第二章 文獻探討
2-1 PCB 電路板
2-1-1 PCB 電路板簡介
早期的電路製作方式稱作「搭棚」，也就是利用一般接線在各個零件或端子之 間做連接（圖2.1），而早期的一些電子設備也是由搭棚或麵包板的方式來作電路的 實做分析等等。由於搭棚方式非常繁雜，製作上幾乎得靠人工執行，也不可能作為 自動化及小而美的製作[29]。因此從量產製造的觀點來說，印刷電路板（Printed Circuit Board, PCB）的出現，會有“印刷”的名稱，就像是以印刷的方式大量的翻印概念，一 般來說，印刷電路板（如圖2.2）可以將電路設計成電路銅線，並經過蝕刻在絕緣的 板材上，目前大量使用在一般電器或航電系統中，除了傳輸訊號外，電路板尚有承 載電子零組件、連接電子零組件，被動元件集成、保護零件及散熱等功能[7][16]。
圖2.1 搭棚 圖2.2 印刷電路
在印刷電路板中，頂層都是做為元件層，因此PCB 的頂層又稱為零件面。如圖 2.3，插件式零件所需的鑽孔稱為「穿透式導孔（Through）」，為貫通頂層至底層間 所有板層；「半隱藏導孔（Blind）」又稱盲孔，只從多層板頂層或底層貫通至內部 某一層；「隱藏式導孔（Buried）」也稱埋孔，只貫穿多層板內部某幾層，因此無法 從頂層或底層看見。穿透式導孔在電路設計中又可稱為「銲點（Pad）」，而連接兩 個銲點之間的電路線稱為「銅膜走線（Track）」，當銅膜走線與其他線路無法避開
而發生干涉時，勢必需要連接至下一層，可透過「導孔（Via）」連接，目前多用於 多層印刷電路板。
圖2.3 PCB 導孔剖面示意圖
量產製作的PCB，以自動化而非人工方式銲接零件，因此需要在電路板上塗佈 防銲漆，由於防銲漆通常為綠色，因此又俗稱「綠漆」。這層防銲漆會將銲點以外 的地方全部覆蓋而成為「防銲層（Solder Mask）」，銲錫無法附著於防銲層上而脫 落，因此只要將零件放置在PCB 上後，直接噴灑融熔狀銲錫於整個板面，此時零件 便與外露的銲點焊接起來，而防銲層覆蓋的地方卻不會沾染任何銲錫。有時PCB 上 會標注零件外形或規格文字，這些圖樣屬於覆蓋層（Silkscreen Overlay）（如圖2.4），
有位於頂層的Top Overlay 與底層的 Bottom overlay，如前段所述，由於很少在 PCB 底層安置零件，因此PCB 製程多半忽略 Bottom Overlay 覆蓋層。
圖2.4 Silkscreen Overlay 覆蓋層
有覆蓋層 無覆蓋層
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2-1-2 印刷電路板分類
基 板 亦 稱 為 積 層 板 （Laminate ） ， 正 式 學 名 為 銅 箔 基 板 （ Copper Claded Laminates,CCL），係為製造電路板之基材板。PCB 在分類上，可依材料、形狀、柔 軟度（材質）、應用領域而有不同的區分方法。
（Coombs, 1988；Leonida, 1989；Phillip, 1991；工研院，1996；白蓉生，2000；
高宏璋，2001）[20] [25][26][16][17][6]認為印刷電路板可依使用領域、銅導線層數、
層間互連與否、基板材料及使用原料區分為五類，分述如下：
（一）以使用領域區分
1.專業性電路板（Professional PCB）
一般而言，專業性電路板在公差與可靠度上的要求較為嚴格。在應用上，
主要用於複雜或高性能電子裝配，如大型電腦、精密量測儀器、資料傳送設 備、軍用設備與航空電子設備等。
2.非專業性（或消費性）電路板（Non-Professional PCB）
不同於專業性電路板，非專業性電路板在公差與可靠度上的要求較寬 鬆。應用上常見於消費性產品，如收音機、電視、一般家電用品、低階量 測 設備、玩具等。
（二）以銅導線層數區分
1.單面板（Single-Sided PCB）
以基板作為絕緣體，並在基板之單一表面上製作電子線路圖形，即為導 體層之佈線圖形（如圖2.5、圖2.6）。
