PCB 基础知识
本套教程适用于在校大学生、DIY 爱好者。很多初学者可能会觉得电子技术最综合的技术就是要设计 PCB，而要设计 PCB 先要有理论知识、学会使用 EDA 软件、还要会用单片机、数字电路以及模拟电路等等。实际上，在刚开始学习的时候，并不需要很深厚的理论知识。本套教程将会通过设计两个不同的案例，由浅入深，帮助大家熟悉并掌握 PCB 设计。
对于硬件工程师来说，掌握一定的焊接技能是非常必要的。只有了解和掌握焊接技术，才能更好地进行电路板的设计、制作和调试。因此，大家在学习 PCB 之前，可以先学习 电子焊接入门 教程，提高焊接能力。
相信大部分人第一次亲手搭建电路应该是在初中物理实验课上，还记得我们将电池的正负极与灯泡和开关正确连接，观察灯泡的亮灭，理解电路的闭合与断开。这是我们探索电学世界的第一步，也是构建电子知识大厦的基石。比如下图用滑动变阻器改变电路中的电流，右侧是它的电路图。
然而，随着科技的不断发展，电路的复杂度日益增加，单纯依靠手工连接导线已经无法满足生产需求。这时候，PCB（Printed Circuit Board，印制电路板）应运而生。
什么是 PCB（Printed Circuit Board）？
PCB 是 Printed Circuit Board（印刷电路板）的缩写，是电子产品制造中最重要的部分，它通过将导线印刷在板子表面、将电子元器件焊接在板子上来实现电路的电气连接和机械固定。PCB 主要有以下 3 个功能：
提供电气连接：PCB 为电子元器件提供了固定的安装位置，并通过线路将它们按照设计要求连接起来，实现电流和信号的准确传输，确保电子设备的正常运行。例如在电脑主板中，CPU、内存、芯片组等元件通过 PCB 上的线路相互连接，协同工作。支撑和固定元件：它为各种电子元器件提供了稳固的支撑平台，使元器件能够准确地安装在预定位置，不易松动或移位，保证了电子设备的结构稳定性。像在智能手机中，各种小型元件都被牢固地安装在 PCB 上；便于批量生产和维修：PCB 的标准化设计和制造工艺使得电子设备能够进行大规模批量生产，降低生产成本。同时，清晰的线路布局也方便在设备出现故障时进行检测和维修。
在 PCB 出现之前，电路是通过点到点的接线组成的，就比如我们初中的电学实验，这种方法可靠性低，并且随着电路的老化，线路的破裂会导致线路节点的断路或者短路。
下图是世界上第一台计算机 埃尼阿克（ENIAC），它共使用了 18000 个电子管，另加 1500 个继电器以及其它器件，其总体积约 90 立方米，重达 30 吨，占地 170 平方米，需要用一间 30 多米长的大房间才能存放，是个地地道道的庞然大物。
自 20 世纪 50 年代中期起，PCB 技术开始被广泛采用。现在的 PCB 已然成为了电子产品的不可或缺的一部分，其应用几乎渗透于电子产业的各个终端领域中，包括计算机、通信、消费电子、工业控制、医疗仪器、国防军工、航天航空等诸多领域。PCB 的集成度非常高，我们也就可以在更小的体积中合理的摆放更多的元器件，这才有了，我们现在看到的手机、笔记本电脑等等便携式的电子产品，下图是某一电脑的主板。对比上古时期的埃尼亚克，不仅体积小，而且性能更强。
PCB 的基本组成
观察一个 PCB 板的图片，我们可以看到这个 PCB 板上有非常多的纹理，这些纹理有各种各样的作用。我们就需要先了解一下 PCB 的基本组成，如下图：
一个 PCB 主要由以下几部分组成：
元器件焊盘：由于电子元器件分为直插式（DIP）和贴片式（SMD），因此，元器件焊盘分为表面贴片式焊盘和通孔式焊盘，如下图所示，左侧是直插式的电阻与 LED，右侧是贴片式电阻和 LED：
走线（铜线）：走线将不同的电子元件连接在一起，形成完整的电路功能。它使各个元件能够按照设计的逻辑关系协同工作，实现特定的电路功能，像在音频放大器中，走线将电阻、电容、晶体管等元件连接起来，实现声音的放大功能。
