Podstawy PCB

Co to jest PCB?

PCB to laminowana miedzią i nieprzewodząca płytka drukowana, w której wszystkie komponenty elektryczne i elektroniczne są połączone na jednej wspólnej płytce z fizycznym wsparciem dla wszystkich komponentów z podstawą płytki. Kiedy PCB nie jest rozwijane, wtedy wszystkie komponenty są połączone przewodem, co zwiększa złożoność i zmniejsza niezawodność obwodu, w ten sposób nie możemy wykonać bardzo dużego obwodu, takiego jak płyta główna. W PCB wszystkie komponenty są połączone bez przewodów, wszystkie komponenty są połączone wewnętrznie, więc zmniejszy to złożoność ogólnego projektu obwodu. PCB służy do zapewnienia energii elektrycznej i łączności między komponentami, dzięki którym działa w sposób, w jaki została zaprojektowana. Płytki PCB można dostosować do dowolnych specyfikacji do wymagań użytkownika. Można go znaleźć w wielu urządzeniach elektronicznych, takich jak; Telewizja, telefon komórkowy, aparat cyfrowy, części komputerowe, takie jak; Karty graficzne, płyty główne itp. Jest również używany w wielu dziedzinach, takich jak; urządzenia medyczne, maszyny przemysłowe, przemysł motoryzacyjny, oświetlenie itp.

Rodzaje PCB:

W obwodzie dostępnych jest kilka typów płytek drukowanych. Spośród tych typów PCB, musimy wybrać odpowiedni typ PCB zgodnie z naszą aplikacją.

Jednowarstwowa płytka drukowana
Dwuwarstwowa płytka PCB
Wielowarstwowa płytka drukowana
Elastyczna płytka drukowana
Płytka drukowana z aluminium
Elastycznie sztywna płytka PCB

1) Jednowarstwowa płytka drukowana:

Jednowarstwowa płytka drukowana jest również nazywana jednostronną płytką drukowaną. Ten typ PCB jest prostą i najczęściej używaną płytką PCB, ponieważ te płytki PCB są łatwe do zaprojektowania i wyprodukowania. Jedna strona tej płytki jest pokryta warstwą dowolnego materiału przewodzącego. Ogólnie miedź jest używana jako materiał przewodzący do PCB, ponieważ miedź ma bardzo dobre właściwości przewodzące. Warstwa soldermaski służy do ochrony PCB przed utlenianiem, po czym następuje sitodruk w celu zaznaczenia wszystkich elementów na PCB. W tego typu PCB tylko jedna strona PCB jest używana do łączenia różnych typów elementów elektrycznych lub elektronicznych, takich jak rezystor, kondensator, cewka itp. Elementy te są lutowane. Te płytki drukowane są używane w tanich i masowych zastosowaniach produkcyjnych, takich jak kalkulatory, radio, drukarki i dysk SSD.

2) Dwuwarstwowa płytka drukowana:

Dwuwarstwowa płytka drukowana jest również nazywana dwustronną płytką drukowaną. Jak sama nazwa wskazuje, w tego typu płytkach drukowanych cienka warstwa materiału przewodzącego, takiego jak miedź, jest nakładana zarówno na górną, jak i na dolną stronę płytki. W PCB, na innej warstwie płytki, składa się przez, który ma dwa pady w odpowiednich pozycjach na różnych warstwach. Są one połączone elektrycznie przez otwór w płycie, co pokazano na rysunku-2b. Bardziej elastyczny, stosunkowo niższy koszt, a najważniejszą zaletą tego typu płytki PCB jest jej zmniejszony rozmiar, co sprawia, że obwód jest zwarty. Ten typ PCB jest najczęściej używany w sterowaniu przemysłowym, konwerterze, systemie UPS, aplikacjach HVAC, telefonach, wzmacniaczach i systemach monitorowania zasilania.

