Друкована плата (Друковані плати) зустрічаються майже у всіх видах електронних пристроїв. Якщо в складі обладнання є електронні компоненти, вони також вбудовуються в друковану плату різних розмірів. На додаток до фіксації різних дрібних деталей, основною функцією друкованої плати є забезпечення електричних з’єднань між компонентами. Оскільки електронне обладнання стає все більш складним, потрібні все нові і нові частини, а проводка та частини на друкованій платі стають все більш щільними. Стандартна друкована плата виглядає приблизно так. 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. Маленький лінійний матеріал, який можна побачити на поверхні, – це мідна фольга. Спочатку мідна фольга покрита всією дошкою, а середня частина витравлюється у процесі виробництва, а частина, що залишилася, стає мережею невеликих ліній. Ці лінії називаються провідниками або провідниками і використовуються для забезпечення електричного з’єднання деталей на друкованій платі.

Щоб закріпити деталі на друкованій платі, ми припаяли їх штирі безпосередньо до проводки. На базовій друкованій платі частини сконцентровані з одного боку, а дроти – з іншого. Тому нам потрібно зробити отвори в дошці, щоб шпильки могли проходити через дошку на іншу сторону, щоб шпильки деталей були приварені до іншої сторони. Через це передня та задня сторони друкованої плати називаються відповідно компонентом і стороною пайки.

Якщо на друкованій платі є деталі, які можна зняти або надіти після виробництва, для установки деталей буде використана розетка. Оскільки розетка безпосередньо приварена до плати, деталі можна довільно розбирати. A ZIF (Zero InserTIon Force) plug allows parts to be inserted and removed easily. Важіль біля розетки може утримувати деталі на місці після їх вставлення.

Для з’єднання двох PCBS один з одним зазвичай використовується крайовий роз’єм. Золотий палець містить ряд оголених мідних колодок, які насправді є частиною проводки на друкованій платі. Зазвичай, для підключення, ми вставляємо золотий палець на одній друкованій платі у відповідний слот (зазвичай його називають слотом розширення) на іншій друкованій платі. In computers, display cards, sound cards, and similar interface cards are connected to the motherboard by means of a gold finger.

Зелений або коричневий колір на друкованій платі – це колір паяльної маски. Цей шар є ізолюючим екраном, який захищає мідний дріт і запобігає зварюванню деталей у неправильному місці. Ще один шовковий екран буде надрукований на шарі опору припою. Зазвичай його друкують словами та символами (переважно білого кольору) для позначення положення деталей на дошці. Screen printing surface is also known as icon surface

Легенда).

Односторонні дошки

Як ми вже згадували, на базовій друкованій платі частини сконцентровані з одного боку, а дроти – з іншого. Because the wire appears on only one side, we call this TYPE of PCB single-sided. Оскільки одиночні панелі мали багато суворих обмежень щодо конструкції схеми (оскільки була тільки одна сторона, проводка не могла перетинатися і мусила проходити окремим шляхом), лише ранні схеми використовували такі плати.

Двосторонні дошки

На друкованій платі є проводка з обох сторін. Але для того, щоб використовувати обидва дроти, між двома сторонами повинні бути належні електричні з’єднання. Цей «місток» між ланцюгами називається направляючим отвором (VIA). Направляючі отвори – це невеликі отвори на друкованій платі, заповнені або покриті металом, які можна приєднати до проводів з обох сторін. 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.

Багатошарові дошки

Для того, щоб збільшити провідникову площу, використовується більше одно- або двосторонньої монтажної плати. У багатошаровій дошці використовується кілька подвійних панелей, а шар ізоляції укладається між кожною панеллю і склеюється (пресується). Кількість шарів дошки являє собою кілька незалежних шарів проводки, зазвичай це парне число шарів, включаючи два зовнішніх шару. Most motherboards are built with four to eight layers, but it is technically possible to build up to 100 layers of PCBS. Більшість великих комп’ютерів використовують досить багато шарів материнських плат, але вони вийшли з ужитку, оскільки їх можна замінити кластерами звичайних комп’ютерів. 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.

