Osnove tiskanih vezij (PCB): Elektronika in načrtovanje vezij

Uvod

Pametni telefoni, ure, televizorji in drugi elektronski napravi so povsod prisotni v našem vsakdanjem življenju ter prinašajo nešteto udobja. Njihov nastanek je neločljivo povezan z iznajdbo tiskanih vezij (PCB). Tiskana vezja omogočajo ne le miniaturizacijo elektronskih naprav, temveč zmanjšujejo tudi stroške proizvodnje visoko zmogljivih vezij. V tem članku bom podrobno opisal, kaj so tiskana vezja, njihove vrste in načrtovanje ter njihov pomen za razvoj moderne tehnologije.

Kaj je PCB?

Tiskana vezja so ena od osrednjih komponent elektronskih naprav. Sestavljena so iz več ključnih delov, od katerih ima vsak določeno funkcijo. Uporabljajo se za povezovanje in podpiranje elektronskih komponent ter zagotavljanje električne in mehanske podpore. Na tiskanih vezjih so prevodne poti, tirnice ali sledi signalov izdelane iz bakrenih listov, laminiranih na neprevodno podlago, ki ne prevaja elektrike. Nato se na ploščo dodajo elektronske komponente in na površini se naredijo gravure, ki omogočajo tok skozi baker od komponente do komponente.

Osnove tiskanih vezij

• Sirova plošča: Sirova plošča, znana tudi kot nepopisano tiskano vezje, je tiskano vezje brez elektronskih komponent, ki ne more izvajati nobenih električnih funkcij.
• Enoplastno tiskano vezje: Enoplastno tiskano vezje pomeni, da so komponente in tokokrogi razporejeni izključno na eni strani plošče. Ta vrsta tiskanega vezja je najpreprostejša in najpogosteje uporabljana, saj so ta vezja enostavna za načrtovanje in izdelavo.
• Dvoplastno tiskano vezje: Značilnost mednih sledi, laminiranih na obeh straneh podlage, ki omogočajo bolj zapletene načrte vezij in uporabo vodljivih prehodov (metaliziranih lukenj) za povezave med plastmi. V primerjavi s ploščami z enostranskim prevlečenjem lahko sprejme bolj zapletena vezja in hkrati ohranja odlično razmerje med stroški in zmogljivostjo.
• Večplastna tiskana vez: Večplastni PCB pomeni, da ima ta vrsta tiskanega vezja vsaj tri vodne plasti bakra. To se doseže predvsem z laminiranjem in lepljenjem več plasti tiskanega vezja s pomočjo izolacijskih prepreg materialov, kar omogoča višjo gostoto vezij in izdelavo naprednih plošč za računalnike, strežnike in telekomunikacijsko opremo.

PCB deluje kot

• Osnova tiskanega vezja za vsak električni načrt.
• Karta za montažo komponent in usmerjanje signalov.
• Platforma za izvajanje zapletenih operacij elektronskih naprav.

Vrste tiskanih vezij in plasti PCB

Pomembno je razumeti različne vrste tiskanih vezij, saj je to ključno za inženirje, oblikovalce in študente, ki vstopajo v elektronsko industrijo.

Pogoste vrste in strukture

Materiali in struktura pri načrtovanju tiskanih vezij

Sestava slojev in izbira materialov tiskane vezije neposredno določata zanesljivost, zmogljivost in stroške proizvodnje elektronskih naprav.

Osnovni materiali

• Bakreni sloj: Je prevodni temelj tiskane plošče, običajno izdelan iz bakrenega folija, ki tvori poti za prenos signalov na tiskani plošči.
• Izolacijski material: Pogosti podlagi vključujeta FR-4 (stekleno vlakno z epoksidom) za standardne plošče, poliamid za fleksibilne vezove in keramične podlage za visoko zmogljivo vojaško/medicinsko opremo.
• Lepilna maska: Obarvana prevleka (običajno zelena), ki prekriva bakreni folij, zaščiti baker in določa površino tiskane plošče.
• Šelkotisk: Natisnjeni identifikatorji in vodila na površini tiskane plošče olajšajo postavitev komponent in diagnostiko sistema.

