Asas Papan Litar Bercetak (PCB): Elektronik & Reka Bentuk Litar

Pendahuluan

Telefon pintar, jam tangan, televisyen, dan peranti elektronik lain tersebar luas dalam kehidupan harian kita, membawa pelbagai kemudahan. Kewujudan mereka tidak dapat dipisahkan daripada penemuan papan litar bercetak (PCB). Papan litar bercetak tidak sahaja membolehkan pengecilan peranti elektronik, malah mengurangkan kos pengeluaran litar berprestasi tinggi. Dalam artikel ini, saya akan menerangkan secara terperinci apakah itu PCB, jenis-jenis dan rekabentuknya, serta kepentingannya kepada pembangunan teknologi moden.

Apa itu PCB?

PCB adalah salah satu komponen utama peranti elektronik. Ia terdiri daripada beberapa bahagian utama, yang setiap satunya mempunyai fungsi tertentu. PCB digunakan untuk menyambung dan menyokong komponen elektronik serta memberikan sokongan elektrik dan mekanikal. PCB menggunakan laluan konduktif, trek atau surutan isyarat yang diukir dari kepingan tembaga yang dilaminasi ke atas substrat bukan konduktif yang tidak mengalirkan elektrik. Komponen elektronik kemudian ditambah ke papan tersebut dan pengukiran dibuat pada permukaannya, yang membolehkan arus mengalir melalui tembaga dari satu komponen ke komponen lain.

Asas PCB

• Papan kosong: Papan kosong, juga dikenali sebagai PCB yang tidak dipopulasikan, adalah papan litar bercetak yang tidak membawa sebarang komponen elektronik dan tidak dapat menjalankan sebarang fungsi elektrik.
• PCB satu sisi: PCB satu sisi bermaksud komponen dan suratan litar terletak secara eksklusif pada satu sisi papan sahaja. Jenis PCB ini adalah mudah dan paling banyak digunakan kerana PCB ini senang direka bentuk dan dikilangkan.
• PCB dua sisi: Ciri-ciri lapisan tembaga dilaminasi pada kedua-dua belah substrat, menyokong rekabentuk litar yang lebih kompleks dan menggunakan vias (lubang berlapis) untuk menubuhkan sambungan antara lapisan. Berbanding papan satu sisi, ia boleh memuatkan litar yang lebih canggih sambil mengekalkan keberkesanan kos yang sangat baik.
• PCB Berbilang Lapisan: PCB berbilang lapisan bermaksud jenis PCB ini mempunyai sekurang-kurangnya tiga lapisan konduktif tembaga. Ia terutamanya dicapai dengan cara melaminasi dan melekatkan beberapa lapisan PCB dengan bahan prepreg penebat, menghasilkan ketumpatan litar yang lebih tinggi dan membolehkan pengeluaran papan litar lanjutan untuk komputer, pelayan, dan peralatan telekomunikasi.

PCB Bertindak Sebagai

• Tapak PCB bagi setiap rekabentuk litar.
• Peta untuk pemasangan komponen dan penghantaran isyarat.
• Platform untuk melaksanakan operasi peranti elektronik yang kompleks.

Jenis Papan Litar dan Lapisan PCB

Adalah penting untuk memahami pelbagai jenis papan litar sebagai asas bagi jurutera, pereka, dan pelajar yang memasuki industri elektronik.

Jenis & Struktur Lazim

Bahan dan Struktur dalam Rekabentuk PCB

Susunan lapisan dan pemilihan bahan bagi PCB secara langsung menentukan kebolehpercayaan, prestasi, dan kos pengeluaran peranti elektronik.

Bahan Penting

• Lapisan Tembaga: Ia adalah rangka pengalir bagi papan litar bercetak (PCB), yang biasanya diperbuat daripada kerajang tembaga, membentuk laluan penghantaran isyarat pada papan litar.
• Bahan Penebat: Bahan substrat biasa termasuk FR-4 (epoksi kaca gentian) untuk papan piawai, poliimida untuk litar fleksibel, dan substrat seramik untuk peralatan militer/perubatan berkualiti tinggi.
• Topeng Solder: Lapisan berwarna (biasanya hijau) yang menutupi kerajang tembaga untuk melindungi tembaga dan menentukan permukaan PCB.
• Skrin Sutera: Cetakan pengecam dan panduan pada permukaan PCB memudahkan pemasangan komponen dan diagnostik sistem.