3) Wielowarstwowa płytka drukowana:

Wielowarstwowe PCB ma więcej niż dwie warstwy. Oznacza to, że ten typ PCB ma co najmniej trzy przewodzące warstwy miedzi. Aby zabezpieczyć płytkę, pomiędzy warstwą izolacji umieszczany jest klej, co zapewnia, że nadmiar ciepła nie uszkodzi żadnego elementu obwodu. Projektowanie PCB tego typu jest bardzo złożone i wykorzystywane w bardzo skomplikowanych i dużych zadaniach elektrycznych na bardzo małej przestrzeni i zwartym obwodzie. Ten typ PCB jest używany w dużych aplikacjach, takich jak technologia GPS, system satelitarny, sprzęt medyczny, serwer plików i przechowywanie danych.

4) Elastyczna płytka drukowana:

Elastyczna płytka drukowana jest również znana jako obwód Flex. Ten typ PCB wykorzystywał elastyczne tworzywo sztuczne, takie jak poliamid, PEEK (polieteroeteroketon) lub przezroczysta przewodząca folia poliestrowa. Płytka drukowana jest ogólnie złożona lub skręcona. Jest to bardzo złożony typ płytki drukowanej, który zawiera również różne warstwy, takie jak jednostronny obwód elastyczny, dwustronny obwód elastyczny i wielostronny obwód elastyczny. Obwód Flex jest stosowany w organicznych diodach elektroluminescencyjnych, produkcji LCD, elastycznych ogniwach słonecznych, przemyśle motoryzacyjnym, telefonach komórkowych, kamerach i złożonych urządzeniach elektronicznych, takich jak laptopy.

5) Sztywna płytka drukowana:

Sztywne płytki drukowane są wykonane z solidnego materiału, który nie pozwala na skręcanie PCB. Podobnie jak flex PCB, Rigid PCB ma również inną konfigurację warstw, jak jednowarstwowe, dwuwarstwowe i wielowarstwowe sztywne PCB. Kształt tej płytki nie zmienia się po zamontowaniu. Ta płytka drukowana nie może być wyginana zgodnie z kształtem podstawy, dlatego ta płytka drukowana jest znana jako RIGID PCB. Żywotność tego typu PCB jest bardzo duża, dlatego jest używana w wielu częściach komputera, takich jak RAM, GPU i CPU. Prosta konstrukcja i najczęściej używana i najczęściej produkowana płytka PCB to jednostronna sztywna płytka drukowana. Wielowarstwowa sztywna płytka PCB może być bardziej zwarta, zawierając 9-10 warstw.

6) Elastyczna sztywna płytka PCB:

Najważniejszą płytą jest połączenie obwodu elastycznego i sztywnego. Płytki Flex-rigid składają się z wielu warstw elastycznej płytki PCB przymocowanej do szeregu sztywnych warstw PCB. Płyta sztywno-elastyczna, jak pokazano na rysunku. Jest stosowany w telefonach komórkowych, aparatach cyfrowych i samochodach itp.

Rodzaje płytek drukowanych w zależności od systemu montażu

PCB z otworem
Płytka drukowana natynkowa

1) Otwór PCB:

W tego typu PCB otwór musimy wykonać wiertłem na PCB. W tych otworach montuje się wyprowadzenia elementów i przylutowuje do padów znajdujących się po przeciwnej stronie PCB. Ta technologia jest najbardziej użyteczna, ponieważ zapewnia bardziej mechaniczne wsparcie dla komponentów elektrycznych i bardzo niezawodną technologię montażu komponentów, ale wiercenie w PCB zwiększa jej koszt. W jednowarstwowych płytkach drukowanych ta technologia montażu jest łatwa do wdrożenia, ale w przypadku dwuwarstwowych i wielowarstwowych PCB wykonanie otworu jest trudniejsze.

2) PCB do montażu powierzchniowego:

W tego typu PCB elementy są małe, ponieważ elementy te mają bardzo małe wyprowadzenia lub nie są wymagane żadne przewody do montażu na płytce. Tutaj w tej technologii elementy SMD montowane są bezpośrednio na powierzchni płytki i nie wymagają wykonania otworu na płycie.

Różne części PCB:

Pad: Pad to nic innego jak kawałek miedzi, na którym osadzone są wyprowadzenia elementów i na którym odbywa się lutowanie. Podkładka zapewnia mechaniczne wsparcie dla komponentów.

