印刷電路板（PCB）是什麼？連接電子零件的板子原理

生活中的例子

把壞掉的遙控器或遊戲機拆開，會看到一塊綠色的板子。板子上排著黑色方形零件，和米粒般的小零件。表面還有許多細細的線。這塊板子，就叫做印刷電路板。

它也稱為印刷線路板。英文是 Printed Circuit Board，取字首簡稱PCB。手機、電視、電鍋、汽車等，幾乎所有用電運作的機器裡都有它。

手機的電路板上裝了哪些晶片，在「手機裡有哪些半導體？」中介紹。這篇文章不看零件，而是看板子本身的原理。

把手工接線，換成板子上的線路

早期的電子機器，是用電線把零件一條條接起來。接點用焊錫固定。焊錫是在低溫就會熔化的金屬，冷卻後凝固，讓金屬之間導電相連。因為是手工作業，既花時間，也會接錯。

於是有人想到，先把線路做在板子上。在不導電的板子（絕緣板）上貼一層銅膜，再用藥水溶掉不要的銅，只留下線路的形狀。線路的形狀像印刷一樣，從模版轉印過來，所以叫做「印刷」電路板。同樣形狀的板子可以一再重複製作，也不會接錯。

這種方法的先驅，是出身奧地利的工程師保羅‧艾斯勒（Paul Eisler）。他在1936年從維也納移居英國，試做了使用印刷電路板的收音機。核心專利在1943年提出申請。不過，把扁平金屬線貼在絕緣板上的構想，1903年申請的英國專利中就已出現。因此，誰才是最早的發明者，仍有不同看法。

板子的材料：玻璃纖維布與樹脂

板子的芯材，多半使用細玻璃絲織成的布。在這塊布裡滲入加熱就會硬化的樹脂，再讓它固化。樹脂用的是環氧樹脂，所以這種板子稱為玻璃纖維環氧樹脂板（玻纖板）。玻璃纖維布讓板子更堅固，也能抑制溫度造成的伸縮。

玻纖板的代表性等級是FR-4。FR是英文 Flame Retardant 的縮寫，意思是「耐燃」。為了讓零件發熱時火也不易擴散，樹脂裡加了耐燃的成分。這原本是美國電機製造商的業界團體NEMA訂定的等級名稱，如今幾乎成了電路板材料的代名詞。

板子表面貼著一層薄薄的銅膜。手作用途販售的板子，常見規格是板厚1.6 mm、銅厚35 µm（日本廠商Sunhayato產品的例子）。µm（微米）是1000分之1 mm。35 µm比頭髮（約0.09 mm）的一半還薄。

單面、雙面、多層：把線路層疊起來

只在板子一面做線路的稱為單面板，兩面都做的稱為雙面板。零件一多，線路就會互相交叉，只用一面已經繞不過去。用上兩面，就能在交叉的地方改走另一面。

線路更多的機器，會在板子內部也做線路層，疊在一起。這稱為多層板。把薄板和銅層交互疊起，用熱和壓力黏合成一整片。層數從雙面的2層，增加到4層、6層、8層。

像手機這樣，要在小板子上塞進很多零件的機器，層數就會變多。日本《電波新聞》2022年的報導，介紹了日本電路板廠商Meiko的例子。據報導，該公司為手機主板生產10層的電路板。2017年的iPhone X，則由iFixit的拆解確認，主板是由2片電路板疊起來相連的構造。

內層多半不是細線，而是當成大片的銅面使用。作為電壓基準的0 V線路，稱為接地（GND）。把電源和接地做成大片的銅面，就能穩定地把電送到各個零件。對高速訊號線來說，緊鄰著一片銅面也很重要（後面會說明）。

導通孔：連接層與層的孔

層分開之後，就需要一條路，把上層和下層的線路連起來。做法是在板子上鑽小孔，再用銅電鍍覆蓋孔的內壁。電鍍是在藥液中，讓表面附上一層金屬膜的方法。這根銅管，就成了連接層與層的通道。

這種孔稱為導通孔。從正面貫穿到背面的，稱為通孔，用鑽頭鑽出。線路很細密的電路板，也會用雷射鑽出只到相鄰層的淺孔。孔越小越淺，其他層能走線的空間就越多。

綠色膜與白色文字

電路板看起來是綠色，是因為表面覆蓋了一層薄樹脂膜。這層膜稱為防焊漆，因為多半是綠色，也俗稱綠漆。「防焊」就是防止焊錫附著的意思。只在要焊接零件的地方開出像窗戶的開口，其餘的銅都蓋起來。

這層膜的作用主要有3個。第1，防止熔化的焊錫流到相鄰的線路，連在一起。第2，防止銅因空氣和濕氣而氧化生鏽。第3，讓線路之間保持絕緣，防止灰塵或水分造成漏電。

為什麼多半是綠色，並沒有單一的定論。電路板設計軟體公司Altium的說明指出，綠色膜容易做出細微的形狀。也說明黑色膜和線路不易分辨，比較難檢查。綠色既容易分辨又容易製作，所以一直被當成標準般使用。

