Mihin piirikorttia käytetään – painetut piirikortit (PCB): PCB-suunnittelu ja piirikorttien piirien käyttö

Mihin painettua piirilevyä käytetään – Tulostetut piiriostot (PCB): PCB-suunnittelu ja piirilevyjen piirien käyttö

Johdanto tuotanto

Painettu piirilevy (PCB) on yksi tärkeimmistä innovaatioista nykyaikaisissa elektronisissa laitteissa. Jos olet koskaan käyttänyt älylaitetta, kannettavaa tietokonetta, auto- tai kuorma-auton ohjauspaneelia, lääketieteellistä näyttöä, Wi-Fi-reititintä tai älykotilaitetta, olet jo aiemmin luottanut PCB:hen ilman, että olisit edes ajatellut sitä. Yksinkertaisilla sanoilla sanottuna PCB on elektroninen emolevy, joka tarjoaa laitteille turvallisen rakenteen komponenttien kytkemiseen ja tukenemiseen. Se toimii perustana käytännössä kaikissa elektronisissa laitteissa, mikä tekee sen ymmärtämisestä niin hyödyllistä suunnittelijoille, tuotteen kehittäjille, valmistajille, opiskelijoille ja myös kiinnostuneille kuluttajille.

Ytimessään PCB ratkaisee erinomaisen käytännöllisen ongelman: kuinka yhdistää useita elektronisia komponentteja toisiinsa siten, että kytkentä on pieni, luotettava ja tehokas? Ennen kuin PCB:t tulivat yleiseen käyttöön, elektronisia laitteita valmistettiin usein pistepistekytkentäpiirien avulla. Tämä menetelmä toimi, mutta se oli tilava, vaikeasti korjattavissa ja huomattavasti vähemmän luotettava. Nykyään PCB käyttää kuparitroakkoja, PCB-kerroksia ja suojakantaa tarkkojen sähköisten reittien muodostamiseen. Tämä tekee piirilevystä paitsi fyysisen kannattimen myös hallitun järjestelmän signaalien siirtoon, virran jakeluun ja komponenttien integrointiin. Yksinkertaisesti sanottuna PCB on sekä piirien tarjoaja että laitteen toiminnan keskeinen osa.

Piirilevyjen (PCB) merkitys on itse asiassa kasvanut juuri siksi, että digitaaliset laitteet ovat pienentyneet, nopeutuneet ja tehokkaampia. Nykyaikaiset laitteet vaativat enemmän suorituskykyä huomattavasti pienemmissä tiloissa, mikä on ohjannut piirilevyjen markkinoita kohti edistyneempiä ratkaisuja, kuten monikerroksisia piirilevyjä, korkean tiukkuuden (HDI) piirilevyjä, joustavia piirilevyjä sekä jäykkä-joustavia piirilevyrakenteita. Nämä kehitykset tukevat kaikkea: pieniä kuljetettavia nykyaikaisia laitteita, korkean nopeuden palvelimia ja turvallisuuskriittisiä autoteollisuuden järjestelmiä. Alan trendien mukaan piirilevyjen valmistus- ja kehitysmarkkina jatkaa kasvuaan, sillä jokainen uusi sähkölaitteiden sukupolvi vaatii parempaa piirilevyjen suunnittelua, huomattavasti parempaa piirilevyjen valmistusta ja parempaa automaatiota.

Mihin piirilevyjä käytetään?

Printtitulostettuja piirilevyjä käytetään elektronisten komponenttien kiinnittämiseen, tukeutumiseen ja ohjaamiseen lähes kaikissa digitaalisissa laitteissa. Jos tuote käyttää sähköenergiaa järjestelmällisellä tavalla, siinä on yleensä sisällä PCB. Levyyn liittyvä tarkka tehtävä riippuu laitteesta, mutta perustoiminto on sama: luoda luotettavia sähköisiä reittejä signaaleille ja virralle. Siksi hakukysely "mihin julkaistuja emolevyjä käytetään" on niin yleinen. PCB:itä ei käytetä vain yhdessä teollisuudenalassa tai yhdenlaisissa tuotteissa – niitä käytetään kaikkialla.

Asiakastuotteissa piirilevyt (PCB) tukevat ohjausnäyttöjä, antureita, langatonta viestintää, äänijärjestelmiä, maksujärjestelmiä ja tietojenkäsittelyä. Kaupallisissa järjestelmissä ne hoitavat automaatiota, laitteiden ohjausta ja tehon jakelua. Lääketieteellisissä laitteissa ne tukevat elämänpelastavia seuranta- ja analyysityökaluja. Autoissa ne ohjaavat ohjauspaneelia, ohjauskomponentteja, turvallisuusjärjestelmiä ja maksullisia ilmoituksia. Ilmailussa ja puolustusteollisuudessa piirilevyjä käytetään korkean luotettavuuden järjestelmissä, jotka täytyy toimia resonanssin, lämmön ja mekaanisen rasituksen alaisena. Sama perusteknologiaa hyödynnetään kaikissa näissä ympäristöissä muuttamalla piirilevyjen tuotteita, kerroksia ja asennusprosessia.

