Басылған электрондық плата (PCB) негіздері: Электроника және тізбек дизайны

Кіріспе

Смартфондар, сағаттар, теледидарлар және басқа электронды құрылғылар біздің күнделікті өмірімізде кең таралған және шексіз ыңғайлылық әкеледі. Олардың пайда болуы басылған электрондық плата (PCB) ойлап табылуымен тығыз байланысты. Басылған электрондық платалар электронды құрылғылардың кішірейуін ғана емес, сонымен қатар жоғары өнімді тізбектердің өндіру құнын азайтады. Бұл мақалада мен PCB-лердің не екенін, олардың түрлері мен құрылымдарын және олардың заманауи технологияны дамытудағы маңызын қарастырамын.

ПҚТ деген не?

PCB электрондық құрылғылардың негізгі компоненттерінің бірі. Ол әрқайсысы нақты функцияны атқаратын бірнеше негізгі бөліктерден тұрады. PCB электрондық компоненттерді жалғау мен қолдау үшін, сондай-ақ электрлік және механикалық қолдау үшін қолданылады. PCB электр тогын өткізбейтін диэлектрик негізге ламинатталған мыс парақтарынан химиялық өңдеу арқылы жасалған өткізгіш жолдарды, трекстерді немесе сигнал іздерін пайдаланады. Содан кейін тақтаға электрондық компоненттер орнатылады және оның бетіне өңдеу жасалады, бұл токты компоненттен компонентке мыс арқылы жүргізуге мүмкіндік береді.

PCB негіздері

• Жалаңаш тақта: Жалаңаш тақта — электрондық компоненттері жоқ және ешқандай электрлік функцияларды орындай алмайтын, сонымен қатар толықтай бос PCB деп те аталады.
• Біржақты PCB: Біржақты PCB — бұл компоненттер мен схема трекстері тақтаның тек бір жағында орналасқан дегенді білдіреді. Мұндай PCB түрі қарапайым болып келеді және ең кең таралған түрі, себебі оларды жобалау мен шығару оңай.
• Екіжақты PCB: Өткізгіш қабаттар екі жағынан да қорғасынмен қапталған, тесіктер арқылы (металданған өткізгіш тесіктер) қабаттар арасындағы жалғауды қамтамасыз етеді. Біржақты тақталармен салыстырғанда, ол күрделірек схемаларды орналастыруға мүмкіндік береді және өте тиімді құнын сақтайды.
• Көпқабатты PCB: Көпқабатты PCB дегеніміз, бұл типтің кем дегенде үш өткізгіш қабаты бар болуы. Негізінен, изоляциялық прегрег материалдары арқылы бірнеше PCB қабатын қабаттап және желімдеу арқылы жеткізіледі, бұл жоғары дәрежедегі схемалық тығыздықты қамтамасыз етеді және компьютерлер, серверлер мен байланыс жабдықтары үшін күрделі тақталарды шығаруға мүмкіндік береді.

PCB ретінде пайдаланылады

• Әрбір схемалық дизайн үшін PCB негізі.
• Компоненттерді орнату және сигналдарды бағыттау үшін картасы.
• Күрделі электрондық құрылғылардың жұмысын іске асыру платформасы.

Схемалық тақталардың түрлері және PCB қабаттары

Электроника саласына кіретін инженерлер, дизайнерлер және студенттер үшін әртүрлі тақта түрлерін түсіну маңызды.

Жиі кездесетін түрлері мен құрылымдары

ПҚТ дизайнындағы материалдар мен құрылым

ПҚТ-ның қабаттық орналасуы мен материалды таңдау электрондық құрылғылардың сенімділігін, өнімділігін және өндіру құнын анықтайды.

Негізгі материалдар

• Мырыш қабаты: Бұл PCB-ның өткізгіш негізі, әдетте мы фольгасынан жасалады және платаның сигналдарды тарату жолдарын құрайды.
• Изоляциялық материал: Кең тараған субстрат материалдарына стандартты плата үшін FR-4 (шыныпластика эпоксиді), иілгіш схемалар үшін полиимид және жоғары санатты әскери/медициналық жабдықтар үшін керамикалық субстраттар жатады.
• Қорғау қабаты: Мы фольганы жауып тұратын боялған қабат (әдетте жасыл түсті), мыны қорғайды және PCB бетін анықтайды.
• Силекография: PCB бетіне компоненттерді орнатуды және жүйені диагностикалауды жеңілдету үшін идентификаторлар мен нұсқаулар басылады.