Lapisan PCB dan Susun Atur Papan

• Lapisan PCB: Lapisan PCB boleh dikonfigurasikan mengikut keperluan isyarat, kuasa, atau pembumian. Peraturan reka bentuk dan susunan lapisan secara langsung mempengaruhi kelajuan isyarat, sambungan silang, dan pengurusan EMI.
• Jejak PCB: Corak litar ditakrifkan oleh laluan tembaga yang nipis dan tepat. Lebar dan jarak antara jalur ini memainkan peranan penting dalam kapasiti arus dan tingkah laku isyarat.
• Via: Lubang berlapis yang menghubungkan lapisan-lapisan papan pcb dan memainkan fungsi penting dalam papan dua sisi dan berbilang lapisan.

Perbandingan Ringkas

Bagaimana PCB Dibuat & Proses Reka Bentuk

Alat dan Langkah Reka Bentuk PCB

Konsep & Skematik

Takrifkan litar dan pilih komponen. Alat reka bentuk pcb yang popular seperti Altium, Eagle, dan KiCAD menyediakan kemampuan rekabentuk berbantuan komputer untuk memastikan susunan yang tepat dan bebas ralat.

Susun Atur & Perutean

Tukarkan skematik kepada susunan PCB, menyusun komponen dan melukis jejak sambungan. Perkara utama adalah meminimumkan panjang jejak bagi isyarat kritikal.

Semakan Reka Bentuk & Simulasi

Jalankan Semakan Peraturan Reka Bentuk (DRC) untuk meminimumkan risiko pengeluaran; simulasi aliran isyarat untuk memastikan tiada sambungan silang atau kehilangan prestasi.

Penjanaan Fail Gerber

Tukarkan reka bentuk kepada fail piawaian industri untuk pengeluaran pcb.

Pembuatan

PCB dibuat dengan mengimpal lapisan tembaga dan bahan penebat, mencetak imej litar, mengecap, melubangi via, memohon topeng solder, dan kemudian silkscreen.

Pemasangan

Komponen dipasang (SMT untuk pemasangan permukaan atau THT untuk lubang tembus) dan dikimpal ke papan litar bercetak (pcb).

Papan akhir diperiksa, diuji, dan dihantar.

Komponen pada PCB dan Cara Litar Berfungsi

Papan litar bercetak (PCB) tidak dapat berfungsi secara bebas, maka setiap PCB terdiri daripada pelbagai komponen elektronik, termasuk bukan sahaja peranti pasif asas seperti perintang dan kapasitor, tetapi juga komponen kompleks seperti litar bersepadu, geganti, sensor, dan penyambung. Penempatan komponen-komponen ini sangat fleksibel dan boleh disusun mengikut keperluan rekabentuk. Mereka boleh diedarkan secara individu pada lapisan atas atau bawah papan, atau boleh dipasang bersama pada kedua-dua belah dalam struktur papan dua sisi atau berbilang lapisan untuk membina sistem litar yang sepenuhnya berfungsi.

• Jejak dan Vias: Membolehkan isyarat melalui 'merentasi papan' dan antara lapisan dengan cara padat dan terlindung.
• IC: Lakukan operasi logik, storan data, dan pemprosesan isyarat—asas bagi elektronik moden yang pintar.
• Unsur Pasif: Menyediakan penapisan, pensuisan masa, dan pengurusan kuasa.
• Komponen Aktif: Mengawal pensuisan, penguatan, atau pemprosesan data.

Cara Papan Litar Berfungsi:

• Kuasa dihantar dari sumber melalui jejak tembaga ke setiap komponen, mengaktifkan corak litar seperti yang ditentukan oleh rekabentuk pcb.
• Laluan isyarat dilindungi/diasingkan oleh lapisan bumi dan kuasa untuk memastikan operasi yang bersih dalam rekabentuk litar kompleks.

