Painolevyn (PCB) perusteet: Elektroniikka ja piirisuunnittelu

Johdanto

Älypuhelimet, kellot, televisiot ja muut sähköiset laitteet ovat läsnä jokapäiväisessä elämässämme tuoden mukanaan lukemattomia etuja. Niiden syntymiselle ei voida erottaa painatuista piirilevyistä (PCB). Painetut piirilevyt mahdollistavat paitsi elektronisten laitteiden miniatyrisoinnin myös korkean suorituskyvyn piirien valmistuskustannusten alentamisen. Tässä artikkelissa käsitellään tarkasti, mitä PCB:t ovat, niiden tyypit ja suunnittelut sekä niiden merkitys modernin teknologian kehitykselle.

Mitä on PCB?

PCB on yksi elektronisten laitteiden keskeisistä komponenteista. Se koostuu useista avaintekijöistä, joilla kullekin on tarkoitettu tietty tehtävä. PCB:tä käytetään elektronisten komponenttien yhdistämiseen ja tukemiseen sekä sähköiseen ja mekaaniseen tukeen. PCB:ssä käytetään kuparilehdistä levitettyjä johtavia ratoja, jälkiä tai signaalijälkiä, jotka on syövytetty eristävälle alustalle, joka ei johda sähköä. Elektroniset komponentit lisätään levylle, ja sen pinnalle tehdään syövytyksiä, jotka mahdollistavat virran kulun kuparin läpi komponentista toiseen.

PCB-perusteet

• Tyhjä levy: Tyhjä levy, myös tunnetaan nimellä asentamaton PCB, on painettu piirilevy, jolla ei ole elektronisia komponentteja eikä se voi suorittaa mitään sähköisiä toimintoja.
• Yksipuolinen PCB: Yksipuolinen PCB tarkoittaa, että komponentit ja piiriradat sijaitsevat yksinomaan levyn toisella puolella. Tämä tyyppi on yksinkertainen ja eniten käytetty PCB, koska näitä PCB:itä on helppo suunnitella ja valmistaa.
• Kaksipuolinen PCB: Piirilevyissä kupariradat on laminoidtu substraatin molemmille puolille, mikä mahdollistaa monimutkaisempien piirisuunnitelmien käytön ja reikien (metallipinnoitteisten läpivientireikien) hyödyntämisen yhteyksien luomiseksi kerrosten välillä. Yksipuolisiin levyihin verrattuna ne sopivat paremmin monimutkaisiin piireihin samalla kun säilyttävät erinomaisen kustannustehokkuuden.
• Monikerroksinen PCB: Monikerroksinen PCB tarkoittaa, että tämän tyyppisessä PCB:ssä on vähintään kolme kuparista johtokerrosta. Tämä saavutetaan pääasiassa liimaamalla useita PCB-kerroksia yhteen eristävillä prepeg-materiaaleilla, mikä johtaa korkeampaan piiritiheyteen ja mahdollistaa edistyneiden piirilevyjen valmistuksen tietokoneisiin, palvelimiin ja telekommunikaatiolaitteisiin.

PCB toimii

• Perustana jokaiselle piirisuunnitelmalle.
• Karttana komponenttien asennukselle ja signaalien reititykselle.
• Alustana monimutkaisten sähköisten laitteiden toiminnon toteuttamiseksi.

Piirilevytyypit ja PCB-kerrokset

On olennaista ymmärtää erilaiset piirilevytyypit, jotka ovat avainasemassa insinööreille, suunnittelijoille ja opiskelijoille, jotka siirtyvät elektroniikka-alalle.

Yleiset tyypit ja rakenteet

Materiaalit ja rakenne PCB-suunnittelussa

PCB:n kerrosrakenteen ja materiaalivalinnan suora vaikutus sähköisten laitteiden luotettavuuteen, suorituskykyyn ja valmistuskustannuksiin.

Välttämättömät materiaalit

• Kuparikerros: Se on PCB:n johtava runko, joka on yleensä valmistettu kuparifoliosta ja muodostaa signaalien siirtoreitit piirilevyllä.
• Eristämateriaali: Yleisiä substraattimateriaaleja ovat FR-4 (lasikuitu-epoksi) tavallisiin levyihin, polyimidi joustaviin piireihin ja keraamiset substraatit korkean tason sotilaallisessa/lääketieteellisessä käytössä.
• Liu'utusmaski: Värillinen päällyste (yleensä vihreä), joka peittää kuparifolion suojatakseen kuparia ja määrittelemään PCB:n pinnan.
• Silkkipaino: Tulostaa tunnisteet ja ohjeet PCB:n pinnalle helpottaakseen komponenttien asennusta ja järjestelmän vianmääritystä.

