Základy plošných spojov (PCB): Elektronika a návrh obvodov

Úvod

Smartfóny, hodinky, televízie a iné elektronické zariadenia sú všadeprítomné v našom každodennom živote a prinášajú nekonečné pohodlie. Ich vznik je neoddeliteľne spätý s vynálezom tlačených spojov (PCB). Tlačené spoje nielen umožňujú miniaturizáciu elektronických zariadení, ale tiež znížujú výrobné náklady na výkonné obvody. V tomto článku podrobne vysvetlím, čo sú to tlačené spoje, ich typy a návrhy, ako aj ich dôležitosť pre rozvoj modernej technológie.

Čo je PCB?

PCB je jednou z kľúčových súčiastok elektronických zariadení. Skladá sa z viacerých kľúčových častí, pričom každá má špecifickú funkciu. PCB sa používa na pripojenie a podporu elektronických komponentov a poskytuje elektrickú a mechanickú podporu. Dosky PCB využívajú vodivé dráhy, stopy alebo signálne spoje vyryté z medených plechov nalepených na nevodivý substrát, ktorý nevedie elektrinu. Na dosku sa následne pridajú elektronické komponenty a na jej povrchu sa vykonajú rytiny, ktoré umožňujú prechod prúdu cez meď od jedného komponentu k druhému.

Základy PCB

• Holá doska: Holá doska, známa aj ako neosadená doska PCB, je tlačená spojová doska bez elektronických komponentov, ktorá nemôže plniť žiadne elektrické funkcie.
• Jednostranná doska PCB: Jednostranná doska PCB znamená, že komponenty a spojové dráhy sú umiestnené výlučne na jednej strane dosky. Tento typ dosky PCB je najjednoduchší a najpoužívanejší, pretože tieto dosky sú jednoduché na návrh a výrobu.
• Dvojstranná doska PCB: Vlastnosti mediánske stopy sú laminované na oboch stranách substrátu, čo umožňuje zložitejšie návrhy obvodov a využíva prechody (plátované cez otvory) na vytvorenie spojení medzi vrstvami. V porovnaní s jednostrannými doskami môže poberať zložitejšie obvody pri zachovaní vynikajúcej cenovej efektívnosti.
• Viacvrstvová doska plošných spojov: Viacvrstvové PCB znamená, že tento typ PCB má aspoň tri vodivé vrstvy medi. Toto sa dosahuje predovšetkým laminovaním a spojovaním viacerých vrstiev PCB izolačnými materiálmi prepreg, čo vedie k vyššej hustote obvodov a umožňuje výrobu pokročilých dosiek pre počítače, servery a telekomunikačné zariadenia.

PCB slúži ako

• Základ dosky PCB pre každý návrh obvodu.
• Plán pre montáž komponentov a usmerňovanie signálov.
• Platforma na realizáciu zložitých elektronických operácií zariadení.

Typy dosiek plošných spojov a vrstvy PCB

Je nevyhnutné pochopiť rôzne typy dosiek plošných spojov, čo je kľúčové pre inžinierov, dizajnérov a študentov vstupujúcich do elektronického priemyslu.

Bežné typy a štruktúry

Materiály a štruktúra pri návrhu plošných spojov

Nastavenie vrstiev a výber materiálu plošného spoja priamo určuje spoľahlivosť, výkon a výrobné náklady elektronických zariadení.

Dôležité materiály

• Vodivá vrstva: Je to vodivý základ dosky plošných spojov, zvyčajne vyrobený z medienej fólie, ktorá tvorí cesty prenosu signálu na doske.
• Izolačný materiál: Bežné podkladové materiály zahŕňajú FR-4 (sklolaminát s epoxidovou pryskyricou) pre štandardné dosky, polyimid pre flexibilné obvody a keramické podklady pre vysokej triedy vojenské/lekárne zariadenia.
• Spájkovacia maska: Farebné povlak (zvyčajne zelený), ktorý pokrýva medenú fóliu, chráni meď a určuje povrch dosky plošných spojov.
• Popisová vrstva: Tlačí identifikátory a vodidlá na povrch dosky plošných spojov, čo uľahčuje montáž súčiastok a diagnostiku systému.

