Noțiuni de bază despre plăci de circuit imprimat (PCB): Electronică și proiectare de circuite

Introducere

Telefoanele inteligente, ceasurile, televizoarele și alte dispozitive electronice sunt omniprezente în viața noastră de zi cu zi, aducând numeroase facilități. Apariția lor este indisolubil legată de inventarea plăcilor de circuit imprimat (PCB). Plăcile de circuit imprimat nu doar permit miniaturizarea dispozitivelor electronice, ci reduc și costurile de producție ale circuitelor de înaltă performanță. În acest articol, voi detalia ce sunt PCB-urile, tipurile și proiectările acestora, precum și importanța lor pentru dezvoltarea tehnologiei moderne.

Ce este un PCB?

PCB este una dintre componentele principale ale dispozitivelor electronice. Este compusă din mai multe părți cheie, fiecare având o funcție specifică. PCB-ul este utilizat pentru a conecta și susține componentele electronice și pentru a oferi suport electric și mecanic. PCB-urile folosesc trasee conductive, piste sau urme de semnal gravate din foi de cupru laminate pe un substrat neconductor care nu conduce electricitatea. Componentele electronice sunt apoi adăugate pe placă, iar gravațiile sunt realizate pe suprafața acesteia, permițând curentului să circule prin cupru de la un component la altul.

Noțiuni de bază despre PCB

• Placă goală: O placă goală, cunoscută și ca PCB nepopulat, este o placă de circuit imprimat care nu are componente electronice montate și nu poate îndeplini nicio funcție electrică.
• PCB cu o singură față: Un PCB cu o singură față înseamnă că componentele și traseele de circuit sunt localizate exclusiv pe o singură parte a plăcii. Acest tip de PCB este simplu și cel mai utilizat, deoarece aceste PCB-uri sunt ușor de proiectat și de fabricat.
• PCB cu dublă față: Caracteristici: traseele de cupru sunt laminate pe ambele părți ale suportului, permițând proiecte de circuite mai complexe și utilizarea vioanelor (găuri metalizate) pentru a stabili conexiuni între straturi. Comparativ cu plăcile monociclice, poate găzdui circuite mai sofisticate, menținând în același timp o eficiență excelentă a costurilor.
• PCB multic strat: O placă PCB multistrat înseamnă că acest tip de PCB are cel puțin trei straturi conductive de cupru. Se realizează în principal prin laminarea și lipirea mai multor straturi de PCB cu materiale izolatoare preimpregnate, rezultând o densitate mai mare a circuitelor și posibilitatea producției de plăci de circuit avansate pentru calculatoare, servere și echipamente de telecomunicații.

PCB Acționează Ca

• Baza plăcii PCB pentru orice proiect de circuit.
• O hartă pentru montarea componentelor și rutarea semnalelor.
• O platformă pentru implementarea operațiunilor complexe ale dispozitivelor electronice.

Tipuri de plăci de circuit și straturi PCB

Este esențial ca inginerii, designerii și studenții care intră în industria electronică să înțeleagă diferitele tipuri de plăci de circuit.

Tipuri și structuri comune

Materiale și Structură în Proiectarea PCB

Stivuirea straturilor și selecția materialelor unui PCB determină direct fiabilitatea, performanța și costul de producție al dispozitivelor electronice.

Materiale Esentiale

• Strat de cupru: Este scheletul conductor al unei plăci PCB, realizat în mod tipic din folie de cupru, formând traseele de transmisie a semnalelor pe placă.
• Material izolator: Materialeele suport comune includ FR-4 (epoxid cu fibră de sticlă) pentru plăci standard, poliimid pentru circuite flexibile și suporturi ceramice pentru echipamente militare/medicale de înaltă performanță.
• Mască de lipit: Acoperirea colorată (în general verde) care acoperă folia de cupru pentru a proteja cuprul și pentru a defini suprafața plăcii PCB.
• Serigrafie: Imprimarea identificatorilor și ghidurilor pe suprafața plăcii PCB facilitează poziționarea componentelor și diagnosticarea sistemului.

