印刷電路板(PCB)幾乎會出現在每壹種電子設備中。如果某個設備裏有電子零件，都是嵌在不同尺寸的PCB裏。PCB除了固定各種小零件外，主要作用是提供上述零件的相互電連接。隨著電子設備越來越復雜，需要的零件越來越多，PCB上的線路和零件也越來越密集。
板材本身的基板是由不易彎曲的絕緣隔熱材料制成的。表面能看到的精細布線材料是銅箔。本來全板都覆銅箔，但是在制造過程中蝕刻掉了壹部分，剩下的部分就成了網狀的精細布線。這些線被稱為導體圖案或布線，用於提供PCB上部件的電路連接。
為了將零件固定在PCB上，我們將它們的引腳直接焊接在布線上。在最基礎的PCB(單板)上，零件集中在壹邊，導線集中在另壹邊。這樣我們就需要在板子上打洞，讓引腳可以穿過板子到另壹邊，於是零件的引腳就焊在了另壹邊。正因為如此，PCB的正反面分別稱為元件面和焊接面。
如果PCB上有壹些零件需要在生產完成後拆下或放回，那麽在安裝零件時會用到插座。因為插座是直接焊在板上的，所以零件可以隨意拆卸。下面是壹個ZIF(零插入力)插座，它可以讓零件(在這種情況下，CPU)很容易地插入插座或刪除。插座旁邊的固定桿可以在妳插入後固定住零件。
如果我們要將兩塊PCB板相互連接，我們通常會使用俗稱“金手指”的邊緣連接器。金手指包含許多裸露的銅墊，這些銅墊實際上是PCB布線的壹部分。通常連接時，我們將壹塊PCB上的金手指插入另壹塊PCB上相應的插槽(俗稱擴展槽)。在電腦中，比如顯卡、聲卡或者其他類似的接口卡，都是通過金手指連接到主板上的。
PCB上的綠色或棕色是阻焊膜的顏色。這層是絕緣保護層，可以保護銅線，防止零件焊接到不正確的地方。此外，將在阻焊膜上印刷絲網。通常文字和符號(大部分是白色的)印在上面，表示棋盤上每個部分的位置。絲網印刷面也叫圖例。
單面紙板
就像我們剛剛提到的，在最基礎的PCB上，零件集中在壹邊，導線集中在另壹邊。因為導線只出現在壹面，所以我們稱這種PCB為單面。因為單板對布線的設計有很多嚴格的限制(因為只有壹面，布線不能交叉，必須走單獨的路徑)，所以只有早期的電路使用這種板。
雙面紙板
這種電路板兩面都有布線。但是，如果您想使用雙面導線，您必須在雙面之間建立適當的電路連接。這種電路之間的“橋梁”被稱為過孔。導孔是PCB板上填有或塗有金屬的小孔，可以連接兩側的導線。因為雙面板的面積是單面板的兩倍，而且因為布線可以錯開(可以繞到另壹邊)，所以比單面板更適合更復雜的電路。
多層板
為了增加可以布線的面積，多層板更多的使用單面或雙面線路板。多層板使用幾塊雙面板，每塊面板之間放壹層保溫層，然後膠合(壓制)。板上的層數意味著有幾個獨立的布線層，通常是偶數，包括最外面的兩層。大部分主板都是4到8層的結構，但是在技術上可以做到近100層PCB板。大多數大型超級計算機使用相當多的幾層主板，但由於這種計算機可以被許多普通計算機的集群所取代，超級多層板已逐漸不再使用。因為PCB裏面所有的層都是緊密結合的，所以壹般不太容易看到實際的數量，但是仔細看主板的話，也許就能看出來。
我們剛才提到的過孔，如果應用在雙面板上，就必須要貫穿整個板。但是，在多層板中，如果您只想連接壹些線路，導孔可能會浪費其他層中的壹些線路空間。埋孔和盲孔可以避免這個問題，因為它們只穿透幾層。盲孔將幾層內部PCB與表面PCB連接起來，不會穿透整板。埋孔只連接內部PCB，所以從表面看不到光。