Sloji tiskanih vezij in postavitev plošče

• Plast tiskane plošče: Plast tiskane plošče se lahko konfigurira za potrebe po signalih, napajanju ali ozemljitvi. Pravila oblikovanja in sestava plastnega paketa neposredno vplivajo na hitrost signala, medsebojne motnje in upravljanje elektromagnetnih motenj (EMI).
• Tirnice na tiskani plošči: Električni vzorec je določen s tankimi in natančnimi bakrenimi potmi. Širina in razmik teh poti igrajo ključno vlogo pri nosilnosti toka in obnašanju signala.
• Prehodni vodniki: prevlečene luknje, ki povezujejo plasti tiskanega vezja in imajo pomembno funkcijo pri dvoplastnih in večplastnih ploščah.

Poenostavljena primerjava

Kako se izdeluje tiskano vezje in postopek načrtovanja

Orodja in koraki pri načrtovanju tiskanih vezij

Koncept in shema

Določite vezje in izberite komponente. Priljubljena orodja za načrtovanje tiskanih vezij, kot so Altium, Eagle in KiCAD, ponujajo računalniško podprto načrtovanje (CAD), da zagotovijo natančne in breznapačne postavitve.

Postavitev in usmerjanje

Pretvorite shemo v postavitev tiskanega vezja, razporedite komponente in narišite povezovalne sledi. Ključna točka je zmanjšanje dolžine sledi za kritične signale.

Pregled načrta in simulacija

Izvedite preverjanje pravil načrtovanja (DRC), da zmanjšate tveganja pri proizvodnji; simulirajte tok signalov, da zagotovite odsotnost medsebojnih motenj ali izgube zmogljivosti.

Ustvarjanje datotek Gerber

Pretvorite načrt v standardne industrijske datoteke za proizvodnjo tiskanih vezij.

Izdelava

Tiskana vezja se izdelujejo s polaganjem bakra in izolacijskega materiala, slikanjem vezja, graviranjem, vrtanjem premostitev, nanašanjem laka proti letežu in nato še svilnega tiska.

Sestavljanje

Komponente se namestijo (SMT za površinsko montažo ali THT za vstavljanje skozi luknje) in zleme na tiskano vezje.

Končna vezja se pregledajo, preskusijo in pošljejo.

Komponente na tiskanih vezjih in način delovanja električnih tokokrogov

Tiskana vezja (PCB) ne morejo delovati samostojno, zato je vsako tiskano vezje sestavljeno iz različnih elektronskih komponent, vključno ne le z osnovnimi pasivnimi elementi, kot so upori in kondenzatorji, temveč tudi s kompleksnimi komponentami, kot so integrirana vezja, releji, senzorji in priključki. Postavljanje teh komponent je zelo fleksibilno in se lahko razporedi glede na zahteve oblikovanja. Lahko so razporejeni posamezno na zgornji ali spodnji strani plošče ali pa skupaj sestavljeni na obeh straneh pri dvostranskih ali večplastnih strukturah plošč, da skupaj tvorijo popolnoma funkcijski krožni sistem.

• Povezovalne poti in prehodi: Omogočajo prehod signalov »skozi ploščo« in med plastmi na kompakten, zaščiten način.
• Integrirani vezji (ICs): Izvajajo logične operacije, shranjevanje podatkov in obdelavo signalov – temelj sodobne pametne elektronike.
• Pasivne komponente: Opravljajo filtriranje, časovne funkcije in upravljanje z energijo.
• Aktivne komponente: Krmilijo stikala, ojačevanje ali obdelavo podatkov.

Kako delujejo tiskana vezja:

• Napajanje se preusmeri iz vira prek bakrenih sledi do vsakega sestavljena, kar aktivira vzorec vezja, kot je določeno s konstrukcijo tiskanega vezja.
• Poti signalov so zaščitene/ločene z ozemljitvenimi in napajalnimi plastmi, da se zagotovi čist obratovanje pri zapletenih konstrukcijah vezij.

