印刷電路板：肩負重任的無名英雄

印刷電路板絕對可說是電子產品和系統的基礎。它們表面布滿微小的焊盤和細如髮絲的走線，可將數十個、數百個、甚至數千個主動和被動元件用電線連接起來，同時還能提供實體支撐、安裝接片、配置連接器等。它們通常被稱為 PCB 或 PC 板，數年前 IPC (制定業界標準的關鍵組織，前身為 Institute for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits) 曾嘗試將其重新命名為印刷線路板或 PWB，但這個新名字從未流行起來。

各位想必已經非常熟悉印刷電路 (PC) 板不可或缺的作用與它們的多功能性和能力，我們便不在此多作說明。然而，在許多討論中，它們往往被隨意地當作一件簡單而沒什麼大不了 (雖然很必要) 的被動元件；將其重要性如此簡化，實在有失公允。

有趣的電路板發展歷史

電路板經歷了一段有意思的演變過程。在大約 50 年前首次開發出電路板時，許多設計人員認為它們既必要又令人頭痛。手工的點對點佈線和焊接已無法再支援具有超過 100 個真空管的彩色電視等產品所需的密度和製造時間，因此我們需要以電路板來取代這種手動技術。事實上，當時一家領先的電視供應商吹噓他們的電視是由工匠手工製作的，而不是使用無名無姓的電路板。這個為了行銷而編的故事結局如何，我們都知道了。

第一批印刷電路板是單面的，由酚醛或電木製成，而不是現今使用的玻璃環氧複合材料；此外，它們為通孔元件和插槽引線進行打孔而不是鑽孔，且仍是手動焊接 (圖 1)。線寬約為 3 至 6 毫米 (mm)。

圖 1：類似這種的基本單面通孔酚醛電路板是電路板概念第一個受到廣泛使用的版本。(圖片來源：TheEngineeringProjects.com)

由於包層剝落、容差問題及焊接上的不一致，這些早期電路板的可靠性十分有限。但就像人們常說的：「只許成功，不許失敗。」印刷電路板的發展勢在必行，因為若要處理更多元件、IC 封裝、更小的元件、更高的引腳數與最終的表面黏著元件，唯一可行的方法就是印刷電路板。就各項效能和功能參數而言，今日的印刷電路板比早期的印刷電路板提高了許多數量級。

有趣的是，某些消費性電器仍使用單面酚醛板來容納幾乎所有元件；插入頂端跳接器後，就可以使用成本非常低的單面板 (圖 2)。

圖 2：這款 2010 年微波爐的酚醛印刷電路板包含電源供應器 (低電壓和高電壓)、變壓器、功率元件和大部分其他電路；請特別留意頂端跳接器，有了它就能使用低成本的單面板。(圖片來源：Low Price Mart)

印刷電路板的多工處理精密度

雖然我們談起印刷電路板時往往輕描淡寫，但今日的印刷電路板仍屬經過精心設計的精密元件。它們身負重任，而非只是充當元件載體和互連平台那麼簡單。其任務包括：

1. 如果是基本的雙面印刷電路板，則可以在裸露層上佈線並接地。
2. 在多層板 (例如常見的四層板) 中，一個內層可為一或多個導軌提供電源分配，而另一個內層則提供接地功能；導電貫孔 (via，vertical interconnect access 的簡稱，從不大寫) 可根據需求連接這些層。
3. 在熱元件周圍或靠近熱元件的銅可當作散熱片，或當作將熱量傳遞到離散散熱片的熱導管。
4. 可以使用帶狀線或微帶線拓撲，將印刷電路板的銅配置為 RF 傳輸線、濾波器、隔離器或環行器。
5. 印刷電路板也可以設計成天線，通常會是多頻段配置的天線，而非單頻段天線。
6. RF 被動元件 (電容和電感) 也可以利用適當的銅樣式來建構。
7. 尺寸精準的走線可以充當低阻值電阻 (幾毫歐)，以便透過走線上的 IR 壓降來測量電流。
8. 銅還可以在運算放大器的敏感、低能量類比感測器輸入周圍提供保護環。
9. 電路板的銅可以提供 EMC 屏蔽，以防止入射的 RF 影響電路，或作為衰減板輻射的補充方式。
10. 成為端接線束中單根電線的硬質和彈性插銷的插入式插座。

