Plošný spoj (PCB) se nacházejí téměř ve všech typech elektronických zařízení. Pokud jsou v součástce elektronické součástky, jsou také vloženy do různých velikostí DPS. Kromě upevnění různých malých částí je hlavní funkcí desky plošných spojů zajištění elektrického spojení mezi součástmi. Jak je elektronické zařízení stále složitější, je zapotřebí stále více dílů a zapojení a součásti na desce plošných spojů jsou stále hustší. Standardní PCB vypadá nějak takto. Bare Board (bez dílů na něm) je také často označován jako „deska s plošnými spoji (PWB).

Podklad samotné desky je vyroben z materiálu, který je izolovaný a odolný proti ohnutí. Drobný liniový materiál, který je vidět na povrchu, je měděná fólie. Původně je měděná fólie pokryta na celé desce a střední část je ve výrobním procesu odleptána a ze zbývající části se stává síť malých linek. Tato vedení se nazývají vodiče nebo vodiče a slouží k zajištění elektrického připojení částí na desce plošných spojů.

K zajištění dílů na desce plošných spojů připájíme jejich kolíky přímo k elektroinstalaci. Na základní desce plošných spojů jsou součásti soustředěny na jedné straně a vodiče jsou soustředěny na druhé straně. Potřebujeme tedy v desce udělat otvory, aby čepy mohly projít deskou na druhou stranu, takže čepy dílů jsou přivařeny na druhou stranu. Z tohoto důvodu se přední a zadní strana desky plošných spojů nazývají Component Side a Solder Side.

Pokud jsou na desce plošných spojů díly, které lze po výrobě vyjmout nebo znovu nasadit, k instalaci dílů se použije zásuvka. Protože je zásuvka přímo přivařena k desce, lze díly libovolně rozebírat. Zásuvka ZIF (Zero InserTIon Force) umožňuje snadné vkládání a vyjímání dílů. Páka vedle zásuvky může držet části na místě poté, co je vložíte.

Pro připojení dvou PCBS k sobě se běžně používá okrajový konektor. Zlatý prst obsahuje řadu holých měděných podložek, které jsou ve skutečnosti součástí kabeláže desky plošných spojů. Normálně pro připojení vložíme zlatý prst na jeden PCB do příslušného slotu (běžně nazývaného rozšiřující slot) na druhém PCB. V počítačích jsou grafické karty, zvukové karty a podobné karty rozhraní připojeny k základní desce pomocí zlatého prstu.

Zelená nebo hnědá barva na DPS je barva pájecí masky. Tato vrstva je izolační štít, který chrání měděný drát a zabraňuje přivaření dílů na nesprávné místo. Na vrstvu odolnosti proti pájce bude vytištěna další sítotisk. Obvykle je vytištěno slovy a symboly (většinou bílými) pro označení polohy dílů na desce. Plocha sítotisku je také známá jako plocha ikon

Legenda).

Jednostranné desky

Jak jsme zmínili, na základní desce plošných spojů jsou součásti soustředěny na jedné straně a vodiče jsou soustředěny na druhé straně. Protože se drát objevuje pouze na jedné straně, nazýváme tento TYP DPS jednostranný. Protože jednotlivé panely měly mnoho přísných omezení na konstrukci obvodu (protože existovala pouze jedna strana, kabeláž nemohla procházet a musela se ubírat oddělenou cestou), pouze první obvody používaly takové desky.

Oboustranné desky

Deska s obvody má zapojení na obou stranách. Aby však bylo možné použít oba vodiče, musí být mezi oběma stranami správná elektrická spojení. Tento „most“ mezi obvody se nazývá vodicí otvor (VIA). Vodicí otvory jsou malé otvory v desce plošných spojů vyplněné nebo potažené kovem, které lze na obou stranách připojit k vodičům. Protože duální panel má dvojnásobnou plochu než jeden panel, a protože kabeláž může být prokládaná (může být navinuta na druhou stranu), je lepší pro složitější obvody než jeden panel.

Vícevrstvé desky

Aby se zvětšila plocha, kterou lze zapojit, používá se více jednostranných nebo oboustranných propojovacích desek. Vícevrstvá deska používá několik dvojitých panelů a mezi každý panel je umístěna vrstva izolace, která je lepena (lisována). Počet vrstev desky představuje několik nezávislých vrstev zapojení, obvykle sudý počet vrstev, včetně krajních dvou vrstev. Většina základních desek je postavena se čtyřmi až osmi vrstvami, ale technicky je možné postavit až 100 vrstev PCBS. Většina velkých superpočítačů používá několik vrstev základních desek, ale jejich používání již nevyhovuje, protože je lze nahradit shluky běžných počítačů. Vzhledem k tomu, že vrstvy v desce plošných spojů jsou tak těsně integrovány, není vždy snadné zjistit skutečné číslo, ale pokud se podíváte pozorně na základní desku, možná to zvládnete.

