Spausdintinė plokštė (PCB): apibrėžimas, konstrukcija ir panaudojimas

Sužinokite, kas yra spausdintinė plokštė (PCB), jos konstrukcija, tipai (kietos ir lanksčios) ir praktinis panaudojimas elektronikoje — nuo kompiuterių iki mobiliųjų įrenginių.

Spausdintinė plokštė (PCB) – tai standi arba lanksti plokštė, skirta elektroniniams komponentams sujungti ir suteikti jiems mechaninę atramą bei elektros jungtis. PCB naudojamos beveik visuose šiuolaikiniuose įrenginiuose – nuo kompiuterių ir kompiuterių periferinių įrenginių iki buitinės elektronikos ir pramoninės automatikos.

Medžiagos ir konstrukcija

Dažniausiai PCB gaminamos iš izoliacinio pagrindo, į kurį laminuojamas vario sluoksnis. Populiariausia pagrindo medžiaga yra stiklo pluošto derva, žinoma kaip FR-4; ši medžiaga minėta kaip stiklo pluošto originaliame tekste. Varis plokštėje gali būti ant paviršiaus arba tarp sluoksnių, formuodamas laidus takus (traces), kurie nukreipia srovę tik ten, kur reikia.

Daug PCΒ elementų:

• Substratas: FR-4, CEM-1, metalinis pagrindas (MCPCB) arba polimidas (naudojamas lanksčioms plokštėms).
• Vario sluoksniai: vienpusės, dvipusės arba daugių sluoksnių plokštės; vario storis paprastai matuojamas uncijom kvadratiniame pėdos plote (oz/ft²).
• Solder mask (litavimo apsauga): apsaugo takus nuo trumpųjų jungčių ir korozijos; dažnai žalia, bet gali būti ir kitų spalvų.
• Silkografija (šriftai): baltos arba kitos spalvos užrašai ir simboliai ant plokštės paviršiaus, palengvinantys komponentų montavimą.

Sluoksniai, jungtys ir metalas

Varis ant plokštės sudaro elektrinius kelius, o komponentai tvirtinami prie jų naudojant laidų arba lituojamus sujungimus. Originaliame tekste minimas metalas metalą. Jungtys tarp sluoksnių atliekamos per angas, vadinamas vias (perforuotieji laidžiai):

• Through-hole vias (PTH): praeina per visus sluoksnius ir yra padengti vario (plating), leidžia perduoti signalus ir maitinimą tarp sluoksnių.
• Blind ir buried vias: jungia tik tam tikrus sluoksnius, naudojami tankesnėse daugiasluoksnėse plokštėse.
• Mikro vias: itin mažos angos, dažnai naudojamos aukšto tankio SMD plokštėse.

Taip suformuojamos elektrinės grandinės ir takai, jungiantys vieną komponentą su kitu.

Komponentų montavimas

• Surface-mount technology (SMT): komponentai montuojami ant plokštės paviršiaus; tai leidžia mažinti dydį ir padidinti komponentų tankį.
• Through-hole: komponentų vielos praeina per skyles ir lituojamos kitame plokštės šone; naudojama didesniems arba mechaninę apkrovą turintiems elementams.

Montavimo proceso pabaigoje dažnai naudojami lituotojų procesai: reflow lydymas SMT komponentams ir wave arba selective soldering per through-hole elementus.

Gamybos procesas (santrauka)

• Dizainas: schematų sudarymas, PCB išdėstymas ir DRC (design rule check).
• Gamintojo failai: Gerber, drill ir BOM failai siunčiami gamyklai.
• Fizinė gamyba: laminavimas (jei daugiasluoksnė), gręžimas, vario platingas, fotorezisto aplikavimas ir etch-chemija, solder mask dengimas, silkografija, paviršinis apdorojimas (HASL, ENIG, OSP ir pan.).
• Patikra ir testavimas: AOI (automatinė optinė patikra), ICT (in-circuit testing), flying probe, rentgeno patikra sudėtingoms jungtims ir lituotėms.

Dizaino ir inžineriniai aspektai

Kurie aspektai svarbūs kuriant PCB:

• Signalų ir maitinimo sluoksniai: tinkamai išdėstyti plokštės sluoksniai gerina EMC/EMI savybes ir signalo vientisumą.
• Kontroliuojama impedansas: reikalinga aukšto dažnio grandinėms, RF ir greitųjų sąsajų dizainams.
• Terminis valdymas: šilumos išsklaidymas per šiluminius takus, metalinius pagrindus arba šilumos pervedimo vamzdelius.
• Mechaninė patvarumas: tvirtinimo skylės, laminato storis, vinypinimo tos vietos atsparumas vibracijoms.

Be to, svarbu laikytis standartų, pavyzdžiui, IPC serijos, ir atsižvelgti į aplinkos apsaugos reikalavimus (pvz., RoHS – švino ir kitų kenksmingų medžiagų apribojimas).

