Τυπωμένου κυκλώματος (PCB) βρίσκονται σχεδόν σε κάθε είδους ηλεκτρονική συσκευή. Εάν υπάρχουν ηλεκτρονικά εξαρτήματα σε έναν εξοπλισμό, είναι επίσης ενσωματωμένα σε διάφορα μεγέθη PCB. Εκτός από τη στερέωση διαφόρων μικρών εξαρτημάτων, η κύρια λειτουργία του PCB είναι να παρέχει ηλεκτρικές συνδέσεις μεταξύ των εξαρτημάτων. Καθώς ο ηλεκτρονικός εξοπλισμός γίνεται όλο και πιο περίπλοκος, χρειάζονται όλο και περισσότερα εξαρτήματα και η καλωδίωση και τα εξαρτήματα στο PCB γίνονται όλο και πιο πυκνά. Ένα τυπικό PCB φαίνεται κάπως έτσι. Bare Board (without parts on it) is also often referred to as “Printed Wiring Board (PWB).

Το ίδιο το υπόστρωμα της σανίδας είναι κατασκευασμένο από υλικό που είναι μονωμένο και ανθεκτικό στην κάμψη. Το υλικό μικρής γραμμής που φαίνεται στην επιφάνεια είναι φύλλο χαλκού. Αρχικά, το φύλλο χαλκού καλύπτεται σε ολόκληρο τον πίνακα και το μεσαίο μέρος χαράσσεται στη διαδικασία κατασκευής και το υπόλοιπο τμήμα γίνεται ένα δίκτυο μικρών γραμμών. Αυτές οι γραμμές ονομάζονται αγωγοί ή αγωγοί και χρησιμοποιούνται για την παροχή ηλεκτρικών συνδέσεων σε μέρη του PCB.

Για τη στερέωση εξαρτημάτων στο PCB, κολλάμε τις καρφίτσες τους απευθείας στην καλωδίωση. Σε ένα βασικό PCB, τα μέρη συγκεντρώνονται στη μία πλευρά και τα καλώδια συγκεντρώνονται στην άλλη. Πρέπει λοιπόν να κάνουμε τρύπες στον πίνακα, έτσι ώστε οι καρφίτσες να περνούν από τον πίνακα στην άλλη πλευρά, έτσι ώστε οι καρφίτσες των τμημάτων να συγκολλούνται στην άλλη πλευρά. Εξαιτίας αυτού, η μπροστινή και η πίσω πλευρά ενός PCB ονομάζονται Component Side και Solder Side αντίστοιχα.

Εάν υπάρχουν εξαρτήματα στο PCB που μπορούν να αφαιρεθούν ή να επανατοποθετηθούν μετά την κατασκευή, η πρίζα θα χρησιμοποιηθεί για την εγκατάσταση των εξαρτημάτων. Επειδή η πρίζα συγκολλάται απευθείας στον πίνακα, τα εξαρτήματα μπορούν να αποσυναρμολογηθούν αυθαίρετα. Ένα βύσμα ZIF (Zero InserTIon Force) επιτρέπει την εύκολη εισαγωγή και αφαίρεση εξαρτημάτων. Ο μοχλός δίπλα στην πρίζα μπορεί να κρατήσει τα μέρη στη θέση τους αφού τα τοποθετήσετε.

Για τη σύνδεση δύο PCBS μεταξύ τους, χρησιμοποιείται συνήθως ένας ακροδέκτης ακμής. Το χρυσό δάχτυλο περιέχει έναν αριθμό γυμνών μαξιλαριών χαλκού που είναι στην πραγματικότητα μέρος της καλωδίωσης PCB. Κανονικά, για σύνδεση, εισάγουμε το χρυσό δάχτυλο σε ένα PCB στην κατάλληλη υποδοχή (κοινώς αποκαλούμενη υποδοχή επέκτασης) στο άλλο PCB. In computers, display cards, sound cards, and similar interface cards are connected to the motherboard by means of a gold finger.