ПҚБ қабаттары мен тақтаның схемасы

• PCB қабаты: PCB қабаты сигнал, қуат немесе жерге қосу қажеттіліктері үшін конфигурациялануы мүмкін. Дизайн ережелері мен қабаттардың орналасуы сигнал жылдамдығына, өзара әсерлерге және ЭМИ басқаруына тікелей әсер етеді.
• PCB трассалары: Схема өте жіңішке және дәл мы жолдарымен анықталады. Олардың ені мен арақашықтығы ток көлемі мен сигналдың мінез-құлқы үшін маңызды рөл атқарады.
• Плата қабаттарын байланыстыратын және екіжақты және көпқабатты тақталарда маңызды функцияны атқаратын металдалған тесіктер.

Ықшамдалған салыстыру

ППТ жасалуы мен жобалау процесі

ППТ жобалау құралдары мен кезеңдері

Концепция және схема

Тізбекті анықтау және компоненттерді таңдау. Төменгі қателерге жол бермейтін дәл схемалар жасау үшін Altium, Eagle және KiCAD сияқты кеңінен қолданылатын ППТ жобалау құралдары компьютерлік жобалау мүмкіндіктерін ұсынады.

Орналасуы және трассировка

Схеманы ППТ орналасуына түрлендіру, компоненттерді орналастыру және байланыс трассаларын сызу. Негізгі мақсат — маңызды сигналдар үшін трасса ұзындығын минималдандыру.

Жобаны тексеру және модельдеу

Өндірістік қауіптерді азайту үшін Дизайн ережелерін тексеруді (DRC) жүргізіңіз; сигнал ағымын модельдеу арқылы кросс-тосылу немесе өнімділік жоғалтуы болмауын қамтамасыз етіңіз.

Gerber Файлдарын Жасау

PCB өндірісі үшін дизайнды өнеркәсіптік стандартты файлдарға түрлендіру.

Құрастыру

Плата қабатты мыс пен изоляциялық материалдан жасалады, одан кейін схема бейнесі түсіріледі, эрозиялау, виа-тақталарды бұрғылау, лак жағу және содан кейін силикография жүргізіледі.

Ассамблея

Компоненттер (беттік монтажды SMT немесе тесіктен өтетін THT) платаның бетіне орнатылып және дәнекерленеді.

Соңғы платалар тексеріліп, сынақтан өткізіледі және жөнелтіледі.

Платадағы компоненттер және тізбектердің жұмыс істеу принципі

Басылған электрондық плата (PCB) өз бетінше жұмыс істей алмайды, сондықтан әрбір PCB резисторлар мен конденсаторлар сияқты негізгі пассивті құрылғылармен қатар интегралдық схемалар, релелер, сенсорлар және разъемдер сияқты күрделі компоненттерден тұрады. Осы компоненттерді орналастыру өте икемді болып келеді және жобалау талаптарына сәйкес орналастырылуы мүмкін. Олар тақшаның жоғарғы немесе төменгі қабаттарында жеке таратылуы мүмкін немесе екі жақты немесе көп қабатты тақта құрылымында екі жағына да бірлесіп орнатылып, толық функционалды электрондық жүйе құруы мүмкін.

• Трассалар мен Виа: Сигналдарды тығыз және қорғалған түрде тақтаның бойымен және қабаттар арасында өтуіне мүмкіндік береді.
• ИС: Логикалық операцияларды, деректерді сақтауды және сигналды өңдеуді орындайды — заманауи ақылды электрониканың негізі.
• Пассивті элементтер: Сүзу, уақытты белгілеу және қуатты басқару үшін қажет.
• Белсенді компоненттер: Ауыстыруды, күшейтуді немесе деректерді өңдеуді басқарады.

Қалташалар қалай жұмыс істейді:

• Ток көзінен меді ерітінділер арқылы әрбір компонентке бағытталады, осылайша pcb құрылымымен анықталған схема активтенеді.
• Сигналдық жолдар күрделі схема құрылымдарында таза жұмыс істеу үшін жерлендіру және қуат қабаттарымен экранның ішіне алынған/ажыратылған.