PCB-kerrokset ja levyn asettelu

• PCB:n kerros: PCB:n kerros voidaan konfiguroida signaalin, virran tai maadoituksen tarpeisiin. Suunnittelusäännöt ja kerrospinot vaikuttavat suoraan signaalin nopeuteen, kytkentähäiriöihin ja EMI-hallintaan.
• PCB-johdot: Piirikuvio muodostuu ohuista ja tarkista kuparireiteistä. Niiden leveys ja välimatka ovat ratkaisevassa asemassa virrankuljetuskyvyssä ja signaalikäyttäytymisessä.
• Viat: Metallipinnoitetut reiät, jotka yhdistävät PCB:n kerroksia ja toimivat keskeisessä roolissa kaksipuolisisa ja monikerroksisissa piirilevyissä.

Yksinkertaistettu vertailu

Kuinka PCB valmistetaan ja suunnitteluprosessi

PCB-suunnittelutyökalut ja vaiheet

Konsepti ja kytkentäkaavio

Määritä piiri ja valitse komponentit. Suosittuja PCB-suunnittelutyökaluja, kuten Altium, Eagle ja KiCAD, tarjoavat tietokoneavusteisen suunnittelun ominaisuuksia tarkkojen ja virheettömien asettelujen varmistamiseksi.

Askelmalli ja reititys

Muunna kytkentäkaavio PCB-asemaksi, järjestä komponentit ja piirrä yhteysjohdot. Tärkeää on minimoida johdinpituus kriittisille signaaleille.

Suunnittelun tarkastus ja simulointi

Suorita suunnitteluohjeiden tarkistukset (DRC) tuotantoriskien vähentämiseksi; simuloi signaalivirtausta varmistaaksesi, ettei esiinny häiriöitä tai suorituskyvyn heikkenemistä.

Gerber-tiedoston generointi

Muunna suunnittelu teollisuuden standardimuotoisiin tiedostoihin PCB:n valmistusta varten.

Valmistus

PCB valmistetaan kerrostamalla kuparia ja eristeainetta, kuvaamalla piiri, syövyttämällä, poraamalla viat, käyttämällä juotosuojaa ja sitten silkkipainoa.

Asennusaikaa

Komponentit asennetaan (SMT pintakiinnitykselle tai THT reikäkiinnitykselle) ja juotetaan PCB:lle.

Lopulliset levyt tarkastetaan, testataan ja toimitetaan.

Komponentit PCB:illä ja miten piirit toimivat

Painetut piirilevyt (PCB) eivät voi toimia itsenäisesti, joten jokainen piirilevy koostuu erilaisista elektronisista komponenteista, mukaan lukien paitsi peruspassiivisia komponentteja, kuten vastuksia ja kondensaattoreita, myös monimutkaisia komponentteja, kuten integroidut piirit, releet, anturit ja liittimet. Näiden komponenttien sijoittelu on erittäin joustavaa, ja ne voidaan järjestää suunnittelun vaatimusten mukaan. Ne voidaan sijoittaa yksittäin levyn ylä- tai alapuolelle tai asentaa molemmille puolille kaksipuolisissa tai monikerroksisissa rakenteissa, muodostaen näin täysin toimivan piirisysteemin.

• Jäljet ja viat: Mahdollistavat signaalien siirtymisen "levyn läpi" ja kerrosten välillä tiiviissä ja suojatussa muodossa.
• IC:t: Suorittavat loogisia operaatioita, tietojen tallennusta ja signaalinkäsittelyä – ne ovat perusta älykkäille nykyaikaisille elektroniikkalaitteille.
• Passiiviset komponentit: Tarjoavat suodatusta, ajoitusta ja tehonhallintaa.
• Aktiiviset komponentit: Ohjaavat kytkentää, vahvistusta tai tietojenkäsittelyä.

Miten piirisuunnitelmia toimivat:

• Virta ohjataan lähteestä kupariratojen kautta jokaiseen komponenttiin, käynnistäen piirikuvion niin kuin pcb-suunnittelu määrittää.
• Signaalireitit suojataan/erotellaan maadoitus- ja virtakerroksilla varmistaakseen puhdistoiminnan monimutkaisissa piirisuunnitelmissa.

