PiBrick Pocket-CM5：使用 JLCPCB 打造的緊湊型 Raspberry Pi CM5 掌上型電腦

開源硬體社群近年明顯轉向高度整合、可攜式運算裝置。在這個領域中，piBrick Pocket-CM5 是一個突出的專案，由硬體開發者 Ahmad Amarullah（在 OSHWLab 上以 @amarullz 為人熟知）設計。該專案推出一塊專為 Raspberry Pi Compute Module 5（CM5）打造、智慧型手機大小的客製化載板。它讓使用者能打造一台功能完整的手持式 Linux 終端機，配備實體 QWERTY 鍵盤、AMOLED 顯示器、M.2 NVMe SSD 插槽，以及完整的電源管理系統。

要將高密度運算模組載板從數位原理圖轉化為實體且可運作的裝置，需要高度可靠的製造能力。由於 CM5 會透過細間距板對板連接器引出其高密度多核心處理器與高速 I/O 介面，傳統手工焊接並不可行。為了達成此佈局所需的精度，開發者採用了 JLCPCB 的一站式 PCB 製造與表面黏著技術（SMT）組裝服務。

硬體架構與核心子系統

piBrick Pocket-CM5 被設計成一款多功能手持式終端機，可供系統管理員、網路工程師或開源愛好者使用。為了將如此完整的功能整合進緊湊的手持外形中，元件選擇與機構配置必須高度協調。

桌上型等級運算核心

系統核心是 Raspberry Pi Compute Module 5（CM5）。這個系統模組（SoM）整合了主要 Broadcom 處理器、RAM 與必要的電源調節晶片。透過將核心運算處理單元與主要 I/O 電路板分離，設計者能完全專注於載板上的周邊連接走線，最大化結構空間。CM5 提供完整的桌上型等級多核心效能，讓這台終端機能執行 Raspberry Pi OS 等原生 Linux 環境，用於現場診斷、伺服器管理與程式開發。

進階視覺顯示介面

此裝置採用高階 3.92 吋 AMOLED 顯示面板，原生解析度為 1080×1240 像素，並支援 90Hz 更新率。AMOLED 技術在顯示深黑背景的終端機介面時，可提供優異對比度、寬廣視角與高能源效率。此顯示器峰值亮度最高可達 560 nits，可在不同環境條件下保持可視性，並透過高頻寬 MIPI DSI 線路與載板連接。這種配置需要嚴謹的訊號走線，才能確保高更新率影像訊號保持穩定，且不受電磁干擾影響。

戰術型人機介面

與一般只依賴觸控的行動裝置不同，piBrick 採用穩固的實體輸入方式，以確保密集終端機操作時的準確性。它整合了 BlackBerry Q20 實體 QWERTY 硬體鍵盤組件，讓使用者能輕鬆輸入終端機指令，並搭配原生 BlackBerry 光學觸控板進行精細游標選擇。為補充鍵盤操作，載板也整合了側邊安裝的增量式旋轉編碼器，內含按壓開關，並配置 5 個獨立觸覺式實體按鍵，用於巨集執行與自訂系統快捷鍵。

PCB 佈局與高密度走線挑戰

piBrick Pocket-CM5 專案的主要挑戰在於極高的元件密度。PCB 整體尺寸受到手持裝置人體工學限制。在如此小的面積內，設計者必須完成數百條走線，將 CM5 的雙高密度 100-pin 連接器連接到各種高速周邊。

高密度元件配置

載板上的每一平方毫米都被充分利用。雙 100-pin 連接器在一側形成機械與電氣核心，而 M.2 NVMe SSD 插槽、電源分配網路與音訊放大器則占據剩餘空間。為了有效去耦電氣雜訊，必須將 0402 尺寸的被動濾波元件放置在高密度 IC 附近。這種緊湊配置只留下非常狹窄的走線逃逸通道，因此必須在製造間距限制與走線密度之間取得謹慎平衡。