Қазіргі электроникадағы қолданылуы мен артықшылықтары

Тақталар әртүрлі салада кеңінен қолданылады:

• Тұтынушы құрылғылары: Біржақты, екіжақты және жоғары тығыздықты көпқабатты тақталар телефондарда, ноутбуктерде, ақылды сағаттарда және киілетін құрылғыларда пайдаланылады.
• Өнеркәсіптік электроника: Робототехника, басқару модульдері, сенсорлар және қуат көздері үшін, әсіресе қозғалмалы буындар үшін, берік қатты ПП және кейде иілгіш тізбектер қажет.
• Медициналық жабдықтар: Диагностикалық машиналар мен портативті мониторларда жиі көпқабатты, қатты-иілгіш немесе HDI ПП-лер қажет болады.
• Автомобиль және аэроғарыш: Тербелістерге, қатаң температураға және жоғары электр жүктемелеріне шыдайтын иілгіш, көпқабатты немесе металл негізді ПП-лер қолданылады.

Негізгі артықшылықтар

• Тығыз конструкциялар үшін жоғары схема тығыздығына қол жеткізіңіз.
• Автоматтандырылған PCB өндірісі мен жинау арқылы шығындарды төмендетіңіз.
• Модульді жөндеу және жаңарту арқылы дұрыс емес тақталарды оңай ауыстырыңыз.
• Мыс қабаттарын қорғаңыз және схеманың пайдаланылуын сақтаңыз.
• Қазіргі талаптарға сәйкес күрделі, сенімді және жылдам схема дизайнын жеңілдетіңіз.

Печаттық платалар саласындағы болашақтағы тенденциялар мен кеңестер

Технология даму үстінде, сондықтан печаттық платалар саласы да дамуда. Печаттық платалардың дамуы мен қолданылуының келесі кезеңін қалайтаратын факторлар:

Жоғары тығыздыққа және миниатюризацияға ұмтылу

• HDI Дизайн: Жоғары схема тығыздығына деген өсетін сұраныс Жоғары Тығыздықты Интерконнект (HDI) ППС-тің кең таралуын ынталандыруда. Олар микросаңылаулар мен өте жіңішке трассаларды қолданатын смартфондарда, планшеттерде және алдыңғы қатарлы тозатын құрылғыларда маңызды рөл атқарады және кем кеңістікке көбірек байланыстырылу мүмкіндігін береді.
• Икемді Негіз & Икемді ППС Жаңашылықтары: Икемді схемалардың танымалдылығы бүгінгі күні электронды құрылғылардың иілуіне, бүгілуіне және бұрын мүмкін болмаған пішіндерге сәйкес келуіне мүмкіндік беретін икемді ППС немесе қатты-икемді шешімдерді қажет ететін көбірек схемалардың пайда болуына әкелуде — бұл медициналық имплантаттар, бүгілетін телефондар және автомобиль сенсорлары үшін ерекше маңызды.

Алдыңғы қатарлы Материалдар және Экологиялық Бағыт

• Төменгі тарату шығынын, жақсартылған жылу басқару тиімділігін және экологиялық тұрғыдан саналы өндіріс процестерін қамтамасыз ету мақсатында жаңа изоляциялық материалдар мен тақта негіздері үнемі пайда болып отыр.
• Қоршаған ортаны қорғау стандарттарына сай келу үшін қорғасыз дәнекерлеу, галогенсіз лактар және қайта өңделетін ППС өндірісі барынша үлкен басымдыққа ие.

Ақылды PCB құрылымы мен тестілеу

• Компьютерлік қолдаумен жобалау құралдары: Бұлар физикалық тақталар дайындалмас бұрын тез прототиптеу, қателерді болжау және симуляциялау мүмкіндігін береді, күрделі схемалық тақталар үшін де қайта жөндеуге байланысты шығындарды азайтып, құрылым циклін едәуір қысқартады.
• Жобаны тексеру және тестілеу: Цифрлық егіз және схема симуляциясы технологиялары нақты әлемдегі схема әрекетін дәлме-дәл қайталап, жобалау сатысында болуы мүмкін қателіктерді анықтай алады.
• Автоматтандырылған оптикалық тексеру (AOI): PCB өндірістен кейін тестіленгенімен, AI-мен қамтамасыз етілген AOI және электрлік тестілеу микротұстаптарды анықтап, маңызды қызметтік қолданбалар үшін өндіру шығымы мен сенімділікті қамтамасыз етеді.

Қорытынды

Негізінде, PCB барлық электрондық құрылғылардың көрінбейтін сүйегі сияқты. Біз оны күнделікті өмірімізде жиі көрмейміз, бірақ ол пайдаланатын әрбір өнімнің ішінде жасырын тұрады. Ол тек электрондық компоненттерді қосып қана қоймайды, сонымен қатар дәлме-дәл конструкциясы мен әртүрлі түрлері арқылы әртүрлі жағдайлардың қажеттіліктеріне бейімделеді, ақылды өмір сүру мүмкіндіктерін шындыққа айналдырады.