。在最基础的PCB(单板)上，零件集中在一边，导线集中在另一边。这样我们就需要在板子上打洞，让引脚可以穿过板子到另一边，于是零件的引脚就焊在了另一边。正因为如此，PCB的正反面分别称为元件面和焊接面。
如果PCB上有一些零件需要在生产完成后拆下或放回，那么在安装零件时会用到插座。因为插座是直接焊在板上的，所以零件可以随意拆卸。下面是一个ZIF(零插入力)插座，它可以让零件(在这种情况下，CPU)很容易地插入插座或删除。插座旁边的固定杆可以在你插入后固定住零件。
如果我们要将两块PCB板相互连接，我们通常会使用俗称“金手指”的边缘连接器。金手指包含许多裸露的铜垫，这些铜垫实际上是PCB布线的一部分。通常连接时，我们将一块PCB上的金手指插入另一块PCB上相应的插槽(俗称扩展槽)。在电脑中，比如显卡、声卡或者其他类似的接口卡，都是通过金手指连接到主板上的。
PCB上的绿色或棕色是阻焊膜的颜色。这层是绝缘保护层，可以保护铜线，防止零件焊接到不正确的地方。此外，将在阻焊膜上印刷丝网。通常文字和符号(大部分是白色的)印在上面，表示棋盘上每个部分的位置。丝网印刷面也叫图例。
单面纸板
就像我们刚刚提到的，在最基础的PCB上，零件集中在一边，导线集中在另一边。因为导线只出现在一面，所以我们称这种PCB为单面。因为单板对布线的设计有很多严格的限制(因为只有一面，布线不能交叉，必须走单独的路径)，所以只有早期的电路使用这种板。
双面纸板
这种电路板两面都有布线。但是，如果您想使用双面导线，您必须在双面之间建立适当的电路连接。这种电路之间的“桥梁”被称为过孔。导孔是PCB板上填有或涂有金属的小孔，可以连接两侧的导线。因为双面板的面积是单面板的两倍，而且因为布线可以错开(可以绕到另一边)，所以比单面板更适合更复杂的电路。
多层板
为了增加可以布线的面积，多层板更多的使用单面或双面线路板。多层板使用几块双面板，每块面板之间放一层保温层，然后胶合(压制)。板上的层数意味着有几个独立的布线层，通常是偶数，包括最外面的两层。大部分主板都是4到8层的结构，但是在技术上可以做到近100层PCB板。大多数大型超级计算机使用相当多的几层主板，但由于这种计算机可以被许多普通计算机的集群所取代，超级多层板已逐渐不再使用。因为PCB里面所有的层都是紧密结合的，所以一般不太容易看到实际的数量，但是仔细看主板的话，也许就能看出来。
我们刚才提到的过孔，如果应用在双面板上，就必须要贯穿整个板。但是，在多层板中，如果您只想连接一些线路，导孔可能会浪费其他层中的一些线路空间。埋孔和盲孔可以避免这个问题，因为它们只穿透几层。盲孔将几层内部PCB与表面PCB连接起来，不会穿透整板。埋孔只连接内部PCB，所以从表面看不到光。
在多层PCB中，整层直接连接地线和电源。所以我们把每一层分为信号层、电源层或者接地层。如果一个PCB上的零件需要不同的电源，这种PCB通常有两层以上的电源和导线。
部件封装技术(通孔技术)
将元件放置在电路板的一侧，将引脚焊接在另一侧的技术被称为“THT”封装。这部分会占很大空间，每个针都要钻一个孔。所以它们的引脚实际上占据了两边的空间，焊点比较大。另一方面，与SMT(表面贴装技术)零件相比，THT零件更好地连接到PCB，这一点我们将在后面讨论。像扁平电缆和类似接口的插座需要承受压力，所以它们通常是THT封装。
表面安装技术(SMT)
对于采用表面贴装技术(SMT)的器件，引脚与器件焊接在同一侧。这项技术不需要焊接每个引脚，而是在PCB上钻孔。
表面粘合零件
表面粘合零件甚至可以双面焊接。
SMT也比THT零件小。与使用THT器件的PCB相比，使用SMT技术的PCB密度更高。SMT封装零件也比THT便宜。因此，今天的大多数PCB都是SMT就不足为奇了。
因为零件的焊点和引脚都很小，用手工焊接非常困难。但是，如果目前的装配是全自动的，这个问题只会在维修零件的时候出现。
设计周期
在PCB的设计中，其实在正式布线之前，我们要经历很长的一步。以下是主要的设计过程:
系统规范
首先，我们应该规划出电子设备的系统规格。包括系统功能、成本限制、大小、运行情况等等。
系统功能框图
接下来，必须制作系统的功能框图。箱子之间的关系也必须标明。