Trace: W PCB komponenty nie są połączone za pomocą przewodów. Wszystkie komponenty są połączone materiałem przewodzącym, takim jak miedź. Ta miedziana część płytki drukowanej, która służy do łączenia wszystkich elementów nazywanych śladami. Ślad wygląda jak na poniższym rysunku.

Warstwy: W zależności od zastosowania, kosztu i dostępnej przestrzeni obwodu, użytkownik może wybrać warstwę PCB. Najprostsza w konstrukcji, łatwa w projektowaniu i najbardziej przydatna w codziennym życiu jest jednowarstwowa płytka drukowana. Jednak w przypadku bardzo dużych i złożonych obwodów najbardziej preferowana jest dwuwarstwowa płytka drukowana lub wielowarstwowa płytka drukowana w porównaniu do jednowarstwowej płytki drukowanej. Obecnie w wielowarstwowej płytce drukowanej można połączyć 10-12 warstw, a najważniejszą rzeczą jest komunikacja między komponentami w różnych warstwach.

Warstwa jedwabiu: Warstwa jedwabiu służy do drukowania linii, tekstu lub dowolnej grafiki na powierzchni PCB. Zwykle do sitodruku używa się farby epoksydowej. Warstwa jedwabiu może być stosowana w górnej i / lub dolnej warstwie PCB zgodnie z wymaganiami użytkownika, co jest znane jako sitodruk GÓRA i sitodruk DOLNY.

Warstwa górna i dolna: W górnej warstwie PCB wszystkie komponenty są zamontowane w tej warstwie PCB. Zwykle ta warstwa ma kolor zielony. W dolnej warstwie PCB wszystkie elementy są lutowane przez otwór, a wyprowadzenie elementów jest znane jako dolna warstwa PCB. Czasami w górnej i / lub dolnej warstwie PCB jest pokryta zieloną warstwą, która jest znana jako soldermaska.

Maska lutownicza: Na wierzchu warstwy miedzi znajduje się dodatkowa warstwa nazywana maską lutowniczą. Ta warstwa ma zazwyczaj kolor zielony, ale może być dowolnego koloru. Ta warstwa izolacyjna służy do zapobiegania przypadkowemu kontaktowi podkładek z innym przewodzącym materiałem na PCB.

Materiały PCB:

Głównym elementem jest podłoże dielektryczne, które jest sztywne lub elastyczne. To podłoże dielektryczne jest używane z materiałem przewodzącym, takim jak miedź. Jako materiał dielektryczny stosuje się laminaty szklano-epoksydowe lub materiały kompozytowe.

1) FR4:

FR to skrót od FIRE RETARDENT. W przypadku wszystkich rodzajów produkcji PCB najczęściej stosowanym materiałem szklanym laminowanym jest FR4. Oparty na tkanych związkach szklano-epoksydowych, FR4 jest materiałem kompozytowym, który jest najbardziej użyteczny, ponieważ zapewnia bardzo dobrą wytrzymałość mechaniczną.

FR4	Temp. Zeszklenia
Standard	130	Najczęściej i szeroko stosowany Najtańsze
Przy wyższej temperaturze zeszklenia.	170-180	Kompatybilny z bezołowiową technologią reflow
Wolne od halogenu	-	Kompatybilny z bezołowiową technologią reflow

2) FR-1 i FR-2:

Ten materiał jest wykonany z papieru i związków fenolu i jest używany tylko do jednowarstwowych PCB. Zarówno FR1, jak i FR2 mają podobną charakterystykę, jedyną różnicą jest temperatura zeszklenia. FR1 ma wyższą temperaturę zeszklenia w porównaniu do FR2. Materiały te są również podzielone na standardowe, bezhalogenowe i niehydrofobowe.

3) CEM-1:

Materiał ten jest wykonany z papieru i dwuwarstwowej szklanej tkaniny epoksydowo-fenolowej i jest używany tylko do jednostronnych PCB. CEM-1 można zastosować zamiast FR4, ale cena CEM1 jest wyższa niż FR4.

4) CEM-3:

ten materiał jest białą, szklaną masą epoksydową, która jest najczęściej stosowana w dwuwarstwowych płytkach drukowanych. CEM-3 ma mniejszą wytrzymałość mechaniczną w porównaniu do FR4, ale jest tańszy niż FR4. Jest to więc dobra alternatywa dla FR4.

