理论基础之PCB和FPC

理论基础之PCB和FPC

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，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）

PCB的生产流程

多层PCB的构造，主要是玻璃纤维的板材和铜的线路叠在一起构成的。问了以下问题，就可以对PCB板有更深入的理解了：

PCB线路

如何做线路？

最初的一块PCB基板，是一张薄玻璃纤维板，两面覆盖有铜箔，完整的一片铜箔。线路就是在铜箔上刻出来的。类似于洗照片，Gerber里有每一层的图像，把图像做成底片（菲林），用光投射到基板上，基板就会把菲林上的图案显示出来。实际工作是通过化学蚀刻来把不需要的区域的铜腐蚀掉的，剩余的就是线路。两面都一样。对于两层板，只需要把基材的线路做出来就好了。

注：这里说玻璃纤维板是有助于理解，实际里面还有其他的树脂材料，常用的型号是FR-4。

如何做多层？

拿一块实心的塑料，想在里面嵌入一些金属，怎么办？不做任何破坏，不可能在内部装入金属的。但是咱们可以用两块塑料，把一片金属夹起来，金属就到实心塑料里面去了。这就就是多层电路板的内层线路的来历：一层一层的叠起来。

先做好两层板的线路，然后在基板的上下两面，再各压合一层单面铜箔的基板，就有了4层。表面线路的做法，跟基板的线路做法如出一辙。如果要做6层，那就再压合两层基板。再多就再压合。

通常中间的基板会厚一些，两侧的基板要薄很多。大部分电路板不会做到每一层的厚度是均匀的。

如何做过孔？

基板的两边，是没有连接起来的。为了把两边的线路连起来，就需要钻个孔。不过只有孔，孔里面是空气，还是导不了电。此时就需要在孔里面电镀。镀上一层铜，两面的线路通过孔里面的铜，就可以连接起来了。

原理很简单，实际工艺很复杂，需要遮盖住线路，还需要在孔内做表面处理才能镀上铜。

孔是怎么钻的？

还记得我们会在Gerber里输出钻孔图么？钻孔图标注了每一个孔的相对坐标，输入到机床里，机械手带着细细的钻头，在电路板上把孔逐个钻出来。这种就是机械孔。常用的机械孔最小直径在0.2mm，还有0.25和0.3mm的。大家想想，0.2mm直径的钻头，只比头发丝粗一点，很容易弯曲或断裂。这也就是为什么0.15mm的机械孔几乎没有工厂愿意做，0.2的孔的电路板，也会比0.2孔5的要更贵一些。这种穿过整个电路板的孔，叫做“通孔”。打通了的孔。如果通孔两边没有被油漆覆盖，肉眼就可以看到中间是空的。如果焊接，还会发现有焊锡漏到对面去了。

对于HDI板（High Density Interconnector，高密度互联）板来讲，还有一种特殊的孔，激光孔。通过激光烧蚀电路板，烧开一个孔。激光不会断，光束可以做的很细。在电路板上通常使用0.1mm直径的激光孔。激光是通过高温来烧蚀材料的，基材的主要成分是玻璃纤维和树脂，熔点不高，因此用激光可以很容易烧穿。但激光遇到铜箔，就没烧不穿了。因此激光孔只有一边是通的，另一边会被铜箔封死，不能被看穿。因此叫做盲孔（Blind hole）

对于内层线路，可以先打孔再压合外层线路，这时候原本的通孔，就被埋在板子里了，因此叫做埋孔（buried hole）。本质上就是个通孔。

能不能只钻一半，留一半？

例如，电路板只把1-2层钻开，保留3-4层。很抱歉，加工难度太大了，深度做不了这么精确。因此电路板上的开口，只要是机械开孔的，一定要打穿，不能限定深度。如果非要做，也有一些特殊工艺，例如提前把基材钻孔，这样的工艺不常见，所以价格也很高。

线路画多宽？

PCB板上的线路，单位是mil。Mil=千分之一英寸。0.0254毫米。通俗来记忆，就是4mil=0.1mm。

国内目前主流的线宽和线距的尺寸，一般是4mil。算是0.1mm。如果宽度太窄了，就不好加工了。前面讲到，导线是在通过照片在铜箔上蚀刻出来的，线太窄了容易腐蚀断掉，线距太窄了容易腐蚀不完导致短路。目前主流多层HDI板上，线宽线距可以做到局部2.5mil，整体3mil。线细了，不良率就会比较高，单价也会比较贵。