Straturi PCB și Layout-ul Plăcii

• Strat al unei plăci PCB: Un strat al unei plăci PCB poate fi configurat pentru nevoi de semnal, alimentare sau masă. Regulile de proiectare și structura stratificată afectează direct viteza semnalului, diafonia și gestionarea EMI.
• Urmări PCB: Modelul circuitului este definit de trasee subțiri și precise din cupru. Lățimea și distanțarea acestora joacă un rol crucial în capacitatea de curent și comportamentul semnalului.
• Trasee: Găuri metalizate care conectează straturile plăcii de circuit imprimat și au o funcție esențială în plăcile cu dublu strat și multistrat.

Comparație simplificată

Cum este realizat un PCB și procesul de proiectare

Instrumente și etape de proiectare PCB

Concept și schemă

Definiți circuitul și selectați componentele. Instrumente populare de proiectare PCB, cum ar fi Altium, Eagle și KiCAD, oferă funcționalități de proiectare asistată de calculator pentru a asigura o dispunere precisă și fără erori.

Dispunere și rutare

Convertiți schema într-o dispunere PCB, aranjați componentele și trasați conexiunile. Punctul cheie este minimizarea lungimii traseelor pentru semnalele critice.

Revizia proiectului și simulare

Efectuați verificări ale regulilor de proiectare (DRC) pentru a reduce riscurile de producție; simulați fluxul semnalului pentru a vă asigura că nu există diafonie sau pierderi de performanță.

Generare fișier Gerber

Convertește designul în fișiere standardizate pentru producția de PCB.

Fabricare

PCB-ul este realizat prin stratificarea cuprului și a materialului izolator, imprimarea circuitului, gravarea, perforarea cu găuri conductoare, aplicarea măștii de lipit și apoi serigrafia.

Asamblare

Componentele sunt montate (SMT pentru montaj superficial sau THT pentru montaj în găuri) și lipite pe placa PCB.

Plăcile finale sunt inspectate, testate și expediate.

Componente pe plăcile PCB și modul de funcționare al circuitelor

Plăcile de circuit imprimat (PCB) nu pot funcționa independent, astfel că fiecare PCB este compusă dintr-o varietate de componente electronice, inclusiv nu doar dispozitive pasive de bază precum rezistoare și condensatoare, ci și componente complexe precum circuite integrate, relee, senzori și conectori. Așezarea acestor componente este extrem de flexibilă și poate fi organizată în funcție de cerințele de proiectare. Acestea pot fi distribuite individual pe straturile superioare sau inferioare ale plăcii, sau pot fi asamblate împreună pe ambele părți în structuri de placă dublu fațetate sau multi-strat pentru a construi împreună un sistem de circuit complet funcțional.

• Urmări și Vias: Permit semnalelor să treacă „prin întreaga placă” și între straturi într-un mod compact și protejat.
• Circuite integrate: Efectuează operații logice, stocare de date și procesare a semnalelor—fundamentul electronicii moderne inteligente.
• Elemente Pasive: Asigură filtrarea, temporizarea și gestionarea energiei.
• Componente Active: Controlează comutarea, amplificarea sau procesarea datelor.

Cum funcționează plăcile de circuit:

• Alimentarea este direcționată de la o sursă prin urme de cupru către fiecare componentă, activând schema de circuit așa cum este definită de proiectul PCB.
• Căile de semnal sunt ecranate/separate de straturile de masă și alimentare pentru a asigura un funcionare curată în designurile complexe de circuite.

