PCB基礎知識 印刷電路板(Printed circuit board,PCB)幾乎會(huì )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,那么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(zhù)電子設備越來(lái)越復雜,需要的零件越來(lái)越多,PCB上頭的線(xiàn)路與零件也越來(lái)越密集了。 標準的PCB長(cháng)得就像這樣。
裸板(上頭沒(méi)有零件)也常被稱(chēng)為「印刷線(xiàn)路板Printed Wiring Board(PWB)」。 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。在最基本的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),在最基本的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,并且包含最外側的兩層。
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。
一般來(lái)說(shuō)我們對IC 的概念只停留在它是芯片或集成電路,或者是外觀(guān)五花八門(mén)的小小的東西上面。對它究竟是什么?它是怎么來(lái)?它為什么外表各種各樣?我們的了解可能不是很多,下面通過(guò)對IC 的生產(chǎn)工序流程和其結構發(fā)展歷史方面的簡(jiǎn)述,希望讓大家對IC 大體上有一個(gè)初步的把握。
一, 電子元器件的相關(guān)概念和分類(lèi)
1, 概念
電子元器件: 分為半導體器件和電子元件,它們是電子工業(yè)發(fā)展的基礎,它們是組成電子設備的基本單元,屬于電子工業(yè)的中間產(chǎn)品。
IC(集成電路)是電子元器件中的一種半導體器件。
微電子技術(shù):一個(gè)國家的核心技術(shù)是指微電子技術(shù),而微電子技術(shù)是指能夠處理更加微小的電磁信號的技術(shù),所謂微電是區別于強電(例如照明用電)和弱電(例如電話(huà)線(xiàn)路)而言。微電子技術(shù)的代表就是IC 技術(shù),主要產(chǎn)品就是IC。
2, 分類(lèi)
電子元器件分兩類(lèi):半導體器件和電子元件
半導體器件包括:半導體分立器件,半導體集成電路,特殊功能的半導體器件,其它器件。
電子元件包括:電阻,電容,電感/線(xiàn)圈,電位器,變壓器,繼電器,傳感器,晶體,開(kāi)關(guān),電池/電源,接插件/連接器,其他電子元件。
二, IC的生產(chǎn)工序流程
普通硅沙(石英砂,沙子)-->;分子拉晶(提煉)-->;晶柱(圓柱形晶體)-->;晶圓(把晶柱切割成圓形薄片)-->;光刻(俗稱(chēng)流片,即先設計好電路圖,通過(guò)激光暴光,刻到晶圓的電路單元上)-->;切割成管芯(裸芯片)-->;封裝(也就是把管芯的電路管腳,用導線(xiàn)接到外部接頭,以便與其它器件連接。)
詳細流程注解:
1,業(yè)已確認,占地殼物質(zhì)達到28%的石英在地表層呈現為石英砂石礦。用電弧爐冶煉石英砂將其轉變成冶金等級硅。通過(guò)一步一步去除雜質(zhì)的處理工藝過(guò)程,硅經(jīng)歷液態(tài),蒸餾并最終再沉積成為半導體等級的硅棒,其硅的純度達到99.999999%。隨后,這些硅棒被機械粉碎成塊并裝入石英坩堝爐中加熱熔化至1420攝氏度。
2,將一個(gè)單晶籽晶(種)導入熔化過(guò)程中,隨著(zhù)籽晶轉動(dòng),晶體漸漸生長(cháng)出來(lái)。幾天之后,慢慢地將單晶提取出來(lái),結果得到一根一米多長(cháng)的硅棒,視其直徑大小,硅棒的價(jià)值可高達8000美元到16000美元。這些純硅單晶棒,每根重量達到(120公斤);
3,隨后被金剛石鋸床切成薄薄的圓晶片。這些薄片再經(jīng)過(guò)洗滌、拋光、清潔和接受入眼檢測與機器檢測;最后通過(guò)激光掃描發(fā)現小于人的頭發(fā)絲寬度的1/300的表面缺陷及雜質(zhì),合格的圓晶片交付給芯片生產(chǎn)廠(chǎng)商。
4,芯片結構設計人員設計好電路版圖,完整的設計圖傳送給主計算機并經(jīng)電子束曝光機進(jìn)行處理,將這些設計圖“刻寫(xiě)”在置于一塊石英玻璃上的金屬薄膜上,制造出掩膜。制作芯片是對薄膜進(jìn)行重復進(jìn)行涂光敏膠、光刻和腐蝕的組合處理,掩膜起著(zhù)一個(gè)很像照相制版的負片作用。精確調準每個(gè)掩膜最為重要:如果一個(gè)掩膜偏離幾分之一微米(百萬(wàn)分之一),則整個(gè)硅圓片就報廢不能用。當光通過(guò)掩膜照射,電路圖就“印制”在硅晶片上。每一個(gè)芯片大約需用20個(gè)掩膜,這些掩膜要在整個(gè)工藝過(guò)程棗從硅圓片到制造最終的芯片包括幾百個(gè)工藝的流程的不同的位置點(diǎn)上定位。最終一塊硅圓片能夠做出一定數量的芯片。
5,一旦完成芯片制作過(guò)程,硅圓片在金剛石切割機床上被分切成單個(gè)的芯片,到此的單個(gè)芯片被稱(chēng)為“管芯”(DIE)。將每個(gè)管芯分隔放置在一個(gè)無(wú)靜電的平板框中,并傳送至下一步,管芯被插裝進(jìn)它的封裝中。芯片封裝保護管芯避免受環(huán)境因素影響,同時(shí)提供管芯和電路板通訊所必需的電連接,封裝好的芯片在隨后的使用中將要安裝固定在電路板上。
—、面向對象的特征面向對象的三個(gè)基本特征是:封裝、繼承、多態(tài)。
1、封裝封裝最好理解了。封裝是面向對象的特征之一,是對象和類(lèi)概念的主要特性。
封裝,也就是把客觀(guān)事物封裝成抽象的類(lèi),并且類(lèi)可以把自己的數據和方法只讓 可信的類(lèi)或者對象操作,對不可信的進(jìn)行信息隱藏。2、繼承面向對象編程(OOP)語(yǔ)言的一個(gè)主要功能就是“繼承”。
繼承是指這樣一種能力: 它可以使用現有類(lèi)的所有功能,并在無(wú)需重新編寫(xiě)原來(lái)的類(lèi)的情況下對這些功能 進(jìn)行擴展。3、多態(tài)多態(tài)性(polymorphism是允許你將父對象設置成為和一個(gè)或更多的他的子對象 相等的技術(shù),賦值之后,父對象就可以根據當前賦值給它的子對象的特性以不同 的方式運作。
簡(jiǎn)單的說(shuō),就是一句話(huà):允許將子類(lèi)類(lèi)型的指針賦值給父類(lèi)類(lèi)型的 指針。 實(shí)現多態(tài),有二種方式,重寫(xiě),重載。
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