Piirilevyjen (PCB) yleisimmät käyttötavat teollisuuden aloilla

Mitä piirilevyt tekevät elektronisissa laitteissa

Piirilevyt toteuttavat useita kriittisiä toimintoja samanaikaisesti:

Kiinnitä elektroniset komponentit

Ohjaa signaaleja piirien ja komponenttien välillä

Jakaa sähköenergiaa

Tukevat mekaanista turvallisuutta

Vähentävät melua ja häiriöitä

Parantavat signaalin vakautta

Pidä piirit järjestettyinä ja liikuteltavina

Piirilevysovellusten todellisissa tuotteissa

Tässä on joitakin yleisimmistä PCB-sovelluksista, joita kohtaat arjessa:

Älypuhelimen PCB: Vastaa käsittelystä, akun latauksesta, kameran ohjauksesta, langattomasta viestinnästä ja näyttöliitännöistä

Tietokoneen emolevy: Toimii pääalustana keskusyksikölle (CPU), muistille, tallennustilalle, grafiikkaprosessorille (GPU) ja laajennusliittimille

Auton PCB: Tukee moottorin ohjausta, turvallisuus- ja turvaominaisuuksia, valaistusta, antureita ja kaupallisjärjestelmiä

Lääketieteellisen laitteiston PCB: Mahdollistaa tarkan valvonnan, ohjauksen ja viestinnän hoitolaitteissa

Kannettavan teknologian PCB: Toimittaa tehoa pienille älykelloille, kunnonseurantalaitteille ja terveyden seuranta-antureille

Teolliset PCB-sovellukset: Laitteiden ohjaus, teollisuuskeskusten automaatio ja tehoelektroniikkajärjestelmät

Miksi PCB:t ovat niin laajalti käytettyjä

PCB:t ovat yleisiä, koska ne sisältävät:

Kannettava mittaus

Korkea uskollisuus

Helppo sarjatuotanto

Alhaiset virhetasot

Luotettava sähköinen tehokkuus

Yksilöllinen suunnittelujoustavuus

Tämä tekee niistä erinomaisia sekä yksinkertaisiin että erittäin edistyneisiin digitaalisiin laitteisiin. Riippumatta siitä, tarvitseeko tuote pienikokoisen yksipuolisen piirilevyn vai monikerroksisen PCB:n, sama perusperiaate toimii.

PCB:n rakenne ja materiaalit

PCB:n rakenteen ja käytettyjen materiaalien tunteminen on yksi tehokkaimmista tavoista ymmärtää, miten piirilevy todella toimii. PCB ei ole pelkkä tasainen vihreän muovin levy. Se on huolellisesti suunniteltu rakenne, joka koostuu materiaaleista, joiden on kestettävä sähköistä suorituskykyä, lämpöä, mekaanista rasitusta ja valmistusprosesseja. Substraatin, kuparin, materiaalin, liitosmassan ja silkkipainotuksen yhdistelmä muodostaa turvallisen alustan elektronisille komponenteille ja johtaville poluille.

Tyypillisimpiä perusmateriaaleja on FR-4-tuote, lasikuitusta epoksihartsilevy. FR-4:ää käytetään, koska se tarjoaa erinomaisen eristyskyvyn, vahvan mekaanisen suojan ja edullisen hinnan. Tämän perustason päälle valmistajat lisäävät kupari- tai alumiinifoliokerrokset, jotka muodostavat piirilevyn johdinradat ja kuparitasot kuumakäsittelyn (kuparin poiston) jälkeen. Juottomaskeeraus peittää levyn ja suojaa kuparia hapettumiselta ja tahattomilta oikosuluilta. Lopuksi silkkipainokerros sisältää merkintöjä, viittausmerkintöjä, logoja ja asennusmerkintöjä.

Pääpiirilevyn kerrokset ja materiaalit

PCB-kerroksien rakenne selitetty

PCB-kerroksien rakenne tarkoittaa kupari- ja eristekerrosten järjestelyä piirilevyn sisällä. Yksinkertaisessa levysä sovelluksessa kerroksien rakenne saattaa sisältää vain tietyn määrän kerroksia. Monikerroksisessa PCB:ssä rakenteessa voi olla useita signaalikerroksia, maadoitustasoja ja virtalähtötasoja. Kerrosten sijoittelutapa vaikuttaa suorituskykyyn, sähkömagneettisen häiriön vähentämiseen, lämmönhallintaan ja ohjaustehokkuuteen.

