印刷電路板（Printed circuit board，PCB）幾乎會出現在每一種電子設備當中。如果在某樣設備中有電子零件，那麽它們也都是鑲在大小各異的PCB上。除了固定各種小零件外，PCB的主要功能是提供上頭各項零件的相互電氣連接。隨著電子設備越來越複雜，需要的零件越來越多，PCB上頭的線路與零件也越來越密集了。 標準的PCB長得就像這樣。裸板（上頭沒有零件）也常被稱為「印刷線路板Printed Wiring Board（PWB）。 
    板子本身的基板是由絕緣隔熱、並不易彎曲的材質所製作成。在表麵可以看到的細小線路材料是銅箔，原本銅箔是覆蓋在整個板子上的，而在製造過程中部份被蝕刻處理掉，留下來的部份就變成網狀的細小線路了。這些線路被稱作導線（conductor pattern）或稱布線，並用來提供PCB上零件的電路連接。  
    為了將零件固定在PCB上麵，我們將它們的接腳直接焊在布線上。在最基本的PCB（單麵板）上，零件都集中在其中一麵，導線則都集中在另一麵。這麽一來我們就需要在板子上打洞，這樣接腳才能穿過板子到另一麵，所以零件的接腳是焊在另一麵上的。因為如此，PCB的正反麵分別被稱為零件麵（Component Side）與焊接麵（Solder Side）。 
    如果PCB上頭有某些零件，需要在製作完成後也可以拿掉或裝回去，那麽該零件安裝時會用到插座（Socket）。由於插座是直接焊在板子上的，零件可以任意的拆裝。下麵看到的是ZIF（Zero Insertion Force，零撥插力式）插座，它可以讓零件（這裏指的是CPU）可以輕鬆插進插座，也可以拆下來。插座旁的固定杆，可以在您插進零件後將其固定。 
    如果要將兩塊PCB相互連結，一般我們都會用到俗稱「金手指」的邊接頭（edge connector）。金手指上包含了許多裸露的銅墊，這些銅墊事實上也是PCB布線的一部份。通常連接時，我們將其中一片PCB上的金手指插進另一片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，聲卡或是其它類似的界麵卡，都是借著金手指來與主機板連接的。 
    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，也可以防止零件被焊到不正確的地方。在阻焊層上另外會印刷上一層絲網印刷麵（silk screen）。通常在這上麵會印上文字與符號（大多是白色的），以標示出各零件在板子上的位置。絲網印刷麵也被稱作圖標麵 legend）。 

單麵板（Single-Sided Boards） 
    我們剛剛提到過，在最基本的PCB上，零件集中在其中一麵，導線則集中在另一麵上。因為導線隻出現在其中一麵，所以我們就稱這種PCB叫作單麵板（Single-sided）。因為單麵板在設計線路上有許多嚴格的限製（因為隻有一麵，布線間不能交叉而必須繞獨自的路徑），所以隻有早期的電路才使用這類的板子。 

雙麵板（Double-Sided Boards） 
    這種電路板的兩麵都有布線。不過要用上兩麵的導線，必須要在兩麵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，充滿或塗上金屬的小洞，它可以與兩麵的導線相連接。因為雙麵板的麵積比單麵板大了一倍，而且因為布線可以互相交錯（可以繞到另一麵），它更適合用在比單麵板更複雜的電路上。 

多層板（Multi-Layer Boards） 
    為了增加可以布線的麵積，多層板用上了更多單或雙麵的布線板。多層板使用數片雙麵板，並在每層板間放進一層絕緣層後黏牢（壓合）。板子的層數就代表了有幾層獨立的布線層，通常層數都是偶數，並且包含最外側的兩層。大部分的主機板都是4到8層的結構，不過技術上可以做到近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，不過因為這類計算機已經可以用許多普通計算機的集群代替，超多層板已經漸漸不被使用了。因為PCB中的各層都緊密的結合，一般不太容易看出實際數目，不過如果您仔細觀察主機板，也許可以看出來。 
    我們剛剛提到的導孔（via），如果應用在雙麵板上，那麽一定都是打穿整個板子。不過在多層板當中，如果您隻想連接其中一些線路，那麽導孔可能會浪費一些其它層的線路空間。埋孔（Buried vias）和盲孔（Blind vias）技術可以避免這個問題，因為它們隻穿透其中幾層。盲孔是將幾層內部PCB與表麵PCB連接，不須穿透整個板子。埋孔則隻連接內部的PCB，所以光是從表麵是看不出來的。 
    在多層板PCB中，整層都直接連接上地線與電源。所以我們將各層分類為信號層（Signal），電源層（Power）或是地線層（Ground）。如果PCB上的零件需要不同的電源供應，通常這類PCB會有兩層以上的電源與電線層。 

