Основи друкованих плат (PCB): електроніка та проектування схем

Вступ

Смартфони, годинники, телевізори та інші електронні пристрої є повсюдними в нашому повсякденному житті, приносячи безліч зручностей. Їхнє виникнення неможливо уявити без винаходу друкованих плат (PCB). Друковані плати не лише дозволяють мініатюризацію електронних пристроїв, але й знижують витрати на виробництво високопродуктивних схем. У цій статті я детально розповім, що таке PCB, їхні типи й конструкції, а також значення для розвитку сучасних технологій.

Що таке ПЗП?

Друкована плата є одним із основних компонентів електронних пристроїв. Вона складається з кількох ключових частин, кожна з яких має певну функцію. Друковані плати використовуються для з'єднання та підтримки електронних компонентів і забезпечують електричну та механічну підтримку. Плати використовують провідні шляхи, доріжки або сигнальні траси, витравлені з мідних листів, які ламіновані на непровідну основу, що не проводить електрику. Потім до плати додаються електронні компоненти, а на її поверхні робляться витравлення, які дозволяють струму проходити через мідь від одного компонента до іншого.

Основи друкованих плат

• Плата без компонентів: Плата без компонентів, також відома як незмонтована друкована плата, — це друкована плата, на якій відсутні електронні компоненти, і вона не може виконувати жодних електричних функцій.
• Одностороння друкована плата: Одностороння друкована плата означає, що компоненти та сліди схеми розташовані виключно на одній стороні плати. Цей тип друкованих плат є найпростішим і найпоширенішим, оскільки їх легко проектувати та виготовляти.
• Двостороння друкована плата: Мідні провідники ламінуються з обох боків основи, що дозволяє підтримувати складніші схеми та використовувати монтажні отвори (металізовані переходи) для з'єднання між шарами. У порівнянні з односторонніми платами, вони можуть розміщувати більш складні схеми, зберігаючи високу економічну ефективність.
• Багатошаровий PCB: Багатошарова PCB означає, що цей тип плати має щонайменше три провідних мідних шари. Це досягається шляхом ламінування та склеювання кількох шарів друкованих плат із ізолюючими матеріалами препрегу, що забезпечує вищу щільність компонування і дозволяє виготовляти просунуті схемні плати для комп'ютерів, серверів та телекомунікаційного обладнання.

PCB діє як

• Основа плати для кожної схеми.
• Карта для монтажу компонентів і трасування сигналів.
• Платформа для реалізації складних операцій електронних пристроїв.

Типи друкованих плат і шарів PCB

Важливо розуміти, що знання різних типів друкованих плат є ключовим для інженерів, конструкторів і студентів, які входять у електронну промисловість.

Поширені типи та структури

Матеріали та структура в проектуванні друкованих плат

Структура шарів та вибір матеріалів друкованої плати безпосередньо визначають надійність, продуктивність та вартість виробництва електронних пристроїв.

Основні матеріали

• Мідний шар: Це провідний каркас плати, як правило, виготовлений з мідної фольги, утворює шляхи передачі сигналу на друкованій платі.
• Діелектричний матеріал: Поширені матеріали основи включають FR-4 (скловолокно з епоксидною смолою) для стандартних плат, поліімід для гнучких ланцюгів та керамічні основи для високопродуктивного військового/медичного обладнання.
• Світлостійкий лак: Кольорове покриття (зазвичай зелене), що наноситься на мідну фольгу, захищає мідь і визначає поверхню плати.
• Шовковий друк: Нанесення позначень та підписів на поверхню плати полегшує встановлення компонентів і діагностику системи.

Шари PCB та розташування плати

• Шар плати: Шари плати можуть бути налаштовані для передачі сигналу, живлення або заземлення. Правила проектування та структура шарів безпосередньо впливають на швидкість сигналу, перехідні завади та управління ЕМІ.
• Стежки PCB: Конфігурація ланцюга визначається тонкими та точними доріжками з міді. Їхня ширина та відстань мають важливе значення для пропускної здатності струму та поведінки сигналу.
• Переходи: металізовані отвори, які з'єднують шари друкованої плати і виконують важливу функцію в двосторонніх та багатошарових платах.

Спрощене порівняння

Як виготовляють PCB та процес проектування

Інструменти та етапи проектування друкованих плат

Концепція та схема

Визначте схему та виберіть компоненти. Популярні інструменти для проектування друкованих плат, такі як Altium, Eagle та KiCAD, забезпечують можливості автоматизованого проектування, щоб гарантувати точне та безпомилкове розташування.

Розташування та трасування

Перетворіть схему на розташування друкованої плати, розташувавши компоненти та прокладаючи сліди з'єднань. Ключовим моментом є мінімізація довжини слідів для критичних сигналів.

Перевірка та моделювання проекту

Проведіть перевірку за правилами проектування (DRC), щоб звести до мінімуму ризики виробництва; промоделюйте потік сигналів, щоб переконатися у відсутності наведень або втрат продуктивності.

Створення файлів Gerber

Перетворіть проект на стандартні галузеві файли для виготовлення друкованих плат.

Виробництво

Друковану плату виготовляють шляхом нанесення шарів міді та ізолюючого матеріалу, нанесення зображення схеми, травлення, свердління переходів, нанесення паяльної маски та написів.