Vodicí otvor (VIA), který jsme právě zmínili, pokud je aplikován na dvojitý panel, musí procházet celou deskou

Pokud ale ve vícevrstvých chcete spojit pouze některé čáry, mohou vodicí otvory plýtvat část prostoru čáry v ostatních vrstvách. Zakopané průchody a Slepé průchodky se tomuto problému vyhýbají, protože pronikají jen několika vrstvami. Slepé otvory spojují několik vrstev vnitřních PCBS s povrchovými PCBS, aniž by pronikly celou deskou. Zakopané otvory jsou připojeny pouze k interní desce plošných spojů, takže světlo není z povrchu vidět.

Ve vícevrstvé desce plošných spojů je celá vrstva přímo připojena k zemnicímu vodiči a napájecímu zdroji. Takže klasifikujeme vrstvy jako signál, síla nebo uzemnění. Pokud součásti na desce plošných spojů vyžadují různé napájecí zdroje, mají obvykle více než dvě vrstvy napájení a vodičů.

Technologie balení dílů

Prostřednictvím technologie Hole

Technika umístění dílů na jednu stranu desky a přivaření čepů na druhou stranu se nazývá zapouzdření „Through Hole Technology (THT)“. Tato část zabírá hodně místa a pro každý čep je vyvrtána jedna díra. Jejich spoje tedy ve skutečnosti zabírají místo na obou stranách a pájecí spoje jsou poměrně velké. Na druhou stranu jsou části THT lépe připojeny k desce plošných spojů než části Surface Mounted Technology (SMT), o kterých si povíme později. Zásuvky jako kabelové zásuvky a podobná rozhraní musí být odolné vůči tlaku, takže se obvykle jedná o balíčky THT.

Technologie pro povrchovou montáž

U dílů technologie povrchové montáže (SMT) je čep přivařen na stejné straně s díly. Tato technika nevyvrtává otvory v desce plošných spojů pro každý kolík.

Povrchové lepicí části lze dokonce svařovat na obou stranách.

SMT má také menší části než THT. Ve srovnání s PCB s díly THT je PCB s technologií SMT mnohem hutnější. Části balení SMT jsou také levnější než THT. Není tedy překvapením, že většina dnešních PCBS je SMT.

Protože jsou pájené spoje a čepy dílů velmi malé, je velmi obtížné je ručně svařit. Vzhledem k tomu, že je aktuální montáž plně automatizovaná, k tomuto problému dojde pouze při opravě dílů.

Proces návrhu

V návrhu desek plošných spojů existují ve skutečnosti velmi dlouhé kroky, které je třeba provést před formálním zapojením. Následuje hlavní proces návrhu:

Specifikace systému

Nejprve by měla být naplánována specifikace systému elektronického zařízení. Pokrývá funkčnost systému, omezení nákladů, velikost, provoz atd.

Blokové schéma funkčního systému

Dalším krokem je vytvoření funkčního blokového schématu systému. Rovněž musí být označen vztah mezi čtverci.

Rozdělte systém na několik PCBS

Rozdělení systému na několik PCBS nejen zmenší velikost, ale také poskytne systému možnost upgradovat a vyměnit díly. Blokové schéma funkčního systému poskytuje základ pro naši segmentaci. Počítače lze například rozdělit na základní desky, grafické karty, zvukové karty, disketové jednotky, napájecí zdroje atd.

Určete způsob balení a velikost jednotlivých desek plošných spojů

Jakmile je určena technologie a počet obvodů použitých pro každou desku plošných spojů, dalším krokem je určení velikosti desky. Pokud je design příliš velký, pak bude muset technologie balení změnit nebo akci znovu rozdělit. Při výběru technologie by měla být vzata v úvahu také kvalita a rychlost schématu zapojení.

Nakreslete schematická schémata zapojení všech desek plošných spojů

Podrobnosti o propojení mezi částmi by měly být uvedeny v náčrtu. Musí být popsán PCB ve všech systémech a většina z nich v současné době používá CAD (Computer Aided Design). Zde je příklad designu CircuitMakerTM.

Schematický diagram obvodu DPS

Předběžný návrh simulačního provozu

Aby bylo zajištěno, že navržené schéma zapojení funguje, musí být nejprve simulováno pomocí počítačového softwaru. Takový software může číst plány a ukazovat, jak obvod funguje mnoha způsoby. To je mnohem efektivnější, než ve skutečnosti vyrobit vzorek DPS a poté jej ručně změřit.

