Kas ir drukātā shēmas plate (PCB): definīcija, uzbūve un pielietojums

Uzzini, kas ir drukātā shēmas plate (PCB): definīcija, uzbūve, materiāli, veidi un pielietojums datoros, telefonos un rūpniecībā.

Drukātās shēmas plate (PCB) ir speciāli izgatavota plate, kas nodrošina elektrisko savienojumu starp elektronisko komponentu. Tās izmanto gandrīz visur — no ikdienas patērētāju ierīcēm līdz rūpniecības un medicīnas aprīkojumiem. PCB galvenais uzdevums ir uzticami un pārskatāmi savienot komponentus, vienlaikus nodrošinot mehānisku atbalstu un atbilstošu izolāciju.

Uzbūve un materiāli

Parasti plates pamatmateriāls ir elektriski nevadīgs — populārākais variants ir stikla šķiedras bāze ar epoksīda sveķiem (piem., FR-4). Bieži uz vai starp šiem slāņiem ir iegravētas vara trašu līnijas, kas nodrošina elektriskos savienojumus. Tā plate ierobežo elektrības plūsmu tikai vēlamajās vietās.

Tipiskas PCB sastāvdaļas:

• Substrāts: FR-4, poliamīds (polyimide) flex platei, keramika īpašām lietojumprogrammām.
• Vara slāņi: plānas vara joslas (traces), kas vada strāvu; vara biezumu mēra uncēs uz kvadrātpēdas (piem., 1 oz ≈ 35 µm).
• Solder mask (lodēšanas maska): krāsaina pārklājuma slānis (bieži zaļš), kas aizsargā trausus no oksidēšanās un novērš nejaušas īssavienojumu veidošanos.
• Silkskrīns (markējumi): baltas vai citas krāsas uzdrukas, kas apzīmē komponentu pozīcijas, polaritāti un citus teksta marķējumus.
• Virsmu pārklājumi: HASL, ENIG, OSP u.c., kas uzlabo lodējamību un aizsardzību pret oksidēšanos.

Plates veidi

• Vienpusējas (single-sided): vara tikai uz vienas puses — vienkāršas, lētas.
• Divpusējas (double-sided): vara uz abām pusēm, savienotas ar caurumiem (vias).
• Daudzslāņu (multilayer): vairāk nekā divi vara slāņi, izgatavoti ar starpslāņu savienojumu — piemēroti sarežģītām ierīcēm.
• Elastīgas (flex) plates: izgatavotas no saliežama materiāla (piem., poliamīda), tās var saliekties vai locīties, kad nepieciešams.
• Rigid-flex: kombinē stingras un elastīgas daļas vienā konstrukcijā.

Ražošanas process (īsāk)

PCB izgatavošana parasti ietver vairākas galvenās fāzes:

• Projektēšana: shēmas izveide, PCB izkārtojums (PCB layout) ar speciālām programmām (EDA/PCB CAD).
• Fotolitogrāfija un ėtēšana: no fotomaskām izveido vara trausus un noņem nevajadzīgo varu.
• Caurumu urbšana un galvanizācija: urbj caurumus komponentiem un via; caurumu sieniņas galvanizē ar varu, lai nodrošinātu elektroķīmisku savienojumu starp slāņiem.
• Slāņu laminēšana (multilayer): starp slāņiem izmanto prepreg materiālus un saspiež augstā temperatūrā.
• Lodēšanas maska un silkskrīns: pārklāj platei aizsardzībai un marķēšanai.
• Galīgais virsmas apstrādes slānis: piemēram, ENIG, HASL vai OSP, lai nodrošinātu ilgstošu lodējamību.

Komponentu montāža

Elektroniskie komponenti tiek piestiprināti pie plates divos galvenajos veidos:

• Through-hole (caurlaidīgā) tehnika: komponenti ar kājiņām tiek ievietoti caurumos un lodēti no otras puses. Izmanto stiprākām mehāniskām saitēm un dažos jaudas komponentos.
• SMD (Surface-mount) tehnika: virsmas montāža ar maziem komponentiem, kas tiek lodēti, izmantojot pastas un reflow krāsni. Tas ir visizplatītākais mūsdienu ražošanā.

Speciālie elementi un tehnoloģijas

• Vias tipi: through-hole, blind, buried un microvias, ko izmanto signālu pārvadīšanai starp slāņiem.
• Impedances kontrole: svarīga ātrdarbīgas datu pārsūtīšanas līnijām (USB, HDMI, RF), prasot precīzu trašu platumu un starplaiku.
• Termiskā pārvaldība: siltuma izkliede ar siltuma caurumiem (thermal vias), stūmēm pie dzesētājiem un īpašiem vara laukumiem.

Pārbaude un kvalitāte

Ražošanas laikā un pēc tās PCB tiek pārbaudītas ar metodēm:

• Automatizētā optiskā pārbaude (AOI)
• In-circuit test (ICT) — elektriskā pārbaude
• Lidojošā adata (flying probe) testēšana mazos sērijveidos

Pielietojums

Shēmas plates atrodas gandrīz visās elektroierīcēs. Tās izmanto, piemēram, lai darbinātu datoru, mobilo/ mobilo tālruni vai televizoru. Papildus šīm lietām PCB ir būtiskas arī automobiļu elektronikai, medicīnas ierīcēs, aviācijā, rūpnieciskos vadības paneļos un telekomunikāciju iekārtās.