Το πράσινο ή καφέ χρώμα στο PCB είναι το χρώμα της μάσκας συγκόλλησης. Αυτό το στρώμα είναι μια μονωτική ασπίδα που προστατεύει το σύρμα χαλκού και αποτρέπει τη συγκόλληση εξαρτημάτων σε λάθος μέρος. Μια άλλη μεταξοτυπία θα εκτυπωθεί στο στρώμα αντίστασης συγκόλλησης. Εκτυπώνεται συνήθως με λέξεις και σύμβολα (κυρίως λευκά) για να υποδείξει τη θέση των τμημάτων στον πίνακα. Screen printing surface is also known as icon surface

Θρύλος).

Μονόπλευροι πίνακες

Όπως αναφέραμε, σε ένα βασικό PCB, τα μέρη συγκεντρώνονται στη μία πλευρά και τα σύρματα συγκεντρώνονται στην άλλη. Because the wire appears on only one side, we call this TYPE of PCB single-sided. Επειδή τα μονά πάνελ είχαν πολλούς αυστηρούς περιορισμούς στο σχεδιασμό του κυκλώματος (επειδή υπήρχε μόνο η μία πλευρά, η καλωδίωση δεν μπορούσε να διασταυρωθεί και έπρεπε να ακολουθήσει ξεχωριστό δρόμο), μόνο τα πρώτα κυκλώματα χρησιμοποιούσαν τέτοιες σανίδες.

Πίνακες διπλής όψης

Η πλακέτα έχει καλωδίωση και στις δύο πλευρές. Αλλά για να χρησιμοποιήσετε και τα δύο καλώδια, πρέπει να υπάρχουν σωστές ηλεκτρικές συνδέσεις μεταξύ των δύο πλευρών. Αυτή η «γέφυρα» μεταξύ των κυκλωμάτων ονομάζεται οδηγός οπή (VIA). Οι οπές οδηγού είναι μικρές οπές στο PCB γεμάτες ή επικαλυμμένες με μέταλλο που μπορούν να συνδεθούν με καλώδια και στις δύο πλευρές. Because a dual panel has twice the area of a single panel, and because the wiring can be interlaced (it can be wound around to the other side), it is better for more complex circuits than a single panel.

Πίνακες πολλαπλών στρωμάτων

Για να αυξηθεί η περιοχή που μπορεί να καλωδιωθεί, χρησιμοποιούνται περισσότεροι πίνακες καλωδίωσης μονής ή διπλής όψης. Ο πίνακας πολλαπλών στρωμάτων χρησιμοποιεί πολλά διπλά πάνελ και ένα στρώμα μόνωσης τοποθετείται μεταξύ κάθε πίνακα και κολλάται (πιέζεται). Ο αριθμός των στρωμάτων της σανίδας αντιπροσωπεύει αρκετά ανεξάρτητα στρώματα καλωδίωσης, συνήθως έναν άρτιο αριθμό στρωμάτων, συμπεριλαμβανομένων των δύο εξόχως από τα δύο στρώματα. Most motherboards are built with four to eight layers, but it is technically possible to build up to 100 layers of PCBS. Οι περισσότεροι μεγάλοι υπερυπολογιστές χρησιμοποιούν αρκετά στρώματα μητρικών πλακέτων, αλλά έχουν τεθεί εκτός χρήσης καθώς μπορούν να αντικατασταθούν από ομάδες συνηθισμένων υπολογιστών. Because the layers in a PCB are so tightly integrated, it’s not always easy to see the actual number, but if you look closely at the motherboard, you might be able to.

Η οπή οδήγησης (VIA) που μόλις αναφέραμε, αν εφαρμοστεί σε διπλό πίνακα, πρέπει να είναι σε ολόκληρη την πλακέτα

Αλλά σε μια πολυστρωματική στρώση, εάν θέλετε να συνδέσετε μόνο μερικές από τις γραμμές, οι οπές καθοδήγησης μπορεί να σπαταλήσουν μέρος του χώρου γραμμής στα άλλα στρώματα. Buried vias and Blind vias avoid this problem because they only penetrate a few layers. Blind holes connect several layers of internal PCBS to surface PCBS without penetrating the entire board. Οι θαμμένες οπές συνδέονται μόνο με το εσωτερικό PCB, οπότε το φως δεν είναι ορατό από την επιφάνεια.