Sovellukset ja edut nykyaikaisessa elektroniikassa

Piirilevyjä käytetään lähes jokaisella alalla:

• Kuluttajalaitteet: Yksipuolisia, kaksipuolisia ja tiheärakenteisia monikerroksisia levyjä käytetään puhelimissa, kannettavissa tietokoneissa, älykelloissa ja käytävissä laitteissa.
• Teollisuuselektroniikka: Roboteissa, ohjausmooduleissa, antureissa ja virtalähteissä, erityisesti liikkuvissa niveleissä, tarvitaan kestäviä jäykkiä PCB-ratkaisuja ja joskus joustavia piirejä.
• Lääketieteelliset laitteet: Diagnostiikkakoneissa ja kannettavissa monitorointilaitteissa vaaditaan usein monikerroksisia, jäykkä-joustavia tai HDI-piirilevyjä korkealla luotettavuudella.
• Autoteollisuus ja ilmailu: Joustavia, monikerroksisia tai metalliytimisiä piirilevyjä käytetään värähtelyjen, kovien lämpötilojen ja suurten sähkökuormien kestämiseen.

Merkittävät edut

• Saa korkeammat piiritiheydet kompakteihin suunnitteluun.
• Vähennä kustannuksia automatisoidulla PCB-valmistuksella ja asennuksella.
• Korvaa vioittuneet levyt helposti modulaarisella korjauksella ja päivityksellä.
• Suojaa kupkerakenteita ja ylläpidä piirien käyttökelpoisuutta.
• Mahdollista monimutkaiset, luotettavat ja nopeammat piirisuunnittelut nykyaikaisiin tarpeisiin.

Tulevaisuuden trendit ja vinkit PCB-teollisuudessa

Teknologian kehittyessä PCB-teollisuus jatkaa kehittymistään. Näin muodostuvat seuraavan sukupolven painetun piirilevyn kehitys ja sovellukset:

Siirtyminen korkeampaan tiheyteen ja miniatyrisointiin

• HDI-suunnittelu: Kasvava tarve korkeammalle piiritiheydelle on vauhdittamassa suuren tiheyden yhdistelmien (HDI) levien laajaa käyttöönottoa. Nämä ovat keskeisiä osia älypuhelimissa, tableteissa ja kehittyneissä säätimeissa, ja niissä on mikroviaat ja erittäin ohuet johdepolut, jotta mahdollisimman monta liitosta saadaan sopimaan mahdollisimman pienelle tilalle.
• Joustavat alustat ja joustavien piirilevyjen innovaatiot: Joustavien piirien suosion kasvu tarkoittaa, että yhä useampi suunnittelu edellyttää joustavan piirilevyn tai jäykän-joustavan ratkaisun käyttöä, mikä mahdollistaa elektronisten laitteiden taipumisen, taittamisen ja sijoittamisen aikaisemmin mahdottomiin muotoihin – erityisen tärkeää lääketieteellisissä implanteissa, taittuvissa puhelimissa ja auton teollisuuden antureissa.

Edistyneet materiaalit ja ympäristöpainotus

• Uusia eristysmateriaaleja ja levyn alustamateriaaleja kehitetään jatkuvasti saavuttamaan alhaisempi siirtymenhäviö, parannettu lämmönhallintatehokkuus ja ympäristöystävällisemmät valmistusprosessit.
• Lyijättömät juottamismenetelmät, hapettomia laminaatteja ja kierrätettävästi valmistettuja piirilevyjä priorisoidaan yhä enemmän vastatakseen globaaleihin kestävyyden standardeihin.

Älykkäämpi PCB-suunnittelu ja testaus

• Tietokoneavusteiset suunnittelutyökalut: Ne mahdollistavat nopean prototyypin valmistuksen, virheiden ennustamisen ja simuloinnin ennen kuin fyysiset piirit levyt valmistetaan, mikä vähentää kalliita uudelleen tehtäviä ja lyhentää merkittävästi suunnittelukierroksia, myös monimutkaisten piirilevyjen osalta.
• Suunnittelun tarkastus ja testaus: Digitaalinen kaksosteknologia ja piirisimulointitekniikat voivat tarkasti jäljitellä todellista piirin käyttäytymistä ja tunnistaa mahdollisia virheitä jo suunnitteluvaiheessa.
• Automaattinen optinen tarkastus (AOI): Vaikka PCB:t testataan tuotannon jälkeen, tekoälyllä varustettu AOI ja sähköiset testit havaitsevat mikrovirheet, varmistaen tuotantokelvollisuuden ja luotettavuuden kriittisissä sovelluksissa.

Johtopäätös

PCB on olennaisesti kaikkien elektronisten laitteiden näkymätön runko. Emme usein näe sitä arjessamme, mutta se on piilossa jokaisessa käyttämässämme tuotteessa. Se ei ainoastaan yhdistä ja kiinnitä elektronisia komponentteja, vaan sen monipuoliset tyypit ja tarkat suunnitteluratkaisut mukautuvat eri tilanteiden tarpeisiin, mikä tekee älykkään elämän mahdollisuuksista todellisuutta.