訊號完整性與差分走線設計

處理 Raspberry Pi CM5 產生的高頻訊號時，訊號完整性成為主要設計考量。此電路板必須同時處理多組高速差分對，而這些差分對對佈局幾何非常敏感：

• MIPI DSI 線路：這些線路需要精確匹配每一對正負走線的長度，以避免偏斜，否則會造成相位偏移與顯示異常。
• PCIe Gen 3 線路：這些線路連接到 NVMe 儲存裝置，並以 GHz 級速度運作，因此對阻抗不匹配高度敏感。任何非預期的走線幾何偏差、緊急 90 度轉角，或不必要的換層（via），都會引入訊號反射。這些反射可能降低資料封包品質，導致讀寫速度下降、資料損壞，或在大量儲存操作期間造成系統不穩定。

JLCPCB 多層板製造與阻抗控制

為了滿足 piBrick Pocket-CM5 嚴格的訊號完整性需求，設計者選擇 4 層 PCB 結構。JLCPCB 的標準多層板製造能力，正好符合此佈局的結構需求。

JLC04161H-7628 疊構上的阻抗控制

針對這塊 4 層板，設計者採用 JLCPCB 預先配置的 JLC04161H-7628 疊構，標準整體板厚為 1.6mm。此疊構定義了外層銅箔、內層芯板與 prepreg 黏合材料的精確厚度。由於 FR4 材料的介電常數穩定，設計者可以計算走線寬度與間距參數，以達到目標特性阻抗。具體而言，差分 USB 線路匹配至 90 歐姆，而 PCIe 與 MIPI DSI 線路匹配至 100 歐姆。

建立連續參考接地平面

在 4 層配置中，第 1 層（Top）與第 4 層（Bottom）作為主要訊號走線與元件放置層。第 2 層設為完整且不中斷的接地平面，第 3 層則作為電源平面。第 2 層的實心銅面可確保差分訊號的回流電流直接在正向訊號下方流動，將迴路面積降到最低。這種配置能隔離高速數位雜訊與敏感的類比音訊及電源充電區段，使整體電磁干擾（EMI）保持極低。

SMT 製造與細間距組裝執行

讓 piBrick Pocket-CM5 成為實體裝置的最關鍵步驟，是焊接其表面黏著元件。此電路板包含多種進階封裝，包括用於 CM5 的雙 100-pin 板對板連接器，其腳位間距僅 0.4mm。手工焊接這些腳位效率極低，且有很高風險產生錫橋或冷焊。

SMT 工廠流程逐步說明

1. 雷射切割鋼網製作：為了成功組裝 0.4mm 間距連接器，JLCPCB 使用經過開口最佳化設計的雷射切割 SMT 鋼網。針對細間距元件，鋼網開口會調整為精確面積比與平滑孔壁幾何，以確保焊膏能乾淨且一致地釋放到 PCB 焊盤上。這可避免過量焊膏沉積，而過量焊膏正是回流焊過程中產生錫橋的根本原因。
2. 視覺導引取放：元件放置由高速自動化貼片機完成，並配備光學對位系統。設備會辨識電路板上的實體基準點，以確保 0.4mm 間距連接器，以及小型 0402、0603 被動元件，都精準放置在對應焊盤上。
3. 多區回流溫度曲線：完成貼裝後，電路板會通過多區回流爐。溫度曲線會受到嚴格監控，以確保整塊板均勻受熱，讓焊膏均勻熔化、潤濕元件引腳，並在不引發元件立碑等結構缺陷的情況下凝固。
4. 透過 AOI 進行品質保證：回流焊後，每塊電路板都會進行自動光學檢查（AOI）。系統會以高速掃描已組裝電路板，並與設計資料比對，檢查常見組裝缺陷，例如缺件、偏移、焊錫空洞或錫橋。這可確保 CM5 模組下方的細間距連接在出貨前結構可靠。

與 LCSC Parts Library 的供應鏈整合

複雜設計的元件採購經常導致延誤，尤其是涉及特殊連接器或特定電源管理 IC 時。piBrick Pocket-CM5 專案透過 JLCPCB 整合的 LCSC Parts Library 直接採購元件，使這個流程更加順暢。

此設計使用高密度 100-pin、0.4mm 間距板對板母座，例如 HCTL HC-PBB40C-100DS-0.4V-2.5-02，可透過 LCSC 料號 C19089280 取得。由於此零件已在 JLCPCB 組裝資料庫中追蹤，貼片機已針對其特定尺寸與包裝限制完成校準，因此不需要手動設定調整。

