硬件工程师理论基础之PCB和FPC

凡亿PCB 2021-03-14 00:00

PCB,Printed Circuit Board。如其字面意思,一块板子,上面有电路,印刷上去的。就是印刷电路板。也叫硬板。

FPC板

FPC,Flexible Printed Circuit。如字面所述,这是一个电路,也是印刷上去的,并且是柔性的。就是柔性电路板。也叫软板。一般是黄色的。

还有一种电路板,一部分是硬的,一部分是软的,一般叫做软硬结合板,或者刚挠板。(刚性和挠性)

电路板的工作原理:一块板子,上面有电路。用来搭载和联通各种元器件。将元器件焊接到电路板上以后,元器件的管脚之间通过电路板上的电路连接起来,互相传递电信号。就像家里的电灯和开关之间用电线连接起来一样,把灯泡、开关、电路缩小了放在一块板子上,就是电路板了。

FPC和PCB

PCB、电路板、主板、板子,这些常用的说法通常都是表示电路板,后续文章不对这些概念做具体的区分。

FPC和PCB最大的区别在于一个是软的,一个是硬的。软板可以卷曲弯折。但注意软板不是任意弯曲的,毕竟有厚度,折的次数太多了,或者弯折半径太小了,也会折断。以前翻盖手机用久了容易出现花屏现象,就是因为连接屏幕和主板的FPC弯折次数多了断掉了。

PCB和FPC,是由硬件工程师手工画出来的。从原理图输出网表netlist,结构工程师给出板框图纸,然后导入到PCB文件中。将一大堆元器件,逐个摆好,根据网络把实际的线路画出来,一块PCB就设计完成了。

PCB图纸,和PCB的实物是完全对应的,图纸上怎么画的,拿到手的PCB就是什么样子的。

有些多层电路板产品,例如8-12层的电脑、手机等,因为PCB图画起来太复杂了,往往会设有专门的PCB工程师的岗位,专门负责画图。也叫Layout工程师。

这里我们抛砖引玉的提几个问题:

如果线路太多了,一面画不下,怎么办?那就用两面。两面也画不下怎么办?可以再加两面,变成4层的。这就是多层线路板的概念。注意,层是Layer,不是floor,别闹笑话了。4层不够再继续往上加,几十层的都可以。像电脑主板,因为尺寸大,一般都是4层或6层。像手机主板,因为尺寸紧凑,一般都是8层到12层。很多军工的主板,对信号隔离度要求很高,经常做到二十多层。

空间思维不够强,可能想象不出来为什么需要走多层板。在单层电路上,两条不同的电路是不能交叉的,直接交叉就短路了。不交叉又要穿过去,也可以绕过去呀?不错,两根线交叉了可以绕过去,如果再来一根线,就绕不过去了。必须从空间上跨过去。于是就需要增加一层。所以对于多层板,每一层线路的绘制的方向一般是统一的,某一层都是横向的,另一层都是纵向的,这样总有办法能够通过空间交错开。

这么多层电路,怎么连接起来了?这个就通过过孔(via)来实现了。过孔,通过(电信号)的孔。类似于楼层中的楼梯,从一层楼下到另一层楼,需要通过楼梯。从一层电路连接到另一层电路,需要过孔。

为什么是4,6,8层电路板?没有3,5,7层?其实要做也能做,多层板的制作工艺是,先做里面的2层,再在外面贴2层,做完了再贴2层。如果先做完了里面的2层,再在外面贴1层,技术上可行,但工序和贴2层没什么区别,同样的价格下,肯定选择加2层,而不是加1层。

“手工画的”?现在汽车都自动驾驶了,alpha Go都打的人类抬不起头了,怎么画线路板这么“简单”的事情还要手工画?的确这个大问题。PCB发明的这几十年来,绘图软件公司都很想做自动布线。但是元器件种类太多太多了,每个元器件对线路的要求都有不同,每个信号对线路的要求也不同,使用者光建模就要花很久的时间。每根线的走线方法,是存放在硬件工程师脑子里的,很难把所有的规则都录入进去,遇到随机应变的地方,电脑程序根本比不过人脑。所以,简单的电路板用人手工画更快,复杂的电路板用程序很难画出来人想要的东西,自动布线普及率非常低,几乎没有人用。

PCB和FPC,是我们经常拿来举的例子,用来测试工程师的学习能力。不管是软件还是硬件行业,都有大量的英文缩写和中文缩写,但对于很多人只会记缩写,而不知道全称。甚至一些深受turnkey和野路子影响的工程师,干了几年都不知道PCB和FPC的全称。有些人要问了,我知道这是什么就好了,为什么我还要知道全称?因为全称才是这个词的真实含义,包含了词的原理。只知道缩写不知道全称,是典型的“知其然不知其所以然”。

接触到新的行业,就会有大量的新的名词,首先要知道这个名词是什么叫什么,然后要知道这个名词是怎么工作起来的,最后要搞明白为什么要这么做。这就是前面提到的个为什么”的原则。知道名字,可以入门;知道工作原理,可以分析问题;知道原因,才能触类旁通。知道的名词越多,知识面就越广;每个知识点研究的越透彻,技术就越深入。

在一个名词的解释中,一般都能够发现其他的不明白的名词,再通过这些名字的解释,又可以发现更多的新名词。最终通过名词解释的网络,能够举一反三、顺藤摸瓜,形成对整套知识体系的理解。

很多新入行的人,往往面对知识点的海洋束手无策,不知道从哪里入手,也提不出来问题。其实只要按照上面讲的“三个为什么”顺藤摸瓜摸下去,由点及面的了解,逐步学会给自己提问题,很快就可以入门了。学习能力的体现,重点在于如何给自己提问题,多问点为什么,学起来就很快了。

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