Płytka drukowana (PCB) znajdują się w prawie każdym urządzeniu elektronicznym. Jeśli w urządzeniu znajdują się elementy elektroniczne, są one również osadzone w różnych rozmiarach PCB. Oprócz mocowania różnych małych części, główną funkcją płytki drukowanej jest zapewnienie połączeń elektrycznych między komponentami. Ponieważ sprzęt elektroniczny staje się coraz bardziej złożony, potrzeba coraz więcej części, a okablowanie i części na płytce drukowanej stają się coraz gęstsze. Standardowa płytka drukowana wygląda mniej więcej tak. Bare Board (without parts on it) is also often referred to as “Printed Wiring Board (PWB).

Podłoże samej deski wykonane jest z materiału izolowanego i odpornego na zginanie. Drobny materiał linii, który można zobaczyć na powierzchni, to folia miedziana. Oryginalnie folia miedziana pokryta jest na całej płytce, a środkowa część jest wytrawiana w procesie produkcyjnym, a pozostała część staje się siecią drobnych linii. Linie te nazywane są przewodnikami lub przewodnikami i służą do zapewnienia połączeń elektrycznych z częściami na płytce drukowanej.

To secure parts to the PCB, we solder their pins directly to the wiring. Na podstawowej płytce drukowanej części są skoncentrowane z jednej strony, a przewody z drugiej. Musimy więc zrobić otwory w desce, aby kołki mogły przejść przez deskę na drugą stronę, więc kołki części są przyspawane do drugiej strony. Z tego powodu przednia i tylna strona płytki drukowanej są odpowiednio nazywane Component Side i Solder Side.

Jeśli na płytce drukowanej znajdują się części, które można wyjąć lub ponownie założyć po wyprodukowaniu, do zainstalowania części zostanie użyte gniazdo Socket. Ponieważ gniazdo jest przyspawane bezpośrednio do płyty, części można dowolnie demontować. Wtyczka ZIF (Zero InserTIon Force) umożliwia łatwe wkładanie i wyjmowanie części. Dźwignia obok gniazda może utrzymać części na miejscu po ich włożeniu.

Do połączenia ze sobą dwóch płytek drukowanych powszechnie stosuje się złącze krawędziowe. Złoty palec zawiera kilka nieosłoniętych miedzianych podkładek, które są w rzeczywistości częścią okablowania PCB. Normalnie, aby się połączyć, wkładamy złoty palec na jednej płytce drukowanej do odpowiedniego gniazda (potocznie nazywanego gniazdem rozszerzeń) na drugiej płytce drukowanej. W komputerach karty graficzne, karty dźwiękowe i podobne karty interfejsowe są połączone z płytą główną za pomocą złotego palca.

Kolor zielony lub brązowy na PCB to kolor maski lutowniczej. Ta warstwa stanowi ekran izolacyjny, który chroni drut miedziany i zapobiega przyspawaniu części w niewłaściwym miejscu. Kolejny sitodruk zostanie wydrukowany na warstwie odporności na lutowanie. Zwykle jest drukowany ze słowami i symbolami (głównie białymi), aby wskazać położenie części na planszy. Powierzchnia sitodruku jest również znana jako powierzchnia ikony

Legenda).

Tablice jednostronne

Jak wspomnieliśmy, na podstawowej płytce drukowanej części są skupione z jednej strony, a przewody z drugiej. Because the wire appears on only one side, we call this TYPE of PCB single-sided. Ponieważ pojedyncze panele miały wiele ścisłych ograniczeń dotyczących konstrukcji obwodu (ponieważ była tylko jedna strona, okablowanie nie mogło się krzyżować i musiało iść osobną ścieżką), tylko wczesne obwody wykorzystywały takie płytki.

Tablice dwustronne

Płytka ma okablowanie po obu stronach. Aby jednak użyć obu przewodów, muszą istnieć odpowiednie połączenia elektryczne między obiema stronami. Ten „most” między obwodami nazywany jest otworem prowadzącym (VIA). Otwory prowadzące to małe otwory w płytce drukowanej wypełnione lub pokryte metalem, które można połączyć z przewodami z obu stron. 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.