也來看看表面的白色文字和線條。零件編號（R1、C3等）、放零件位置的框線、方向記號，都是用油墨印上去的。這種印刷用的是網版印刷，在電路板上常簡稱為絲印。組裝或維修時，一眼就能看出哪裡該裝什麼。

零件的安裝方式：插進孔裡，或放在表面

第1種方法，是把零件的腳插進電路板的孔，在背面焊接。這稱為插件式安裝，或通孔插裝。零件腳貫穿板子，所以耐拉扯、耐振動。大型零件，以及插拔線材用的連接器等，至今仍在使用。

第2種方法不鑽孔，而是把零件直接放在電路板表面焊接。這稱為表面黏著（SMT）。零件腳不必穿過孔，所以零件可以做得更小，板子兩面都能排零件。

放零件的位置，有小小的方形銅台。這種銅台稱為焊墊，從綠漆的開口露出來。現在手機電路板上的零件，幾乎都是表面黏著。村田製作所在2024年發表，開發出0.16 mm × 0.08 mm的電容器。電容器的介紹，請見「電容器是什麼？」。

迴焊：數百個零件一次焊好

表面黏著的零件，通常分3個階段一起焊接。首先，把開了孔的薄金屬板（鋼板）疊在電路板上，只在焊墊上塗錫膏。錫膏是把細小焊錫粉末調成的膏。接著，機器夾起零件，一個接一個放在錫膏上。最後讓電路板通過爐子加熱，焊錫熔化後，再冷卻凝固。

這種方法稱為迴焊（也寫作回焊）。熔化的焊錫，會像水滴變圓一樣想要收縮。靠這股力量，放得稍微歪掉的小零件，會被拉回焊墊的正中央。

現在的焊錫，大多不含鉛。這是因為歐盟從2006年7月起，依RoHS指令，原則上限制新販售的電子機器使用鉛。常用的無鉛焊錫，是在錫裡加入少量銀和銅，約217到220 ℃熔化。爐子會把溫度升到比這稍高一點。零件這一側，要先確認能耐受更高的溫度。業界標準（J-STD-020）依零件大小，用245到260 ℃來測試。

晶片、封裝、電路板的關係

從晶片到機器的連接，用3層套疊來想就容易理解。矽晶片先被包進稱為封裝的外殼。再把這個封裝焊到印刷電路板上。包住晶片的原理，在「半導體封裝是什麼？」中說明。

其實，外殼裡有時也有一塊小線路板。這稱為封裝基板，台灣業界也常稱為IC載板。它的任務，是把晶片非常細密的電極（電的出入口），拉開到能焊在機器電路板上的間距。把樹脂和銅層疊起來的想法和印刷電路板相同，但線路做得細得多。

也就是說，「基板」這個詞有2種：晶片正下方的小板子，和排列零件的機器電路板。這篇文章說的「印刷電路板」是後者。機器中心的大電路板，在電腦稱為主機板，在手機稱為主板（邏輯板）。

高速訊號的通道：線寬也要一致

現在機器的電路板上，跑著0和1切換得非常快的訊號。訊號一快，線路就不能只當成普通電線。必須把它看成電壓變化像波一樣傳過去的通道。這裡為了簡化，省略詳細的原理。

通道途中，如果對波來說的「好走程度」突然改變，一部分的波就會反射回來。反射的波和原本的訊號疊在一起，0和1的波形就會走樣，造成誤讀。這個好走程度的指標，稱為特性阻抗。它由線寬、到正下方銅面的距離、板子的材料決定。

所以高速訊號線，要計算線寬和層的厚度，讓特性阻抗保持一致。例如USB 2.0，是用2條一組的線傳送訊號。這組線的特性阻抗，規定為90 Ω±15%（德州儀器的說明）。單位Ω（歐姆）和電阻的單位相同。基本觀念在「交流電和直流電有什麼不同？」中說明。

常見的誤解

從數字來看

根據調查公司的預測，綠色膜材料的全球市場有一半以上由日本1家公司占有。印刷電路板是不起眼的零件，但材料和製法上的細微巧思，從底層支撐著手機的輕巧和速度。

進一步學習

• 用表格看差異：「BGA、QFP、QFN 的差異」（裝在電路板上的封裝外形）、「單端與差動訊號的差異」（用2條一組傳送訊號的理由）
• 下一步的用語：BGA（球柵陣列）、差動訊號、串擾（雜訊轉移到相鄰線路的現象）、MSL（零件怕濕氣的程度）、玻璃核心基板
• 用數字試試看：「PDN目標阻抗計算工具」（估算電路板的電源線路需要幾個電容器。稍微進階）
• 相關讀物：「積體電路（IC）是什麼？」（整理晶片、晶粒、封裝等用語）
• 職業方面：電路板組裝與封裝的工作，請見「封裝工程師」