Základy tištěných spojů (PCB): Elektronika a návrh obvodů

Úvod

Chytré telefony, hodinky, televize a další elektronická zařízení jsou všudypřítomná v našem každodenním životě a přinášejí bezpočet výhod. Jejich vznik není možné oddělit od vynálezu tištěných spojů (PCB). Tištěné spoje umožňují nejen miniaturizaci elektronických zařízení, ale také snižují výrobní náklady na výkonné obvody. V tomto článku podrobně rozeberu, co to tištěné spoje jsou, jejich typy a návrhy, a jaký mají význam pro rozvoj moderních technologií.

Co je to PCB?

PCB je jednou z klíčových součástek elektronických zařízení. Skládá se z několika důležitých částí, z nichž každá má specifickou funkci. Desky plošných spojů slouží k propojení a upevnění elektronických součástek a poskytují elektrickou i mechanickou podporu. PCB využívají vodivé dráhy, cesty nebo signálové stopy vyryté z měděných listů laminovaných na neprovodném substrátu, který nevede elektrický proud. Poté jsou na desku přidány elektronické součástky a na jejím povrchu jsou vytvořeny rýhy, které umožňují tok proudu mědí mezi jednotlivými součástkami.

Základy PCB

• Holá deska: Holá deska, také známá jako neposbíraná deska PCB, je tištěná spojová deska bez elektronických součástek, která nemůže plnit žádné elektrické funkce.
• Jednostranná deska PCB: Jednostranná deska PCB znamená, že součástky a spojové dráhy jsou umístěny výhradně na jedné straně desky. Tento typ desky PCB je jednoduchý a nejpoužívanější, protože jsou tyto desky snadné navrhnout a vyrobit.
• Dvoustranná deska PCB: Vlastnosti měděných spojů jsou laminovány na obou stranách substrátu, což umožňuje složitější návrhy obvodů a využívá přechodové díry (plátované průchozí otvory) pro vytvoření spojení mezi vrstvami. Ve srovnání s jednostrannými deskami dokáže pojmout sofistikovanější obvody při zachování vynikající cenové efektivity.
• Vícevrstvá deska plošných spojů: Vícevrstvá deska plošných spojů znamená, že tento typ desky má alespoň tři vodivé měděné vrstvy. Toto je hlavně dosaženo laminací a spojením více vrstev desek plošných spojů izolačními materiály prepreg, čímž se dosahuje vyšší hustoty obvodů a umožňuje výrobu pokročilých desek pro počítače, servery a telekomunikační zařízení.

Deska plošných spojů funguje jako

• Základ desky plošných spojů pro každý návrh obvodu.
• Plán pro montáž součástek a vedení signálů.
• Platforma pro realizaci komplexních elektronických funkcí zařízení.

Typy desek plošných spojů a vrstvy desek plošných spojů

Je důležité porozumět různým typům tištěných spojů, což je klíčové pro inženýry, návrháře a studenty vstupující do elektronického průmyslu.

Běžné typy a struktury

Materiály a struktura při návrhu plošných spojů

Skládání vrstev a výběr materiálu plošného spoje přímo určují spolehlivost, výkon a výrobní náklady elektronických zařízení.

Základní materiály

• Měděná vrstva: Je vodivým základem desky plošných spojů, obvykle vyrobeným z měděné fólie, která tvoří dráhy pro přenos signálu na desce.
• Izolační materiál: Běžné podložní materiály zahrnují FR-4 (sklolaminát s epoxidovou pryskyřicí) pro standardní desky, polyimid pro flexibilní obvody a keramické substráty pro vysoce kvalitní vojenské/lékařské přístroje.
• Laková maska: Barevné povlakové nátěry (obvykle zelené), které pokrývají měděnou fólii, chrání měď a definují povrch desky plošných spojů.
• Potisk: Tiskne identifikátory a návody na povrch desky plošných spojů, usnadňuje umístění součástek a diagnostiku systému.