Σε ένα PCB πολλαπλών στρωμάτων, ολόκληρο το στρώμα συνδέεται απευθείας με το καλώδιο γείωσης και την παροχή ρεύματος. Έτσι, ταξινομούμε τα επίπεδα ως Σήμα, Ισχύς ή Γείωση. If the parts on the PCB require different power supplies, they usually have more than two power and wire layers.

Τεχνολογία συσκευασίας εξαρτημάτων

Μέσω της Τεχνολογίας Τρύπας

The technique of placing parts on one side of the board and welding the pins to the other side is called “Through Hole Technology (THT)” encapsulation. Αυτό το μέρος καταλαμβάνει πολύ χώρο και μια τρύπα ανοίγει για κάθε πείρο. Έτσι, οι αρμοί τους καταλαμβάνουν πραγματικά χώρο και από τις δύο πλευρές και οι αρμοί συγκόλλησης είναι σχετικά μεγάλοι. Από την άλλη πλευρά, τα εξαρτήματα THT συνδέονται καλύτερα με PCB από τα μέρη Surface Mounted Technology (SMT), για τα οποία θα μιλήσουμε αργότερα. Οι πρίζες όπως οι ενσύρματες πρίζες και παρόμοιες διεπαφές πρέπει να είναι ανθεκτικές στην πίεση, επομένως είναι συνήθως πακέτα THT.

Surface Mounted Technology

Για εξαρτήματα Surface Mounted Technology (SMT), ο πείρος είναι συγκολλημένος στην ίδια πλευρά με τα μέρη. This technique does not drill holes in the PCB for each pin.

Επιφανειακά αυτοκόλλητα μέρη μπορούν ακόμη και να συγκολληθούν και στις δύο πλευρές.

Το SMT έχει επίσης μικρότερα μέρη από το THT. Compared to PCB with THT parts, PCB with SMT technology is much denser. SMT package parts are also less expensive than THT’s. Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι τα περισσότερα από τα σημερινά PCBS είναι SMT.

Επειδή οι αρμοί συγκόλλησης και οι ακίδες των εξαρτημάτων είναι πολύ μικρές, είναι πολύ δύσκολο να τις συγκολλήσετε χειροκίνητα. However, given that current assembly is fully automated, this problem will only occur when repairing parts.

Η διαδικασία σχεδιασμού

Στο σχεδιασμό PCB, υπάρχουν πραγματικά πολύ μεγάλα βήματα για να περάσετε πριν από την επίσημη καλωδίωση. Ακολουθεί η κύρια διαδικασία σχεδιασμού:

The system specifications

Πρώτα απ ‘όλα, πρέπει να προγραμματιστούν οι προδιαγραφές συστήματος του ηλεκτρονικού εξοπλισμού. It covers system functionality, cost constraints, size, operation and so on.

System function block diagram

Το επόμενο βήμα είναι να δημιουργήσουμε ένα λειτουργικό μπλοκ διάγραμμα του συστήματος. Πρέπει επίσης να σημειωθεί η σχέση μεταξύ των τετραγώνων.

Divide the system into several PCBS

Η διαίρεση του συστήματος σε πολλά PCBS όχι μόνο μειώνει το μέγεθος, αλλά δίνει επίσης στο σύστημα τη δυνατότητα αναβάθμισης και ανταλλαγής εξαρτημάτων. The system function block diagram provides the basis for our segmentation. Computers, for example, can be divided into motherboards, display cards, sound cards, floppy disk drives, power supplies, and so on.

Καθορίστε τη μέθοδο συσκευασίας που θα χρησιμοποιηθεί και το μέγεθος κάθε PCB

Once the technology and the number of circuits used for each PCB has been determined, the next step is to determine the size of the board. If the design is too large, then packaging technology will have to change, or re-split the action. Η ποιότητα και η ταχύτητα του διαγράμματος κυκλώματος πρέπει επίσης να λαμβάνονται υπόψη κατά την επιλογή της τεχνολογίας.

