1.4.3 电脑印制电路板
印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)几乎在所有电子设备中都能见到,设备功能模块中的不同电子元件均通过相应的焊接技术固定在形状各异的电路板上。如图1-45所示为典型笔记本电脑主板某一层的元件布局PCB文件视图。
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图1-45 典型元件布局PCB文件视图
笔记本电脑的主板,实际上也是由前面提到的PCB布局文件按照一定的比例生成的PCB和焊接在PCB上的数千个电子元件、集成芯片组成的。PCB包含所有的主板原理线路图中标注了电子元件间的连接信号线路(Trace),即在电脑主板上能看到的一根根走线,以及元件实际封装尺寸的焊点(Pad)。元件封装是指实际元件焊接到PCB时所指示的外观和焊点位置。同时,PCB还要满足整机的实际结构设计要求,要做到与电脑主机的机壳和其他功能部件很好地连接、匹配。
随着电脑主板的电气复杂程度越来越高,需要的电子元件的数目越来越多,集成芯片的引脚数也会越来越多,相应的PCB上布线的数目也就越来越多,走线越来越密。前面已提到,为了满足笔记本电脑主板的PCB布线和EMI/EMC等相关因素的需求,通常要求PCB的层数必须达到6层以上。每一层都有其存在的依据,可以通过如图1-46所示示意图进行简要的阐述。
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图1-46 多层PCB布局示意图
原始PCB在加工之前,本身的基板是由绝缘隔热、不易弯曲的材质制作而成的,在如图1-47所示绝缘层的表面可以看到的很薄的一层材料就是铜箔。原本铜箔是覆盖在整个板子上的,而在制造过程中部分被蚀刻处理掉,留下来的部分就是实际看到的用于连接各种电子元件的金属导线。
以上只是简要介绍一下PCB的制作原理,实际的生产过程比这要复杂得多。前面有提到,笔记本电脑主板的PCB是由多层板材组成的,第一层PCB制作完毕之后,再制作第二层、第三层……但是,读者朋友有没有想过,不同PCB板层之间是如何实现电气导通的呢?下面就要提到过孔(Via)的概念了,过孔主要是用来实现不同PCB信号导通的桥梁。从工艺制程上来说,过孔一般分为盲孔(Blind Via)、埋孔(Buried Via)和通孔(Through Via)三类,通孔有时也用于固定一些主板的接口类元件(DIP封装形式),以保证在插拔时不会造成锡裂,而导致可能的电性能接触不良,如图1-48所示。
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图1-47 PCB工艺制程图示
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图1-48 多层PCB之间的信号连接
过孔会对系统信号传输造成一定的反射作用。此外,过孔本身也会产生寄生电感、电容。从理论上来讲,过孔的直径尺寸越小,其电气寄生电感、电容就越小,对系统信号的影响也越小,但相应的工艺成本会增加。
如图1-49所示,PCB有些板层是专门的接地和电源层,如第2、第5和第7层。在布线时,应尽可能将电压(VCC)和地(GND)的相同连接特性的PAD和VIA连接在一起,使它们的电位相同,不会产生相互干扰。此外,由于铜箔的导热特性,大面积地铺铜也有利于散热。
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图1-49 多层PCB专业板层图示
如图1-50所示的电源层有5V、2.5V和3.3V。笔记本电脑主板上所有金属材质的接口、PCB定位孔都是和接地层连通的。部分机型为了防止数字信号地的杂讯对声卡模拟地产生干扰,通常会把它们隔离开来,即数字地和模拟地之间不相互导通。
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图1-50 PCB电源层布局图示
从主板制程的角度来看,一些尺寸较大的芯片通常需要分布在主板的同一面,这是因为主板在工厂制造时,其两面的元件是通过SMT技术分两次安装上去的。尺寸较大的集成芯片通常在第二次才安装,以避免主板在第一次过高温回焊炉时会掉下来。某些颗粒较大的“电感”元件需要点“红胶”来固定,此类红胶具有预热冷却后固化的特性,即使再次预热也不会熔化。总之,笔记本电脑的PCB制造及布局是一项非常复杂的技术,它的复杂程度不亚于电路原理图的设计。
小知识 SMT技术
所谓SMT(Surface Mount Technology)技术,即表面安装技术,它的核心部分就是将主板上的元件、芯片直接粘贴在印制板上,而不是传统的将元件的引脚直接穿过PCB。对于复杂程度高、元件布局紧密的笔记本电脑主板来讲,后者的做法显然是行不通的。普通的笔记本电脑主板都是两面布局元件的,SMT技术是将元件引脚直接焊接在PCB的PAD点上。表面安装技术主要有如下特点:
由于印制板大量消除了大导通孔或埋孔互连技术,因此提高了印制板上的布线密度,减小了印制板面积,同时还降低了印制板的设计层数与成本。
减轻了重量,提高了抗震性能;采用胶状锡膏及新的焊接技术,提高了产品质量和可靠性。
由于布线密度提高和引线长度缩短,因此减小了寄生电容和电感,更有利于提高印制板的电性能参数。
比插装式安装更容易实现自动化,提高了安装速度与劳动生产率,相应降低了组装成本。
由此可以看出,线路板技术的提高是随着芯片的封装技术与表面安装技术的提高而提高的。