Vrstvy desky plošných spojů a rozvržení desky

• Vrstva desky plošných spojů: Vrstva desky plošných spojů může být konfigurována podle potřeby pro signály, napájení nebo uzemnění. Návrhová pravidla a uspořádání vrstev přímo ovlivňují rychlost signálu, přeslechy a řízení elektromagnetických interferencí (EMI).
• Vodivé dráhy na desce plošných spojů: Obvodový vzor je tvořen tenkými a přesnými drahami z mědi. Šířka a rozteč těchto drah hraje klíčovou roli pro nosnost proudu a chování signálu.
• Vrstvy: Plátované díry, které propojují vrstvy desky plošných spojů a mají klíčovou funkci u oboustranných a vícevrstvých desek.

Zjednodušené srovnání

Jak se vyrábí deska plošných spojů a proces návrhu

Nástroje a kroky při návrhu desek plošných spojů

Koncept a schéma

Definujte obvod a vyberte součástky. Oblíbené nástroje pro návrh desek plošných spojů, jako jsou Altium, Eagle a KiCAD, poskytují možnosti počítačového projektování, které zajišťují přesné a chybám odolné rozložení.

Rozložení a trasování

Převeďte schéma na rozložení desky plošných spojů, uspořádejte součástky a nakreslete spojovací tratě. Klíčovým bodem je minimalizace délky vodičů u kritických signálů.

Revize návrhu a simulace

Proveďte kontrolu dodržení pravidel návrhu (DRC) za účelem minimalizace rizik při výrobě; odsimulujte tok signálů, abyste zajistili žádné nežádoucí vazby ani ztráty výkonu.

Generování souborů Gerber

Převeďte návrh na průmyslově standardní soubory pro výrobu desek plošných spojů.

Výroba

Deska plošných spojů se vyrábí vrstvením mědi a izolačního materiálu, vytvářením obrazu obvodu, leptáním, vrtáním přechodových kontaktů, nanesením laku odolného proti pájení a poté potiskem sériovým tiskem.

Čas

Komponenty jsou namontovány (SMT pro povrchovou montáž nebo THT pro montáž do děr) a připájeny na desku plošných spojů.

Finální desky jsou zkontrolovány, otestovány a odeslány.

Komponenty na deskách plošných spojů a princip fungování obvodů

Desky plošných spojů (PCB) nemohou fungovat samostatně, proto je každá deska plošných spojů složena z různých elektronických komponent, včetně nejen základních pasivních prvků, jako jsou rezistory a kondenzátory, ale také složitých komponent, jako jsou integrované obvody, relé, senzory a konektory. Umístění těchto komponent je vysoce flexibilní a může být uspořádáno podle návrhových požadavků. Mohou být rozmístěny jednotlivě na horní nebo spodní vrstvě desky, nebo mohou být sestaveny společně na obou stranách u dvoustranných nebo vícevrstvých konstrukcí desek, aby společně tvořily plně funkční obvodový systém.

• Spoje a přechodové kontakty: Umožňují průchod signálů „kompletně“ a mezi vrstvami kompaktním a chráněným způsobem.
• Integrované obvody: Provádějí logické operace, ukládání dat a zpracování signálů – základ pro chytré moderní elektroniky.
• Pasivní prvky: Zajišťují filtraci, časování a správu napájení.
• Aktivní součástky: Řídí spínání, zesílení nebo zpracování dat.

Jak pracují tištěné spoje:

• Napájení je vedeno ze zdroje přes měděné dráhy ke každé součástce, čímž se aktivuje obvodový vzor dle návrhu desky plošných spojů.
• Cesty signálů jsou stíněny/odděleny uzemněnými a napájecími vrstvami, aby byz zajistil bezchybný provoz ve složitých obvodových návrzích.