Σχεδιάστε σχηματικά διαγράμματα κυκλωμάτων όλων των PCB

Οι λεπτομέρειες των διασυνδέσεων μεταξύ των τμημάτων πρέπει να εμφανίζονται στο σκίτσο. Το PCB σε όλα τα συστήματα πρέπει να περιγραφεί και τα περισσότερα χρησιμοποιούν CAD (Computer Aided Design) προς το παρόν. Here is an example of a CircuitMakerTM design.

Σχηματικό διάγραμμα κυκλώματος PCB

Preliminary design of simulation operation

To ensure that the designed circuit diagram works, it must first be simulated using computer software. Ένα τέτοιο λογισμικό μπορεί να διαβάσει σχέδια και να δείξει πώς λειτουργεί το κύκλωμα με πολλούς τρόπους. This is much more efficient than actually making a sample PCB and then measuring it manually.

Place the parts on the PCB

Ο τρόπος τοποθέτησης εξαρτημάτων εξαρτάται από το πώς συνδέονται μεταξύ τους. Πρέπει να συνδέονται με τη διαδρομή με τον πιο αποτελεσματικό τρόπο. Η αποτελεσματική καλωδίωση σημαίνει τη συντομότερη δυνατή καλωδίωση και λιγότερα στρώματα (πράγμα που μειώνει επίσης τον αριθμό των οπών οδήγησης), αλλά θα επανέλθουμε σε αυτό στην πραγματική καλωδίωση. Here is what the bus looks like on a PCB. Placement is important in order for each part to have perfect wiring.

Δοκιμάστε τις δυνατότητες καλωδίωσης με σωστή λειτουργία σε υψηλή ταχύτητα

Ορισμένα από τα σημερινά λογισμικά υπολογιστών μπορούν να ελέγξουν εάν η τοποθέτηση κάθε εξαρτήματος μπορεί να συνδεθεί σωστά ή να ελέγξουν εάν μπορεί να λειτουργήσει σωστά σε υψηλή ταχύτητα. Αυτό το βήμα ονομάζεται τακτοποίηση μερών, αλλά δεν θα προχωρήσουμε πολύ σε αυτό. Εάν υπάρχει πρόβλημα με τον σχεδιασμό του κυκλώματος, τα μέρη μπορούν επίσης να αναδιαταχθούν πριν από την εξαγωγή του κυκλώματος στο πεδίο.

Κύκλωμα εξαγωγής σε PCB

The connections in the sketch will now look like wiring in the field. Αυτό το βήμα είναι συνήθως πλήρως αυτοματοποιημένο, αν και συνήθως απαιτούνται χειροκίνητες αλλαγές. Below is the wire template for 2 laminates. Οι κόκκινες και μπλε γραμμές αντιπροσωπεύουν το στρώμα εξαρτημάτων PCB και το στρώμα συγκόλλησης αντίστοιχα. Το λευκό κείμενο και τα τετράγωνα αντιπροσωπεύουν τα σημάδια στην επιφάνεια εκτύπωσης οθόνης. Οι κόκκινες κουκίδες και κύκλοι αντιπροσωπεύουν οπές διάτρησης και καθοδήγησης. Στην άκρη δεξιά μπορούμε να δούμε το χρυσό δάχτυλο στην επιφάνεια συγκόλλησης του PCB. The final composition of this PCB is often referred to as the working Artwork.

Κάθε σχέδιο πρέπει να συμμορφώνεται με ένα σύνολο κανόνων, όπως ελάχιστα δεσμευμένα κενά μεταξύ γραμμών, ελάχιστα πλάτη γραμμών και άλλους παρόμοιους πρακτικούς περιορισμούς. Αυτές οι προδιαγραφές ποικίλλουν ανάλογα με την ταχύτητα του κυκλώματος, την ισχύ του σήματος προς μετάδοση, την ευαισθησία του κυκλώματος στην κατανάλωση ενέργειας και τον θόρυβο και την ποιότητα του υλικού και του εξοπλισμού κατασκευής. If the strength of the current increases, the thickness of the wire must also increase. Προκειμένου να μειωθεί το κόστος του PCB, μειώνοντας παράλληλα τον αριθμό των στρωμάτων, είναι επίσης απαραίτητο να δοθεί προσοχή στο κατά πόσον αυτοί οι κανονισμοί εξακολουθούν να πληρούνται. Εάν χρειάζονται περισσότερα από 2 στρώματα, το στρώμα ισχύος και το στρώμα γείωσης χρησιμοποιούνται συνήθως για να αποφευχθεί το σήμα μετάδοσης στο στρώμα σήματος που επηρεάζεται και μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ασπίδα του στρώματος σήματος.

