Основы печатных плат (PCB): электроника и проектирование схем

Введение

Смартфоны, часы, телевизоры и другие электронные устройства широко распространены в нашей повседневной жизни, принося неисчислимые удобства. Их появление неразрывно связано с изобретением печатных плат (PCB). Печатные платы не только обеспечивают миниатюризацию электронных устройств, но и снижают производственные затраты на высокопроизводительные схемы. В этой статье я подробно расскажу, что такое PCB, их типы и конструкции, а также об их важности для развития современных технологий.

Что такое ПЛИ?

Печатная плата (PCB) является одним из основных компонентов электронных устройств. Она состоит из нескольких ключевых частей, каждая из которых выполняет определённую функцию. Печатные платы используются для соединения и поддержки электронных компонентов, а также обеспечивают электрическую и механическую устойчивость. Платы содержат проводящие дорожки, трассы или сигнальные линии, вытравленные из медных листов, нанесённых на диэлектрическую подложку, которая не проводит электричество. Затем на плату устанавливаются электронные компоненты, а на её поверхности создаются протравленные дорожки, которые позволяют току проходить по меди от одного компонента к другому.

Основы печатных плат

• Голая плата: Голая плата, также известная как незаселённая печатная плата, — это печатная плата без установленных электронных компонентов, которая не может выполнять никаких электрических функций.
• Односторонняя печатная плата: Односторонняя печатная плата означает, что компоненты и токопроводящие дорожки размещены исключительно на одной стороне платы. Этот тип печатных плат является самым простым и наиболее распространённым, поскольку такие платы легко проектировать и производить.
• Двусторонняя печатная плата: Печатные платы с медными проводниками, ламинированными с обеих сторон подложки, поддерживают более сложные схемы и используют переходные отверстия (металлизированные сквозные отверстия) для соединения между слоями. По сравнению с односторонними платами они могут размещать более сложные схемы, сохраняя при этом высокую экономичность.
• Многослойная печатная плата: Многослойная печатная плата означает, что данный тип платы имеет как минимум три проводящих медных слоя. Это достигается путем прессования и склеивания нескольких слоев печатной платы с использованием изолирующих препреги, что обеспечивает более высокую плотность монтажа и позволяет производить передовые печатные платы для компьютеров, серверов и телекоммуникационного оборудования.

Назначение печатной платы

• Основа печатной платы для любой схемы.
• Карта для установки компонентов и трассировки сигналов.
• Платформа для реализации сложных операций электронных устройств.

Типы печатных плат и количество слоев

Понимание различных типов печатных плат имеет важное значение для инженеров, проектировщиков и студентов, входящих в электронную промышленность.

Распространённые типы и структуры

Материалы и структура в проектировании печатных плат

Структура многослойной платы и выбор материалов напрямую определяют надежность, производительность и себестоимость производства электронных устройств.

Основные материалы

• Слой меди: Токопроводящий каркас печатной платы, как правило, выполненный из медной фольги, формирующий пути передачи сигналов на плате.
• Изоляционный материал: Распространённые материалы основания включают FR-4 (стеклоткань с эпоксидной смолой) для стандартных плат, полиимид — для гибких плат и керамические основания — для высокотехнологичного военного/медицинского оборудования.
• Паяльная маска: Цветное покрытие (обычно зелёное), которое покрывает медную фольгу, защищает медь и определяет поверхность печатной платы.
• Силкскрин: Нанесение обозначений и маркировки на поверхность платы упрощает установку компонентов и диагностику системы.

Слои печатной платы и разводка платы

• Слои печатной платы: Слои печатной платы могут быть настроены под нужды сигнальных линий, питания или заземления. Правила проектирования и структура слоёв напрямую влияют на скорость сигнала, перекрёстные помехи и управление электромагнитными помехами (EMI).
• Трассы печатной платы: Конфигурация цепи определяется тонкими и точными дорожками из меди. Ширина и расстояние между ними играют важную роль в пропускной способности тока и поведении сигнала.
• Сквозные отверстия, соединяющие слои печатной платы и выполняющие важную функцию в двухсторонних и многослойных платах.

Упрощённое сравнение

Как изготавливается печатная плата и процесс проектирования

Инструменты и этапы проектирования печатных плат

Концепция и принципиальная схема

Определите схему и выберите компоненты. Популярные инструменты для проектирования печатных плат, такие как Altium, Eagle и KiCAD, предоставляют возможности автоматизированного проектирования, обеспечивающие точность и отсутствие ошибок в разводке.

Размещение и трассировка

Преобразуйте принципиальную схему в топологию печатной платы, разместите компоненты и проложите соединительные дорожки. Ключевой момент — минимизация длины дорожек для критических сигналов.

Проверка проекта и моделирование

Выполните проверку правил проектирования (DRC) для снижения рисков при производстве; смоделируйте прохождение сигналов, чтобы убедиться в отсутствии перекрестных помех или потерь производительности.

Генерация Gerber-файлов

Преобразуйте проект в стандартные отраслевые файлы для производства печатных плат.

Производство

Печатная плата изготавливается путем наложения слоев меди и изолирующего материала, нанесения изображения схемы, травления, сверления переходных отверстий, нанесения паяльной маски и последующей шелкографии.