Uporaba in prednosti v sodobni elektroniki

Plošče se uporabljajo skoraj na vseh področjih:

• Potrošniški napravi: Enoplastne, dvoplastne in visoko goste večplastne plošče se uporabljajo v telefonih, prenosnikih, pametnih urah in nosljivih napravah.
• Industrijska elektronika: Za robotiko, nadzorne module, senzorje in napajalnike, zlasti za premične spojke, so potrebni trdni trdi tiskani vezji in včasih tudi fleksibilni vezji.
• Zdravstvena oprema: V diagnostičnih napravah in prenosnih monitorjih so pogosto potrebni večplastni, trdo-fleksibilni ali HDI tiskani vezji z visoko zanesljivostjo.
• Avtomobilska in letalska industrija: Uporabljajo se fleksibilne, večplastne ali tiskane vezje s kovinsko jedro, da zdržijo vibracije, ekstremne temperature in visoke električne obremenitve.

Glavne prednosti

• Dosežite višje gostote vezij za kompaktne konstrukcije.
• Zmanjšajte stroške s samodejno proizvodnjo in sestavljanjem tiskanih vezij.
• Enostavno zamenjajte okvarjena vezja s modularnim popravilom in nadgradnjo.
• Zaščitite bakrene plasti in ohranite uporabnost vezij.
• Omogočite zapletene, zanesljivejše in hitrejše konstrukcije vezij za sodobne zahteve.

Prihodnji trendi in nasveti v industriji tiskanih vezij

Ko se tehnologija razvija, se napreduje tudi industrija tiskanih vezij. Tukaj je nekaj dejavnikov, ki oblikujejo novo dobo razvoja in uporabe tiskanih vezij:

Premik proti višji gostoti in miniaturizaciji

• HDI načrtovanje: Naraščajoča povpraševanja po višji gostoti vezij spodbuja široko uporabo tiskanih vezij z visoko gostoto povezav (HDI PCB). Ta so nujna sestavina pametnih telefonov, tablic in naprednih nosljivih naprav ter vsebujejo mikrospojke in izjemno fine sledi, da bi omogočili več povezav na manjšem prostoru.
• Inovacije fleksibilnih podlag in fleksibilnih tiskanih vezij: Priljubljenost fleksibilnih vezij pomeni, da vedno več konstrukcij zahteva rešitve s fleksibilnimi ali kombiniranimi trdo-fleksibilnimi tiskanimi vezji, ki omogočajo elektronskim napravam ukrivljanje, pregibanje in prileganje v oblike, ki so bile prej nemogoče – kar je še posebej pomembno za medicinske implante, pregibne telefone in avtomobilske senzorje.

Napredni materiali in usmerjenost k okolju

• Neprestano se pojavljajo novi izolacijski materiali in podlage za plošče, katerih cilj je zmanjšanje izgube pri prenosu, izboljšana učinkovitost toplotnega upravljanja ter bolj okolju prijazni proizvodni procesi.
• Bezsvinčeno lemljenje, brezhalogenski laminati in reciklažna proizvodnja tiskanih vezij se vse pogosteje postavljajo v ospredje, da bi izpolnili globalne standarde trajnostnosti.

Pametnejši načrt PCB in preizkušanje

• Orodja za računalniško podprto načrtovanje: Omogočajo hitro izdelavo prototipov, napovedovanje napak in simulacijo pred izdelavo fizičnih ploščic, s čimer zmanjšujejo dragocene popravke in znatno skračujejo cikle načrtovanja tudi pri zapletenih tiskanih vezjih.
• Pregled načrta in preizkušanje: Tehnologije digitalnega dvojnika in simulacije vezij lahko natančno ponovijo dejansko obnašanje vezij, kar omogoča odkrivanje morebitnih napak že v fazi načrtovanja.
• Avtomatizirana optična kontrola (AOI): Medtem ko se PCB preveri po proizvodnji, umetna inteligenca omogoča AOI in električna testiranja, ki zaznajo mikro-pomanjkljivosti ter zagotavljajo donosnost proizvodnje in zanesljivost za kritične aplikacije.

Zaključek

Po svoji naravi je tiskano vezje (PCB) podobno nevidnemu okostju vseh elektronskih naprav. V vsakodnevni uporabi ga sicer pogosto ne vidimo, a je skrito v vsakem izdelku, ki ga uporabljamo. Ne povezuje in pritrjuje elektronskih komponent le mehansko, temveč z različnimi vrstami in natančnimi načrti ustrezajo potrebam različnih scenarijev ter omogočajo realizacijo pametnega življenja.