Καλώδιο μετά από δοκιμή κυκλώματος

Για να βεβαιωθείτε ότι η γραμμή λειτουργεί σωστά πίσω από το καλώδιο, πρέπει να περάσει την τελική δοκιμή. Αυτή η δοκιμή ελέγχει επίσης για εσφαλμένες συνδέσεις και όλες οι συνδέσεις ακολουθούν το σχηματικό διάγραμμα.

Δημιουργία και αρχειοθέτηση

Επειδή υπάρχουν επί του παρόντος πολλά εργαλεία CAD για το σχεδιασμό του PCBS, οι κατασκευαστές πρέπει να έχουν ένα προφίλ που πληροί τα πρότυπα πριν μπορέσουν να κατασκευάσουν σανίδες. Υπάρχουν πολλές τυπικές προδιαγραφές, αλλά η πιο κοινή είναι η προδιαγραφή Gerber Files. Ένα σύνολο αρχείων Gerber περιλαμβάνει ένα σχέδιο κάθε σήματος, ισχύος και στρώσης γείωσης, ένα σχέδιο του στρώματος αντίστασης συγκόλλησης και της επιφάνειας εκτύπωσης οθόνης και συγκεκριμένα αρχεία διάτρησης και μετατόπισης.

Electromagnetic compatibility problem

Οι ηλεκτρονικές συσκευές που δεν έχουν σχεδιαστεί σύμφωνα με τις προδιαγραφές EMC είναι πιθανό να εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ενέργεια και να επηρεάζουν τις κοντινές συσκευές. Το EMC επιβάλλει τα μέγιστα όρια στις ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές (EMI), στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο (EMF) και στις παρεμβολές ραδιοσυχνοτήτων (RFI). Αυτός ο κανονισμός μπορεί να διασφαλίσει την κανονική λειτουργία της συσκευής και άλλων κοντινών συσκευών. Το EMC επιβάλλει αυστηρά όρια στην ποσότητα ενέργειας που μπορεί να διασκορπιστεί ή να μεταδοθεί από τη μία συσκευή στην άλλη και έχει σχεδιαστεί για να μειώνει την ευαισθησία σε εξωτερικά ΗΜΦ, ΕΝΙ, RFI κ.ο.κ. Με άλλα λόγια, ο σκοπός αυτού του κανονισμού είναι να εμποδίσει την ηλεκτρομαγνητική ενέργεια να εισέλθει ή να προέλθει από τη συσκευή. Αυτό είναι ένα πολύ δύσκολο πρόβλημα για επίλυση και συνήθως επιλύεται χρησιμοποιώντας στρώματα ισχύος και γείωσης ή τοποθετώντας PCBS σε μεταλλικά κουτιά. The power and ground layers protect the signal layer from interference, and the metal box works equally well. Δεν θα προχωρήσουμε πολύ σε αυτά τα θέματα.

Η μέγιστη ταχύτητα του κυκλώματος εξαρτάται από τη συμμόρφωση με EMC. Το εσωτερικό EMI, όπως η απώλεια ρεύματος μεταξύ αγωγών, αυξάνεται καθώς η συχνότητα αυξάνεται. Εάν η τρέχουσα διαφορά μεταξύ των δύο είναι πολύ μεγάλη, φροντίστε να επιμηκύνετε την απόσταση μεταξύ τους. This also tells us how to avoid high voltage and minimize the current consumption of the circuit. Ο ρυθμός καθυστέρησης στην καλωδίωση είναι επίσης σημαντικός, οπότε όσο μικρότερο είναι το μήκος, τόσο το καλύτερο. Έτσι, ένα μικρό PCB με καλή καλωδίωση θα λειτουργεί καλύτερα σε υψηλές ταχύτητες από ένα μεγάλο PCB.