2020年8月30日 星期日

PCB 印刷電路底板的前世今生

圖一:近代電腦繪製底板圖示範

筆者教授大家製作   LED 樹葉形吊飾(參見LED 唯美樹葉形吊飾(上)》LED 唯美樹葉形吊飾(下)》),以示範一種無需將零件焊接於電路底板上的藝術(Freeform Circuit)。它糅合實用功能及美學元素,特點在於把零件接腳和銅線屈曲再焊接成形,構成各種不同風格,如 “Dead Bug”“Manhattan” “Air-wired” 等。外國玩家更認真得舉辦設計比賽*,各參賽作品造型獨特,呃   Like 度爆燈!然而Freeform Circuit 並非只為增加電路趣味性和觀賞性而衍生
* 參見:https://hackaday.io/contest/162559-circuit-sculpture-contest

圖二:Freeform Circuit —超音波測距器

吊焊零件的問題
往日,當印刷電路底板(Printed Circuit Board, PCB還未發明時,Freeform Circuit 非常普及,如此焊接方法十分無奈,實情非得已,例如在以前的真空管機內,電子零件就作如是佈線。這種焊接方式缺點一籮筐,既不避震,也容易出現短路,又因零件和電線佈置一片凌亂,增添維修難度,亦不利大量生產。

DIY 電路底板
一般業餘電子愛好者或喜歡自己製作電路底板。普通的底板質料分作電木板或纖維板,單面或雙面覆蓋銅箔,銅厚亦有不同。普遍在板上用油漆蓋過想保留的銅箔部分,再用蝕銅劑把沒有被油漆蓋著的銅「吃」掉。最後去除油漆及鑽孔,就成為簡單的電路底板。這種家庭式製作較為粗糙,但勝在簡單及價廉。


圖三:手作底板

人手繪製底板圖的日子
若要生產電子產品,則需製作質素高的電路底板。這時可先繪畫電路底板圖,然後交予電路底板廠印製。初期電腦科技不發達,底板圖得靠全人手繪畫,花上不少時間和心力。製圖工具也有講究,一般先用方格紙起稿,再用牛油紙正式繪畫線路、零件和鑽孔位置。畫圖工具包括墨水、麥克筆、針規、尺或直尺,還有現今已罕見的移印紙(刮字貼)等。


圖四:移印紙

由於底板廠會進行曬圖程序,通常所繪的底板圖尺寸會比實際尺寸放大   倍、倍或以上,令縮放至原尺寸後線條更清晰,所以要時刻謹記按比例繪畫。為妥善分佈底板上的零件,與及量度零件尺寸和腳距等資料,卡尺和計算機可謂不離手。如正式繪畫中途不小心繪畫錯誤,絕不能用塗改液修正!小範圍錯誤可用刀片輕輕刮去,當然這需要一定技巧;如犯大錯,則只能重新繪製。所以,若在起稿階段不夠謹慎,計算不準確或思慮不周全,可以想像後續的修訂過程會如何痛苦,特別是複雜的線路,造成大量時間浪費和精神耗損。

早期製作一塊   PCB,需經過多重工序、分層完成。所以底板圖不能只繪一幅。一塊單面   PCB,通常分開   幅底板圖,包括線路圖、綠油圖和白油圖。線路圖上的線段和孔位相等於銅板的不蝕銅部分;綠油圖繪出銅板上覆蓋油漆的部分,因通常上綠色油漆而得名。不覆蓋的地方稱為「露銅」,用來焊接零件;白油圖可按需要繪畫,它用於標示零件位置、類別、數值等,也可加入文字、商標、批號等資訊。

同理,製作一塊雙面   PCB,最多需繪畫   幅底板圖:塊正面,塊背面,特別注意背面的圖需鏡射繪畫。


圖五:用牛油紙人手繪畫的底板圖

今天的   PCB 設計
現今科技發達,電路底板圖可用專門的軟件繪製。輸出指定格式檔後,就可交付印製。   Altium Designer(前身為   Protel)、EasyEDAProteusEAGLE 等繪製軟件,通常整合電路圖(Schematic)繪畫、自動佈線及輸出底板圖功能,也有內建零件庫及預設規格值,令繪製更為方便和省時。當然,軟件不過是輔助工具,底板是否繪畫準確、接上零件和電源後,電路是否運作穩定,最後背後靠的是日積月累的經驗和慎密的心思。對經歷手繪底板圖時代的設計老行尊而言,軟件的出現簡直令他們如虎添翼。

找廠商製作   PCB,設計底板圖前最好需先知道廠家的技術限制,例如最少線距和過孔尺寸。至於生產費用取決於多方面條件,以下列舉部分:

l   製作數量
l   板材
l   板料
l   銅箔厚度
l   板層數
l   油墨顏色
l   工藝複雜度

如為興趣而製作少量   PCB(打樣),每次印製的成本不算輕,初嘗   PCB 設計的菜鳥,或許不能「一   take 過」,請先有心理準備,交點「學費」和碰釘子。

我真的需要   PCB 嗎?
你或許認為,我並非設計電子產品,使用萬用底板焊接電路作測試和做項目就可以了,真的需要繪製和印刷底板嗎?其實,使用萬用底板來測試電路,並不十分靠譜。若在測試時發生電路不穩定、雜音、干擾等情況,或許問題並非出自電路設計本身。缺乏焊接和排列零件等技巧,導致零件浮接、電線交疊、電線破損而致短路,也有機會影響電路運作。如能先製作   PCB 電路再進行測試,因線路整潔、焊接較易、飛線問題減少,相對可掌握實際電路的運作情況,對測試高頻電路而言更為重要。

若你需要製作   PCB,但在繪畫底板圖遇上不少困難,不欲耗費大量時間,可交予有經驗的技術人士或廠商代為設計。某些廠商提供一條龍式設計及印製服務,令你在創科路上走得更輕鬆順暢。


圖六:與筆者相熟的公司提供   PCB 設計服務




圖片來源
圖一、五、六:德寶電業
圖二:https://taunoerik.art/portfolio/ultrasonic-distance-measurement/
圖四:

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