Направляючий отвір (VIA), про який ми щойно згадували, якщо його нанести на подвійну панель, має проходити через всю дошку

Але у багатошаровому, якщо ви хочете лише з’єднати деякі лінії, направляючі отвори можуть витратити частину простору лінії в інших шарах. 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. Поховані отвори підключаються лише до внутрішньої друкованої плати, тому світло не видно з поверхні.

У багатошаровій друкованій платі весь шар безпосередньо з’єднаний з проводом заземлення та джерелом живлення. Тому ми класифікуємо шари як сигнал, потужність або земля. If the parts on the PCB require different power supplies, they usually have more than two power and wire layers.

Технологія упаковки деталей

Завдяки технології отворів

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. Ця частина займає багато місця, і для кожного штифта просвердлено одне отвір. Таким чином, їх з’єднання фактично займають місце з обох сторін, а паяльні з’єднання відносно великі. З іншого боку, деталі THT краще підключаються до друкованої плати, ніж деталі з поверхневою технологією (SMT), про що ми поговоримо пізніше. Розетки, такі як дротові розетки та подібні інтерфейси, повинні бути стійкими до тиску, тому зазвичай це пакети THT.

Технологія поверхневого монтажу

Для деталей поверхневої технології (SMT) штифт приварюється з однієї сторони з деталями. This technique does not drill holes in the PCB for each pin.

Поверхнево -клейові частини можна навіть зварювати з обох сторін.

SMT також має менші частини, ніж 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.

Оскільки паяльні з’єднання та штифти деталей дуже малі, зварювати їх вручну дуже важко. However, given that current assembly is fully automated, this problem will only occur when repairing parts.

The design process

У дизайні друкованої плати насправді є дуже довгі кроки, які потрібно пройти перед офіційною проводкою. Нижче наведено основний процес проектування:

The system specifications

Перш за все, слід спланувати специфікації системи електронного обладнання. It covers system functionality, cost constraints, size, operation and so on.

System function block diagram

Наступним кроком є ​​створення функціональної блок -схеми системи. Співвідношення між квадратами також необхідно позначити.

Divide the system into several PCBS

Поділ системи на кілька друкованих плат не тільки зменшує розмір, але й дає системі можливість оновлення та заміни деталей. 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.

Визначте метод пакування, який буде використовуватися, та розмір кожної друкованої плати

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. При виборі технології слід також враховувати якість та швидкість принципової схеми.

Складіть принципові схеми всіх друкованих плат

Деталі взаємозв’язків між деталями слід показати на ескізі. Потрібно описати друковану плату у всіх системах, і більшість із них наразі використовують CAD (Computer Aided Design). Here is an example of a CircuitMakerTM design.

Принципова схема схеми друкованої плати

Preliminary design of simulation operation

To ensure that the designed circuit diagram works, it must first be simulated using computer software. Таке програмне забезпечення може читати креслення і багато в чому показувати, як працює схема. This is much more efficient than actually making a sample PCB and then measuring it manually.

Place the parts on the PCB

Спосіб розміщення деталей залежить від того, як вони з’єднані між собою. Вони повинні бути з’єднані з шляхом найбільш ефективним способом. Ефективна проводка означає найкоротшу можливу проводку та меншу кількість шарів (що також зменшує кількість направляючих отворів), але ми повернемося до цього у фактичній проводці. Here is what the bus looks like on a PCB. Placement is important in order for each part to have perfect wiring.

Перевірте можливості підключення при правильній роботі на високій швидкості

Деякі сучасні комп’ютерні програми можуть перевірити, чи можна правильно підключити розміщення кожного компонента, або перевірити, чи він може працювати належним чином на високій швидкості. Цей крок називається упорядкуванням частин, але ми не будемо надто вдаватися до цього. Якщо виникають проблеми з конструкцією схеми, частини можна також переставити до експорту схеми в польових умовах.