丝印：属于 PCB 中的最上面一层，一般用于注释，目的就是为了方便电路的搭建和调试。
阻焊层：指 PCB 板上要上绿油的部分，作用就是防止不该被焊上的部分被焊锡连接。除了绿色的阻焊漆外，还有蓝色、黑色、红色、白色、紫色等等可供选择。
介电层：也称为基材，用来保持线路及各层之间的绝缘性。
以上就是 PCB 中最基础的组成部分，后面我们会在课程中，慢慢拓展更多的内容。
什么是 PCBA（Printed Circuit Board Assembly）？
有的小伙伴可能还听过 PCBA 这个名词，PCB 与 PCBA 有什么关系呢？
PCB 是印刷电路板（Printed Circuit Board）的简称，行业俗称 裸板、基板，即表面没有任何元器件。
而 PCBA 是 Printed Circuit Board Assembly（印刷电路板装配）的简称，是指将电子元器件（如电阻、电容、IC 等）焊接到 PCB 裸板上之后形成的一块功能正常的板子。
PCB 与 PCBA 之间的关系有点类似于房屋装修，PCB 就是毛坯房，PCBA 就是装修好之后的、家具齐全的房间。下图更加直观地解释 PCB 与 PCBA 之间的形象区别。
PCB 与 PCBA 在名字上虽然只差一个字母，实际上表示两个不同的工序。
PCB 是基于工程师提供的 Gerber 文件，设计加工出没有元器件的电路板（裸板）的过程（至于什么是 Gerber 文件，我们在绘制完 PCB 之后再来学习）。
而 PCBA 是在已经加工好的裸板上，将元器件焊接安装的过程。
PCB 的分类
PCB（印刷电路板）可以根据不同的分类标准进行多种分类，我们这里目前主要了解以下两种分类
根据电路层数分类
单面板：单层板只在一侧有铜箔层，另一侧没有任何电路线路。在单层板上，所有的电子元件和导线都位于同一面，通过穿孔连接进行连线。这种结构适用于简单的电路设计和低成本要求的应用
双面板：双层板具有两侧的铜箔层，并且通过穿孔连接两侧的电路线路。在双层板上，电子元件可以被放置在两个不同的面上，通过铜箔层之间的连线来实现电路连接。这种结构相对于单层板提供了更高的布线密度和更灵活的电路设计。
多层板：多层板由多个层次的电路层堆叠而成。它们中间通过绝缘层（通常是薄型预浸浸渗玻璃纤维布或薄膜）隔开，形成相互连接的电路。4 层或 6 层板较为常见，能平衡成本与性能；而高性能计算、通信设备、服务器等高端产品可能需要 8 层、12 层乃至更多层的 PCB，以满足高速信号传输、复杂电源分配和高效散热等需求。
不同层数的 PCB 选择取决于具体应用需求、电路复杂性和空间要求等因素。多层板能够提供更高的电路密度和较好的抗干扰能力，适用于高性能和复杂电路设计。
常用层的功能
在 PCB 设计中的层有很多，初学者必须要学习且最常用到的有以下几个：
介电层：也称为基材、基板，用来保持线路及各层之间的绝缘性，基板是 PCB 上最厚的部分，附着在基板表面的铜线、铜箔厚度一般在几十微米至几百微米，而基板厚度则在几毫米；信号层：分为顶层（Top Layer）、底层（Bottom Layer），对于多层板还存在内层或者称为中间层（mid Layer），不同层之间可以通过国控的方式进行连接，区别就是顶层和底层可以摆放元器件和布线，内层只能布线；阻焊层：包括顶层阻焊层（Top Solder）和底层阻焊层（Bottom Solder），阻焊层主要由一种叫做阻焊油墨的材料制成，它呈现绿色是因为这种颜色在行业中被广泛使用且被认为具有较好的视觉效果和辨识度。但实际上，阻焊层也可以有其他颜色，如红色、蓝色、黑色、紫色等；丝印层：分为顶层丝印层（Top Overlay）、底层丝印层（Bottom Overlay），用于定义顶层和底层的丝印字符，采用丝网印刷工艺涂印，可以作为装配图、注释标记、LOGO。局部覆盖可以增加绝缘性；
根据基材类型分类
刚性 PCB 板：由不易弯曲、具有一定强韧度的刚性基材制成，具有抗弯能力，可以为附着其上的电子元件提供一定的支撑，适用于大多数电子设备。