Vrstvy dosky plošných spojov a rozmiestnenie dosky

• Vrstva dosky plošných spojov: Vrstva dosky plošných spojov môže byť konfigurovaná podľa potreby pre signál, napájanie alebo uzemnenie. Pravidlá návrhu a usporiadanie vrstiev priamo ovplyvňujú rýchlosť signálu, preliezanie a riadenie elektromagnetických interferencií (EMI).
• Spoje na doske plošných spojov: Obvodový vzor je definovaný tenkými a presnými cestami z medi. Ich šírka a vzdialenosť hrajú kľúčovú úlohu pri nosnej kapacite prúdu a správaní sa signálu.
• Vrstvy: Plátované otvory, ktoré spájajú vrstvy dosky plošných spojov a majú zásadný význam pre obojstranné a viacvrstvové dosky.

Zjednodušené porovnanie

Ako sa vyrába doska plošných spojov a proces návrhu

Nástroje a kroky návrhu dosiek plošných spojov

Koncepcia a schéma

Definujte obvod a vyberte komponenty. Obľúbené nástroje na návrh DPS, ako napríklad Altium, Eagle a KiCAD, ponúkajú možnosti počítačom podporovaného projektovania, ktoré zabezpečujú presné a chybovo odolné rozmiestnenie.

Rozmiestnenie a trassovanie

Prevod schémy na rozmiestnenie DPS, usporiadanie komponentov a vytváranie spojových tratí. Kľúčovým aspektom je minimalizácia dĺžky tratí pre kritické signály.

Revízia návrhu a simulácia

Vykonajte kontrolu pravidiel návrhu (DRC) za účelom minimalizácie výrobných rizík; odsimulujte tok signálov, aby ste zabezpečili žiadne preliezanie alebo straty výkonu.

Generovanie Gerber súborov

Prevod návrhu na štandardné priemyselné súbory pre výrobu DPS.

Výroba

DPS sa vyrába vrstvením medi a izolačného materiálu, expozíciou obvodu, leptaním, vŕtaním prechodových kontaktov, nanášaním spájkového odporu a následne šablónovým tlačením.

Montáže

Komponenty sú namontované (SMT pre povrchovú montáž alebo THT pre vrtané komponenty) a spájkované na dosku plošných spojov.

Finálne dosky sú skontrolované, otestované a odoslané.

Komponenty na doskách plošných spojov a princíp fungovania obvodov

Dosky plošných spojov (PCB) nemôžu fungovať samostatne, preto každá doska plošných spojov pozostáva z rôznych elektronických komponentov, vrátane nielen základných pasívnych prvkov, ako sú odpory a kondenzátory, ale aj zložitých komponentov, ako sú integrované obvody, relé, snímače a konektory. Umiestnenie týchto komponentov je veľmi flexibilné a môže byť usporiadané podľa návrhových požiadaviek. Môžu byť rozmiestnené jednotlivo na hornej alebo dolnej vrstve dosky, alebo môžu byť spoločne zostavené na oboch stranách pri dvojstrannej alebo viacvrstvovej štruktúre dosky, aby spoločne tvorili plne funkčný obvodový systém.

• Spoje a prechodné otvory: Umožňujú prenos signálov „cez dosku“ a medzi vrstvami kompaktným a chráneným spôsobom.
• IO: Vykonávajú logické operácie, ukladanie dát a spracovanie signálov – základ inteligentnej modernej elektroniky.
• Pasívne prvky: Zabezpečujú filtrovanie, časovanie a riadenie napájania.
• Aktívne komponenty: Riadia prepínanie, zosilnenie alebo spracovanie dát.

Ako pracujú dosky s plošnými spojmi:

• Napájanie je privádzané zo zdroja cez medené dráhy ku každému komponentu, čím sa aktivuje obvodový vzor definovaný návrhom dosky s plošnými spojmi.
• Cesty signálov sú chránené/oddeľované vrstvami uzemnenia a napájania, aby sa zabezpečil bezchybný chod pri zložitých návrhoch obvodov.