Aplicații și avantaje în electronica modernă

Plăcile sunt utilizate în aproape toate domeniile:

• Dispozitive pentru consumatori: Plăci cu un singur strat, dublu strat și multistrat cu densitate mare sunt utilizate în telefoane, laptopuri, ceasuri inteligente și dispozitive purtabile.
• Electronice industriale: Sunt necesare plăci rigide robuste și uneori circuite flexibile pentru roboți, module de control, senzori și surse de alimentare, în special pentru articulațiile mobile.
• Echipament medical: În mod frecvent sunt necesare plăci multistrat, rigid-flex sau HDI cu înaltă fiabilitate în echipamentele de diagnostic și monitoarele portabile.
• Auto și aerospace: Sunt utilizate plăci flexibile, multistrat sau cu bază metalică pentru a rezista la vibrații, temperaturi extreme și sarcini electrice ridicate.

Avantaje majore

• Obțineți densități mai mari ale circuitelor pentru designuri compacte.
• Reduceți costurile prin producția și asamblarea automatizată a PCB.
• Înlocuiți ușor plăcile defecte prin reparații și actualizări modulare.
• Protejați straturile de cupru și mențineți funcționalitatea circuitului.
• Facilitați designuri de circuite complexe, fiabile și mai rapide pentru cerințele moderne.

Tendințe viitoare și sfaturi în industria PCB

Pe măsură ce tehnologia avansează, industria PCB continuă să evolueze. Iată ce modelează noua eră a dezvoltării și aplicațiilor placilor de circuit imprimat:

Trecerea către o densitate mai mare și miniaturizare

• Design HDI: Cererea tot mai mare pentru o densitate mai ridicată a circuitelor determină adoptarea pe scară largă a PCB-urilor cu interconectare de înaltă densitate (HDI). Acestea sunt esențiale în telefoanele inteligente, tablete și dispozitive purtabile avansate, fiind echipate cu microvii și trasee ultrafine pentru a încăpea mai multe conexiuni într-un spațiu redus.
• Inovații în domeniul substraturilor flexibile și al PCB-urilor flexibile: Popularitatea circuitelor flexibile face ca din ce în ce mai multe proiecte să necesite soluții PCB flexibile sau rigid-flexibile, permițând dispozitivelor electronice să se îndoaie, să se plieze și să se integreze în formate anterior imposibile — lucru deosebit de important pentru implanturile medicale, telefoanele pliabile și senzorii automotivi.

Materiale avansate și accent pe mediu

• Materiale noi de izolare și substraturi pentru plăci apar în mod continuu, având ca scop reducerea pierderilor la transmisie, eficiența crescută a managementului termic și procese de fabricație mai prietenoase cu mediul.
• Lipirea fără plumb, laminate fără halogeni și producția de PCB-uri reciclabile sunt din ce în ce mai prioritare pentru a satisface standardele globale de sustenabilitate.

Proiectare și testare mai inteligentă a PCB-urilor

• Instrumente de proiectare asistată de calculator: Acestea permit prototiparea rapidă, predicția erorilor și simularea înainte ca plăcile fizice să fie realizate, reducând astfel refacerile costisitoare și scurtând semnificativ ciclurile de proiectare, chiar și pentru plăci complexe.
• Revizuirea proiectului și testarea: Tehnologiile de simulare a circuitelor și de „geamăn digital” pot replica precis comportamentul real al circuitelor, identificând eventualele deficiențe încă din faza de proiectare.
• Inspecție optică automatizată (AOI): În timp ce o placă PCB este testată după producție, inspecția optică automatizată bazată pe inteligență artificială și testele electrice detectează defectele microscopice, asigurând randamentul producției și fiabilitatea pentru aplicații critice.

Concluzie

În esență, placa de circuit imprimat (PCB) este ca un schelet invizibil al tuturor dispozitivelor electronice. Nu o vedem des în viața de zi cu zi, dar este ascunsă în fiecare produs pe care îl folosim. Ea nu doar conectează și fixează componentele electronice. Datorită tipurilor sale variate și proiectărilor precise, se adaptează nevoilor diferitelor scenarii, transformând posibilitățile vieții inteligente în realitate.