PCB（印刷電路板）是把所有元件結合在一起的「載體」。本章整理 PCB 設計的方方面面。

一、PCB 結構

基本層

   Top Silkscreen   ← 文字、元件位置標示
   ────────────
   Top Solder Mask ← 防焊綠漆
   ────────────
   Top Copper      ← 銅箔（訊號、平面）
   ────────────
   Prepreg / Core  ← 介電質（FR4 等）
   ────────────
   Bottom Copper   ← 銅箔
   ────────────
   Bottom Solder Mask
   ────────────
   Bottom Silkscreen

多層結構

Stack-up：4 層、6 層、8 層、10 層、12 層、16 層、20 層 ...

二、PCB 材料

介電質

材料 Dk @ 1 GHz Df 用途
FR4 4.4 0.02 一般 < 1 GHz
FR4 高 Tg 4.4 0.02 含鉛免洗、高溫
Megtron 6 3.4 0.005 5 GHz+
Rogers RO4350B 3.66 0.0037 高頻
Rogers RT/duroid 5880 2.2 0.0009 mmWave
鋁基板（MCPCB） — — LED、功率
撓性基板（FPC） — — 撓性電子

銅箔重量

重量 厚度
1/2 oz 17.5 µm
1 oz 35 µm
2 oz 70 µm
3 oz 105 µm
4 oz 140 µm

大電流 PCB 用厚銅。

三、Stack-up 設計範例

4 層板（一般）

   L1: Signal + 元件
   L2: GND
   L3: Power
   L4: Signal

6 層板（高速）

   L1: Signal（高速訊號）
   L2: GND
   L3: Signal（低速訊號）
   L4: Power
   L5: GND
   L6: Signal

8 層板（複雜系統）

   L1: Signal
   L2: GND
   L3: Signal
   L4: Power
   L5: GND
   L6: Signal
   L7: GND
   L8: Signal

設計原則

  1. 訊號層必相鄰地層
  2. 電源與地相鄰
  3. 高速訊號避免在外層
  4. 對稱結構（防翹曲）

四、PCB 設計流程

1. 原理圖（Schematic）

  • 元件選用
  • 連線
  • 標註網路名稱

2. 元件封裝（Footprint）

  • 從 IC datasheet 確認
  • IPC-7351 標準

3. PCB 大小與外形

  • 機構限制
  • 連接器位置
  • 安裝孔

4. 元件擺放（Placement）

  • 連接器在邊緣
  • 電源 IC 區
  • 高速 IC 區
  • 散熱考慮
  • 元件高度（與外殼配合）

5. 層堆疊（Stack-up）

6. 走線（Routing）

  • 電源最先
  • 高速訊號
  • 一般訊號
  • 接地

7. 平面（Plane）

  • 完整地平面
  • 電源平面分區（不同電壓區域）

8. 規則檢查

  • DRC（Design Rule Check）：違反設計規則
  • ERC（Electrical Rule Check）：電氣連接錯誤
  • 阻抗計算

9. 匯出 Gerber

  • Gerber RS-274X
  • Drill File（Excellon）
  • Pick & Place file
  • BOM

五、走線設計規則

線寬（依電流）

  • IPC-2221 標準
  • 1 oz 銅，10 mil 約能過 1A（外層，30°C 上升）
電流 1 oz 外層 1 oz 內層
0.5 A 8 mil 14 mil
1 A 15 mil 30 mil
5 A 80 mil 150 mil

線距

  • 一般：≥ 線寬的 1.5–3 倍
  • 安規：依電壓決定 creepage / clearance
  • 低壓邏輯：> 4 mil
  • 50–250V：> 1 mm
  • 250–500V：> 2.5 mm