2.雙面板（Double-Sided PCB）
由一張基板作為絕緣體，並在其上下兩面製作電子線路。若有鍍通孔
（Plated Through Hole, PTH）的設計，則兩側的電子線路可藉由鍍通孔互相 傳遞資訊。
3.多層板（Multilayer PCB）
此類電路板內部至少存有三層以上的導體層，其中兩層分別位於板子 的 上下兩面，而其餘導體層則包覆於板中並以絕緣體予以間隔。若導體層數超 過四至五層，則此板較為厚重；反之，則較為輕薄（如圖2.7、圖2.8）。
（三）以層間互連與否區分
1.非鍍通孔（Non-Plated-Through Hole）
電路板經鑽頭鑽出或沖壓機沖出之孔，其孔壁未經特殊導電性處理者稱 之。
2.鍍通孔（Plated-Through Hole）
電路板經鑽頭鑽出或沖壓機沖出之孔，其孔壁經化學或電氣方法處理 後，使其具導電性以導通不同導體層。
（四）以基板材料區分
1.硬質電路板（Rigid Printed Circuit, RPC；簡稱硬板）
通常指以玻璃布加上補強材為材料的基板，再加上導體層作成之電路 板。其最大的特點為外型固定，不可任意作三度空間的外型變化。一般常見 的電路板即以此為主。
2.軟性電路板（Flexible Printed Circuit, FPC；簡稱軟板）
是一種特殊的電路板，在下游組裝時可作三度空間的外型變化；其底材 為可橈性之聚亞醯胺（PI）或聚酯類（PE）。軟板也像硬板一樣，可製作鍍 通孔或表面黏墊，以進行通孔插裝或表面黏裝。而板面則可貼附軟性保護及 防焊用途之表護層（Cover Layer），或加印軟性之防焊綠漆。
3.硬軟合板（Rigid-Flex Printed Circuit）
是一種硬板與軟板組合而成的電路板，硬質部分可組裝零件，軟板部分 則可彎折連通，除減少接頭的麻煩與密集組裝的體積外，並可增加互連的可 靠度。
（五）以使用原料區分
1.無機絕緣物（Inorganic Base）
無機絕緣物質由於內含磁與玻璃成分，故其尺寸安定性與耐久性均相當 優越，但其缺點為機械強度不足。
2.有機絕緣物（Organic Base）
有機絕緣物一般係以玻璃纖維所編織之布、不織布（以接著劑膠合之布 狀物）與紙為底材，經浸潤酚樹脂（Phenoic Resin）、環氧樹脂（Epoxy Resin）。
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圖2.5 單層板（正面） 圖2.6 單層板（反面）
圖2.7 多層板（正面） 圖2.8 多層板（反面）
2-1-3 插件式與表面黏著元件
PCB 除了電路之外，也放置各種電子零件。電子零件與 PCB 的接合方式有二：
插件（Pin Through Hole, PTH）式（如圖 2.9）與表面黏著式（Surface Mount Component，
SMC）（如圖2.10），安置插件式零件需要在PCB 上鑽孔，並在 PCB 的底層以銲錫固 定，而表面黏著式元件則直接在頂層銲接固定。SMD 元件的體積較小，且不必於 PCB 上鑽孔，大量用於設計趨向輕薄短小化的電器產品。
圖2.9 插件式 圖2.10 表面黏著式元件
Hollomon（1989）[23]指出 SMT 是將表面黏著元件（Surface Mount Component，
SMC）直接置放於沾有黏膠或錫膏的電路板上，然後再利用加熱的方式使元件固定 於電路板的表面上，印刷電路板組裝流程因其配置之差異而有所不同，一般SMT 的 製造流程大約可分成三個基本階段[12]，分別為錫膏印刷（Paste Stencil Printing）或 者點膠作業（GlueDispensing）、電子元件黏貼（Component Placement）及迴焊（Solder Reflow）或烘烤，此外視印刷電路板的狀況，亦包括選擇性之清洗（Cleaning），其中 最精密和費時的階段為置放表面黏著元件，如圖2.11 所示，