Johdinradat, tasot ja alusta

PCB:n johdinradat ovat ohuita kupariviivoja, jotka kuljettavat signaaleja ja virtaa. Niiden koko ja tiukkuus ovat merkityksellisiä, koska ne vaikuttavat resistanssiin, virtakapasiteettiin ja lämmön kertymiseen. Maadoitustasot auttavat vähentämään sähköistä kohinaa, kun taas virtalähtötasot jakavat virtaa tasaisesti koko levyn yli. Nämä komponentit muodostavat yhdessä vakuummamman ja ennustettavamman piirikytkentäympäristön.

Miksi PCB-materiaalit ovat tärkeitä

Eri työkalut vaativat erilaisia materiaaleja. Esimerkiksi:

Asiakkaiden elektroniset laitteet käyttävät usein FR-4-materiaalia, koska se on budjettille ystävällinen ja luotettava

Korkean nopeuden tai korkean taajuuden suunnittelut voivat vaatia vähän tappiota aiheuttavia materiaaleja

Korkean tehon järjestelmät voivat vaatia paksua kuparia tai metalliydintä sisältävää rakennetta

Monikäyttöiset digitaaliset laitteet vaativat muovipohjaisia materiaaleja, jotka ovat taipuisia

Materiaalin suorituskykytekijät

Yksinkertainen esimerkki

Matkapuhelimen piirilevy hyödyntää tiukkaa, useakerroksista PCB-rakennetta, koska se vaatii tehokasta signaalien ohjausta, vähäistä äänen vaimentumista ja luotettavaa suorituskykyä erinäin pienessä tilassa. Tehdansäätimen PCB:ssä taas käytetään usein paksuempaa kuparia ja tehokkaampia lämmönjohtavia materiaaleja, koska sen on käsitteltävä huomattavasti suurempaa virtaa ja lämpöä. Siksi PCB-tuotteet eivät ole yhden koon sopivia kaikille. Suunnittelun on vastattava sovellusta.

Kuinka PCB toimii?

PCB toimii tuottamalla ohjattuja sähköisiä yhteyksiä elektronisten komponenttien välille kuparitseppoja, -padoja ja -läpiä. Kun virta kytketään piirilevylle, kupariseulat johtavat virtaa tarkalla tavalla piirin yhdestä osasta toiseen. Levy ei itse 'ajattele', mutta se tarjoaa rakenteen, joka mahdollistaa integroitujen piirien, signaalinkäsittelyjärjestelmien, mikro-ohjaimien, muistipiirien ja muiden komponenttien oikeanlainen vuorovaikutus. Ilman tätä rakennetta nykyaikaiset piirilevytasoiset digitaaliset laitteet olisivat varmasti paljon epämiellyttävämpiä, liian epäluotettavia ja liian vaikeita valmistaa teollisella mittakaavalla.

Tärkein ajatus siitä, miten piirikortti toimii, on se, että sähkö kulkee kortille tehtyjä johtavia reittejä pitkin. Nämä reitit eivät ole arvioidut. Ne luodaan käyttäen piirikorttien suunnittelutyökaluja, suunnittelusääntöjä ja signaalianalyysiä varmistaakseen, että jokainen johdin hoitaa tehtävänsä. Joitakin johdinreittejä käytetään tietosignaalien siirtämiseen, joitakin virtalähteiden siirtämiseen ja joitakin maadoituksen ja suojauksen varmistamiseen. Läpiviennit (vias) yhdistävät yhden kerroksen toiseen, kun taas liittimet mahdollistavat kortin vuorovaikutuksen ulkoisten komponenttien tai muiden korttien kanssa.

Kuinka kuparijohdinreitit toimivat piirikortilla

Kuparijohdinreitti on periaatteessa avoin johto. Se on ohut kuparikaistale, joka on syövytetty kortille komponenttien välisen virran tai signaalien siirtämiseksi. Johdinreitin leveys, paksuus ja etäisyys muista reiteistä ovat erityisen tärkeitä. Liian kapea johdinreitti voi kuumeta liikaa tai aiheuttaa liiallista vastusta. Liian lähellä toista signaalia oleva johdinreitti voi aiheuttaa kohinaa tai ristiäintä (crosstalk). Siksi piirikorttien suunnittelussa on noudatettava selkeitä suunnittelusääntöjä.

Piirikorttien tyypit B-viat

Liitoskortin yhdistimet

PCB:t yhdistyvät usein lukuisiin muihin järjestelmän osiin hyödyntäen:

Levy-levy-sovittimia

Johto-levy-sovittimia

Tulo/lähtö-sovittimia

Kaarella varustettuja sovittimia

Sivusovittimia

Nämä mahdollistavat PCB:n toiminnan osana laajempaa digitaalista järjestelmää eikä erillisenä levynä.

