Printplaat (PCB) zijn te vinden in bijna elk soort elektronisch apparaat. Als er elektronische componenten in een apparaat zitten, zijn ze ook ingebed in PCB’s van verschillende groottes. Naast het bevestigen van verschillende kleine onderdelen, is de belangrijkste functie van de printplaat het voorzien in elektrische verbindingen tussen de componenten. Naarmate elektronische apparatuur steeds complexer wordt, zijn er steeds meer onderdelen nodig en worden de bedrading en onderdelen op de PCB steeds dichter. Een standaard PCB ziet er ongeveer zo uit. 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. Het kleine lijnmateriaal dat op het oppervlak te zien is, is koperfolie. Oorspronkelijk is de koperfolie over het hele bord bedekt en wordt het middelste deel weggeëtst tijdens het fabricageproces, en het resterende deel wordt een netwerk van kleine lijnen. Deze lijnen worden geleiders of geleiders genoemd en worden gebruikt om elektrische verbindingen te maken met onderdelen op de printplaat.

To secure parts to the PCB, we solder their pins directly to the wiring. Op een basisprintplaat zijn de onderdelen geconcentreerd aan de ene kant en de draden aan de andere kant. We moeten dus gaten in het bord maken zodat de pinnen door het bord naar de andere kant kunnen gaan, zodat de pinnen van de onderdelen aan de andere kant worden gelast. Daarom worden de voor- en achterkant van een PCB respectievelijk Component Side en Solder Side genoemd.

Als er onderdelen op de print zitten die na fabricage kunnen worden verwijderd of teruggeplaatst, wordt Socket gebruikt om de onderdelen te installeren. Omdat de sok direct op het bord is gelast, kunnen de onderdelen willekeurig worden gedemonteerd. Een ZIF (Zero InserTIon Force) plug zorgt ervoor dat onderdelen eenvoudig kunnen worden geplaatst en verwijderd. De hendel naast de socket kan de onderdelen op hun plaats houden nadat je ze hebt geplaatst.

To connect two PCBS to each other, an edge connector is commonly used. De gouden vinger bevat een aantal kale koperen pads die eigenlijk deel uitmaken van de PCB-bedrading. Om verbinding te maken, steken we normaal gesproken de gouden vinger op de ene PCB in de juiste sleuf (gewoonlijk uitbreidingssleuf genoemd) op de andere PCB. In computers worden videokaarten, geluidskaarten en soortgelijke interfacekaarten door middel van een gouden vinger op het moederbord aangesloten.

De groene of bruine kleur op de print is de kleur van het soldeermasker. Deze laag is een isolerende afscherming die de koperdraad beschermt en voorkomt dat onderdelen op de verkeerde plaats worden gelast. Er wordt nog een zeefdruk op de soldeerweerstandslaag gedrukt. Het is meestal bedrukt met woorden en symbolen (meestal wit) om de positie van de onderdelen op het bord aan te geven. Zeefdrukoppervlak is ook bekend als pictogramoppervlak

Legende).

Enkelzijdige borden

Zoals we al zeiden, zijn op een basis-PCB de onderdelen geconcentreerd aan de ene kant en de draden aan de andere kant. Because the wire appears on only one side, we call this TYPE of PCB single-sided. Omdat enkele panelen veel strikte beperkingen hadden op het ontwerp van het circuit (omdat er maar één kant was, kon de bedrading elkaar niet kruisen en moest een apart pad worden genomen), gebruikten alleen vroege circuits dergelijke borden.

Dubbelzijdige borden

De printplaat is aan beide zijden voorzien van bedrading. Maar om beide draden te kunnen gebruiken, moeten er goede elektrische verbindingen zijn tussen de twee zijden. Deze “brug” tussen circuits wordt een geleidegat (VIA) genoemd. Geleidegaatjes zijn kleine gaatjes in de printplaat gevuld of gecoat met metaal die aan beide zijden kunnen worden aangesloten op draden. 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.