5) poliimid:

Ten materiał jest używany w elastycznej płytce drukowanej. Ten materiał jest wykonany z kepton, rogers, dupont. Materiał ten ma dobre właściwości elektryczne, wytrzymałość, szeroki zakres temperatur i wysoką odporność chemiczną. Temperatura pracy tego materiału to -200 ͦC do 300 ͦC.

6) Prepreg:

Prepreg oznacza wstępnie impregnowany. Jest to włókno szklane impregnowane żywicą. Żywice te są wstępnie wysuszone, dzięki czemu po podgrzaniu płyną, sklejają się i całkowicie zanurzają. Prepreg posiada warstwę kleju, która daje wytrzymałość zbliżoną do FR4. Istnieje wiele wersji tego materiału w zależności od zawartości żywicy, standardowej żywicy SR, MR - średniej żywicy i HR - wysokiej żywicy. Jest to dobierane w zależności od wymaganej grubości, struktury warstw i impedancji. Materiał ten dostępny również w wersji o wysokiej temperaturze zeszklenia i bezhalogenowy.

Oprogramowanie do projektowania PCB:

Poniżej znajdują się niektóre z najpopularniejszych programów do projektowania PCB. Możesz dowiedzieć się więcej o tym oprogramowaniu do projektowania PCB tutaj.

Orzeł:

EAGLE to najpopularniejszy i najłatwiejszy sposób projektowania PCB. EAGLE oznacza łatwy w zastosowaniu graficzny edytor układu, który został wcześniej opracowany przez CadSoft Computer, a obecnie Autodesk jest twórcą tego oprogramowania. Do projektowania schematów połączeń EAGLE posiada edytor schematów. Rozszerzenie pliku EAGLE to.SCH, a różne części i komponenty są zdefiniowane w rozszerzeniu.LBR. Rozszerzenie pliku płyty to.BRD.

Multisim:

Multisim to także bardzo potężne i łatwe w nauce oprogramowanie. Pierwotnie opracowany przez Electronics Workbench, a teraz jest oddziałem National Instruments (NI). Obejmuje symulację mikrokontrolera (MultiMCU) i zintegrowane funkcje importu eksportu do oprogramowania układu PCB. To oprogramowanie jest szeroko stosowane w środowisku akademickim, a także w przemyśle do nauczania obwodów.

EasyEDA:

EasyEDA to oprogramowanie służące do projektowania i symulacji obwodów. To oprogramowanie jest zintegrowanym narzędziem do tworzenia schematów, symulacji obwodu SPICE, w oparciu o układ Ngspice i PCB. Najważniejszą zaletą tego oprogramowania jest to, że jest to oprogramowanie internetowe i używane w oknie przeglądarki. Tak więc to oprogramowanie jest niezależne od systemu operacyjnego.

Projektant Altium:

To oprogramowanie zostało opracowane przez australijską firmę Altium Limited. Główną cechą tego oprogramowania jest tworzenie schematów, projektowanie 3D PCB, opracowywanie FPGA i zarządzanie wydaniami / danymi. Jest to pierwsze oprogramowanie, które oferuje wizualizację 3D i kontrolę czystości PCB bezpośrednio z edytora PCB.

KiCad: To oprogramowanie zostało stworzone przez jean-pierre charras. To oprogramowanie zawiera narzędzia, które mogą tworzyć zestawienia komponentów (BOM), grafikę i widok 3D PCB, a także wszystkich komponentów używanych w obwodzie. W bibliotece tego oprogramowania dostępnych jest wiele komponentów, a użytkownik może dodawać własne komponenty. To oprogramowanie obsługuje wiele języków ludzkich.

CircuitMaker: To oprogramowanie jest również rozwijane przez Altium. Edytor schematów tego oprogramowania zawiera podstawowe rozmieszczenie komponentów, a oprogramowanie to służy do projektowania zaawansowanych schematów wielokanałowych i hierarchicznych. Cały schemat jest przesyłany na serwer i te pliki są dostępne do przeglądania przez każdego, pod warunkiem, że potrzebujesz konta CircuitMaker.