Základy PCB

Čo je to PCB?

PCB je medená laminátové a nevodivé dosky s plošnými spojmi, v ktorej sú všetky elektrické a elektronické komponenty prepojené v jednom spoločnom doska s fyzickej podpory pre všetky zložky so základňou dosky. Ak nie je vyvinutá doska plošných spojov, sú v tom čase všetky komponenty spojené drôtom, ktorý zvyšuje zložitosť a znižuje spoľahlivosť obvodu, a teda nemôžeme vytvoriť veľmi veľký obvod, ako je napríklad základná doska. Na DPS sú všetky komponenty spojené bez vodičov, všetky komponenty sú zapojené interne, takže to zníži zložitosť celkového návrhu obvodu. PCB sa používa na zabezpečenie elektrickej energie a pripojenia medzi komponentmi, vďaka ktorým funguje tak, ako bol navrhnutý. PCB je možné prispôsobiť pre akékoľvek špecifikácie podľa požiadaviek používateľa. Nachádza sa v mnohých elektronických zariadeniach ako; Televízia, mobil, digitálny fotoaparát, časti počítačov ako; Grafické karty, základná doska atď. Používa sa tiež v mnohých oblastiach ako; zdravotnícke prístroje, priemyselné stroje, automobilový priemysel, osvetlenie atď.

Typy DPS:

Pre obvod je k dispozícii niekoľko typov PCB. Z týchto typov DPS musíme zvoliť vhodný typ DPS podľa našej aplikácie.

Jednovrstvový PCB
Dvojvrstvový PCB
Viacvrstvová doska plošných spojov
Flexibilné PCB
DPS s hliníkovým podkladom
Flexibilne tuhá doska s plošnými spojmi

1) DPS s jednou vrstvou:

Jednovrstvová doska plošných spojov je tiež známa ako jednostranná doska plošných spojov. Tento typ DPS je jednoduchý a najbežnejšie používaný DPS, pretože tieto DPS sa dajú ľahko navrhnúť a vyrobiť. Jedna strana tohto PCB je potiahnutá vrstvou akéhokoľvek vodivého materiálu. Ako vodivý materiál pre PCB sa všeobecne používa meď, pretože meď má veľmi dobré vodivé vlastnosti. Na ochranu PCB pred oxidáciou sa používa vrstva spájkovacej masky, po ktorej sa na vyznačenie všetkých komponentov na PCB použije sieťotlač. V tomto type DPS sa iba jedna strana DPS používa na pripojenie rôznych typov elektrických alebo elektronických komponentov, ako je odpor, kondenzátor, tlmivka, atď. Tieto komponenty sú spájkované. Tieto PCB sa používajú v nízkonákladových a hromadných výrobných aplikáciách, ako sú kalkulačky, rádiá, tlačiarne a disky SSD.

2) Dvojvrstvové PCB:

Dvojvrstvová doska s plošnými spojmi je tiež známa ako obojstranná doska s plošnými spojmi. Ako naznačuje názov, u tohto typu DPS sa na hornú aj spodnú stranu dosky nanáša tenká vrstva vodivého materiálu, napríklad medi. V DPS na inej vrstve dosky pozostávajú z priechodu, ktorý má dve podložky v zodpovedajúcej polohe na rôznych vrstvách. Sú elektricky spojené otvorom v doske, ktorý je znázornený na obrázku 2b. Pružnejšia, relatívne nižšia cena a najdôležitejšia výhoda tohto typu dosky s plošnými spojmi je jej zmenšená veľkosť, vďaka ktorej je obvod kompaktný. Tento typ DPS sa väčšinou používa v priemyselných riadiacich systémoch, prevodníkoch, systémoch UPS, HVAC aplikáciách, telefónoch, zosilňovačoch a monitorovacích systémoch napájania.