将系统分成几块印刷电路板。
如果将系统分成几块PCB，不仅可以缩小体积，还可以使系统升级和更换零件。系统功能框图为我们的划分提供了基础。比如电脑可以分为主板、显卡、声卡、软驱、电源。
决定封装方法和每个PCB的尺寸。
当每块PCB所用的技术和电路数量确定后，下一步就是决定电路板的尺寸。如果设计过大，封装工艺就会改变或者重新划分。在选择技术时，还应考虑电路图的质量和速度。
画出所有PCB的电路概览。
概述中应显示零件之间的互连细节。所有系统中的PCB都要走线，现在大部分都用CAD(计算机辅助设计)。以下是使用Circuit MakerTM进行设计的示例。
初步设计的模拟操作
为了保证所设计的电路图能够正常工作，必须先用计算机软件进行仿真。这种软件可以阅读设计图纸，并以多种方式显示电路的操作。这比实际制作一个PCB样品，然后手动测量要高效得多。
将零件放在PCB上
零件的放置方式取决于它们的连接方式。它们必须以最有效的方式连接到路径。所谓高效布线，就是电线越短，穿过的层数越少(这也减少了导孔的数量)越好。不过这个问题我们会在真实布线中再讲。以下是总线在PCB上的布线方式。为了使所有部件都有完美的布线，放置位置非常重要。
测试接线可能性和高速下的正确操作。
现在有一些电脑软件可以检查各个部件的位置是否能正确连接，或者是否能正确高速运行。这一步叫做排列零件，但我们不会深入研究这些。如果电路设计有问题，可以在现场导出电路之前重新安排零件的位置。
PCB上的输出电路
概览中的连接现在看起来像现场布线。这一步通常是全自动的，但一般来说，有些部分还是需要手动更改。下面是2层板的导体模板。红线和蓝线分别代表PCB的器件层和焊料层。白色的文字和方块代表丝网印刷表面上的标记。红点和圆圈代表钻孔和导向孔。在最右边，我们可以看到PCB的焊接面上有金手指。这种PCB的最终构成通常被称为艺术品。
每个设计都必须遵守一组规则，例如线之间的最小保留间隙、最小线宽以及其他类似的实际限制。这些规定根据电路的速度、传输信号的强度、电路对功耗和噪声的敏感度以及材料和制造设备的质量而有所不同。如果电流强度增加，导线的厚度也必须增加。为了降低PCB的成本，在减少层数的同时，也要注意这些规定是否还满足。如果需要两层以上，通常用电源层和接地层来避免传输信号对信号层的影响，可以作为信号层的保护罩。
线后电路测试
为了保证导线后面的线路能正常运行，必须通过终检。该测试还可以检查是否有不正确的连接，所有连接都遵循概述。
创建生产文件
因为目前设计PCB的CAD工具很多，所以厂商必须要有符合标准的文件才可以制造板。有几种标准规范，但最常用的是Gerber文件规范。一套Gerber文件包括每个信号、电源和接地层的平面图，阻焊和丝网印刷表面的平面图，以及钻孔、取放等指定文件。
电磁兼容性问题
未按照EMC(电磁兼容性)规范设计的电子设备很可能会发出电磁能量并干扰附近的电器。EMC设定了电磁干扰(EMI)、电磁场(EMF)和射频干扰(RFI)的最大限值。这一规定可以确保本设备和附近其他设备的正常运行。EMC对从一个器件散射或传导到另一个器件的能量有严格的限制，设计应降低对外部EMF、EMI、RFI等的磁化率。换句话说，该规定的目的是防止电磁能量进入设备或由设备发出。这其实是一个很难解决的问题。一般多采用电源层和接地层，或者将PCB放入金属盒中解决这些问题。电源层和接地层可以防止信号层被干扰，金属盒的效果也差不多。这些问题我们就不深究了。
电路的最大速度取决于如何按照EMC规定来做。内部EMI，例如导体之间的电流损耗，将随着频率而增加。如果他们之间的电流差距过大，那么他们之间的距离必须加长。这也告诉我们如何避免高电压，并尽量减少电路的电流消耗。布线的延迟率也很重要，所以长度越短越好。所以布线好的小PCB会比大PCB更适合高速运行。
制造工艺
PCB的制造过程始于由玻璃环氧树脂或类似材料制成的“基板”。
图像(成型/制线)
制造的第一步是建立零件之间的连线。我们使用负转移来显示金属导体上的工作膜。这种技术是在整个表面铺上一层薄薄的铜箔，消除多余的部分。附加图案转移是另一种人们很少使用的方法，只在必要的地方应用铜线，这里就不说了。
如果是双面板，PCB基板的两面都要覆盖铜箔。如果制成多层板，这些板将在下一步粘合在一起。
