印刷电路板：肩负重任，却受轻慢

印刷电路板基本算是电子产品和电子系统的基础，其用途包括：通过微小的焊盘和细如发丝的印制线，连接多达数十、数百甚至数千个有源和无源器件；提供物理支持、安装耳片、连接器布置等。印刷电路板常简称为 PCB 或 PC 板。几年前，IPC 曾试图将其重命名为印刷线路板，即 PWB，但是这次改名并未得到有效推广。（IPC 是一家重要的行业标准制定组织，前身为“电子电路互连和封装行业协会”。）

当然，关于印刷电路板不可或缺的作用、通用性和诸多功能，在此无需赘言。不过，在许多讨论中，人们往往草率地将其视为一种简单的无源器件，虽然必不可少，但也没什么大不了。这种认识未免过于简单化，可能会产生误导。

关于印刷电路板的趣闻

印刷电路板的发展历程很有意思。大约 50 年前，在开发初期，许多设计师认为这类电路板虽不可或缺，却令人头痛。当时，普遍采用手工点对点接线和焊接的方法，但随着制造业的发展，例如一台彩色电视机就具有 100 余个真空管，这种手工连接技术已经无法满足各类产品所需的连接密度和制造时间。因此，亟需采用印刷电路板作为替代方案。实际上，当时一家行业领先的电视供应商吹嘘其产品是由工匠纯手工制作，而不是使用某品牌的电路板。大家都知道这个营销故事的结局如何。

第一批印刷电路板是单面板，由酚醛树脂（即电木）制成，不是现在所用的玻璃纤维与环氧树脂复合材料；采用冲孔来插接通孔元件和引线插口，而不是钻孔；但同样采用手工焊接（图 1）。线宽约为 3 至 6 mm。

图 1：印刷电路板概念最初得以推广，使用的就是这类酚醛板，单面基板上布有通孔。（图片来源：TheEngineeringProjects.com）

出于覆层分层、公差问题、焊接不均匀等问题，这些早期印刷电路板的可靠性相当低。但正所谓：背水一战，不可败。面对更多的元器件、IC 封装、更小的元器件、更多引脚数，以及后来的表面贴装元器件，印刷电路板是唯一可行的方法。就所有性能和功能参数而言，如今的印刷电路板相比早期均提高了若干个数量级。

有趣的是，单面酚醛板现在仍用于某些消费类电器，甚至可装载几乎所有所需元器件。因为正面连接了跳线，所以可使用成本低廉的单面板（图 2）。

图 2：这款 2010 年生产的微波炉使用酚醛树脂印刷电路板，其中包含电源（低压和高压）、变压器、功率器件及其余大部分电路。请注意，正面连接了跳线，因此可使用低成本的单面板。（图片来源：Low Price Mart）

印刷电路板可实现多任务处理

我们对印刷电路板的认识大多只是流于表面，如今的电路板已是经过精心设计的精密元器件。除了充当元器件载体和互连平台之外，还要满足更多需求，其“重任”包括：

1. 如果是基本双面板，则需在裸露面布置电源线和地线。
2. 对于常见的四层板等多层板，内层中的一层为一个或多个电源轨配电，另一层则作为接地层。借助导通孔（via - 垂直互连访问），可根据需要连接这些层。
3. 在发热元器件附近覆铜，可用作散热器，或用作将热量传递到分立式散热器的热导管。
4. 采用带状线或微带线拓扑，可使印刷电路板的铜箔用作射频传输线、滤波器、隔离器或环行器。
5. 印刷电路板也可设计作为天线，通常是可调多频段天线，而非单频段天线。
6. 射频无源器件（电容器和电感器）也可使用适当的铜箔图案构建。
7. 尺寸精确的印制线可作为低阻值的电阻器（数毫欧），通过印制线的 IR 压降来测量电流。
8. 在运算放大器输入端连接敏感型低电平模拟传感器时，还可通过覆铜提供保护环。
9. 电路板的铜箔可提供 EMC 屏蔽，防止射频入射功率干扰电路，或配合减小电路板的电磁辐射。
10. 作为刚性和柔性引脚的直插式插口，可用于端接线束中每根电线。

如果这些还不够，另有一个新作用可加入以上列表：作为 Würth Elektronik 的带状电缆绝缘位移连接器 (IDC) 的配接连接器。标准 IDC 配接方式一边是带触头（引脚）的公插针，另一边是母插口。但是，Würth 却采用电路板与 IDC 公插针的配接。

请注意，这并不是首次采用电线直接插入电路板的方法。多年来，将单芯导线或柔性引脚直接插入电路板的电镀孔，实属常事。不过，拔出引脚时难免会损坏引脚和电路板，因此往往只能一次性插入。相比之下，若使用特定的印刷电路板孔径和电镀方法，Würth 的 REDFIT IDC SKEDD 连接器系列最多可插拔 10 次，而在公差较大的情况下，最多可插拔 25 次。

图 3：Würth 的 REDFIT IDC SKEDD 连接器系列无需使用 IDC 插口与 IDC 公插针（引脚）和扁平电缆配接，从而节省了成本，简化了 BOM，免除了线到连接器的转接，减少了潜在问题。（图片来源：Würth Elektronik）

如此不起眼、不受重视的印刷电路板，后续发展如何？如今广泛使用的 FR-4 环氧树脂玻璃纤维基板或将不再占据市场主导地位。毕竟这种基板的固有特性无法满足千兆赫 (GHz) 设计的严格要求。在这类设计中，介电常数 (e_r)、损耗因子 (tδ)、吸湿率等微妙的电气和材料因素都至关重要。不仅这些参数必须符合千兆赫设计的要求，还须具有非常低的温度系数，而 FR-4 也无法满足这一要求。甚至是机械和尺寸方面的温度系数也具有重要意义，因为在千兆赫级高频下，即便是微小的变化也会影响电子性能。

下次若有人以“没什么大不了”的口吻轻视印制电路板，请勿轻信这种误解。对于项目的成败，电路板发挥的作用并不输给任何其他元器件。能否充分发挥电路板的功能、采用多层板以满足严苛的规格要求、制作方法和适当的焊接方法，都会直接影响基本性能、废品率和现场可靠性。

参考资料：

1 – Wikipedia, "FR-4" https://en.wikipedia.org/wiki/FR-4

2 – Wikipedia, "Printed circuit board" https://en.wikipedia.org/wiki/Printed_circuit_board#Materials

3 – Wikipedia, "Via (electronics)" https://en.wikipedia.org/wiki/Via_(electronics)

4 – SEEED Studio, "Printed Circuit Board (PCB) Material Types and Comparison" https://www.seeedstudio.com/blog/2017/03/23/pcb-material/

5 – Al Wright, Epec LLC., "PCB Vias - Everything You Need To Know" https://blog.epectec.com/pcb-vias-everything-you-need-to-know

6 – John W. Schultz, Compass Technology Group, "A New Dielectric Analyzer for Rapid Measurement of Microwave Substrates up to 6 GHz" https://compasstech.com/wp-content/uploads/2019/02/A-New-Dielectric-Analyzer-for-Rapid-Measurement-of-Microwave-Substrates-up-to-6-GHz.pdf

7 – Rogers Corp., "Characterizing Circuit Materials at mmWave Frequencies" https://www.microwavejournal.com/articles/32237-characterizing-circuit-materials-at-mmwave-frequencies?v=preview

8 – Rogers Corp., "Laminate Materials Simultaneously Increase μ and ε, Reducing Antenna Size" https://www.microwavejournal.com/articles/32056-laminate-materials-simultaneously-increase-mu-and-epsilon-reducing-antenna-size