Płyty wielowarstwowe

Aby zwiększyć obszar, który można okablować, stosuje się więcej jedno- lub dwustronnych płyt okablowania. Płyta wielowarstwowa wykorzystuje kilka podwójnych paneli, a pomiędzy każdym panelem umieszczana jest warstwa izolacji, która jest sklejana (prasowana). Liczba warstw płytki reprezentuje kilka niezależnych warstw przewodów, zwykle parzystą liczbę warstw, w tym dwie najbardziej zewnętrzne. Most motherboards are built with four to eight layers, but it is technically possible to build up to 100 layers of PCBS. Większość dużych superkomputerów korzysta z kilku warstw płyt głównych, ale wyszły one z użycia, ponieważ można je zastąpić klastrami zwykłych komputerów. Ponieważ warstwy w płytce drukowanej są tak ściśle zintegrowane, nie zawsze łatwo jest zobaczyć rzeczywistą liczbę, ale jeśli przyjrzysz się uważnie płycie głównej, możesz to zrobić.

Otwór prowadzący (VIA), o którym właśnie wspomnieliśmy, jeśli zostanie zastosowany do podwójnego panelu, musi przechodzić przez całą płytę

Ale w warstwie wielowarstwowej, jeśli chcesz połączyć tylko niektóre linie, otwory prowadzące mogą marnować część miejsca na linie w innych warstwach. 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. Zakopane otwory są połączone tylko z wewnętrzną płytką drukowaną, dzięki czemu światło nie jest widoczne z powierzchni.

W wielowarstwowej płytce drukowanej cała warstwa jest bezpośrednio połączona z przewodem uziemiającym i zasilaczem. 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.

Technologia pakowania części

Technologia otworów przelotowych

Technika umieszczania części po jednej stronie płytki i spawania kołków z drugiej strony nazywana jest hermetyzacją „Through Hole Technology (THT)”. Ta część zajmuje dużo miejsca, a na każdy kołek wiercony jest jeden otwór. Tak więc ich połączenia faktycznie zajmują miejsce po obu stronach, a połączenia lutowane są stosunkowo duże. Z drugiej strony części THT są lepiej połączone z płytką drukowaną niż części w technologii montażu powierzchniowego (SMT), o których powiemy później. Gniazda, takie jak gniazda przewodowe i podobne interfejsy, muszą być odporne na ciśnienie, więc zwykle są to pakiety THT.

Technologia montażu powierzchniowego

W przypadku części do montażu powierzchniowego (SMT) trzpień jest przyspawany po tej samej stronie, co części. This technique does not drill holes in the PCB for each pin.

Części klejące powierzchniowo można nawet spawać z obu stron.

SMT ma również mniejsze części niż THT. Compared to PCB with THT parts, PCB with SMT technology is much denser. Części pakietu SMT są również tańsze niż części THT. Nic więc dziwnego, że większość dzisiejszych płytek drukowanych to 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

W projektowaniu PCB przed formalnym okablowaniem trzeba przejść bardzo długie kroki. Poniżej przedstawiono główny proces projektowania:

The system specifications

First of all, the system specifications of the electronic equipment should be planned. Obejmuje funkcjonalność systemu, ograniczenia kosztów, rozmiar, działanie i tak dalej.

System function block diagram

Kolejnym krokiem jest stworzenie funkcjonalnego schematu blokowego systemu. Należy również zaznaczyć relację między kwadratami.

Podziel system na kilka płytek drukowanych

Podział systemu na kilka płytek drukowanych nie tylko zmniejsza rozmiar, ale także daje systemowi możliwość modernizacji i wymiany części. 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.

Określ metodę pakowania, która ma być zastosowana i rozmiar każdej płytki drukowanej

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. Przy wyborze technologii należy również wziąć pod uwagę jakość i szybkość schematu obwodu.

Narysuj schematyczne schematy obwodów wszystkich płytek drukowanych

Szczegóły połączeń między częściami powinny być pokazane na szkicu. PCB we wszystkich systemach musi być opisane, a większość z nich wykorzystuje obecnie CAD (Computer Aided Design). Here is an example of a CircuitMakerTM design.

Schemat ideowy obwodu PCB

Preliminary design of simulation operation

To ensure that the designed circuit diagram works, it must first be simulated using computer software. Takie oprogramowanie może odczytywać schematy i pokazywać działanie obwodu na wiele sposobów. This is much more efficient than actually making a sample PCB and then measuring it manually.

Place the parts on the PCB

Sposób umieszczania części zależy od tego, jak są ze sobą połączone. Muszą być połączone ze ścieżką w najbardziej efektywny sposób. 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.