下一个流程图介绍了导线如何焊接在基板上。
正性光刻胶是用光敏剂做的，光照下会溶解(负性光刻胶不光照会分解)。铜表面光刻胶的处理方法有很多种，但最常用的方法是加热后在含有光刻胶的表面滚动(称为干膜光刻胶)。它也可以以液体形式喷涂在其上，但干膜类型提供了更高的分辨率，也可以制作更细的导线。
遮光罩只是制造中PCB层的模板。在PCB板上的光刻胶暴露在紫外光下之前，覆盖其上的光罩可以防止某些区域的光刻胶暴露出来(假设使用的是正性光刻胶)。这些被光刻胶覆盖的地方会变成布线。
光致抗蚀剂显影后要蚀刻的其他裸铜部件。在蚀刻过程中，可以将板浸入蚀刻溶剂中或用溶剂喷洒。通常用作蚀刻溶剂的是氯化铁、碱性氨、硫酸+过氧化氢和氯化铜。在蚀刻之后，剩余的光致抗蚀剂被去除。这被称为剥离程序。
从下图可以看出铜线是怎么布线的。
钻孔和电镀
如果制作了多层PCB板，并且它包含埋孔或盲孔，则在键合之前必须对每层板进行钻孔和电镀。如果不经过这一步，那么就没有办法互相联系。
机器设备按钻孔要求钻孔后，孔壁内侧必须电镀(镀通孔技术，PTH)。孔壁内经过金属处理后，内层电路可以相互连接。电镀前，必须清除孔中的杂质。这是因为环氧树脂受热后会发生一些化学变化，产生的化学物质会覆盖内部PCB层，所以要先去除。清洗和电镀动作将在化学过程中完成。
多层印刷电路板压制
每一层必须压制成多层板。压制动作包括在层间添加绝缘层并将它们粘在一起。如果有几层通孔，每层都必须重复处理。多层板的外部两侧的布线通常在多层板被压制之后进行处理。
阻焊膜、丝网印刷表面和金手指部分电镀的处理
接下来，在最外层布线上覆盖阻焊漆，使布线不会接触电镀部分。丝网印刷面印在上面，标明各部分的位置。它不能覆盖任何布线或金手指，否则可能会降低可焊性或电流连接的稳定性。金手指一般都是镀金的，以保证插入扩展槽时高质量的电流连接。
试验
测试PCB有无短路或开路，可用光学或电子手段测试。光学扫描用于找出每层的缺陷，而电子测试通常使用飞针检查所有连接。电子测试在发现短路或开路方面更准确，但是光学测试可以更容易地检测导体之间不正确的间隙。
零件安装和焊接
最后一步是安装和焊接零件。THT和SMT零件都是通过机器和设备安装和放置在PCB上的。
THT零件通常用一种叫做波峰焊的方法焊接。这使得所有器件可以同时焊接到PCB上。首先，靠近电路板切割引脚，并稍微弯曲它们，以便可以固定零件。然后将PCB移动到共溶剂的水波中，让底部接触到共溶剂，这样就可以去除底部金属上的氧化物。加热PCB后，这次移到熔化的焊料上，接触底部后焊接完成。
SMT零件的自动焊接称为回流焊接。含有助溶剂和焊料的锡膏在零件安装到PCB上后进行一次处理，然后在PCB加热后再次处理。PCB冷却后，焊接完成，然后准备对PCB进行最终测试。
节约制造成本的方法
为了使PCB的成本尽可能低，有许多因素必须考虑:
棋盘的大小自然是重要的一点。电路板越小，成本越低。PCB的部分尺寸已经成为标准，只要遵循尺寸，成本自然会降低。CustomPCB网站上有一些关于标准尺寸的信息。
使用SMT会比THT省钱，因为PCB上的零件会更密集(也更小)。
另一方面，如果板上的零件很密集，布线必须更细，使用的设备也相对更高。同时使用的材料也要更高级，在导线的设计上也要更用心，避免出现会影响电路的问题，比如功耗。这些问题带来的成本比缩小PCB尺寸更大。层数越多，成本越高，但层数少的PCB通常会导致尺寸增大。钻井需要时间，所以导向孔越少越好。
埋孔比贯穿所有层的导向孔更昂贵。因为连接前必须钻埋孔。
板上的孔的大小是根据器件引脚的直径决定的。如果电路板上有不同引脚的零件，机器无法使用相同的钻头钻所有的孔，这相对耗时，并导致相对较高的制造成本。
使用飞针检测的电子测试通常比光学测试更昂贵。一般来说，光学测试足以确保PCB上没有错误。
总之，厂商在设备上的努力越来越复杂。了解PCB的制造工艺是非常有用的，因为我们在比较主板的时候，同样性能的板成本和稳定性可能会有所不同，这也让我们可以比较各个厂商的能力。
一个好的工程师，光看主板设计就能知道设计的好坏。你可能觉得自己没那么强，但是下次你拿到主板或者显卡的时候，不妨先欣赏一下PCB的设计之美！