Meerlaagse borden

Om het bekabelde oppervlak te vergroten, worden meer enkel- of dubbelzijdige bedradingsborden gebruikt. De meerlaagse plaat maakt gebruik van meerdere dubbele panelen en tussen elk paneel wordt een isolatielaag geplaatst en verlijmd (geperst). Het aantal lagen van het bord vertegenwoordigt verschillende onafhankelijke bedradingslagen, meestal een even aantal lagen, inclusief de buitenste twee lagen. Most motherboards are built with four to eight layers, but it is technically possible to build up to 100 layers of PCBS. De meeste grote supercomputers gebruiken nogal wat lagen moederborden, maar ze zijn buiten gebruik geraakt omdat ze kunnen worden vervangen door clusters van gewone computers. Omdat de lagen in een PCB zo nauw geïntegreerd zijn, is het niet altijd gemakkelijk om het werkelijke aantal te zien, maar als je goed naar het moederbord kijkt, kun je dat misschien wel.

Het geleidegat (VIA) dat we zojuist noemden, moet, indien toegepast op een dubbel paneel, door het hele bord gaan

Maar als u in een meerlaagse verbinding slechts enkele lijnen wilt verbinden, kunnen de geleidegaten een deel van de lijnruimte in de andere lagen verspillen. 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. Begraven gaten zijn alleen verbonden met de interne printplaat, dus licht is niet zichtbaar vanaf het oppervlak.

Bij een meerlaagse printplaat is de hele laag direct verbonden met de aardedraad en de voeding. 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.

Deelverpakkingstechnologie

Through Hole-technologie

De techniek om onderdelen aan de ene kant van het bord te plaatsen en de pinnen aan de andere kant te lassen, wordt “Through Hole Technology (THT)” inkapseling genoemd. Dit onderdeel neemt veel ruimte in beslag en voor elke pen wordt één gat geboord. Hun verbindingen nemen dus eigenlijk aan beide zijden ruimte in beslag en de soldeerverbindingen zijn relatief groot. Aan de andere kant zijn THT-onderdelen beter verbonden met PCB dan Surface Mounted Technology (SMT) -onderdelen, waar we het later over zullen hebben. Sockets zoals bedrade sockets en soortgelijke interfaces moeten druktolerant zijn, dus het zijn meestal THT-pakketten.

Opbouwtechnologie

Bij Surface Mounted Technology (SMT) onderdelen wordt de pen aan dezelfde kant met de onderdelen gelast. This technique does not drill holes in the PCB for each pin.

Oppervlakkleefdelen kunnen zelfs aan beide zijden worden gelast.

SMT heeft ook kleinere onderdelen dan THT. Compared to PCB with THT parts, PCB with SMT technology is much denser. SMT-pakketonderdelen zijn ook minder duur dan THT’s. Het is dus geen verrassing dat de meeste van de huidige PCBS SMT zijn.

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

Bij PCB-ontwerp zijn er eigenlijk heel lange stappen die moeten worden doorlopen voordat formele bedrading wordt uitgevoerd. Het volgende is het belangrijkste ontwerpproces:

The system specifications

First of all, the system specifications of the electronic equipment should be planned. Het omvat systeemfunctionaliteit, kostenbeperkingen, grootte, bediening enzovoort.

System function block diagram

De volgende stap is het maken van een functioneel blokschema van het systeem. De relatie tussen de vierkanten moet ook worden gemarkeerd.

Verdeel het systeem in meerdere PCBS

Door het systeem op te splitsen in meerdere PCB’s, wordt niet alleen de grootte kleiner, maar kan het systeem ook upgraden en onderdelen verwisselen. 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.

Bepaal de te gebruiken verpakkingsmethode en de grootte van elke 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. Bij de keuze van de techniek moet ook rekening worden gehouden met de kwaliteit en snelheid van het schakelschema.

Teken schematische schakelschema’s van alle PCB’s

De details van de onderlinge verbindingen tussen de onderdelen moeten in de schets worden weergegeven. PCB’s in alle systemen moeten worden beschreven en de meeste gebruiken momenteel CAD (Computer Aided Design). Here is an example of a CircuitMakerTM design.

Schematisch diagram van PCB-circuit:

Preliminary design of simulation operation

To ensure that the designed circuit diagram works, it must first be simulated using computer software. Dergelijke software kan blauwdrukken lezen en op vele manieren laten zien hoe het circuit werkt. This is much more efficient than actually making a sample PCB and then measuring it manually.

Place the parts on the PCB

De manier waarop onderdelen worden geplaatst, hangt af van hoe ze met elkaar zijn verbonden. Ze moeten op de meest efficiënte manier met het pad worden verbonden. 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 bedradingsmogelijkheden met correcte werking op hoge snelheid

Sommige hedendaagse computersoftware kan controleren of de plaatsing van elk onderdeel correct kan worden aangesloten, of controleren of het op hoge snelheid correct kan werken. Deze stap heet het arrangeren van onderdelen, maar we gaan hier niet te ver op in. Als er een probleem is met het circuitontwerp, kunnen onderdelen ook opnieuw worden gerangschikt voordat het circuit in het veld wordt geëxporteerd.