柔性线路板（FPC）：由柔性基材制成，可弯曲，适用于需要弯曲或贴合不规则表面的应用。应用领域：智能手机、笔记本电脑、平板电脑及其他便携式电子设备等领域。
刚柔结合板：结合了软板和硬板的特性，既有硬板的稳定性和可靠性，也有软板的灵活性。
刚性基材包括玻璃纤维基板、纸基板、金属基板，陶瓷基板等，不同的基材应用的领域也有所不同。
玻璃纤维基板以玻璃纤维布为基材，又称为 FR-4，具有优良的绝缘性能、耐热性和耐湿性。目前，FR-4 已成为 PCB 板的主流基材，广泛应用于各种电子产品中，如上图。
纸质基板是最早使用的电路板基材，主要以纸为绝缘材料，价格相对较低。但由于其耐热性、耐湿性较差，且易受潮变形，因此主要用于一些低端、临时的电子产品中。
金属基板比如铝基板，具有出色的散热性以及轻量性，在 LED 照明领域以及一些高功率密度场景下应用广泛。
PCB 设计流程
无论使用哪款 EDA 软件绘制 PCB，我们都需要先了解 PCB 的设计流程：
明确设计需求：在开始设计之前，需要明确设计的目标和要求，包括电子设备的功能、尺寸、成本等。此外，还需要选择合适的PCB基板材料和元件，以及确定设计的规范和标准；绘制元器件的符号及封装：获取所使用的元器件的数据手册（dataSheet），了解其封装、引脚定义、电气特性等，根据数据手册来绘制元器件的封装；绘制原理图：电路原理图是描述电子元件之间连接关系的图表。原理图中应包括所有元件的符号、引脚连接关系以及电源和信号的路径，然后转换到 PCB 文件中；PCB 结构设计：确定 PCB 的形状、尺寸和层数：根据电路的复杂度和空间限制来决定。像小型消费电子产品的 PCB 可能会采用较小的尺寸和较少的层数，而大型工业设备的 PCB 可能会较大且层数较多。PCB 布局设计：将元器件合理的在板中摆放。布局设计即是在 PCB 板框内按照设计要求摆放器件。PCB 布局设计是 PCB 整个设计流程中的首个重要工序，越复杂的 PCB 板，布局的好坏越能直接影响到后期布线的实现难易程度。布局设计依靠电路板设计师的电路基础功底与设计经验丰富程度，对电路板设计师属于较高级别的要求。初级电路板设计师经验尚浅、适合小模块布局设计或整板难度较低的 PCB 布局设计任务；PCB 布线设计：PCB 布线设计是整个 PCB 设计中工作量最大的工序，直接影响着 PCB 板的性能好坏。在 PCB 的设计过程中，布线一般有三种境界：首先是布通，这是PCB设计的最基本的入门要求；其次是电气性能的满足，这是衡量一块PCB板是否合格的标准，在线路布通之后，认真调整布线、使其能达到最佳的电气性能；再次是整齐美观，杂乱无章的布线、即使电气性能过关也会给后期改板优化及测试与维修带来极大不便，布线要求整齐划一，不能纵横交错毫无章法；网络 DRC 检查及结构检查：质量控制是 PCB 设计流程的重要组成部分，一般的质量控制手段包括：设计自检、设计互检、专家评审会议、专项检查等。原理图和结构要素图是最基本的设计要求，网络 DRC 检查和结构检查就是分别确认PCB设计满足原理图网表和结构要素图两项输入条件。一般电路板设计师都会有自己积累的设计质量检查 Checklist，其中的条目部分来源于公司或部门的规范、另一部分来源于自身的经验总结。专项检查包括设计的 Valor 检查及 DFM 检查，这两部分内容关注的是 PCB 设计输出后端加工光绘文件。生成 Gerber 文件：包含 PCB 各层的图形信息，用于制造 PCB。PCB 制造和组装：将制造文件提供给 PCB 制造商进行生产。在 PCB 制造完成后，进行元器件的组装。
在整个设计流程中，需要不断地进行测试、验证和优化，以确保最终的 PCB 能够满足设计要求。例如，在设计一款智能家居控制器的 PCB 时，首先明确其需要连接各种传感器和执行器，然后绘制原理图，合理布局各个模块的元器件，精心布线以减少干扰，经过多次的检查和优化，最终生成制造文件并生产组装。