Printede kretskort (PCB) grunnleggende: Elektronikk og kretsteknisk design

Introduksjon

Smarttelefoner, klokker, TV-er og andre elektroniske enheter er overalt i vårt daglige liv og gir utallige fordeler. Deres framvekst er knyttet tett til oppfinnelsen av trykte kretskort (PCB). Trykte kretskort gjør ikke bare elektroniske enheter mindre, men reduserer også produksjonskostnadene for høytytende kretser. I denne artikkelen vil jeg gå nærmere inn på hva PCB-er er, deres typer og design, samt deres betydning for utviklingen av moderne teknologi.

Hva er en PCB?

PCB er en av de viktigste komponentene i elektroniske enheter. Den består av flere nøkkeldeler, hver med en spesifikk funksjon. PCB brukes til å koble og støtte elektroniske komponenter og gi elektrisk og mekanisk støtte. PCB-er bruker ledende baner, spor eller signalføringer som er etsa ut fra kobberplater laminert på et ikke-ledende underlag som ikke leder strøm. Deretter monteres elektroniske komponenter på kortet, og etsing utføres på overflaten for å la strømmen flyte gjennom kobberet fra komponent til komponent.

PCB-basiskunnskap

• Kort uten komponenter: Et kort uten komponenter, også kjent som en ubesatt PCB, er et trykt kretskort uten elektroniske komponenter og kan ikke utføre noen elektriske funksjoner.
• Ensidig PCB: En ensidig PCB betyr at komponenter og kretsbaner er plassert utelukkende på én side av kortet. Denne typen PCB er enkel og mest brukt fordi disse PCB-ene er lette å designe og produsere.
• Dobbeltsidig PCB: Kobberbaner er laminert på begge sider av substratet, noe som støtter mer komplekse kretsløpsdesign og bruker gjennomgående hull (plated through-holes) for å opprette forbindelser mellom lag. I sammenligning med enkelsidige kort kan det håndtere mer sofistikerte kretser samtidig som det beholder utmerket kostnadseffektivitet.
• Flersjiktet PCB: Flerlags PCB betyr at denne typen PCB har minst tre ledende kobberlag. Dette oppnås hovedsakelig ved å lime og binde flere PCB-lag sammen med isolerende prepreg-materialer, noe som resulterer i høyere kretstetthet og muliggjør produksjon av avanserte kretskort for datamaskiner, servere og telekommunikasjonsutstyr.

PCB virker som

• Grunnlaget for pcb for hvert kretsløpsdesign.
• Et kart for montering av komponenter og routing av signaler.
• En plattform for å realisere komplekse elektroniske enhetsoperasjoner.

Typer kretskort og PCB-lag

Det er avgjørende å forstå de ulike typene kretskort for ingeniører, designere og studenter som skal inn i elektronikkindustrien.

Vanlige typer og strukturer

Materialer og struktur i PCB-design

Lagoppbyggingen og materialvalget til en PCB bestemmer direkte påliteligheten, ytelsen og produksjonskostnadene til elektroniske enheter.

Essensielle materialer

• Kobberlag: Det er den ledende ryggraden i en PCB, vanligvis laget av kobberfolie, og danner signaloverføringsbanene på kretskortet.
• Isolerende materiale: Vanlige substratmaterialer inkluderer FR-4 (fiberglass-epoxy) for standardkort, polyimid for fleksible kretser og keramiske substrater for høytytende militære/medisinske enheter.
• Lodemaske: Den fargede overtrekken (vanligvis grønn) som dekker kobberfolien for å beskytte kobberet og definere overflaten på pcb-en.
• Silkscreen: Skriver identifikatorer og veiledninger på pcb-overflaten for å lette plassering av komponenter og systemdiagnostikk.

PCB-lag og kretskortlayout

• Lag i en PCB: Lag i en PCB kan konfigureres etter behov for signal, strøm eller jording. Konstruksjonsregler og lagoppbygging påvirker direkte signalfart, krysslyd og EMI-styring.
• PCB-spor: Kretsmønsteret er definert av tynne og nøyaktige kobberbaner. Banenes bredde og avstand har stor betydning for strømbæreevne og signaloppførsel.
• Via: Metalliserte hull som kobler lagene i pcb-en og har en viktig funksjon i dobbeltsidige og flerlagete kretskort.

Forenklet sammenligning

Hvordan en kretskort (PCB) er laget og designprosessen

Verktøy og trinn for PCB-design

Konsept og skjema

Definer kretsen og velg komponenter. Populære PCB-designverktøy som Altium, Eagle og KiCAD gir datamaskinstøttet konstruksjon (CAD) for å sikre nøyaktige og feilfrie opplegg.

Opplegging og routing

Konverter skjemaet til kretskortoppsett, plasser komponenter og tegn koblingsspor. Viktig punkt er å minimere spornes lengde for kritiske signaler.

Designgjennomgang og simulering

Utfør Designregelkontroller (DRC) for å redusere produksjonsrisiko; simuler signalflyt for å sikre at det ikke oppstår kryssforstyrrelser eller ytelsesreduksjon.

Generering av Gerber-fil

Konverter designet til bransjestandardfiler for pcb-produksjon.

Produksjon

PCB er laget ved å lag på kopper og isolerende materiale, avbilde kretsen, etsing, boringer for viaer, påføring av loddemaske og deretter silkskjerm.