Exportschakeling op PCB

The connections in the sketch will now look like wiring in the field. Deze stap is meestal volledig geautomatiseerd, hoewel handmatige wijzigingen meestal vereist zijn. Below is the wire template for 2 laminates. De rode en blauwe lijnen vertegenwoordigen respectievelijk de PCB-onderdelenlaag en de laslaag. De witte tekst en vierkanten vertegenwoordigen de markeringen op het zeefdrukoppervlak. De rode stippen en cirkels vertegenwoordigen boor- en geleidingsgaten. On the far right we can see the gold finger on the welding surface of the PCB. De uiteindelijke samenstelling van deze PCB wordt vaak het werkende kunstwerk genoemd.

Elk ontwerp moet voldoen aan een reeks regels, zoals minimale gereserveerde openingen tussen lijnen, minimale lijnbreedtes en andere soortgelijke praktische beperkingen. Deze specificaties variëren afhankelijk van de snelheid van het circuit, de sterkte van het te verzenden signaal, de gevoeligheid van het circuit voor stroomverbruik en ruis, en de kwaliteit van het materiaal en de productieapparatuur. If the strength of the current increases, the thickness of the wire must also increase. Om PCB-kosten te verlagen en tegelijkertijd het aantal lagen te verminderen, moet er ook op worden gelet of aan deze voorschriften nog wordt voldaan. Als er meer dan 2 lagen nodig zijn, worden de vermogenslaag en de grondlaag meestal gebruikt om te voorkomen dat het transmissiesignaal op de signaallaag wordt beïnvloed, en kunnen ze worden gebruikt als een afscherming van de signaallaag.

Draad na circuittest

Om er zeker van te zijn dat de lijn achter de draad goed werkt, moet deze de laatste test doorstaan. Deze test controleert ook op onjuiste verbindingen en alle verbindingen volgen het schematische diagram.

Opzetten en archiveren

Omdat er momenteel veel CAD-tools zijn voor het ontwerpen van PCB’s, moeten fabrikanten een profiel hebben dat aan de normen voldoet voordat ze boards kunnen maken. Er zijn verschillende standaardspecificaties, maar de meest voorkomende is de Gerber Files-specificatie. Een set Gerber-bestanden bevat een plattegrond van elke signaal-, voedings- en grondlaag, een plattegrond van de soldeerweerstandslaag en het zeefdrukoppervlak, en gespecificeerde bestanden van boren en verplaatsen.

Electromagnetic compatibility problem

Elektronische apparaten die niet zijn ontworpen volgens EMC-specificaties, zenden waarschijnlijk elektromagnetische energie uit en interfereren met apparaten in de buurt. EMC stelt maximale limieten voor elektromagnetische interferentie (EMI), elektromagnetisch veld (EMF) en radiofrequentie-interferentie (RFI). Deze regeling kan de normale werking van het apparaat en andere nabijgelegen apparaten garanderen. EMC legt strikte limieten op aan de hoeveelheid energie die kan worden verspreid of overgedragen van het ene apparaat naar het andere, en is ontworpen om de gevoeligheid voor externe EMF, EMI, RFI, enzovoort te verminderen. Met andere woorden, het doel van deze verordening is om te voorkomen dat elektromagnetische energie het apparaat binnenkomt of uitgaat. Dit is een zeer moeilijk op te lossen probleem en wordt meestal opgelost door stroom- en aardingslagen te gebruiken of PCBS in metalen dozen te plaatsen. The power and ground layers protect the signal layer from interference, and the metal box works equally well. We zullen niet te ver ingaan op deze kwesties.

De maximale snelheid van het circuit is afhankelijk van de EMC-conformiteit. Interne EMI, zoals stroomverlies tussen geleiders, neemt toe naarmate de frequentie stijgt. Als het huidige verschil tussen de twee te groot is, zorg er dan voor dat de afstand tussen de twee groter wordt. This also tells us how to avoid high voltage and minimize the current consumption of the circuit. De mate van vertraging in de bedrading is ook belangrijk, dus hoe korter de lengte, hoe beter. Een kleine PCB met goede bedrading zal dus beter werken bij hoge snelheden dan een grote PCB.