在多層PCB中，整層直接連接地線和電源。所以我們把每壹層分為信號層、電源層或者接地層。如果壹個PCB上的零件需要不同的電源，這種PCB通常有兩層以上的電源和導線。
部件封裝技術(通孔技術)
將元件放置在電路板的壹側，將引腳焊接在另壹側的技術被稱為“THT”封裝。這部分會占很大空間，每個針都要鉆壹個孔。所以它們的引腳實際上占據了兩邊的空間，焊點比較大。另壹方面，與SMT(表面貼裝技術)零件相比，THT零件更好地連接到PCB，這壹點我們將在後面討論。像扁平電纜和類似接口的插座需要承受壓力，所以它們通常是THT封裝。
表面安裝技術(SMT)
對於采用表面貼裝技術(SMT)的器件，引腳與器件焊接在同壹側。這項技術不需要焊接每個引腳，而是在PCB上鉆孔。
表面粘合零件
表面粘合零件甚至可以雙面焊接。
SMT也比THT零件小。與使用THT器件的PCB相比，使用SMT技術的PCB密度更高。SMT封裝零件也比THT便宜。因此，今天的大多數PCB都是SMT就不足為奇了。
因為零件的焊點和引腳都很小，用手工焊接非常困難。但是，如果目前的裝配是全自動的，這個問題只會在維修零件的時候出現。
設計周期
在PCB的設計中，其實在正式布線之前，我們要經歷很長的壹步。以下是主要的設計過程:
系統規範
首先，我們應該規劃出電子設備的系統規格。包括系統功能、成本限制、大小、運行情況等等。
系統功能框圖
接下來，必須制作系統的功能框圖。箱子之間的關系也必須標明。
將系統分成幾塊印刷電路板。
如果將系統分成幾塊PCB，不僅可以縮小體積，還可以使系統升級和更換零件。系統功能框圖為我們的劃分提供了基礎。比如電腦可以分為主板、顯卡、聲卡、軟驅、電源。
決定封裝方法和每個PCB的尺寸。
當每塊PCB所用的技術和電路數量確定後，下壹步就是決定電路板的尺寸。如果設計過大，封裝工藝就會改變或者重新劃分。在選擇技術時，還應考慮電路圖的質量和速度。
畫出所有PCB的電路概覽。
概述中應顯示零件之間的互連細節。所有系統中的PCB都要走線，現在大部分都用CAD(計算機輔助設計)。以下是使用Circuit MakerTM進行設計的示例。
初步設計的模擬操作
為了保證所設計的電路圖能夠正常工作，必須先用計算機軟件進行仿真。這種軟件可以閱讀設計圖紙，並以多種方式顯示電路的操作。這比實際制作壹個PCB樣品，然後手動測量要高效得多。
將零件放在PCB上
零件的放置方式取決於它們的連接方式。它們必須以最有效的方式連接到路徑。所謂高效布線，就是電線越短，穿過的層數越少(這也減少了導孔的數量)越好。不過這個問題我們會在真實布線中再講。以下是總線在PCB上的布線方式。為了使所有部件都有完美的布線，放置位置非常重要。
測試接線可能性和高速下的正確操作。
現在有壹些電腦軟件可以檢查各個部件的位置是否能正確連接，或者是否能正確高速運行。這壹步叫做排列零件，但我們不會深入研究這些。如果電路設計有問題，可以在現場導出電路之前重新安排零件的位置。
PCB上的輸出電路
概覽中的連接現在看起來像現場布線。這壹步通常是全自動的，但壹般來說，有些部分還是需要手動更改。下面是2層板的導體模板。紅線和藍線分別代表PCB的器件層和焊料層。白色的文字和方塊代表絲網印刷表面上的標記。紅點和圓圈代表鉆孔和導向孔。在最右邊，我們可以看到PCB的焊接面上有金手指。這種PCB的最終構成通常被稱為藝術品。
