什麼是印刷電路板 (PCB)？
印刷電路板 (PCB) 是一種機械基板，用於固定和連接電路元件。PCB 幾乎用於所有現代消費性電子裝置與配件，包含手機、平板電腦、智慧型手錶、無線充電器，以及電源供應器。這些多重材料、多層電路板構成 PCB 組裝 (PCBA) 的穩定基礎，負責導引主動和被動元件之間的電流。
主動元件：產生能量 | 被動元件：儲存能量 |
|---|---|
| 電晶體 | 電阻器 |
| 二極體 | 電容器 |
| 積體電路 | 電感器 |
| 放大器 | 變壓器 |
| 感測器 | 繼電器 |
| 晶體振盪器 | 保險絲 |
PCB 的底層通常是由堅固的非導電材料所組成，具有絕緣、防水及溫度穩定性等特性。常見的 PCB 材料包含 FR4、金屬，以及聚醯亞胺 (PI)。節省成本、功能效能 (例如熱膨脹) 以及環保，都是挑選 PCB 材料時所考量的因素。
在 PCB 底層上蝕刻，形成從一點傳送訊號至另一點的路徑。這些薄體稱為「走線」，通常由銅所製成，這種高導電性材料可讓電子在元件之間以很小的阻力移動。
PCB 類型
不同類型的 PCB 有著不同的效能品質，通常是根據所使用基板的延展性進行分類。這些基板可以是硬性、軟性或兩者的組合。
| 硬性 PCB | 軟性 PCB | 軟硬結合 PCB | |
|---|---|---|---|
| 材料 | 玻璃纖維或金屬 | 聚亞醯胺薄膜 | 可彎曲與固體層 |
| 效益 | 符合成本效益且易於大量生產 | 輕量且可彎曲 | 耐用且省空間 |
| 應用範例 | 電腦、車輛、電子設備、家用電器、工業設備、電動工具 | 筆記型電腦、平板電腦、手機、相機、醫療裝置、汽車電子裝置、顯示器 | 雷達設備、航空電子設備、LCD 顯示器 |
除了這三種主要類型之外，PCB 還可以用其他標準進行分類，例如元件配置 (單面或雙面 PCB)、材料 (金屬核心或陶瓷 PCB)、連接密度 (高密度互連和超高密度互連 PCB)，或層數 (16 層 PCB)。
硬性 PCB 是應用最廣泛的印刷電路板類型。
PCB 的應用產業
如果某個裝置有開關，那麼就很可能使用了 PCB。PCB 幾乎用於所有電子裝置，其應用範圍涵蓋各種產業與裝置類型。
高科技：客製化 PCB 驅動了高度複雜且快節奏的高科技產業進行創新，包含 5G 基礎設施和高速資料處理。由於該產業具有裝置開發前瞻技術，因此這些電路板能以高層數和獨特材料製成。
航太國防：在這些應用中，可靠度是關鍵，因為這些裝置通常都是遠端作業，而且可能會經歷極端的環境因素 (例如 溫度、振動或震盪)。在這裡，PCB 用於衛星和飛機的感應器、電源供應器和導航系統。
汽車：雖然所有現代車款中的抬頭顯示器、安全氣囊、先進駕駛輔助系統等皆可以找到 PCB 的蹤影，但其在電動車中扮演著特別重要的角色，管理電動馬達運作與電力輸送。
能源：PCB 是產生、收集和分配電力的重要元素。其可靠度可讓能源部門保持正常運作，同時促進電網與控制器、能源儲存裝置與系統監控之間的通訊。
工業：工業應用中所使用的自動化設備仰賴 PCB 來承受高電壓電流、機械振動和極端溫度等惡劣條件。在製造鑽頭與沖床、測量設備，以及高速視訊擷取中都可找到其身影。
PCB 設計的基本概念
早期的電路板設計仰賴通孔插裝結構，隨後則是採用表面黏著技術 (SMT)。數十年來，皆是以手繪來完成設計，製造過程既緩慢又昂貴。隨著電腦的問世，整個設計流程也隨之改變，不僅加速了生產，也同時提高了一致性與功能性。現今的製造商在每個開發階段都使用了 PCB 設計模擬軟體來建模、分析，並驗證其設計。
PCB 設計的挑戰包括尺寸限制、熱考量、電遷移、機械整合及電源效率。這些複雜性需要設計師與不同專家合作，以確保能夠解決整個過程中電工、機械與熱力工程的考量。
PCB 設計流程：
- 設計圖建立：設計師使用電子電腦輔助設計 (ECAD) 軟體繪製 PCB 的 2D 藍圖。上面確定了 PCB 的元件、配置，以及連接方式。
- 材料選擇：設計師可根據最終組裝的需求，選擇要用於電路板上的材料。選擇包含 FR-4、聚亞醯胺層板、複合環氧樹脂材料 (CEM)、液晶高分子等等。
- 設計審查：在生產之前，會使用模擬軟體來測試和驗證電路板在各種情況下的性能。這些測試確保元件配置滿足所有需求。
PCB 是如何製造的？
完成此程序後，即可製造電路板。PCB 製造是一個具有許多關鍵階段的多階程序，而關鍵步驟包含印刷、蝕刻、壓合、鑽孔、絲網和阻焊。
- 首先，將 PCB 電路圖印刷在銅箔基板。
- 然後，使用稱為蝕刻的程序移除多餘的銅，以露出電路的走線和焊盤。
- 接下來，使用高溫將交替材料層壓合在一起，然後在電路板上鑽出安裝孔、通孔引腳和孔位。
- 接著添加絲網層，在表面標記極性、連接器名稱和公司標誌等資訊。
- 最後，塗上阻焊層以防止氧化與錫橋形成。
PCB 的未來
作為現代電子產品的骨幹，PCB 也會隨著所驅動的裝置和機器不斷變得更小、更靈活、更強大而不斷進化。小型化以及透明且可拉伸的材料，使 PCB 能以多種有趣的方式來輔助電子產品設計。隨著電氣化推動汽車和航太領域創新，PCB 將扮演至關重要的角色，定義更清潔的能源如何為通訊和導航等系統提供更乾淨的能源。
透明 PCB 是由陶瓷或玻璃製成，以便於透視裝置。
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