既然线太细了价格会上升，咱们统一都把线做粗一些行不行？也不行，如果线路太粗了，PCB画图的难度就会加大。并且线路粗细和信号类型是有很大的关系的，必须要根据电路上传递的信号的种类和参数来合理的选择线宽线距，也需要PCB绘图人员，对原理设计很熟悉。例如：电源线要根据通过的最大电流来设计宽度，通常按照40mil通过1A电流来计算。普通信号线走4mil足够了。射频线需要做阻抗匹配，线宽要根据板材和层数来计算。画原理图的时候，线路名称也要标识清楚，能够让PCB绘图人员轻松无误的从名字上看出来这条线路的功能，然后采取合适的走线方式。

过孔能不能随便打？

能，但也不能。

先说“能”。就像楼梯一样，一楼到二楼，二楼到三楼，三楼到四楼，都可以有楼梯。那么我们能不能直接搭个梯子，从一楼一下子到三楼，或者从一楼直接上到四楼呢？理论上是可以的，这种叫做任意层互联板。可以从任意层连接到其他任一层。拿8层任意互联举例，可以从1直接一穿到底连到8，也可以从1连接到2至7层，也可以从2连接到3至8层，或者从4连接到5至8层。想怎么画就怎么画，线路想怎么穿就怎么穿，几乎不存在线路连不出来的情况。想着就开心，对吧？但是这种电路板只有一个缺点：贵。贵到爆。比通常的电路板贵一个数量级！消费电子领域，也就只有iPhone这样的不缺钱的机型舍得这么干了。其他机型，不管是华为手机还是oppo vivo，全部都没有这么量产的机型。

因为贵，所以“不能”。智能硬件和物联网领域用的电路板，一般都不会浪费。在性能满足的情况下，尽量用简单的工艺来实现，能够有效的降低成本。

成本最低的，是通孔板，压合好了，钻一次孔，镀一次铜，就完成了，工序少很多，省时间省成本。

再来讲讲一阶二阶的概念。

如这张图，是最传统的二阶非叠孔的叠层结构。通孔和埋孔是机械孔，盲孔是激光孔。看起来是有2个台阶的，因此叫二阶。也可以理解为，有几层激光孔，就是几阶板。叠孔，顾名思义，是把孔重叠到一起。通常打孔都是错开，即不把一个孔打在另外一个孔上面，也称“错孔”。但激光孔可以叠在一起，构成叠孔。激光孔和机械孔不能叠到一起去。错孔在设计PCB的时候表现为1-2、2-3两种激光孔。叠孔表现为1-3层的激光孔。

前面讲了激光孔的原理，激光能量有限，只能打穿比较薄的板材，并且需要打到铜箔才能够停止。因为机械孔中间是空心的，如果在机械孔上面打激光孔，激光就会穿过去。之所以两个激光孔能够叠起来，并不是说激光孔内部不是空心的，而是通过“电镀填平”工艺，把内侧激光孔内部用铜堵起来，然后表面磨平，对于外侧激光孔来讲，内侧的激光孔看起来只是一块铜箔，并不是一个孔。那么为什么内层孔不能电镀填平呢？内层机械孔内径太粗了，镀铜镀不了这么厚，填不满。

原本只打一次通孔的电路板，做成一阶板就需要多一次打孔和电镀的工序，做成二阶板需要再加多一次打孔和电镀，如果做叠孔还需要增加一道电镀填平工艺，工序越多成本越高，加工复杂度越高，良品率越低。

镀金层

PCB上的线路，都是用铜箔做的，纯铜的抗氧化性能并不强，直接暴露在空气中很快就氧化了。因此电路板外露的焊盘，都需要做处理，既能够防止铜质焊盘氧化，又能够提升可焊性。

平时看到的电路板上的焊盘颜色有三种，金色、银色、橙红色三种。分别是沉金、喷锡、OSP。沉金，是用化学方法在焊盘表面沉积一层镍金。喷锡，是在焊盘表面喷上一层锡，OSP是一种无机物薄膜。三种方法都用来提升可焊接性。抗腐蚀性沉金最佳，喷锡次之，OSP最差。

在尺寸较大的低成本电路板上，用喷锡工艺的比较多。

小尺寸精密电路板上，如手机、智能硬件等，还是以沉金为主。

OSP可以理解为一种覆盖在铜上的保护膜，让内层铜没那么容易被氧化，在焊接的时候能够自动熔化并起到助焊剂的作用。因不含有黄金，因此OSP的价格比沉金要略低一些。通常电路板上，需要长期暴露在外部的焊盘，例如接地焊盘，需要用沉金来处理，需要焊接的焊盘，就可以用OSP来处理。