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麵，並將接腳焊在另一麵上，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，並且要為每隻接腳鑽一個洞。所以它們的接腳其實占掉兩麵的空間，而且焊點也比較大。但另一方麵，THT零件和SMT（Surface Mounted Technology，表麵黏著式）零件比起來，與PCB連接的構造比較好，關於這點我們稍後再談。像是排線的插座，和類似的界麵都需要能耐壓力，所以通常它們都是THT封裝。 

表麵黏貼式封裝技術（Surface Mounted Technology） 
    使用表麵黏貼式封裝（Surface Mounted Technology，SMT）的零件，接腳是焊在與零件同一麵。這種技術不用為每個接腳的焊接，而都在PCB上鑽洞。 
    表麵黏貼式的零件，甚至還能在兩麵都焊上。 
    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，這個問題隻會出現在修複零件的時候吧。 

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：

• 係統規格 
  首先要先規劃出該電子設備的各項係統規格。包含了係統功能，成本限製，大小，運作情形等等。 
• 係統功能區塊圖 
  接下來必須要製作出係統的功能方塊圖。方塊間的關係也必須要標示出來。 
• 將係統分割幾個PCB 
      將係統分割數個PCB的話，不僅在尺寸上可以縮小，也可以讓係統具有升級與交換零件的能力。係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，那麽封裝技術就要改變，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。所有係統中的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）的方法。
• 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，並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，然後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，就是牽線越短並且通過層數越少（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。下麵是總線在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。下麵是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麵的各項標示。紅色的點和圓圈代表鑽洞與導孔。最右方我們可以看到PCB上的焊接麵有金手指。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製等。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，以及材質品質與製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，那麽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，並且可以當作信號層的防護罩。 
• 導線後電路測試 
      為了確定線路在導線後能夠正常運作，它必須要通過最後檢測。這項檢測也可以檢查是否有不正確的連接，並且所有聯機都照著概圖走。 
• 建立製作檔案 
      因為目前有許多設計PCB的CAD工具，製造廠商必須有符合標準的檔案，才能製造板子。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麵圖，阻焊層與網板印刷麵的平麵圖，以及鑽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，並且幹擾附近的電器。EMC對電磁幹擾（EMI），電磁場（EMF）和射頻幹擾（RFI）等都規定了最大的限製。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製，並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幹擾，金屬盒的效用也差不多。對這些問題我們就不過於深入了。 
      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，那麽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。 