Mitä tapahtuu signaalinsiirron aikana

Kun laite käynnistetään, PCB ohjaa virtaa oikeisiin komponentteihin. Mikro-ohjain voi lähettää ohjeita, anturit voivat lähettää tietoa ja muistipiirit voivat tallentaa tietoa. Johdot kuljettavat näitä signaaleja levyn yli. Maapinnat auttavat säilyttämään järjestelmän vakautta. Virtapinnat jakavat virtaa tasaisesti. Korkean nopeuden muodoissa käytetään häiriönsuojaa signaalin laadun säilyttämiseksi.

SMT ja THT PCB:n toiminnassa

Osa voidaan kiinnittää piirilevylle kahdella merkittävällä tavalla:

Pintaliitosmenetelmä (SMT): Osat asennetaan suoraan levyn ulkopuolelle

Läpiviivamenetelmä (THT): Johtimet kulkevat läpi reiät levyllä

SMT on erinomainen pienikokoisten digitaalisten laitteiden ja automatisoidun valmistuksen käyttöön. THT on edelleen hyödyllinen, kun mekaaninen kestävyys on tärkeä, esimerkiksi liittimien tai teholaitteiden osalta.

UKK

Mistä piirilevyt valmistetaan?

Suurin osa piirilevyistä valmistetaan FR-4-materiaalista, joka on lasikuitupohjainen epoksiliimauslevy. Niissä on myös kuparikalvo, eriste- ja metallikerrokset, tinattava suoja (solder mask) ja silkkipainos. Erityissovelluksissa käytetään joskus polyimidia, keramiikkaa, alumiinia tai muita materiaaleja sovelluksen mukaan.

Voinko valmistaa piirilevyn kotona?

Kyllä, voit suunnitella piirilevyn kotona käyttäen EDA-laitteita tai piirilevysuunnittelun ohjelmistoja. Monet aloittelijat aloittavat yksinkertaisilla levynsuunnitelmilla ja lähettävät sen jälkeen valmistajalle piirilevyn prototyypin valmistukseen. Kotona tehtävä suunnittelu on erityisen yleistä harrasteelektroniikassa, upotettuissa järjestelmissä ja oppimistyössä.

Miten piirilevyä puhdistetaan tarkalleen?

Piirilevyä tulisi yleensä puhdistaa isopropyylialkoholilla ja pehmeällä harjalla tai lintumattomalla liinalla. Vältä kovia kemikaaleja, ylimäristä kosteutta ja tarpeetonta painetta. Jos levy on kytketty virtalähteeseen tai muihin komponentteihin, varmista ensin, että se on turvallisesti erotettu.

Onko piirilevy jäähdytettävä vai tasavirtainen?

Piirilevy itsessään ei ole kumpaakaan – ei jäähdytetty eikä tasavirtainen. Se on levy, joka kantaa piirejä. Levyn piirit voivat käyttää vaihtovirtaa (AC), tasavirtaa (DC) tai molempia riippuen laitteesta. Esimerkiksi tehonsyöttöalue saattaa muuntaa vaihtovirran tasavirraksi, kun taas muut piirit toimivat pelkästään tasavirralla.

Kuinka kauan piirilevyn suunnittelu kestää?

Aika riippuu tyylillisen monimutkaisuuden, komponenttien saatavuuden ja määrän vaatimuksista.

Versiopaneelit: yleensä 2–5 päivää

Tuotantosarjat: usein 1–3 viikkoa

Päätös

Painetut piirilevyt ovat nykyaikaisten elektronisten laitteiden perusta. Ne mahdollistavat pienikokoisten, luotettavien ja suorituskykyisten laitteiden kehittämisen integroimalla mekaanisen tuen järjesteltyihin sähköisiin piireihin. Olipa kyseessä älylaite, auton ohjausyksikkö, lääketieteellinen näyttö, reititin tai teollisuuskone, PCB mahdollistaa elektronisten komponenttien toiminnan yhtenä järjestelmänä.

PCB:n suurin etu on sen monikäyttöisyys. Yksinkertainen yksipuolinen PCB voi tukea tavallista laitetta, kun taas monikerroksinen PCB, joustava PCB tai jäykkä-joustava PCB voi käynnistää edistyneitä teknologioita, joissa vaaditaan tiukkoja vaatimuksia tilan, nopeuden ja luotettavuuden osalta. Kun digitaaliset laitteet pienenevät entisestään ja tulevat yhä älykkäämmiksi, kysyntä paremmasta PCB-valmistuksesta, paremmasta PCB-suunnittelusta ja paremmasta PCB-kokoonpanosta kasvaa vain entisestään.