每個設計都必須遵守壹組規則，例如線之間的最小保留間隙、最小線寬以及其他類似的實際限制。這些規定根據電路的速度、傳輸信號的強度、電路對功耗和噪聲的敏感度以及材料和制造設備的質量而有所不同。如果電流強度增加，導線的厚度也必須增加。為了降低PCB的成本，在減少層數的同時，也要註意這些規定是否還滿足。如果需要兩層以上，通常用電源層和接地層來避免傳輸信號對信號層的影響，可以作為信號層的保護罩。
線後電路測試
為了保證導線後面的線路能正常運行，必須通過終檢。該測試還可以檢查是否有不正確的連接，所有連接都遵循概述。
創建生產文件
因為目前設計PCB的CAD工具很多，所以廠商必須要有符合標準的文件才可以制造板。有幾種標準規範，但最常用的是Gerber文件規範。壹套Gerber文件包括每個信號、電源和接地層的平面圖，阻焊和絲網印刷表面的平面圖，以及鉆孔、取放等指定文件。
電磁兼容性問題
未按照EMC(電磁兼容性)規範設計的電子設備很可能會發出電磁能量並幹擾附近的電器。EMC設定了電磁幹擾(EMI)、電磁場(EMF)和射頻幹擾(RFI)的最大限值。這壹規定可以確保本設備和附近其他設備的正常運行。EMC對從壹個器件散射或傳導到另壹個器件的能量有嚴格的限制，設計應降低對外部EMF、EMI、RFI等的磁化率。換句話說，該規定的目的是防止電磁能量進入設備或由設備發出。這其實是壹個很難解決的問題。壹般多采用電源層和接地層，或者將PCB放入金屬盒中解決這些問題。電源層和接地層可以防止信號層被幹擾，金屬盒的效果也差不多。這些問題我們就不深究了。
電路的最大速度取決於如何按照EMC規定來做。內部EMI，例如導體之間的電流損耗，將隨著頻率而增加。如果他們之間的電流差距過大，那麽他們之間的距離必須加長。這也告訴我們如何避免高電壓，並盡量減少電路的電流消耗。布線的延遲率也很重要，所以長度越短越好。所以布線好的小PCB會比大PCB更適合高速運行。
制造工藝
PCB的制造過程始於由玻璃環氧樹脂或類似材料制成的“基板”。
圖像(成型/制線)
制造的第壹步是建立零件之間的連線。我們使用負轉移來顯示金屬導體上的工作膜。這種技術是在整個表面鋪上壹層薄薄的銅箔，消除多余的部分。附加圖案轉移是另壹種人們很少使用的方法，只在必要的地方應用銅線，這裏就不說了。
如果是雙面板，PCB基板的兩面都要覆蓋銅箔。如果制成多層板，這些板將在下壹步粘合在壹起。
下壹個流程圖介紹了導線如何焊接在基板上。
正性光刻膠是用光敏劑做的，光照下會溶解(負性光刻膠不光照會分解)。銅表面光刻膠的處理方法有很多種，但最常用的方法是加熱後在含有光刻膠的表面滾動(稱為幹膜光刻膠)。它也可以以液體形式噴塗在其上，但幹膜類型提供了更高的分辨率，也可以制作更細的導線。
遮光罩只是制造中PCB層的模板。在PCB板上的光刻膠暴露在紫外光下之前，覆蓋其上的光罩可以防止某些區域的光刻膠暴露出來(假設使用的是正性光刻膠)。這些被光刻膠覆蓋的地方會變成布線。
光致抗蝕劑顯影後要蝕刻的其他裸銅部件。在蝕刻過程中，可以將板浸入蝕刻溶劑中或用溶劑噴灑。通常用作蝕刻溶劑的是氯化鐵、堿性氨、硫酸+過氧化氫和氯化銅。在蝕刻之後，剩余的光致抗蝕劑被去除。這被稱為剝離程序。
從下圖可以看出銅線是怎麽布線的。
鉆孔和電鍍