Montering

Komponenter monteres (SMT for overflatemontering eller THT for gjennomhullsmontering) og loddet fast på pcb-en.

Ferdige kort inspiseres, testes og sendes ut.

Komponenter på PCB-er og hvordan kretser fungerer

Printede kretskort (PCB) kan ikke fungere uavhengig, så hvert PCB består av en rekke elektroniske komponenter, inkludert ikke bare grunnleggende passive enheter som motstander og kondensatorer, men også komplekse komponenter som integrerte kretser, reléer, sensorer og tilkoblingsdeler. Plasseringen av disse komponentene er svært fleksibel og kan ordnes i henhold til designkrav. De kan distribueres individuelt på topp- eller bunnlagene av kretskortet, eller monteres samarbeidsvist på begge sider i dobbeltsidige eller flerlags kretskortstrukturer for å sammen skape et fullt fungerende kretssystem.

• Ledere og gjennomganger: Gir signaler mulighet til å passere «over kretskortet» og mellom lag på en kompakt og beskyttet måte.
• IC-er: Utfører logiske operasjoner, dataopplagring og signalbehandling—grunnlaget for smarte moderne elektroniske enheter.
• Passive elementer: Sørger for filtrering, tidsstyring og strømstyring.
• Aktive komponenter: Styrer bryting, forsterkning eller databehandling.

Hvordan kretskort fungerer:

• Strøm ledes fra en kilde gjennom kobberbaner til hver komponent, og aktiverer kretsmønsteret som definert av pcb-designet.
• Signalveier er skjermet/segregert av jord- og strømlag for å sikre ren drift i komplekse kretsløpsdesign.

Anvendelser og fordeler i moderne elektronikk

Kretskort brukes i nesten alle felt:

• Forbrukerelektronikk: Ensidige, dobbeltsidige og høydensitets flerlagete kretskort brukes i telefoner, bærbare datamaskiner, smartklokker og bærbare enheter.
• Industrielle elektronikk: Robuste stive PCB-design og til tider fleksible kretser er nødvendig for robotteknologi, kontrollmoduler, sensorer og strømforsyninger, spesielt for bevegelige ledd.
• Medisinsk utstyr: Flerlagete, rigid-flex- eller HDI-PCB-er med høy pålitelighet kreves ofte i diagnostiske maskiner og bærbare monitorer.
• Bilindustri og luftfart: Fleksible, flerlagete eller metallkjerne-PCB-er brukes for å tåle vibrasjoner, ekstreme temperaturer og høye elektriske belastninger.

Store fordeler

• Oppnå høyere kretstetthet for kompakte design.
• Reduser kostnader gjennom automatisert PCB-produksjon og montering.
• Erstatt defekte kort enkelt med modulær reparasjon og oppgradering.
• Beskytt kobberlag og oppretthold kretsens funksjonalitet.
• Muliggjør komplekse, pålitelige og raskere kretstegninger for moderne krav.

Fremtidige trender og tips i PCB-bransjen

Ettersom teknologien utvikler seg, fortsetter PCB-bransjen å utvikle seg. Her er hva som former neste tidsalder innen utvikling og bruk av trykte kretskort:

Bevegelsen mot høyere tetthet og miniatyrisering

• HDI-design: Den økende etterspørselen etter høyere kretstetthet driver den omfattende innføringen av High-Density Interconnect (HDI) PCB-er. Disse er integrert i smarttelefoner, nettbrett og avanserte bærbare enheter, og har mikrovias og ekstrafine spor for å få plass til flere koblinger på mindre plass.
• Innovasjoner i fleksible underlag og fleks-PCB: Populariteten til fleksible kretser betyr at stadig flere design nå krever fleks-PCB- eller stive-fleksible løsninger, noe som tillater elektroniske enheter å bøye, brette og passe inn i formfaktorer som tidligere var umulige – spesielt viktig for medisinske implantater, brettbare telefoner og autosensores.

Avanserte materialer og fokus på miljø

• Nye isolerende materialer og plateunderlag dukker kontinuerlig opp, med mål om å oppnå lavere transmisjonstap, bedre termisk håndtering og mer miljøvennlige produksjonsprosesser.
• Blyfri lodding, halogefrie laminater og resirkulerbar PCB-produksjon prioriteres økende for å møte globale bærekraftighetsstandarder.

Smarter PCB-design og testing

• Verktøy for datamaskinstøttet design: Disse muliggjør rask prototyping, feilprediksjon og simulering før fysiske kretskort produseres, noe som reduserer kostbare omgjøringer og betydelig forkorter designsykluser, selv for komplekse kretskort.
• Designgjennomgang og testing: Digital twin- og kretssimulerings-teknologier kan nøyaktig gjenspeile virkelige kretsers oppførsel og avdekke potensielle feil i designfasen.
• Automatisk optisk inspeksjon (AOI): Mens et PCB testes etter produksjon, oppdager AI-drevet AOI og elektrisk testing mikrofeil og sikrer produksjonsutbytte og pålitelighet for kritiske applikasjoner.

Konklusjon

I bunn og grunn er PCB-en som det usynlige skjelettet i alle elektroniske enheter. Vi ser den sjelden i hverdagen, men den er skjult inni alle produktene vi bruker. Den kobler ikke bare sammen og sikrer elektroniske komponenter. Med sine mange typer og nøyaktige design tilpasser den seg behovene i ulike situasjoner og gjør smart hverdagsliv til en realitet.