Aplikasi dan Kelebihan dalam Elektronik Moden

Papan digunakan dalam hampir setiap bidang:

• Peranti Pengguna: Papan satu sisi, dua sisi, dan berbilang lapisan berketumpatan tinggi digunakan dalam telefon, komputer riba, jam tangan pintar, dan peranti boleh pakai.
• Elektronik perindustrian: Reka bentuk PCB kaku yang kukuh dan kadangkala litar fleksibel diperlukan untuk robotik, modul kawalan, sensor, dan bekalan kuasa, terutamanya untuk sendi yang bergerak.
• Peralatan perubatan: PCB berbilang lapisan, gabungan kaku-fleksibel, atau HDI dengan kebolehpercayaan tinggi sering diperlukan dalam mesin diagnostik dan pemantau mudah alih.
• Automotif & Aerospace: PCB fleksibel, berbilang lapisan, atau berteras logam digunakan untuk menahan getaran, suhu ekstrem, dan beban elektrik yang tinggi.

Kelebihan Utama

• Mencapai ketumpatan litar yang lebih tinggi untuk reka bentuk padat.
• Mengurangkan kos melalui pengeluaran dan pemasangan PCB secara automatik.
• Menggantikan papan yang rosak dengan mudah melalui baiki dan naik taraf modular.
• Melindungi lapisan kuprum dan mengekalkan kefungsian litar.
• Memudahkan rekabentuk litar yang rumit, boleh dipercayai, dan lebih cepat untuk keperluan moden.

Trend Masa Depan dan Tips dalam Industri PCB

Dengan perkembangan teknologi, industri PCB terus berkembang. Inilah yang membentuk era seterusnya dalam pembangunan dan aplikasi papan litar bercetak:

Pergerakan ke Arah Ketumpatan Lebih Tinggi dan Pengecilan Saiz

• Rekabentuk HDI: Permintaan yang semakin meningkat untuk ketumpatan litar yang lebih tinggi mendorong penggunaan meluas Papan Litar Bercetak Sambungan Ketumpatan Tinggi (HDI). Ini penting dalam telefon pintar, tablet, dan peranti siaran lanjutan, dengan ciri-ciri mikrovia dan jejak ultra-halus untuk memuatkan lebih banyak sambungan dalam ruang yang lebih kecil.
• Substrat Fleksibel & Inovasi PCB Fleksibel: Populariti litar fleksibel bermaksud lebih banyak rekabentuk kini memerlukan penyelesaian PCB fleksibel atau gabungan keras-fleksibel, membolehkan peranti elektronik dibengkokkan, dilipat, dan ditempatkan dalam bentuk yang sebelum ini mustahil—terutamanya penting untuk implan perubatan, telefon boleh lipat, dan sensor automotif.

Bahan Lanjutan dan Fokus Alam Sekitar

• Bahan penebat baharu dan substrat papan terus muncul, bertujuan mencapai kehilangan penghantaran yang lebih rendah, kecekapan pengurusan haba yang ditingkatkan, dan proses pembuatan yang lebih mesra alam sekitar.
• Pematerian tanpa plumbum, laminat bebas halogen, dan pengeluaran PCB boleh dikitar semula semakin diutamakan untuk memenuhi piawaian kelestarian global.

Reka Bentuk dan Pengujian PCB yang Lebih Pintar

• Alat Reka Bentuk Bantu Komputer: Ini membolehkan prototaip pantas, ramalan ralat, dan simulasi sebelum papan fizikal dibuat, mengurangkan kerja semula yang mahal sambil memendekkan kitaran reka bentuk secara ketara walaupun untuk papan litar yang kompleks.
• Ulasan Reka Bentuk dan Pengujian: Teknologi pasangan digital dan simulasi litar boleh meniru tingkah laku litar dunia sebenar dengan tepat, mengenal pasti kecacatan yang berpotensi pada peringkat reka bentuk.
• Pemeriksaan Optikal Automatik (AOI): Walaupun PCB diuji selepas pengeluaran, AOI berkuasa AI dan ujian elektrik dapat mengesan kecacatan mikro, memastikan hasil pengeluaran dan kebolehpercayaan untuk aplikasi kritikal.

Kesimpulan

Secara dasarnya, PCB ibarat rangka tidak kelihatan bagi semua peranti elektronik. Kita tidak kerap melihatnya dalam kehidupan harian, tetapi ia tersembunyi di dalam setiap produk yang kita gunakan. Ia bukan sahaja menyambung dan memperkukuh komponen elektronik, malah dengan pelbagai jenis dan rekabentuk tepatnya, ia menyesuaikan diri dengan keperluan pelbagai situasi, menjadikan kemungkinan gaya hidup pintar menjadi kenyataan.