如果制作了多層PCB板，並且它包含埋孔或盲孔，則在鍵合之前必須對每層板進行鉆孔和電鍍。如果不經過這壹步，那麽就沒有辦法互相聯系。
機器設備按鉆孔要求鉆孔後，孔壁內側必須電鍍(鍍通孔技術，PTH)。孔壁內經過金屬處理後，內層電路可以相互連接。電鍍前，必須清除孔中的雜質。這是因為環氧樹脂受熱後會發生壹些化學變化，產生的化學物質會覆蓋內部PCB層，所以要先去除。清洗和電鍍動作將在化學過程中完成。
多層印刷電路板壓制
每壹層必須壓制成多層板。壓制動作包括在層間添加絕緣層並將它們粘在壹起。如果有幾層通孔，每層都必須重復處理。多層板的外部兩側的布線通常在多層板被壓制之後進行處理。
阻焊膜、絲網印刷表面和金手指部分電鍍的處理
接下來，在最外層布線上覆蓋阻焊漆，使布線不會接觸電鍍部分。絲網印刷面印在上面，標明各部分的位置。它不能覆蓋任何布線或金手指，否則可能會降低可焊性或電流連接的穩定性。金手指壹般都是鍍金的，以保證插入擴展槽時高質量的電流連接。
試驗
測試PCB有無短路或開路，可用光學或電子手段測試。光學掃描用於找出每層的缺陷，而電子測試通常使用飛針檢查所有連接。電子測試在發現短路或開路方面更準確，但是光學測試可以更容易地檢測導體之間不正確的間隙。
零件安裝和焊接
最後壹步是安裝和焊接零件。THT和SMT零件都是通過機器和設備安裝和放置在PCB上的。
THT零件通常用壹種叫做波峰焊的方法焊接。這使得所有器件可以同時焊接到PCB上。首先，靠近電路板切割引腳，並稍微彎曲它們，以便可以固定零件。然後將PCB移動到共溶劑的水波中，讓底部接觸到共溶劑，這樣就可以去除底部金屬上的氧化物。加熱PCB後，這次移到熔化的焊料上，接觸底部後焊接完成。
SMT零件的自動焊接稱為回流焊接。含有助溶劑和焊料的錫膏在零件安裝到PCB上後進行壹次處理，然後在PCB加熱後再次處理。PCB冷卻後，焊接完成，然後準備對PCB進行最終測試。
節約制造成本的方法
為了使PCB的成本盡可能低，有許多因素必須考慮:
棋盤的大小自然是重要的壹點。電路板越小，成本越低。PCB的部分尺寸已經成為標準，只要遵循尺寸，成本自然會降低。CustomPCB網站上有壹些關於標準尺寸的信息。
使用SMT會比THT省錢，因為PCB上的零件會更密集(也更小)。
另壹方面，如果板上的零件很密集，布線必須更細，使用的設備也相對更高。同時使用的材料也要更高級，在導線的設計上也要更用心，避免出現會影響電路的問題，比如功耗。這些問題帶來的成本比縮小PCB尺寸更大。層數越多，成本越高，但層數少的PCB通常會導致尺寸增大。鉆井需要時間，所以導向孔越少越好。
埋孔比貫穿所有層的導向孔更昂貴。因為連接前必須鉆埋孔。
板上的孔的大小是根據器件引腳的直徑決定的。如果電路板上有不同引腳的零件，機器無法使用相同的鉆頭鉆所有的孔，這相對耗時，並導致相對較高的制造成本。
使用飛針檢測的電子測試通常比光學測試更昂貴。壹般來說，光學測試足以確保PCB上沒有錯誤。
總之，廠商在設備上的努力越來越復雜。了解PCB的制造工藝是非常有用的，因為我們在比較主板的時候，同樣性能的板成本和穩定性可能會有所不同，這也讓我們可以比較各個廠商的能力。
壹個好的工程師，光看主板設計就能知道設計的好壞。妳可能覺得自己沒那麽強，但是下次妳拿到主板或者顯卡的時候，不妨先欣賞壹下PCB的設計之美！