3) Viacvrstvová doska s plošnými spojmi:

Viacvrstvový PCB má viac ako dve vrstvy. To znamená, že tento typ PCB má najmenej tri vodivé vrstvy medi. Na zaistenie dosky je medzi vrstvu izolácie vložené lepidlo, ktoré zaisťuje, že prebytočné teplo nepoškodí žiadnu súčasť obvodu. Tento typ návrhu DPS je veľmi zložitý a používa sa vo veľmi zložitých a veľkých elektrických úlohách vo veľmi malom priestore a kompaktných obvodoch. Tento typ DPS sa používa vo veľkých aplikáciách, ako je technológia GPS, satelitný systém, zdravotnícke zariadenie, súborový server a ukladanie dát.

4) Flexibilné PCB:

Flexibilná doska s plošnými spojmi je tiež známa ako Flex Circuit. Tento typ DPS používal pružný plastový materiál, ako je polyamid, PEEK (polyéter éterketón) alebo priehľadný vodivý polyesterový film. Doska s plošnými spojmi je zvyčajne umiestnená v zloženom alebo skrútenom stave. Jedná sa o veľmi zložitý typ PCB a obsahuje tiež rôzne vrstvy ako jednostranný flex obvod, obojstranný flex obvod a viacstranný flex obvod. Flex Circuit sa používa v organických diódach emitujúcich svetlo, vo výrobe LCD, vo flexibilných solárnych článkoch, v automobilovom priemysle, v mobilných telefónoch, vo fotoaparátoch a v zložitých elektronických zariadeniach, ako sú notebooky.

5) Pevné PCB:

Pevné PCB sú vyrobené z pevného materiálu, ktorý neumožňuje krútenie PCB. Rovnako ako flex PCB, aj tuhé PCB majú rôzne konfigurácie vrstiev, ako sú jednovrstvové, dvojvrstvové a viacvrstvové tuhé PCB. Tvar tohto PCB sa po inštalácii nezmení. Túto DPS nemožno ohýbať podľa tvaru základne, preto je DPS známa ako RIGIDNÁ DPS. Životnosť tohto typu dosiek s plošnými spojmi je veľmi vysoká, takže sa používa v mnohých častiach počítača, ako sú RAM, GPU a CPU. Dizajn s jednoduchým dizajnom a najpoužívanejším a najpoužívanejším PCB je jednostranný tuhý PCB. Viacvrstvová tuhá doska s plošnými spojmi môže byť kompaktnejšia tým, že obsahuje 9–10 vrstiev.

6) Flexibilne tuhá doska s plošnými spojmi:

Kombinácia flexibilného obvodu a tuhého obvodu je najdôležitejšou doskou. Pružne tuhé dosky pozostávajú z niekoľkých vrstiev pružného PCB pripevnených k množstvu tuhých vrstiev PCB. Pružne tuhá doska je znázornená na obrázku. Používa sa v mobilných telefónoch, digitálnych fotoaparátoch a automobiloch atď.

Typy DPS podľa montážneho systému

DPS s priechodným otvorom
Doska s plošnými spojmi na povrch

1) DPS s priechodným otvorom:

U tohto typu DPS musíme urobiť dieru pomocou vŕtačky na DPS. V týchto otvoroch sú namontované vodiče komponentov a spájkované k podložkám umiestneným na opačnej strane PCB. Táto technológia je najužitočnejšia, pretože poskytuje väčšiu mechanickú podporu elektrickým súčiastkam a veľmi spoľahlivú technológiu pre montáž súčiastok, ale vŕtanie do DPS ju predražuje. U jednovrstvových dosiek plošných spojov je táto montážna technológia ľahko implementovateľná, ale v prípade dvojvrstvových a viacvrstvových dosiek plošných spojov je výroba otvoru ťažšia.

2) Doska s plošným spojom:

V tomto type dosiek plošných spojov majú komponenty malú veľkosť, pretože tieto komponenty majú veľmi malý prívod alebo na montáž na dosku nie sú potrebné žiadne prívody. Tu sa v tejto technológii SMD súčiastky montujú priamo na povrch dosky a nie je potrebné na nich robiť diery.

Rôzne časti PCB:

Podložka: Podložka nie je nič iné ako kúsok medi, na ktorej je pripevnený vývod komponentov a na ktorom je vykonané spájkovanie. Podložka poskytuje mechanickú podporu komponentom.