此外，輔助電阻、電容與電感也從 JLCPCB 的「Basic Parts」與「Standard Parts」型錄中選用。直接從倉庫取得這些標準被動元件，代表生產不需要依賴外部第三方元件通路商。這降低了自訂零件採購需求、降低組裝成本，並縮短整體生產交期。

可製造性設計（DFM）最佳化

為確保製造流程順利且不延誤，piBrick 設計納入了多項符合 JLCPCB 生產標準的實用可製造性設計（DFM）細節。

• 隱藏式追蹤條碼位置：每一塊經過自動化組裝線處理的 PCB，都需要唯一的 2D 追蹤條碼。為避免此條碼被隨機印在功能元件或外露銅焊盤上，開發者使用了 JLCPCB 的「Specify Position」功能。在 CM5 模組下方的絲印層新增一個專用 5×5 mm 矩形框，讓板子的可見區域保持乾淨。
• 公差控制與間距規則：走線與鋪銅會與 PCB 實體外緣保持安全距離，以確保機械銑邊與拼板分離不會切到有效線路。Via 尺寸選用標準鑽孔限制內的規格，避免鑽孔與內層孔環之間出現 breakout 問題。
• 最小走線門檻：板上佈局遵守可靠製造門檻，維持 3.5 mil 的最小線寬與線距，以確保化學蝕刻過程中的走線結構完整性。

透過軟板實現模組化互連

由於 piBrick Pocket-CM5 是一款緊湊型手持裝置，因此顯示介面與周邊按鍵等子組件，需要位於機構外殼內的不同平面上。標準硬式 PCB 無法彎曲以適應這些空間，而傳統線束又過於笨重。為了解決這個問題，該專案採用了由 JLCPCB 製造的客製化軟性印刷電路板（Flex PCBs）。

JLCPCB 的軟板製造線使用高品質聚醯亞胺基材，可製作超薄且具彈性的電路，讓高密度訊號能穿過狹窄彎曲路徑。聚醯亞胺在組裝期間具備優異熱穩定性，並能在反覆彎折下維持機械特性，確保終端機外殼內部的長期互連可靠性。

雖然走線需要具備彈性以繞過內部障礙，但連接點仍需要穩定。客製化軟排線在外露金手指後方直接加入整合式聚醯亞胺補強片。這些補強片可增加 FPC 插入端的厚度，使其符合主板上 ZIF/FFC 連接器的機械規格。這可避免柔性基材在最終系統組裝期間彎折變形或退出連接器。

機構整合與外殼

高密度電子專案只有在安全安裝於機械外殼中時，才算真正完成。piBrick Pocket-CM5 採用多件式客製化外殼，並針對 3D 列印進行最佳化。

機構外殼具備精確開孔，可容納豐富的外部實體 I/O 連接埠。由於元件選擇受到嚴格尺寸限制，連接器的實體方向與外殼開孔間距完全匹配。設計中為以下項目規劃了乾淨開孔：

• 雙外部 USB Type-C 資料與供電連接埠
• 用於外接螢幕的 Micro-HDMI 顯示輸出
• 彈簧式 MicroSD 卡擴充插槽
• 側邊按鍵陣列與旋轉編碼器軸的專用實體通道

由於 PCB 尺寸與元件高度在 SMT 組裝過程中受到嚴格遵守，組裝完成的主板可完美滑入外殼內部安裝柱。實體連接器與列印外殼開孔之間的對位順暢匹配，使最終開源裝置具備堅固、結構可靠且整合一致的手感。

PiBrick Pocket-CM5 案例研究常見問題

製造成功總結

piBrick Pocket-CM5 成功展示了個人開發者與硬體團隊如何設計並製造複雜的單板電腦載板。透過 EasyEDA Pro 進行原理圖與佈局設計、透過 LCSC Parts Library 採購元件，並透過 JLCPCB 的高密度 SMT 組裝服務製造多層電路板，該專案得以從概念推進到實體實現，避開進階原型開發中常見的阻礙。

透過最佳化鋼網自動印刷焊膏、高速取放元件對位，以及嚴格的多層阻抗控制，Raspberry Pi CM5 所需的細間距介面能可靠運作。這種整合式製造模式，為任何想要打造、迭代或複製進階開源運算硬體的人，提供了可預測且可重複的路徑。

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