Piirilevy (PCB) löytyy lähes kaikentyyppisistä elektronisista laitteista. If there are electronic components in a piece of equipment, they are also embedded in various sizes of PCB. In addition to fixing various small parts, the main function of the PCB is to provide electrical connections between the components. As electronic equipment becomes more and more complex, more and more parts are needed, and the wiring and parts on the PCB become more and more dense. A standard PCB looks something like this. Bare Board (without parts on it) is also often referred to as “Printed Wiring Board (PWB).

The substrate of the board itself is made of a material that is insulated and resistant to bending. The small line material that can be seen on the surface is copper foil. Originally, the copper foil is covered on the whole board, and the middle part is etched away in the manufacturing process, and the remaining part becomes a network of small lines. These lines are called conductors or conductors and are used to provide electrical connections to parts on the PCB.

To secure parts to the PCB, we solder their pins directly to the wiring. Peruspiirilevyssä osat on keskitetty toiselle puolelle ja johdot toiselle. So we need to make holes in the board so that the pins can go through the board to the other side, so the pins of the parts are welded to the other side. Because of this, the front and back sides of a PCB are called Component Side and Solder Side respectively.

Jos piirilevyssä on osia, jotka voidaan irrottaa tai laittaa takaisin valmistuksen jälkeen, osien asennuksessa käytetään pistorasiaa. Because the socket is directly welded to the board, the parts can be arbitrarily disassembled. A ZIF (Zero InserTIon Force) plug allows parts to be inserted and removed easily. The lever next to the socket can hold the parts in place after you insert them.

To connect two PCBS to each other, an edge connector is commonly used. Kultainen sormi sisältää useita paljaita kuparityynyjä, jotka ovat itse asiassa osa PCB -johdotusta. Normaalisti yhdistämiseksi asetamme kultaisen sormen yhteen piirilevyyn toisen piirilevyn sopivaan paikkaan (yleisesti kutsuttu laajennuspaikka). In computers, display cards, sound cards, and similar interface cards are connected to the motherboard by means of a gold finger.

Vihreä tai ruskea väri piirilevyllä on juotosmaskin väri. This layer is an insulating shield that protects the copper wire and prevents parts from being welded to the wrong place. Toinen silkkipaino tulostetaan juotosvastuskerrokseen. It is usually printed with words and symbols (mostly white) to indicate the position of the parts on the board. Screen printing surface is also known as icon surface

Legenda).

Yksipuoliset levyt

Kuten mainitsimme, peruspiirilevyssä osat ovat keskittyneet toiselle puolelle ja johdot toiselle. Because the wire appears on only one side, we call this TYPE of PCB single-sided. Koska yksittäisillä paneeleilla oli monia tiukkoja rajoituksia piirin suunnittelulle (koska siellä oli vain yksi puoli, johdotus ei voinut ylittää ja joutui valitsemaan erillisen polun), vain varhaiset piirit käyttivät tällaisia ​​levyjä.

Kaksipuoliset levyt

Piirilevyllä on johdotus molemmin puolin. But in order to use both wires, there must be proper electrical connections between the two sides. Tätä piirien välistä “siltaa” kutsutaan ohjausreiäksi (VIA). Ohjausaukot ovat pieniä reikiä piirilevyssä, jotka on täytetty tai päällystetty metallilla ja jotka voidaan yhdistää johtoihin molemmin puolin. 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.

Multi-layer Boards

Johdotettavan alueen lisäämiseksi käytetään enemmän yksi- tai kaksipuolisia kytkentälevyjä. Monikerroksinen levy käyttää useita kaksoispaneeleja, ja jokaisen paneelin väliin asetetaan eristekerros ja liimataan (puristetaan). The number of layers of the board represents several independent wiring layers, usually an even number of layers, including the outermost two layers. Most motherboards are built with four to eight layers, but it is technically possible to build up to 100 layers of PCBS. Useimmat suuret supertietokoneet käyttävät melko vähän emolevyjä, mutta ne ovat poistuneet käytöstä, koska ne voidaan korvata tavallisten tietokoneiden klustereilla. 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.