Použitie a výhody v modernej elektronike

Dosky sa používajú takmer vo všetkých oblastiach:

• Spotrebné zariadenia: Jednostranné, obojstranné a vysokej hustoty viacvrstvové dosky sa používajú v telefónoch, laptopoch, chytrých hodinkách a nositeľných zariadeniach.
• Prúdotvorná elektronika: Pre robotiku, riadiace moduly, snímače a zdroje energie, najmä pre pohybujúce sa kĺby, sú potrebné odolné tuhé návrhy dosiek plošných spojov a príležitostne aj flexibilné obvody.
• Lekarské vybavenie: Vo diagnostických prístrojoch a prenosných monitoroch sa často vyžadujú viacvrstvové, rigid-flex alebo HDI dosky plošných spojov s vysokou spoľahlivosťou.
• Automobilový priemysel a letecký priemysel: Flexibilné, viacvrstvové alebo dosky plošných spojov s kovovým jadrom sa používajú na odolanie vibráciám, extrémnym teplotám a vysokým elektrickým zaťaženiam.

Hlavné výhody

• Dosiahnuť vyššiu hustotu obvodov pre kompaktné návrhy.
• Znížiť náklady prostredníctvom automatizovanej výroby a montáže dosiek plošných spojov.
• Jednoducho nahradiť chybné dosky modulárnym opravami a aktualizáciami.
• Chránenie medených vrstiev a udržiavanie funkčnosti obvodov.
• Umožňujte komplexnejšie, spoľahlivejšie a rýchlejšie návrhy obvodov pre súčasné požiadavky.

Budúce trendy a tipy v priemysle dosiek plošných spojov

S pokrokom technológie sa priemysel dosiek plošných spojov (PCB) neustále vyvíja. Tu je to, čo formuje ďalšiu éru vývoja a aplikácií tištěných spojov:

Presun smerom k vyššej hustote a miniaturizácii

• Návrh HDI: Rastúca poptávka po vyššej hustote obvodov spôsobuje rozšírené využívanie dosiek plošných spojov s vysokou hustotou prepojenia (HDI). Tieto sú neoddeliteľnou súčasťou smartfónov, tabletov a pokročilých nosných zariadení a využívajú mikroprechody a ultrajemné pásky, aby sa do menšieho priestoru zmestilo viac spojení.
• Flexibilný substrát a inovácie flexibilných dosiek PCB: Zvyšujúca sa popularita flexibilných obvodov znamená, že viac návrhov teraz vyžaduje riešenia s flexibilnými alebo tuhými-flexibilnými doskami PCB, čo umožňuje elektronickým zariadeniam ohýbať sa, skladovať sa a zapadnúť do doteraz nemožných tvarov – čo je obzvlášť dôležité pre lekárске implantáty, zariadenia so skladaním a automobilové snímače.

Pokročilé materiály a environmentálne zameranie

• Neustále vznikajú nové izolačné materiály a doskové podložky, ktorých cieľom je dosiahnuť nižšie straty pri prenose, zvýšenú účinnosť tepelného manažmentu a ekologickejšie výrobné procesy.
• Bezolovnaté spájkovanie, bezhalogénové lamináty a recyklovateľná výroba plošných spojov sú čoraz viac uprednostňované, aby vyhoveli globálnym štandardom udržateľnosti.

Inteligentnejší návrh a testovanie plošných spojov

• Nástroje počítačovej podpory návrhu: Tieto umožňujú rýchle prototypovanie, predpovedanie chýb a simuláciu ešte pred výrobou fyzických dosiek, čím sa znížia náklady na opakovanú prácu a výrazne skrátia návrhové cykly, aj pri zložitých plošných spojoch.
• Revízia návrhu a testovanie: Technológie digitálnych dvojčiat a simulácie obvodov môžu presne replikovať správanie obvodov vo reálnom svete a identifikovať potenciálne chyby už v štádiu návrhu.
• Automatická optická kontrola (AOI): Aj keď sa doska plošných spojov po výrobe testuje, umelá inteligencia v kombinácii s AOI a elektrickým testovaním odhalí mikrodefekty, čo zaisťuje výnosy výroby a spoľahlivosť pre kritické aplikácie.

Záver

V podstate je doska plošných spojov ako neviditeľný kostrček všetkých elektronických zariadení. V každodennom živote ju často nevidíme, ale skrýva sa vo všetkých produktoch, ktoré používame. Nezaisťuje len spojenie a upevnenie elektronických komponentov. Vďaka svojim rôznym typom a presným dizajnom sa prispôsobuje potrebám rôznych scenárov a robí možnosti chytrého bývania realitou.