老虎机 电子工程师从PCB开始

在聊PCB之前，想谈一谈PCB这个东西的技术含量。也许有的人会觉得PCB不就是把原理图上的电子元器件，根据原理图的网表提供的逻辑关系，在一块PCB上把线连通不就行了吗？我以前在大学期间，layout过一个两层板，上面有一些MCU传感器之类的器件，但是板子做出来之后，5块里面就1块板子能正常运行。当时也是百思不得其解，而且硬件问题的调试难度要比软件的大，调试成本也大。毕竟硬件的问题不像软件问题那样可以放到纸面上一行一行的debug，或者打断点，硬件问题需要大量的经验去确定问题的方向老虎机，然后一般通过硬件工程师的眼睛(示波器)，或者各种仪器来最终定位问题。
同样的原理图，落到不同的LAYOUT工程师手里，layout出来的板子有可能有的能跑，有的却不能。这又是为什么呢？一切的关键还是在于一个东西：“频率”。当年的51单片机，在一块面包板上用金属线连一连也许就能跑起来。记得51的运行频率也就几MHz左右，后来的AVR单片机，再后来的STM32经典的单片机，运行频率能到百MHz了。再看看现在的ARM、x86、MIPS等处理器，还有FPGA、DSP、GPU等高性能处理芯片，运行速度已经轻松上GHz。有的接口速率甚至已经到了25Gbps，56Gbps。这个时候会产生SI/PI/EMC等各种问题。而如何解决这些问题，这时候靠原理图上的原理设计正确已经不够了。PCB的物理设计也不再是把线连通这么简单，PCB设计本身的技术难度开始不亚于原理图设计难度，并且如果一个系统主要是数字电路(模拟射频电路不多)，则PCB本身设计的难度甚至有可能已经高于原理图设计。这就是PCB设计为什么越来越重要！从系统的角度看，PCB也是一个电子产品的最底层，电子工程师的第一课就是跟这块绿色的板子打交道。
让我们先从叠层开始看看承载整个电子元器件的那块板子的结构。PCB的叠层都是偶数，并且各层的厚度都是上下镜像对称的，以图1 一个最简单的4层PCB结构为例，它使用一个芯板(CORE)，两个半固化片(Prepreg)压合在一起组成。芯板(CORE)是一个基本单元，可以把它理解为上下表面都附铜的PP，(注意我们通常称作的CORE广义上一般都是包含它上下两面copper的)。然后不同厚度的CORE之间通过PP层压合在一起，形成了copper-pp-core-pp-copper的镜像对称结构。



图1 4层PCB结构
下图2 是一个层数稍微多一点的8层板的层叠结构实例，可以看到它有三张CORE，之间叠加PP压合而成，并且上下两个CORE表面是0.5OZ的铜，而中间的CORE表面是1.0OZ的铜，表面铜采用1.0OZ的厚铜对于内部走电源铜皮，增大铜皮的通流能力有很大用处。而信号层一般只需要用0.5OZ厚度的铜就足够了。毕竟信号速率高的时候，由于趋附效应的存在，信号电流会集中在铜的很薄的一层表面流过，使用厚铜并没有什么意义。

图2 8层板的PCB层叠结构
在电子板卡研发初期，layout工程师一般都会先评估好PCB需要的层数，然后和PCB板厂沟通好叠层设计及线宽线距。线宽线距就是为了控制信号线的特性阻抗。工程师通过沟通好的单线和差分线的线宽/线间距进行layout。虽然最后在PCB设计完成出光绘文件(Gerber)给到PCB厂家之后，一般还可能会进行线宽线距的微调，但是对PCB设计影响不大，板厂可自行在光绘文件上进行微调。目前普遍的阻抗误差都控制在+/-10%。
一般在实际工程中，PCB板厚也不是随意定义的。常见的比如1mm，1.6mm，2mm，2.4mm。由于PP,CORE厚度也不是可以无限大或者无限小，都是有一定厚度范围的，所以对于一定板厚的PCB，比如1.6mm，最多叠层的层数也就有上限限制。一般1.6mm的板厚，PCB通常多一点就叠个12、14层左右吧。
PCB这块会涉及到不少的知识点，比如上文提到的特性阻抗的问题，还有PP，CORE的材料也就是板材的问题，PCB的加工工艺等等。这些角色都是在实际工程设计中无法回避的大问题。下一篇再介绍。