Przetestuj możliwości okablowania przy prawidłowym działaniu przy dużej prędkości

Niektóre z dzisiejszych programów komputerowych mogą sprawdzić, czy rozmieszczenie każdego elementu może być poprawnie podłączone, lub sprawdzić, czy może działać poprawnie z dużą prędkością. Ten krok nazywa się układaniem części, ale nie zagłębimy się w to zbyt daleko. Jeśli wystąpi problem z projektem obwodu, części można również zmienić przed wyeksportowaniem obwodu w terenie.

Obwód eksportu na PCB

The connections in the sketch will now look like wiring in the field. Ten krok jest zwykle w pełni zautomatyzowany, chociaż zwykle wymagane są ręczne zmiany. Below is the wire template for 2 laminates. Czerwone i niebieskie linie reprezentują odpowiednio warstwę części PCB i warstwę spawania. Biały tekst i kwadraty przedstawiają oznaczenia na powierzchni sitodruku. Czerwone kropki i kółka oznaczają wiercenie i prowadzenie otworów. On the far right we can see the gold finger on the welding surface of the PCB. Ostateczny skład tej płytki jest często określany jako działająca grafika.

Każdy projekt musi być zgodny z zestawem zasad, takich jak minimalne zarezerwowane odstępy między liniami, minimalne szerokości linii i inne podobne praktyczne ograniczenia. Specyfikacje te różnią się w zależności od szybkości obwodu, siły przesyłanego sygnału, wrażliwości obwodu na zużycie energii i hałas oraz jakości materiału i sprzętu produkcyjnego. If the strength of the current increases, the thickness of the wire must also increase. W celu obniżenia kosztów PCB, przy jednoczesnym zmniejszeniu liczby warstw, należy również zwrócić uwagę, czy te przepisy są nadal spełniane. Jeśli potrzebne są więcej niż 2 warstwy, zwykle stosuje się warstwę mocy i warstwę uziemiającą, aby uniknąć wpływu na sygnał transmisyjny w warstwie sygnału i można je wykorzystać jako ekran warstwy sygnału.

Przewód po teście obwodu

Aby mieć pewność, że linia za przewodem działa prawidłowo, musi przejść końcowy test. Ten test sprawdza również, czy nie ma nieprawidłowych połączeń, a wszystkie połączenia są zgodne ze schematem ideowym.

Ustanowić i złożyć

Ponieważ obecnie istnieje wiele narzędzi CAD do projektowania obwodów drukowanych, producenci muszą mieć profil spełniający normy, zanim będą mogli produkować płytki. Istnieje kilka standardowych specyfikacji, ale najbardziej powszechną jest specyfikacja Gerber Files. Zestaw plików Gerber zawiera plan każdej warstwy sygnałowej, zasilającej i uziemiającej, plan warstwy oporowej lutu i powierzchni sitodrukowej oraz określone pliki wiercenia i przemieszczenia.

Electromagnetic compatibility problem

Urządzenia elektroniczne, które nie zostały zaprojektowane zgodnie ze specyfikacjami EMC, mogą emitować energię elektromagnetyczną i zakłócać pobliskie urządzenia. EMC nakłada maksymalne ograniczenia na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI), pole elektromagnetyczne (EMF) i zakłócenia o częstotliwości radiowej (RFI). Ta regulacja może zapewnić normalne działanie urządzenia i innych urządzeń znajdujących się w pobliżu. EMC nakłada ścisłe ograniczenia na ilość energii, która może być rozpraszana lub przesyłana z jednego urządzenia do drugiego, i ma na celu zmniejszenie podatności na zewnętrzne pola elektromagnetyczne, EMI, RFI i tak dalej. Innymi słowy, celem tego rozporządzenia jest zapobieganie wnikaniu lub emanowaniu energii elektromagnetycznej z urządzenia. Jest to bardzo trudny problem do rozwiązania i zwykle rozwiązuje się go za pomocą warstw zasilających i uziemiających lub umieszczając PCB w metalowych skrzynkach. The power and ground layers protect the signal layer from interference, and the metal box works equally well. Nie będziemy zagłębiać się w te kwestie.

Maksymalna prędkość obwodu zależy od zgodności EMC. Wewnętrzne zakłócenia elektromagnetyczne, takie jak straty prądu między przewodami, zwiększają się wraz ze wzrostem częstotliwości. Jeśli aktualna różnica między nimi jest zbyt duża, należy zwiększyć odległość między nimi. This also tells us how to avoid high voltage and minimize the current consumption of the circuit. Istotna jest również szybkość opóźnień w okablowaniu, więc im krótsza długość, tym lepiej. Tak więc mała płytka drukowana z dobrym okablowaniem będzie działać lepiej przy dużych prędkościach niż duża płytka drukowana.