以下則以錫膏印刷、電子元件黏貼、迴焊及清洗做簡要說明。圖 SMT 生產流 程圖（資料來源：Hollomon，1989）[23]。
圖2.11 SMT 生產流程圖
（資料來源：Hollomon、1989）
（一）錫膏印刷（Paste Stencil Printing）或者點膠作業（Glue Dispensing）
透過鋼板（Stencil）之開孔（Aperture）將錫膏（Solder Paste）以擠壓方 式印刷於電子元件黏貼印刷電路板之相對焊墊（Pads）上，或依零件座標將 黏膠以點狀或塗佈於相對焊墊之間。
（二）電子元件黏貼（Component placement）
錫膏印刷 Paste Stencil
Printing
電子元件黏貼 Component Placement
迴焊 Solder Reflow
清洗 Clearing
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零件黏著機因為取置速度與零件尺寸辨識能力不同可將其區分為快速機 與泛用機兩種類型。高速機是用來置放較小的零件，泛用機是置放較大的零 件如IC 等，此部分的製程是將電子零件配置於快速機與泛用機，依順序化及 座標化之生產程式，自動黏貼機可將電子零件黏貼於已印刷有錫膏或已塗布 黏膠之零件位置上。
（三）迴焊（Solder Reflow）或烘烤
作業者設定迴焊爐各加熱區之適當溫度及輸送帶速度後，經由迴焊
（Solder Reflow）溫度傳輸（Heat Transfer），將置於錫膏上的零件透過焊點
（Solder Joints）黏著於印刷電路板上，使得迴路流通，或經溫度傳輸將黏膠 與零件底部結合，於是電子零件經由錫膏或黏膠為媒介而固定或附著於印刷 電路板上。
（四）清洗（Cleaning）
將印刷電路板上過量之助焊劑移除。
2-2 積體電路分析 2-2-1 積體電路：
為俗稱的IC（Integrated Circuit），利用精密的微電子元件製作技術，將電子電 路微縮在極小的晶片上，體積雖小功能及用途卻很多，專門做為數位系統使用的積 體電路，就稱為數位積體電路（Digital IC）。而數位積體電路則是利用不同型態的 邏輯閘作為基本邏輯運算，所以依每一積體電路含多少邏輯閘元件來區分數位積體 電路，可分為：
（1）小型積體電路（Small-Scale Integration 簡稱 SSI，含 12 個以內的邏輯閘）
（2）中型積體電路（Medium-Scale Integration 簡稱 MSI，含 100 個以內的邏輯閘）
（3）大型積體電路（Large-Scale Integration 簡稱 LSI，含 1000 個以內的邏輯閘）
（4）超大型積體電路（Very Large-Scale Integration 簡稱 VLSI，含 1000 個以上的邏 輯閘）
目前數位電路慢慢朝向SOC（System On Chip）設計演進，也就是將數位電路做 為晶片化，因此一顆0.13u 製程的 IC 可以包含上千上萬個邏輯閘，大大的減少經濟 成本。
2-2-2 數位積體電路分析：
下圖2.12、圖 2.13，為數位 IC DataSheet，經由 DataSheet 可以了解所謂的數位 IC 等效電路是可以由類比元件所組成的，且符合類比元件的分析方式，以數位積體 電路SN54121,SN74121，SN54147,SN74147 為例，可以由下圖 2.12 及圖 2.13 了解 出，數位積體電路其內部構造可以由基本元件（二極體、電阻或電晶體…等）組成，
因此，數位IC 是可以藉由基本直流分析作為判斷的。
由類比訊號分析中，可以依據電子元件特性特徵，及數位積體電路的DataSheet，
判斷出電路的輸出與輸入阻值差異性，而經由相對應的阻值關係，則可以判斷出正 確的電路板阻值，並判斷電路板是否存在於良好阻值特性中，經由各元件的DataSheet 可以了解，數位積體電路主要可分為下表2-1 八類，而所加入的蕭特基二極體觸發 元件，使觸發時間短，電路效能更好，下表為74 系列的種類與特徵。