Via 規格

  • 一般板：8/16 mil（孔/焊盤）
  • HDI：4/9 mil
  • Microvia：3/6 mil

六、特殊走線技巧

1. 高速差分對

  • 等長（< 5 mil 差距）
  • 等距（緊耦合）
  • 阻抗匹配

2. 蛇形走線（Serpentine）

長度匹配用：

      ┌──┐
   ───┘  └──┐
            │
            └───

但 corner 處 break 阻抗連續性。 更好：accordion / trombone。

3. 散熱走線

大電流走線可加 thermal relief 連接焊盤。

4. Polygon Pour

大面積銅填充： - 用於 GND、電源 - 提供散熱 - 縮短返回路徑

七、特殊技術

HDI（High-Density Interconnect）

  • 微孔（microvia）
  • 細線（< 75 µm）
  • 多層堆疊
  • 用於：手機、平板

撓性 PCB（FPC）

  • 可彎曲
  • 攝影鏡頭 / 折疊裝置
  • 限制：少層、特殊製程

剛撓結合（Rigid-Flex）

  • 剛性 + 撓性結合
  • 工業 / 軍工常用

任意層結構（ELIC）

  • 內層自由互聯
  • 高密度

嵌入式元件（Embedded Component）

  • 元件埋入內層
  • IoT 微型化

八、PCB 製造技術

製造流程（簡化）

  1. 內層成像 + 蝕刻
  2. 壓合（多層）
  3. 鑽孔（機械 / 雷射）
  4. 通孔電鍍
  5. 外層成像 + 蝕刻
  6. 防焊
  7. 表面處理
  8. 文字印刷
  9. 外形切割
  10. 電氣測試

表面處理（Finish）

種類 特性
HASL（噴錫） 便宜，平整度差
Lead-Free HASL 環保
ENIG（化金） 平整、可焊性好、貴
OSP（有機保焊） 便宜，保存期短
Immersion Silver 高頻好
Hard Gold 接觸件用

製造能力

等級 線寬/間距 孔徑
一般 6/6 mil 0.3 mm
高密 4/4 mil 0.2 mm
HDI 3/3 mil 0.1 mm
先進 HDI 2/2 mil 0.075 mm

九、組裝考量（DFM）

1. 元件間距

依 IPC-7351 提供「Land Pattern」。 要留組裝、量測、維修空間。

2. SMT vs 通孔

混用會增加成本，現代盡量純 SMT。

3. 雙面 SMT

雙面都有元件，增加密度但要兩次回焊。 重元件放底部要用膠固定。

4. 焊盤設計

  • 對稱（避免立碑現象 tombstoning）
  • 適當面積（過小冷焊，過大焊錫不夠）

5. 拼板（Panel）

製造商會把多個小板拼成一個大板： - V-cut - Mouse bite（沖孔） - 邊緣留 5–10 mm 工藝邊

十、PCB 設計工具

商用

  • Altium Designer：業界主流，全功能
  • Cadence Allegro：高階，IC 級
  • Mentor PADS / Xpedition：中高階
  • Zuken：日系

免費 / 開源

  • KiCad：開源，功能全，業界使用率快速上升
  • EAGLE（Autodesk）：免費版限制
  • EasyEDA：線上版，方便初學

十一、PCB 製造廠

國際

  • JLCPCB（中國，便宜快速）
  • PCBWay
  • Eurocircuits（歐洲）
  • Sierra Circuits（美國）
  • AT&S（奧地利，高端）

台灣

  • 健鼎、欣興、楠梓電、瀚宇博德、滬深、聯茂...

選廠考量

  • 製程能力
  • 報價（小批量 vs 量產）
  • 出貨時間
  • 認證（IPC、ISO、UL）
  • 客戶服務

十二、本章總結

✅ 您應該掌握：

  • [x] PCB 結構與材料選用
  • [x] Stack-up 設計
  • [x] 完整設計流程
  • [x] 走線寬度、間距、阻抗
  • [x] 特殊技術：HDI、FPC、Rigid-Flex
  • [x] 製造流程與表面處理
  • [x] DFM 考量
  • [x] EDA 工具與製造廠選擇

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