如果這還不夠，那麼清單中還可以增加一項新任務：充當 Würth Elektronik 帶狀纜線絕緣置換連接器 (IDC) 的配接連接器。在標準的 IDC 配接對中，有一個附插針觸點 (插銷) 的公端，另一個則是附插槽的母端，但 Würth 不採取此方法，而是使用電路板來配接 IDC 公端。

請注意，這並不是將電線直接插入電路板的創舉。多年以來，個別的硬質或彈性插銷就經常被推進電路板上的電鍍孔中。但這些插銷無法在不損壞自身和電路板的情況下移除，因此它們只能進行一次性插入。相較之下，Würth 的 REDFIT IDC SKEDD 連接器系列可以使用指定的印刷電路板孔洞尺寸和鍍層進行高達十次插拔操作，在寬鬆的容差範圍內則最多可插拔 25 次。

圖 3：Würth 的 REDFIT IDC SKEDD 連接器系列省去 IDC 插座與公端 (插銷) IDC 和扁平纜線配接的需要，因此能節省成本、簡化物料清單，並減少線對連接器的轉換，而減少潛在問題。(圖片來源：Würth Elektronik)

接下來，低調而未受重視的印刷電路板會怎麼發展？廣泛使用的 FR-4 環氧玻璃基板看來將失去其現在的主導地位。它的固有特性未能達到數 GHz 設計的嚴格要求，這些設計極為重視介電常數 (e_r)、損耗因數 (tδ)、水分吸收等細微的電氣和材料因子。而且，這些數字不僅必須符合 GHz 設計的要求，還必須具有 FR-4 所沒有的極低溫度係數 (tempco)。甚至機械和尺寸溫度係數也具有重要意義，因為即使是微小的偏移，也會影響這些頻率下的電子效能。

下次有人以「沒什麼大不了」的態度輕視印刷電路板時，請不要因為這種態度或誤解而上當喔。一項專案能否成功，很大程度要取決於印刷電路板，其重要性絕不亞於其他元件。能否發揮其最大功能、生產出符合極嚴格規格的多層板、裝載並正確焊接，都會直接影響基本效能、廢品率／報廢率和現場可靠性。

參考資料：

1 – Wikipedia, "FR-4" https://en.wikipedia.org/wiki/FR-4

2 – Wikipedia, "Printed circuit board" https://en.wikipedia.org/wiki/Printed_circuit_board#Materials

3 – Wikipedia, "Via (electronics)" https://en.wikipedia.org/wiki/Via_(electronics)

4 – SEEED Studio, "Printed Circuit Board (PCB) Material Types and Comparison" https://www.seeedstudio.com/blog/2017/03/23/pcb-material/

5 – Al Wright, Epec LLC., "PCB Vias - Everything You Need To Know" https://blog.epectec.com/pcb-vias-everything-you-need-to-know

6 – John W. Schultz, Compass Technology Group, "A New Dielectric Analyzer for Rapid Measurement of Microwave Substrates up to 6 GHz" https://compasstech.com/wp-content/uploads/2019/02/A-New-Dielectric-Analyzer-for-Rapid-Measurement-of-Microwave-Substrates-up-to-6-GHz.pdf

7 – Rogers Corp., "Characterizing Circuit Materials at mmWave Frequencies" https://www.microwavejournal.com/articles/32237-characterizing-circuit-materials-at-mmwave-frequencies?v=preview

8 – Rogers Corp., "Laminate Materials Simultaneously Increase μ and ε, Reducing Antenna Size" https://www.microwavejournal.com/articles/32056-laminate-materials-simultaneously-increase-mu-and-epsilon-reducing-antenna-size