Сборка

Компоненты устанавливаются (SMT для поверхностного монтажа или THT для выводных компонентов) и припаиваются к печатной плате.

Готовые платы проходят проверку, тестирование и отправляются заказчику.

Компоненты на печатных платах и принцип работы схем

Печатные платы (PCB) не могут функционировать самостоятельно, поэтому каждая PCB состоит из различных электронных компонентов, включая не только базовые пассивные элементы, такие как резисторы и конденсаторы, но и сложные компоненты, такие как интегральные схемы, реле, датчики и разъёмы. Размещение этих компонентов является гибким и может выполняться в соответствии с требованиями проекта. Они могут быть размещены отдельно на верхнем или нижнем слое платы или собраны совместно с обеих сторон в двухсторонних или многослойных структурах, чтобы совместно формировать полностью функциональную систему цепи.

• Проводники и переходные отверстия: Обеспечивают передачу сигналов «по всей плате» и между слоями в компактной и защищённой форме.
• ИС: Выполнение логических операций, хранение данных и обработка сигналов — основа умной современной электроники.
• Пассивные элементы: Обеспечивают фильтрацию, временную синхронизацию и управление питанием.
• Активные компоненты: Контролируют коммутацию, усиление или обработку данных.

Принцип работы печатных плат:

• Питание подводится от источника через медные дорожки к каждому компоненту, активируя схему в соответствии с проектом печатной платы.
• Сигнальные пути экранируются или разделяются заземлёнными и питающими слоями для обеспечения чистой работы в сложных схемах.

Применение и преимущества в современной электронике

Платы используются почти во всех областях:

• Бытовые устройства: Односторонние, двусторонние и многослойные платы высокой плотности применяются в телефонах, ноутбуках, умных часах и носимых устройствах.
• Промышленная электроника: Для робототехники, модулей управления, датчиков и источников питания, особенно для подвижных соединений, требуются надежные жесткие печатные платы и иногда гибкие цепи.
• Медицинское оборудование: В диагностических аппаратах и портативных мониторах часто требуются многослойные, гибко-жесткие или HDI-платы с высокой надежностью.
• Автомобильная и аэрокосмическая промышленность: Гибкие, многослойные или металлоосновные платы используются для обеспечения устойчивости к вибрациям, экстремальным температурам и высоким электрическим нагрузкам.

Основные преимущества

• Обеспечивают более высокую плотность монтажа для компактных конструкций.
• Снижают затраты за счет автоматизированного производства и сборки печатных плат.
• Позволяют легко заменять неисправные платы благодаря модульности, ремонту и обновлению.
• Защищают медные слои и сохраняют работоспособность схем.
• Обеспечьте сложные, надежные и более быстрые проекты схем для современных требований.

Будущие тенденции и советы в индустрии печатных плат

По мере развития технологий отрасль печатных плат продолжает трансформироваться. Вот что формирует следующую эпоху разработки и применения печатных плат:

Стремление к повышению плотности и миниатюризации

• Проектирование HDI: Растущий спрос на повышенную плотность монтажа стимулирует широкое внедрение печатных плат с высокой плотностью соединений (HDI). Они широко используются в смартфонах, планшетах и передовых носимых устройствах, применяя микропереходные отверстия и сверхтонкие проводники, чтобы разместить больше соединений на меньшем пространстве.
• Гибкие подложки и инновации в гибких печатных платах: Популярность гибких схем означает, что всё больше проектов теперь требуют применения гибких или жестко-гибких печатных плат, позволяя электронным устройствам изгибаться, складываться и размещаться в ранее невозможных форм-факторах — особенно важно для медицинских имплантов, складных телефонов и автомобильных датчиков.

Передовые материалы и экологическая направленность

• Постоянно появляются новые изоляционные материалы и основы для плат, целью которых является снижение потерь при передаче, повышение эффективности теплового управления и более экологичные производственные процессы.
• Безсвинцовая пайка, ламинаты без галогенов и перерабатываемое производство печатных плат получают всё большее приоритетное значение для соответствия глобальным стандартам устойчивого развития.

Более интеллектуальное проектирование и тестирование печатных плат

• Системы автоматизированного проектирования: Они позволяют быстро создавать прототипы, прогнозировать ошибки и проводить моделирование до изготовления физических плат, сокращая дорогостоящие переделки и значительно укорачивая циклы разработки даже для сложных печатных плат.
• Проверка проекта и тестирование: Технологии цифровых двойников и моделирования электрических цепей могут точно воспроизводить поведение цепей в реальных условиях, выявляя потенциальные недостатки на этапе проектирования.
• Автоматический оптический контроль (AOI): Хотя печатная плата тестируется после производства, автоматический оптический контроль на основе ИИ и электрические испытания выявляют микродефекты, обеспечивая высокий выход годной продукции и надежность для критически важных применений.

Заключение

По сути, печатная плата подобна невидимому скелету всех электронных устройств. Мы редко видим её в повседневной жизни, но она скрыта внутри каждого используемого нами продукта. Она не просто соединяет и фиксирует электронные компоненты. Благодаря разнообразию типов и точности конструкции она адаптируется к потребностям различных сценариев, делая реальностью возможности умной жизни.