Priekšrocības un ierobežojumi

• Priekšrocības: augsta uzticamība, kompaktums, atkārtojamība ražošanā, labas termiskās un elektriskās īpašības.
• Ierobežojumi: sarežģītības pieaugums un izmaksas multilayer dizainos, nepieciešamība rūpēties par siltuma un signālu integritāti, materiālu izvēle atkarībā no lietojuma.

Vides un drošības aspekti

Mūsdienās ražotāji ievēro vides prasības, piemēram, RoHS ierobežojumus bīstamo vielu izmantošanai. Pareiza atkritumu apsaimniekošana un pārstrāde ir svarīga, jo PCB satur metālus un sveķus, kas prasa speciālu apstrādi.

Padomi hobijistiem un inženieriem

• Ja veidojat pirmo PCB, sākt ar vienpusēju vai divpusēju plati un izmantojiet vienkāršu SMD vai through-hole komponentu komplektu.
• Izmantojiet publiski pieejamas bibliotēkas komponentiem un pārbaudiet footprint izmērus, lai izvairītos no montāžas problēmām.
• Ja nepieciešama augsta frekvence vai precīza impedance, sadarbojieties ar ražotāju jau projektēšanas posmā.

Elastīgas shēmas plates ir plates, kas ir pietiekami plānas un izgatavotas no piemērota materiāla, lai tās varētu saliekt (saliekt). Tās ļauj radīt kompaktākas un dinamiskākas ierīces konstrukcijas, piemēram, salokāmus tālruņus, kameras moduli vai savienojumus starp kustīgām detaļām.

Apkopojot — PCB ir elektronikas pamatakmens: pareizi projektēta un izgatavota plate nodrošina ierīces darbību, uzticamību un ilgmūžību. Izpratne par materiāliem, ražošanas tehnoloģijām un montāžas paņēmieniem palīdz izstrādāt kvalitatīvas ierīces gan hobijam, gan profesionālai ražošanai.

Vēsture

Drukātās shēmas radās no elektriskajām savienojumu sistēmām, ko izmantoja pagājušā gadsimta 50. gados. Sākotnēji metāla sloksnes vai stieņi tika izmantoti, lai savienotu lielus elektriskos komponentus, kas bija uzstādīti uz koka pamatnes. Vēlāk metāla sloksnes aizstāja ar vadiem, kas savienoti ar skrūvju spailēm, un koka pamatnes aizstāja ar metāla rāmjiem. Tas ļāva veidot mazākas detaļas, kas bija nepieciešams, jo shēmas kļuva sarežģītākas un tajās bija vairāk detaļu. Tomass Edisons izmēģināja metālu izmantošanas metodes uz lina papīra. Artūrs Berijs 1913. gadā Lielbritānijā patentēja drukas un kodināšanas metodi. Amerikas Savienotajās Valstīs 1925. gadā Čārlzs Dukass izstrādāja metodi, kurā izmantoja galvanizāciju. Viņš izveidoja elektrības ceļu tieši uz izolētas virsmas, izmantojot trafaretu (forma, kas izgriezta kartonā vai papīrā) ar īpašu tinti, kas varēja vadīt elektrību tāpat kā vadi. Šo metodi nosauca par "drukātiem vadiem" vai "drukātajām shēmām".

1943. gadā austrietis Pauls Eislers (Paul Eisler), kurš strādāja Apvienotajā Karalistē, patentēja metodi, kā uz cietai pamatnei piestiprinātas vara folijas slāņa, kas nevadīja elektrību, iegravēt strāvu vadošus rakstus jeb shēmas. Eislera paņēmienu pamanīja ASV militārie spēki, un Otrā pasaules kara laikā to sāka izmantot jaunos ieročos, tostarp tuvinājuma drošinātājos. Viņa ideja kļuva ļoti noderīga 20. gadsimta 50. gados, kad tika ieviests tranzistors. Līdz tam vakuumlampas un citi komponenti bija tik lieli, ka bija nepieciešamas tikai tradicionālās montāžas un elektroinstalācijas metodes. Tomēr, ieviešot tranzistorus, komponenti kļuva ļoti mazi, un ražotājiem vajadzēja izmantot iespiedshēmas plates, lai arī savienojumi būtu mazi.

ASV uzņēmums Hazeltine 1961. gadā patentēja caur caurumiem pārklātu tehnoloģiju un tās izmantošanu daudzslāņu PCB. Tas ļāva izgatavot daudz sarežģītākas plates ar komponentiem, kas izvietoti cieši cits pie cita. Septiņdesmitajos gados tika ieviestas integrālās shēmas mikroshēmas, un šie komponenti ātri tika iekļauti iespiedshēmu plašu projektēšanā un ražošanas metodēs. Mūsdienās iespiedshēmas plates dažos lietojumos var būt līdz pat 50 slāņiem.

Virsmas montāžas tehnoloģija tika izstrādāta 20. gadsimta 60. gados, un to sāka plaši izmantot 80. gadu beigās.

Ar rokām izgatavota iespiedshēma

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir iespiedshēma?

J: Kādiem nolūkiem izmanto iespiedshēmas plates?

J: No kā ir izgatavotas PCB?

J: Kā PCB ļauj elektrībai pārvietoties no viena komponenta uz otru elektriskās ķēdēs?

J: Kas ir elastīgas shēmas plates?

J: Kas ir cietās un elastīgās plates?

Vai vairumā lietu, kurās izmanto elektrību, ir vismaz viena shēmas plate?

Meklēt pēc burta