Aplikace a výhody v moderní elektronice

Desky se používají téměř ve všech oblastech:

• Spotřební zařízení: Jednostranné, oboustranné a vysoce husté vícevrstvé desky jsou používány v telefonech, noteboocích, chytrých hodinkách a nositelných zařízeních.
• Průmyslová elektronika: Pro robotiku, řídicí moduly, senzory a zdroje napájení, zejména pro pohyblivé klouby, jsou vyžadovány robustní tuhé návrhy desek plošných spojů a příležitostně i flexibilní obvody.
• Lékařské vybavení: Ve diagnostických přístrojích a přenosných monitorech jsou často vyžadovány vícevrstvé, rigid-flex nebo HDI desky s vysokou spolehlivostí.
• Automobilový a letecký průmysl: Flexibilní, vícevrstvé nebo desky s kovovým jádrem jsou využívány kvůli odolnosti proti vibracím, extrémním teplotám a vysokým elektrickým zatížením.

Hlavní výhody

• Dosahují vyšší hustoty obvodů pro kompaktní konstrukce.
• Snížení nákladů díky automatizované výrobě a montáži desek.
• Jednoduchá výměna vadných desek díky modulární opravě a aktualizaci.
• Chrání měděné vrstvy a udržuje funkčnost obvodu.
• Usnadňují složité, spolehlivé a rychlejší návrhy obvodů pro moderní požadavky.

Budoucí trendy a tipy v průmyslu desek plošných spojů

S pokrokem technologie se průmysl desek plošných spojů (PCB) neustále vyvíjí. Následující faktory formují další éru vývoje a aplikací tištěných spojových desek:

Přesun směrem ke zvýšené hustotě a miniaturizaci

• Návrh HDI: Rostoucí poptávka po vyšší hustotě obvodů podporuje široké přijetí desek plošných spojů s vysokou hustotou propojení (HDI). Ty jsou nezbytné ve chytrých telefonech, tabletech a pokročilých nositelných zařízeních a využívají mikroprůchody a extrémně jemné spoje, aby ve menším prostoru umístily více připojení.
• Inovace flexibilních substrátů a flexibilních desek plošných spojů: Roste oblíbenost flexibilních obvodů, což znamená, že stále více návrhů vyžaduje řešení pomocí flexibilních nebo tuho-flexibilních desek (flex pcb), které umožňují elektronickým zařízením ohýbat se, skládat se a vkládat se do tvarů dříve nepředstavitelných – což je zvláště důležité u lékařských implantátů, skládacích telefonů a automobilových senzorů.

Pokročilé materiály a environmentální zaměření

• Neustále vznikají nové izolační materiály a substráty desek, jejichž cílem je dosáhnout nižších ztrát při přenosu signálu, lepší účinnosti tepelného managementu a ekologičtějších výrobních procesů.
• Bezolovnaté pájení, bezhalogenové lamináty a recyklovatelná výroba tištěných spojů jsou čím dál více upřednostňovány, aby byly splněny globální standardy udržitelnosti.

Inteligentnější návrh a testování tištěných spojů

• Nástroje počítačové podpory návrhu: Tyto nástroje umožňují rychlé prototypování, předvídání chyb a simulace ještě před výrobou fyzických desek, čímž se snižují náklady na dodatečné opravy a výrazně se zkracují doby návrhu i u složitých tištěných spojů.
• Revize návrhu a testování: Technologie digitálního dvojčete a simulace obvodů mohou přesně napodobit chování obvodů ve skutečném provozu a tak odhalit potenciální nedostatky již ve fázi návrhu.
• Automatizovaná optická inspekce (AOI): Zatímco deska plošných spojů po výrobě prochází testováním, umělá inteligence podporovaná AOI a elektrické testy odhalují mikrodefekty, čímž zajišťují výtěžnost výroby a spolehlivost pro aplikace kritické pro provoz.

Závěr

V podstatě je deska plošných spojů jako neviditelný skelet všech elektronických zařízení. V každodenním životě ji často nevidíme, ale skrývá se uvnitř každého produktu, který používáme. Nejenže propojuje a upevňuje elektronické komponenty, ale díky svým různým typům a přesným návrhům se přizpůsobuje potřebám různých scénářů a činí realitou možnosti chytrého bydlení.