製造流程 
PCB的製造過程由玻璃環氧樹脂（Glass Epoxy）或類似材質製成的「基板」開始 
影像（成形／導線製作） 
    製作的第一步是建立出零件間聯機的布線。我們(men) 采用負片轉印（Subtractive transfer）方式將工作底片表現在金屬導體(ti) 上。這項技巧是將整個(ge) 表麵鋪上一層薄薄的銅箔，並且把多餘(yu) 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，這是隻在需要的地方敷上銅線的方法，不過我們(men) 在這裏就不多談了。 
    如果製作的是雙麵板，那麽(me) PCB的基板兩(liang) 麵都會(hui) 鋪上銅箔，如果製作的是多層板，接下來的步驟則會(hui) 將這些板子黏在一起。 
接下來的流程圖，介紹了導線如何焊在基板上。 
    正光阻劑（positive photoresist）是由感光劑製成的，它在照明下會(hui) 溶解（負光阻劑則是如果沒有經過照明就會(hui) 分解）。有很多方式可以處理銅表麵的光阻劑，不過最普遍的方式，是將它加熱，並在含有光阻劑的表麵上滾動（稱作幹膜光阻劑）。它也可以用液態的方式噴在上頭，不過幹膜式提供比較高的分辨率，也可以製作出比較細的導線。 
    遮光罩隻是一個(ge) 製造中PCB層的模板。在PCB板上的光阻劑經過UV光曝光之前，覆蓋在上麵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(hui) 變成布線。 
    在光阻劑顯影之後，要蝕刻的其它的裸銅部份。蝕刻過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），硫酸加過氧化氫（Sulfuric Acid + Hydrogen Peroxide），和氯化銅（Cupric Chloride）等。蝕刻結束後將剩下的光阻劑去除掉。這稱作脫膜（Stripping）程序。 
鑽孔與(yu) 電鍍 
    如果製作的是多層PCB板，並且裏頭包含埋孔或是盲孔的話，每一層板子在黏合前必須要先鑽孔與(yu) 電鍍。如果不經過這個(ge) 步驟，那麽(me) 就沒辦法互相連接了。 
    在根據鑽孔需求由機器設備鑽孔之後，孔璧裏頭必須經過電鍍（鍍通孔技術，Plated-Through-Hole technology，PTH）。在孔璧內(nei) 部作金屬處理後，可以讓內(nei) 部的各層線路能夠彼此連接。在開始電鍍之前，必須先清掉孔內(nei) 的雜物。這是因為(wei) 樹脂環氧物在加熱後會(hui) 產(chan) 生一些化學變化，而它會(hui) 覆蓋住內(nei) 部PCB層，所以要先清掉。清除與(yu) 電鍍動作都會(hui) 在化學製程中完成。 
多層PCB壓合  
    各單片層必須要壓合才能製造出多層板。壓合動作包括在各層間加入絕緣層，以及將彼此黏牢等。如果有透過好幾層的導孔，那麽(me) 每層都必須要重複處理。多層板的外側(ce) 兩(liang) 麵上的布線，則通常在多層板壓合後才處理。 
處理阻焊層、網版印刷麵和金手指部份電鍍 
    接下來將阻焊漆覆蓋在最外層的布線上，這樣一來布線就不會(hui) 接觸到電鍍部份外了。網版印刷麵則印在其上，以標示各零件的位置，它不能夠覆蓋在任何布線或是金手指上，不然可能會(hui) 減低可焊性或是電流連接的穩定性。金手指部份通常會(hui) 鍍上金，這樣在插入擴充槽時，才能確保高品質的電流連接。 
測試 
    測試PCB是否有短路或是斷路的狀況，可以使用光學或電子方式測試。光學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(yi) （Flying-Probe）來檢查所有連接。電子測試在尋找短路或斷路比較準確，不過光學測試可以更容易偵(zhen) 測到導體(ti) 間不正確空隙的問題。
零件安裝與(yu) 焊接 
    最後一項步驟就是安裝與(yu) 焊接各零件了。無論是THT與(yu) SMT零件都利用機器設備來安裝放置在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，並且稍微彎曲以讓零件能夠固定。接著將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後，這次則移到融化的焊料上，在和底部接觸後焊接就完成了。 
    自動焊接SMT零件的方式則稱為(wei) 再流回焊接（Over Reflow Soldering）。裏頭含有助溶劑與(yu) 焊料的糊狀焊接物，在零件安裝在PCB上後先處理一次，經過PCB加熱後再處理一次。待PCB冷卻之後焊接就完成了，接下來就是準備進行PCB的最終測試了
節省製造成本的方法 
    為(wei) 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(ge) 重點。板子越小成本就越低。部份的PCB尺寸已經成為(wei) 標準，隻要照著尺寸作那麽(me) 成本就自然會(hui) 下降。CustomPCB網站上有一些關(guan) 於(yu) 標準尺寸的信息。 
    使用SMT會(hui) 比THT來得省錢，因為(wei) PCB上的零件會(hui) 更密集（也會(hui) 比較小）。 
    另一方麵，如果板子上的零件很密集，那麽(me) 布線也必須更細，使用的設備也相對的要更高階。同時使用的材質也要更高級，在導線設計上也必須要更小心，以免造成耗電等會(hui) 對電路造成影響的問題。這些問題帶來的成本，可比縮小PCB尺寸所節省的還要多。 
    層數越多成本越高，不過層數少的PCB通常會(hui) 造成大小的增加。 
    鑽孔需要時間，所以導孔越少越好。 
    埋孔比貫穿所有層的導孔要貴。因為(wei) 埋孔必須要在接合前就先鑽好洞。 
    板子上孔的大小是依照零件接腳的直徑來決(jue) 定。如果板子上有不同類型接腳的零件，那麽(me) 因為(wei) 機器不能使用同一個(ge) 鑽頭鑽所有的洞，相對的比較耗時間，也代表製造成本相對提升。 
    使用飛針式探測方式的電子測試，通常比光學方式貴。一般來說光學測試已經足夠保證PCB上沒有任何錯誤。 
    總而言之，廠商在設備上下的工夫也是越來越複雜了。了解PCB的製造過程是很有用的，因為(wei) 當我們(men) 在比較主機板時，相同效能的板子成本可能不同，穩定性也各異，這也讓我們(men) 得以比較各廠商的能力。 
    好的工程師可以光看主機板設計，就知道設計品質的好壞。您也許自認沒那麽(me) 強，不過下次您拿到主機板或是顯示卡時，不妨先鑒賞一下PCB設計之美吧！