Stopa: Na PCB nie sú komponenty spojené pomocou vodičov. Všetky komponenty sú spojené vodivým materiálom, ako je meď. Táto medená časť DPS, ktorá sa používa na pripojenie všetkých komponentov známych ako trace. Trace vyzerá ako na obrázku nižšie.

Vrstvy: Podľa aplikácie, ceny a dostupného priestoru obvodu si môže užívateľ zvoliť vrstvu DPS. Najjednoduchšia konštrukcia, ľahká konštrukcia a najužitočnejšie v bežnom živote je jednovrstvová doska plošných spojov. Ale pre veľmi veľké a zložité obvody sú v porovnaní s jednovrstvovými PCB najvýhodnejšie dvojvrstvové PCB alebo viacvrstvové PCB. Teraz vo viacvrstvových PCB možno pripojiť 10 až 12 vrstiev a najdôležitejšou vecou je komunikácia medzi komponentmi v rôznych vrstvách.

Hodvábna vrstva: Hodvábna vrstva sa používa na tlač čiary, textu alebo akýchkoľvek obrázkov na povrch DPS. Zvyčajne sa na sieťotlač používa epoxidový atrament. Hodvábnu vrstvu je možné použiť v hornej a / alebo spodnej vrstve DPS podľa požiadaviek užívateľa, čo je známe ako sieťotlač HORNÁ a sieťotlač DOLNÁ.

Horná a spodná vrstva: V hornej vrstve DPS sú všetky komponenty namontované do tejto vrstvy DPS. Všeobecne je táto vrstva zelenej farby. V spodnej vrstve DPS sú všetky komponenty spájkované cez otvor a olovo súčiastok je známe ako spodná vrstva DPS. Niekedy je PCB v hornej a / alebo spodnej vrstve potiahnutá zelenou farbou, ktorá je známa ako spájkovacia maska.

Spájkovacia maska: Na vrchu medenej vrstvy je jedna ďalšia vrstva, ktorá sa nazýva Spájkovacia maska. Táto vrstva má zvyčajne zelenú farbu, ale môže mať akúkoľvek farbu. Táto izolačná vrstva slúži na zabránenie náhodnému kontaktu doštičiek s iným vodivým materiálom na DPS.

Materiály PCB:

Hlavným prvkom je dielektrický substrát, ktorý je tuhý alebo pružný. Tento dielektrický substrát sa používa na vedenie vodivého materiálu, ako je meď. Ako dielektrický materiál sa používajú sklenené epoxidové lamináty alebo kompozitné materiály.

1) FR4:

FR je stojan pre POŽIAR. Pre všetky typy výroby DPS je najbežnejším skleneným laminovaným materiálom FR4. Na základe tkaných sklenených epoxidových zlúčenín je FR4 kompozitný materiál, ktorý je najužitočnejší, pretože poskytuje veľmi dobrú mechanickú pevnosť.

FR4	Teplota skleného prechodu
Štandardné	130	Najčastejšie a najbežnejšie používané Najlacnejšie
S vyššou teplotou skleného prechodu.	170 - 180	Kompatibilné s bezolovnatou technológiou reflow
Bez halogénov	-	Kompatibilné s bezolovnatou technológiou reflow

2) FR-1 a FR-2:

Tento materiál je vyrobený z papiera a fenolových zlúčenín a tento materiál sa používa iba pre jednovrstvové PCB. FR1 aj FR2 majú podobné vlastnosti, jediným rozdielom je teplota skleného prechodu. FR1 má vyššiu teplotu skleného prechodu v porovnaní s FR2. Tieto materiály sa tiež delia na štandardné, bezhalogénové a nehydrofóbne.

3) CEM-1:

Tento materiál je vyrobený z papiera a dvoch vrstiev tkaných sklenených epoxidových a fenolových zlúčenín a tento materiál sa používa iba pre jednostranný PCB. Namiesto FR4 sa môže použiť CEM-1, ale cena CEM1 je vyššia ako FR4.