Експортна схема на друкованій платі

The connections in the sketch will now look like wiring in the field. Цей крок зазвичай повністю автоматизований, хоча зазвичай потрібні зміни вручну. Below is the wire template for 2 laminates. Червона та синя лінії позначають шар деталей друкованої плати та зварювальний шар відповідно. Білий текст і квадрати позначають позначки на поверхні трафаретного друку. Червоні точки та кола позначають свердління та направляючі отвори. Праворуч ми бачимо золотий палець на зварювальній поверхні друкованої плати. The final composition of this PCB is often referred to as the working Artwork.

Кожен дизайн повинен відповідати набору правил, таким як мінімальні зарезервовані проміжки між лініями, мінімальна ширина лінії та інші подібні практичні обмеження. Ці специфікації змінюються залежно від швидкості ланцюга, сили передаваного сигналу, чутливості ланцюга до споживання електроенергії та шуму, а також від якості матеріалу та виробничого обладнання. If the strength of the current increases, the thickness of the wire must also increase. Для того, щоб зменшити витрати на друковану плату, зменшуючи при цьому кількість шарів, необхідно також звернути увагу на те, чи досі дотримуються ці правила. Якщо потрібно більше 2 шарів, рівень живлення та шар землі зазвичай використовуються, щоб уникнути впливу сигналу передачі на сигнальний шар, і можуть бути використані як захист шару сигналу.

Провід після перевірки ланцюга

Щоб бути впевненим, що лінія працює належним чином за проводом, вона повинна пройти остаточне випробування. Цей тест також перевіряє наявність неправильних з’єднань, і всі з’єднання слідують принциповій схемі.

Встановити та подати

Оскільки в даний час існує багато інструментів САПР для проектування друкованих плат, перед виробництвом плат виробники повинні мати профіль, який відповідає стандартам. Існує кілька стандартних специфікацій, але найпоширенішою є специфікація файлів Gerber. Набір файлів Gerber включає план кожного сигналу, потужності та ґрунтового шару, план шару опору припою та поверхні трафаретного друку та вказані файли свердління та витіснення.

Electromagnetic compatibility problem

Електронні пристрої, які не розроблені відповідно до специфікацій ЕМС, ймовірно, будуть випромінювати електромагнітну енергію та створювати перешкоди для приладів поблизу. ЕМС встановлює граничні межі електромагнітних перешкод (ЕМІ), електромагнітного поля (ЕМП) та радіочастотних перешкод (RFI). Ця норма може забезпечити нормальну роботу приладу та інших приладів поблизу. ЕМС накладає суворі обмеження на кількість енергії, яка може бути розсіяна або передана від одного пристрою до іншого, і призначена для зменшення сприйнятливості до зовнішніх ЕМП, ЕМІ, RFI тощо. Іншими словами, метою цього регламенту є запобігання потраплянню електромагнітної енергії або виходу її з пристрою. Це дуже важка проблема для вирішення, і зазвичай її вирішують шляхом використання силових та заземлювальних шарів, або розміщення ПХБ у металевих ящиках. The power and ground layers protect the signal layer from interference, and the metal box works equally well. Ми не будемо заглиблюватися в ці питання.

Максимальна швидкість контуру залежить від відповідності ЕМС. Внутрішні ЕМП, такі як втрата струму між провідниками, зростають із зростанням частоти. Якщо різниця струмів між ними занадто велика, не забудьте подовжити відстань між ними. This also tells us how to avoid high voltage and minimize the current consumption of the circuit. Швидкість затримки електропроводки також важлива, тому чим коротша довжина, тим краще. Тому маленька друкована плата з хорошою проводкою буде працювати краще на високих швидкостях, ніж велика друкована плата.