The guide hole (VIA) we just mentioned, if applied to a double panel, must be through the entire board

But in a multilayer, if you only want to connect some of the lines, the guide holes may waste some of the line space in the other layers. 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. Buried holes are only connected to the internal PCB, so light is not visible from the surface.

In a multilayer PCB, the entire layer is directly connected to the ground wire and the power supply. So we classify the layers as Signal, Power or Ground. If the parts on the PCB require different power supplies, they usually have more than two power and wire layers.

Osien pakkaustekniikka

Reikätekniikan kautta

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. This part takes up a lot of space and one hole is drilled for each pin. Joten niiden nivelet todella vievät tilaa molemmilta puolilta, ja juotosliitokset ovat suhteellisen suuria. Toisaalta THT -osat on yhdistetty paremmin piirilevyyn kuin Surface Mounted Technology (SMT) -osat, joista puhumme myöhemmin. Sockets like wired sockets and similar interfaces need to be pressure-tolerant, so they are usually THT packages.

Surface Mounted Technology

For Surface Mounted Technology (SMT) parts, the pin is welded on the same side with the parts. This technique does not drill holes in the PCB for each pin.

Pintaliimaosat voidaan jopa hitsata molemmin puolin.

SMT: ssä on myös pienempiä osia kuin THT. Compared to PCB with THT parts, PCB with SMT technology is much denser. SMT package parts are also less expensive than THT’s. So it’s no surprise that most of today’s PCBS are SMT.

Because the solder joints and pins of parts are very small, it is very difficult to weld them manually. However, given that current assembly is fully automated, this problem will only occur when repairing parts.

The design process

Piirilevyjen suunnittelussa on todella pitkät vaiheet ennen virallista johdotusta. Seuraava on tärkein suunnitteluprosessi:

The system specifications

First of all, the system specifications of the electronic equipment should be planned. It covers system functionality, cost constraints, size, operation and so on.

System function block diagram

Seuraava vaihe on luoda toiminnallinen lohkokaavio järjestelmästä. Myös neliöiden suhde on merkittävä.

Divide the system into several PCBS

Dividing the system into several PCBS not only reduces the size, but also gives the system the ability to upgrade and swap parts. 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.

Määritä käytettävä pakkausmenetelmä ja kunkin piirilevyn koko

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. Myös piirikaavion laatu ja nopeus tulee ottaa huomioon tekniikkaa valittaessa.

Draw schematic circuit diagrams of all PCB’s

The details of the interconnections between the parts should be shown in the sketch. Kaikkien järjestelmien piirilevyt on kuvattava, ja useimmat niistä käyttävät tällä hetkellä tietokoneavusteista suunnittelua (CAD). Here is an example of a CircuitMakerTM design.

Piirilevyn piirikaavio

Preliminary design of simulation operation

To ensure that the designed circuit diagram works, it must first be simulated using computer software. Such software can read blueprints and show how the circuit works in many ways. This is much more efficient than actually making a sample PCB and then measuring it manually.

Place the parts on the PCB

The way parts are placed depends on how they are connected to each other. Ne on yhdistettävä polkuun tehokkaimmin. Efficient wiring means the shortest possible wiring and fewer layers (which also reduces the number of guide holes), but we’ll come back to this in actual wiring. Here is what the bus looks like on a PCB. Placement is important in order for each part to have perfect wiring.

Test wiring possibilities with correct operation at high speed

Jotkut nykypäivän tietokoneohjelmistot voivat tarkistaa, voidaanko kunkin komponentin sijoitus liittää oikein, tai tarkistaa, toimiiko se oikein suurella nopeudella. Tätä vaihetta kutsutaan osien järjestämiseksi, mutta emme mene liian pitkälle tässä. Jos piirin suunnittelussa on ongelmia, osia voidaan myös järjestää uudelleen ennen kuin piiri viedään kentälle.