4) CEM-3:

tento materiál je biela, sklená epoxidová zmes, ktorá sa väčšinou používa v dvojvrstvových PCB. CEM-3 má v porovnaní s FR4 nižšiu mechanickú pevnosť, ale je lacnejší ako FR4. Toto je teda dobrá alternatíva k FR4.

5) Polyimid:

Tento materiál sa používa v pružných DPS. Tento materiál je vyrobený z materiálov kepton, Rogers, Dupont. Tento materiál má dobré elektrické vlastnosti, jemnosť, široký teplotný rozsah a vysokú chemickú odolnosť. Pracovná teplota tohto materiálu je -200 ° C až 300 ° C.

6) Prepreg:

Prepreg znamená vopred impregnovaný. Je to sklenené vlákno impregnované živicou. Tieto živice sú predsušené, takže pri zahriatí stekajú, lepia a sú úplne ponorené. Prepreg má lepiacu vrstvu, ktorá dodáva pevnosť podobne ako FR4. Existuje veľa verzií tohto materiálu podľa obsahu živice, SR - štandardná živica, MR - stredná živica a HR - vysoká živica. Vyberá sa podľa požadovanej hrúbky, štruktúry vrstvy a impedancie. Tento materiál je k dispozícii aj pri vysokej teplote skleného prechodu a bez obsahu halogénov.

Softvér na navrhovanie dosiek plošných spojov:

Ďalej uvádzame niektoré z najpopulárnejších softvérov na návrh dosiek plošných spojov. Tu sa dozviete viac o týchto softvéroch na návrh DPS.

Orol:

EAGLE je najpopulárnejší a najjednoduchší spôsob navrhovania DPS. EAGLE je skratka pre Easily Applicable Graphical Layout Editor, ktorý predtým vyvinul CadSoft Computer a v súčasnosti je vývojárom tohto softvéru spoločnosť Autodesk. Pre návrh schémy zapojenia má EAGLE schematický editor. Prípona súboru EAGLE je.SCH a rôzne časti a komponenty sú definované v prípone.LBR. Prípona súboru dosky je.BRD.

Multisim:

Multisim je tiež veľmi výkonný a ľahký výučbový softvér. Ktorý pôvodne vyvinul Electronics Workbench a teraz je to divízia National Instruments (NI). Zahŕňa simuláciu mikrokontroléra (MultiMCU) a integrované funkcie exportu importu do softvéru rozloženia PCB. Tento softvér je široko používaný v akademickej sfére a tiež v priemysle pre kruhové vzdelávanie.

EasyEDA:

EasyEDA je softvér, ktorý sa používa na návrh a simuláciu obvodov. Tento softvér je integrovaným nástrojom na schematické zachytávanie, simuláciu obvodov SPICE, založený na usporiadaní Ngspice a PCB. Najdôležitejšou výhodou tohto softvéru je, že ide o webový softvér, ktorý sa používa v okne prehliadača. Tento softvér je teda nezávislý od operačného systému.

Návrhár altia:

Tento softvér je vyvinutý austrálskou softvérovou spoločnosťou Altium Limited. Hlavnou vlastnosťou tohto softvéru je schematické snímanie, 3D návrh DPS, vývoj FPGA a správa vydaní / údajov. Toto je prvý softvér, ktorý ponúka 3D vizualizáciu a kontrolu odbavenia DPS priamo z editora DPS.

KiCad: Tento softvér vyvinul Jean-Pierre Charras. Tento softvér má nástroje, ktoré umožňujú vytvárať BoM (kusovník), umelecké diela a 3D pohľad na PCB, ako aj všetky komponenty použité v obvode. V knižnici tohto softvéru je k dispozícii veľa komponentov a je tu funkcia, ktorú môže užívateľ pridať svoje vlastné komponenty. Tento softvér podporuje mnoho ľudských jazykov.

CircuitMaker: Tento softvér je tiež vyvíjaný spoločnosťou Altium. Schematický editor tohto softvéru obsahuje umiestnenie základných komponentov a tento softvér sa používa na navrhovanie pokročilých viackanálových a hierarchických schém. Všetky schémy sa nahrávajú na server a tieto súbory si môže ktokoľvek zobraziť, ak potrebujete účet CircuitMaker.