Umístěte součásti na desku plošných spojů

Způsob umístění dílů závisí na tom, jak jsou navzájem spojeny. Musí být připojeny k cestě tím nejefektivnějším způsobem. Efektivní zapojení znamená nejkratší možné zapojení a méně vrstev (což také snižuje počet vodících otvorů), ale k tomu se ještě vrátíme ve skutečném zapojení. Takto vypadá sběrnice na desce plošných spojů. Umístění je důležité, aby každá část měla dokonalé zapojení.

Otestujte možnosti zapojení se správným provozem při vysoké rychlosti

Některý z dnešních počítačových softwarů dokáže zkontrolovat, zda lze umístění každé součásti správně připojit, nebo zda může správně fungovat při vysoké rychlosti. Tento krok se nazývá aranžování dílů, ale nebudeme se tím příliš zabývat. Pokud je problém s návrhem obvodu, lze díly také před uspořádáním obvodu v poli přeskupit.

Export obvodu na DPS

Spoje v náčrtu budou nyní vypadat jako zapojení v poli. Tento krok je obvykle plně automatizovaný, i když jsou obvykle nutné ruční změny. Níže je šablona drátu pro 2 lamináty. Červená a modrá čára představují vrstvu dílů DPS a svařovací vrstvu. Bílý text a čtverečky představují značky na povrchu sítotisku. Červené tečky a kruhy představují vrtné a vodicí otvory. Zcela vpravo vidíme zlatý prst na svařovací ploše DPS. Konečné složení této DPS je často označováno jako pracovní umělecké dílo.

Každý návrh musí splňovat sadu pravidel, jako jsou minimální vyhrazené mezery mezi řádky, minimální šířky čar a další podobná praktická omezení. Tyto specifikace se liší v závislosti na rychlosti obvodu, síle přenášeného signálu, citlivosti obvodu na spotřebu energie a hluku a kvalitě materiálu a výrobního zařízení. Pokud se zvyšuje síla proudu, musí se také zvětšit tloušťka drátu. Aby se snížily náklady na PCB a zároveň se snížil počet vrstev, je také nutné věnovat pozornost tomu, zda jsou tyto předpisy stále dodržovány. Pokud jsou zapotřebí více než 2 vrstvy, obvykle se používá výkonová vrstva a zemní vrstva, aby se zabránilo ovlivnění přenosového signálu na signálové vrstvě, a lze je použít jako stínění signální vrstvy.

Vodič po testu obvodu

Abyste si byli jisti, že vedení za drátem funguje správně, musí projít závěrečným testem. Tento test také kontroluje nesprávná připojení a všechna připojení se řídí schématem.

Založit a založit

Protože v současné době existuje mnoho nástrojů CAD pro navrhování PCBS, musí výrobci mít k výrobě desek profil, který splňuje standardy. Existuje několik standardních specifikací, ale nejběžnější je specifikace Gerber Files. Sada Gerberových souborů obsahuje plán každého signálu, energetické a zemní vrstvy, plán vrstvy odolnosti proti pájce a povrchu sítotisku a určené soubory vrtání a přemísťování.

Problém s elektromagnetickou kompatibilitou

Elektronická zařízení, která nejsou navržena podle specifikací EMC, pravděpodobně emitují elektromagnetickou energii a ruší okolní spotřebiče. EMC ukládá maximální limity elektromagnetického rušení (EMI), elektromagnetického pole (EMF) a vysokofrekvenčního rušení (RFI). Toto nařízení může zajistit normální provoz spotřebiče a dalších blízkých spotřebičů. EMC ukládá přísná omezení množství energie, která může být rozptýlena nebo přenášena z jednoho zařízení do druhého, a je navržena tak, aby snížila citlivost na externí EMF, EMI, RFI atd. Jinými slovy, účelem tohoto předpisu je zabránit vnikání elektromagnetické energie do zařízení nebo z něj vycházet. Toto je velmi obtížně řešitelný problém a obvykle se řeší použitím napájecích a uzemňovacích vrstev nebo vložením PCBS do kovových krabic. Výkonová a zemní vrstva chrání vrstvu signálu před rušením a kovový box funguje stejně dobře. Nezacházíme příliš daleko k těmto problémům.

Maximální rychlost obvodu závisí na shodě s EMC. Interní EMI, jako je ztráta proudu mezi vodiči, se zvyšuje s rostoucí frekvencí. Pokud je aktuální rozdíl mezi těmito dvěma příliš velký, nezapomeňte prodloužit vzdálenost mezi nimi. To nám také říká, jak se vyhnout vysokému napětí a minimalizovat aktuální spotřebu obvodu. Důležitá je také rychlost zpoždění při zapojení, takže čím kratší délka, tím lépe. Malý PCB s dobrým zapojením bude tedy fungovat lépe při vysokých rychlostech než velký PCB.