Vientipiiri PCB: lle

The connections in the sketch will now look like wiring in the field. Tämä vaihe on yleensä täysin automatisoitu, vaikka manuaalisia muutoksia tarvitaan yleensä. Below is the wire template for 2 laminates. Punaiset ja siniset viivat edustavat piirilevyosien kerrosta ja hitsauskerrosta. The white text and squares represent the markings on the screen printing surface. Punaiset pisteet ja ympyrät edustavat poraus- ja ohjausreikiä. Oikeassa reunassa näemme kultaisen sormen piirilevyn hitsauspinnalla. The final composition of this PCB is often referred to as the working Artwork.

Each design must conform to a set of rules, such as minimum reserved gaps between lines, minimum line widths, and other similar practical limitations. Nämä tekniset tiedot vaihtelevat piirin nopeuden, lähetettävän signaalin voimakkuuden, piirin herkkyyden virrankulutukselle ja melulle sekä materiaalin ja valmistuslaitteiden laadun mukaan. If the strength of the current increases, the thickness of the wire must also increase. In order to reduce PCB costs, while reducing the number of layers, it is also necessary to pay attention to whether these regulations are still met. Jos tarvitaan enemmän kuin 2 kerrosta, tehokerrosta ja maakerrosta käytetään yleensä välttämään signaalikerroksen lähetyssignaalin vaikutusta, ja niitä voidaan käyttää signaalikerroksen suojana.

Wire after circuit test

In order to be sure that the line is working properly behind the wire, it must pass the final test. Tämä testi tarkistaa myös virheelliset liitännät, ja kaikki liitännät noudattavat kaaviota.

Perusta ja arkistoi

Koska piirilevyjen suunnittelussa on tällä hetkellä monia CAD -työkaluja, valmistajilla on oltava standardien mukainen profiili ennen levyjen valmistusta. There are several standard specifications, but the most common is the Gerber Files specification. A set of Gerber files includes a plan of each signal, power and ground layer, a plan of the solder resistance layer and the screen printing surface, and specified files of drilling and displacing.

Electromagnetic compatibility problem

Elektroniset laitteet, joita ei ole suunniteltu EMC -määritysten mukaisesti, lähettävät todennäköisesti sähkömagneettista energiaa ja häiritsevät lähellä olevia laitteita. EMC asettaa enimmäisrajat sähkömagneettisille häiriöille (EMI), sähkömagneettisille kentille (EMF) ja radiotaajuisille häiriöille (RFI). This regulation can ensure the normal operation of the appliance and other nearby appliances. EMC asettaa tiukat rajat energiamäärälle, joka voidaan hajottaa tai siirtää laitteesta toiseen, ja se on suunniteltu vähentämään alttiutta ulkoisille EMF-, EMI-, RFI- ja niin edelleen. In other words, the purpose of this regulation is to prevent electromagnetic energy from entering or emanating from the device. This is a very difficult problem to solve, and is usually solved by using power and grounding layers, or putting PCBS into metal boxes. The power and ground layers protect the signal layer from interference, and the metal box works equally well. We won’t go too far into these issues.

The maximum speed of the circuit depends on EMC compliance. Sisäinen EMI, kuten johtimien välinen virtahäviö, kasvaa taajuuden kasvaessa. Jos nykyinen ero näiden kahden välillä on liian suuri, muista pidentää niiden välistä etäisyyttä. This also tells us how to avoid high voltage and minimize the current consumption of the circuit. Johdotuksen viive on myös tärkeä, joten mitä lyhyempi pituus, sitä parempi. Joten pieni piirilevy, jossa on hyvä johdotus, toimii paremmin suurilla nopeuksilla kuin suuri piirilevy.