因为电路板的镀层并不是绝对防氧化的，所以电路板是有保质期的，如果暴露在空气中存放，沉金板半年左右，OSP板不超过一个月。如果抽真空密封，沉金板1年，OSP几个月还是可以用的。超期的主板，贴片的时候就有可能因为焊盘氧化造成直通率下降很多。

价格趋势

工程师往往对产品价格不敏感，这个思维是不对的。硬件工程师必须要时刻有“省钱”的意识，保证性能和周期的情况下，能省则省。例如一个产品节约1块钱，卖100万台出去，就可以节省100万。

PCB的价格=板材+很多张菲林+很多道工艺+人工成本+报废板。板材和人工成本相差不多，价格差异主要体现在工艺和报废率上。工艺复报废率高，成本自然就贵了。

层数越多，价格越贵。每增加2层，价格会上升30%左右。

阶数越多，价格越贵。每增加1阶，价格会上升30%左右。

采用了特殊工艺，价格也会上升。叠孔、0.2直径的机械孔、小于3mil的线宽和线距，每一项都会造成10-20%的价格上升。

这个价格上升，是按照各项相乘来计算的，不是按照各项相加来计算的，可以理解为，每增加一项复杂工艺，板厂良率就要下降一些，加十道工序，总的良率是十次良率的乘积。所以才会出现任一层互联电路板贵到离谱的情况。

为什么很少有电路板厂在一线城市？

电路板加工厂，哪怕总部或者办事处在上海、深圳之类的一线城市，其工厂也都不在这些地方。省会城市也很少。主要在二三线城市，例如苏州、梅州、遂宁、东莞等。

板厂主要靠机械来加工，全自动的，人力成本占比不大。之所以没有在一线城市，并不是因为人力成本或厂房成本，主要原因在于板厂是需要靠化学腐蚀和化学电镀等方式来生产，环境污染比较大。

FPC是怎么做的？

软板和硬件把做法是一样的，一层基板，蚀刻两面线路。过孔也是机械钻孔然后电镀，外面也会覆盖一层阻焊层。

如果要做多层FPC，就不像多层硬板一样直接压合了。拿一张纸，可以轻松弯折，如果拿一本书，在两端固定的情况下，是没有办法弯折的。因为外侧的会被拉伸，内侧的会被挤压。所以FPC不能做的太厚，也不能像硬板一样压合起来。如果要做一根4层的FPC，最里面是一根2层的FPC，外面还有两根单层FPC。在不会被弯折的两端压合起来，中间不压合，是散开的。如果弯折，最里面的FPC会被弯出几个褶皱出来。只有这样才能保证多层FPC既能弯折又不会断掉。

硬件FPC

柔软的FPC上，是不能焊接元器件的，元器件都是硬的，不能跟着FPC去弯折。如果要焊接元器件，就要保证元器件区域的FPC不能被弯折，要是硬的。需要在这些区域下面加上“补强板”，补强是指补充强度的意思。用的比较多的是不锈钢和玻璃纤维。把FPC粘在补强板上，这一块就不会弯曲了，焊接了元器件也不会被弯掉。

已经有了FPC了，为什么还要软硬结合板？

的确，FPC上也能焊接元器件，也能够做到一部分硬一部分软。所以能用FPC的时候就不要用软硬结合板，太贵了。比FPC和硬件要贵几倍。

FPC的弊病是，不适合做太多层，也很难做HDI（盲埋孔）这样的高密度电路。像BGA封装的芯片，一般都需要用1阶或2阶的HDI板才能够把那么密集的引脚走线画出来。通常情况下，大家会用硬板+连接器+FPC的方式，设计HDI的硬板，把芯片放在硬板上，然后在PCB上设计连接器，再把FPC通过连接器连在PCB板上。这种其实也比软硬结合板成本更低。

但是，连接器是要占空间的，并且不比芯片占的空间小，既占面积又占高度。于是需要用成本换空间的地方，软硬结合板就会大显身手。例如Airpods拆解中，可以看到整个耳机内部是一块形状复杂的软硬结合板。我们之前做过一款智能戒指，也是用的软硬结合板。

需要注意的是，硬板部分可以做4层6层8层，软板部分只能做2层。

软硬结合板，既能够使用超小型的元器件，又能够弯折，非常适合形状复杂或需要弯曲的超小型智能产品。唯一的缺点，就是贵。

软硬结合板是怎么做的？

软硬结合板的设计流程和PCB没什么太大区别，生产的流程和PCB也没什么多大区别。先把内部2层FPC做好，然后再在外面做几层硬板，最后把弯折区域外面的硬板去掉就可以了。

不过之所以软硬结合板比硬板贵很多，主要还是因为具体工艺更复杂，报废率很高。
编辑：hfy