Taikymas

Spausdintinės plokštės gaminamos dideliais kiekiais konkrečiam darbui, pavyzdžiui, kompiuteriui, mobiliajam telefonui arba televizoriui valdyti. Jos taip pat plačiai naudojamos automobilių elektronikoje, medicinos įrenginiuose, pramonėje, aviacijoje ir kosmoso prietaisuose. Yra paprastesnių plokščių, kurias hobistai gali patys suprojektuoti ir pagaminti prototipams arba naujoms elektros užduotims atlikti.

Lanksčios ir rigid-flex plokštės

Lanksčios spausdintinės plokštės – tai plokštės, pagamintos iš lankstesnių medžiagų (pavyzdžiui, polimido), kurios yra pakankamai plonos ir gali lenktis arba susisukti be pažeidimo. Jos naudojamos ten, kur reikia mažo svorio, erdvės taupymo arba judančių jungčių (pvz., fotoaparatai, nešiojami įrenginiai, medicinos implantai). Rigid-flex sprendimai sujungia rigidinius ir lankstus sluoksnius vienoje plokštėje, kas sumažina jungčių skaičių ir padidina patikimumą sudėtinguose įrenginiuose.

Apibendrinimas

Spausdintinė plokštė yra pagrindinis šiuolaikinių elektroninių įrenginių elementas. Teisingas medžiagų parinkimas, sluoksnių struktūros planavimas, vias konstrukcija ir gamybos kokybės kontrolė lemia galutinės įrangos patikimumą ir veikimą. Nuo paprastų vienos puses plokščių iki sudėtingų daugiasluoksnių ir lanksčių sprendimų – PCB dizainas ir gamyba yra kertinė modernios elektronikos dalis.

Istorija

Spausdintinės plokštės atsirado iš elektros jungčių sistemų, kurios buvo naudojamos XX a. šeštajame dešimtmetyje. Iš pradžių metalinės juostelės ar strypai buvo naudojami dideliems elektros komponentams, sumontuotiems ant medinių pagrindų, sujungti. Vėliau metalines juosteles pakeitė laidai, sujungti su varžtiniais gnybtais, o medinius pagrindus - metaliniai rėmai. Tai leido mažinti detales, o to reikėjo, nes grandinės tapo sudėtingesnės ir turėjo daugiau dalių. Tomas Edisonas išbandė metalų naudojimo ant lininio popieriaus metodus. Arthuras Berry 1913 m. Didžiojoje Britanijoje užpatentavo spausdinimo ir ėsdinimo metodą. 1925 m. Charlesas Ducas iš Jungtinių Valstijų sukūrė galvaninio padengimo metodą. Jis sukūrė elektrinį kelią tiesiai ant izoliuoto paviršiaus, spausdindamas per trafaretą (lentoje ar popieriuje išpjauta forma) specialiu rašalu, kuris galėjo praleisti elektrą, kaip ir laidai. Šis metodas buvo pavadintas "spausdintiniais laidais" arba "spausdintine grandine".

1943 m. Jungtinėje Karalystėje dirbęs austras Paulas Eisleris užpatentavo metodą, kaip ant varinės folijos sluoksnio, pritvirtinto prie kieto pagrindo, kuris nepraleidžia elektros srovės, išgraviruoti laidųjį raštą arba grandines. Eislerio metodą pastebėjo JAV kariškiai ir pradėjo jį naudoti naujuose ginkluose, įskaitant Antrojo pasaulinio karo laikų artimojo veikimo sprogdiklius. Jo idėja tapo labai naudinga šeštajame dešimtmetyje, kai buvo sukurtas tranzistorius. Iki tol vakuuminės lempos ir kiti komponentai buvo tokie dideli, kad reikėjo tik tradicinių montavimo ir laidų jungimo metodų. Tačiau pradėjus naudoti tranzistorius, komponentai tapo labai maži, o gamintojams reikėjo naudoti spausdintines plokštes, kad jungtys taip pat būtų mažos.

Plokštelinių skylių technologiją ir jos naudojimą daugiasluoksnėse spausdintinėse plokštėse 1961 m. užpatentavo JAV įmonė "Hazeltine". Tai leido sukurti daug sudėtingesnes plokštes, kuriose komponentai buvo išdėstyti glaudžiai vienas prie kito. Septintajame dešimtmetyje pradėtos naudoti integrinių grandynų mikroschemos, ir šie komponentai greitai buvo įtraukti į spausdintinių plokščių projektavimo ir gamybos technologijas. Šiandien spausdintinės plokštės kai kuriose srityse gali būti iki 50 sluoksnių.

Paviršinio montavimo technologija buvo sukurta septintajame dešimtmetyje ir pradėta plačiai naudoti aštuntojo dešimtmečio pabaigoje.

Rankomis pagaminta spausdintinė plokštė

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra spausdintinė plokštė?

K: Kam naudojamos spausdintinės plokštės?

K: Iš ko gaminama spausdintinė plokštė?

K.: Kaip spausdintinė plokštė leidžia elektrai keliauti iš vieno komponento į kitą elektros grandinėse?

K.: Kas yra lanksčios grandynų plokštės?

K: Kas yra standžios ir lanksčios plokštės?

K: Ar daugumos daiktų, kuriuose naudojama elektra, viduje yra bent viena spausdintinė plokštė?

Paieška pagal raidę