Складання

Компоненти встановлюються (SMT для поверхневого монтажу або THT для корпусів з отворами) і припаюються до друкованої плати.

Остаточні плати перевіряються, тестуються та відправляються.

Компоненти на друкованих платах і принцип роботи схем

Друковані плати (PCB) не можуть функціонувати незалежно, тому кожна плата складається з різноманітних електронних компонентів, у тому числі не лише базових пасивних пристроїв, таких як резистори та конденсатори, але й складних компонентів, таких як інтегральні схеми, реле, датчики та з’єднувачі. Розташування цих компонентів є дуже гнучким і може бути організованим відповідно до вимог проекту. Вони можуть бути розташовані окремо на верхньому або нижньому шарах плати або змонтовані спільно з обох боків у двосторонніх або багатошарових структурах, щоб разом утворити повноцінну систему електричного кола.

• Траси та виводи: Дозволяють сигналам проходити «через плату» та між шарами у компактному, захищеному способі.
• ІС: Виконання логічних операцій, зберігання даних та обробка сигналів — основа сучасної розумної електроніки.
• Пасивні елементи: Забезпечують фільтрацію, таймінг та управління живленням.
• Активні компоненти: Керування перемиканням, підсиленням або обробкою даних.

Як працюють друковані плати:

• Живлення подається від джерела через мідні доріжки до кожного компонента, активуючи схему згідно з проектом друкованої плати.
• Шляхи проходження сигналів екрануються або розділяються за допомогою заземлених і живильних шарів для забезпечення чистої роботи в складних схемах.

Застосування та переваги в сучасній електроніці

Плати використовуються майже в усіх галузях:

• Побутові пристрої: Односторонні, двосторонні та багатошарові плати високої щільності застосовуються в телефонах, ноутбуках, розумних годинниках та носимих пристроях.
• Промислова електроніка: Для робототехніки, модулів керування, сенсорів та джерел живлення, особливо для рухомих з'єднань, потрібні міцні жорсткі конструкції друкованих плат або іноді гнучкі схеми.
• Медичне обладнання: У діагностичному обладнанні та портативних моніторах часто потрібні багатошарові, жорстко-гнучкі або HDI-плати з високою надійністю.
• Автомобільна та авіаційна галузі: Гнучкі, багатошарові або металеві основи друкованих плат використовуються для витримування вібрацій, екстремальних температур та високих електричних навантажень.

Основні переваги

• Досягнення вищої щільності схем для компактних конструкцій.
• Зниження витрат завдяки автоматизованому виробництву та складанню друкованих плат.
• Легке замінювання несправних плат за рахунок модульного ремонту та оновлення.
• Захист шарів міді та підтримання придатності схеми.
• Сприяйте створенню складних, надійних і швидких схем для сучасних вимог.

Майбутні тенденції та поради в галузі друкованих плат

Із розвитком технологій галузь друкованих плат продовжує еволюціонувати. Ось що формує наступну еру розробки та застосування друкованих плат:

Рух у бік підвищеної щільності та мініатюрності

• Конструювання HDI: Зростаючий попит на високу щільність схем стимулює масове впровадження друкованих плат з високою щільністю монтажу (HDI). Вони є невід'ємною частиною смартфонів, планшетів та сучасних пристроїв носимої електроніки, мають мікроперехідні отвори та надтонкі провідники, що дозволяють розмістити більше з'єднань на меншому просторі.
• Гнучкі основи та інновації у гнучких друкованих платах: Поширеність гнучких схем означає, що все більше проектів тепер потребують рішень на основі гнучких або жорстко-гнучких друкованих плат, що дозволяє електронним пристроям згинатися, складатися та вписуватися в конструкції, які раніше були неможливими — особливо важливо для медичних імплантів, складаних телефонів і автомобільних сенсорів.

Сучасні матеріали та екологічна спрямованість

• Нові ізоляційні матеріали та основи для плат постійно з'являються, метою є досягнення нижчих втрат передачі, підвищення ефективності теплового управління та більш екологічних процесів виробництва.
• Безсвинцеве паяння, ламінати без галогенів та переробне виробництво друкованих плат все частіше стають пріоритетними для відповідності глобальним стандартам сталого розвитку.

Розумніше проектування та тестування друкованих плат

• Засоби автоматизованого проектування: Вони дозволяють швидке прототипування, передбачення помилок і моделювання ще до виготовлення фізичних плат, зменшуючи витрати на повторну роботу та значно скорочуючи цикли проектування навіть для складних друкованих плат.
• Перевірка проекту та тестування: Технології цифрових двійників і моделювання електричних кіл можуть точно відтворювати поведінку реальних кіл, виявляючи потенційні недоліки на етапі проектування.
• Автоматична оптична інспекція (AOI): Хоча друковану плату перевіряють після виробництва, автоматизований оптичний контроль на основі штучного інтелекту та електричні випробування виявляють мікродефекти, забезпечуючи високий вихід придатної продукції та надійність для критичних за призначенням застосунків.

Висновок

По суті, друкована плата — це немовби невидимий каркас усіх електронних пристроїв. Ми не часто бачимо її у повсякденному житті, але вона прихована всередині кожного продукту, яким користуємося. Вона не просто з'єднує та фіксує електронні компоненти. Завдяки різноманітним типам та точним конструкціям вона адаптується до потреб різних сценаріїв використання, реалізуючи можливості розумного способу життя.