Печатные платы

1. Что такое печатная плата?

Её можно представить как «планировочно-дорожную систему» ​​города:

Подложка: Как и фундамент города, она изготовлена ​​из изоляционных материалов (например, стекловолокна на основе эпоксидной смолы) и обеспечивает механическую поддержку.

Проводники: Как и городские дороги, они вытравлены из медной фольги и отвечают за соединение «зданий» (электронных компонентов) между собой, передавая сигналы и электропитание.

Контактные площадки: Как и обозначенные парковочные места или точки доступа в здании, здесь выводы компонентов припаяны к печатной плате.

Переходные отверстия: Как и надземные и подземные переходы в городе, они соединяют цепи между различными слоями.

Шелкография: Как и дорожные знаки и номера зданий, это текст и символы, напечатанные на печатной плате, которые обозначают местоположение компонентов, номера моделей и другую информацию.

2. Структура печатной платы (слои)

В зависимости от сложности печатные платы подразделяются на однослойные, двухслойные и многослойные.

Односторонние платы: медные фольгированные проводники расположены с одной стороны, а пустая подложка — с другой. Они имеют более простую структуру и являются самыми дешевыми, используются в ранних или очень простых электронных устройствах (например, старых радиоприемниках).

Двусторонние платы: наиболее распространенный тип. Медные фольгированные проводники расположены с обеих сторон платы и соединены через переходные отверстия. Это сложнее, чем односторонняя плата, и требует больше места для монтажа.

Многослойные платы: эти платы изготавливаются путем ламинирования нескольких слоев односторонних или двухсторонних плат, разделенных изолирующими слоями и соединенных через скрытые или глухие переходные отверстия. Они напоминают многостраничную книгу. Они используются для создания высокопроизводительных, высокоплотных и сложных устройств, таких как материнские платы компьютеров, мобильных телефонов и видеокарты (обычно с 4, 6, 8 и более слоями).

3. Основные материалы печатных плат

Медный ламинат: базовый материал, состоящий из изолирующей подложки и ламинированной на неё медной фольги.

Типы базовых материалов:

FR-4: наиболее часто используемый материал, изготовленный из стекловолокнистой эпоксидной смолы, обладает превосходной прочностью, термостойкостью и электрическими свойствами.

Гибкие подложки, такие как полиимид, используются для изготовления гибких печатных плат, которые можно сгибать и складывать, и широко применяются в кабелях мобильных телефонов и носимых устройствах.

Высокочастотные ламинаты, такие как Rogers, используются в высокочастотных сигнальных системах (например, в сетях связи 5G и радарах) и минимизируют потери сигнала.

Металлические подложки, например, алюминиевые, имеют металлический слой на обратной стороне, что обеспечивает отличное рассеивание тепла. Они широко используются в светодиодном освещении и силовых модулях.

4. Процесс производства печатных плат (упрощенная версия)

В качестве примера рассмотрим наиболее распространенную двустороннюю плату:

Проектирование схемы: Используйте программное обеспечение для автоматизированного проектирования электронных компонентов (например, Altium Designer, KiCad или Eagle) для разработки принципиальной схемы и топологии печатной платы.

Вывод в Gerber: Выведите разработанные чертежи в Gerber-файл, понятный производителю.

Подготовка материала: Вырежьте медный ламинат нужного размера.

Перенос рисунка: Перенесите разработанный рисунок схемы на медный ламинат путем экспонирования и проявления.

Травление: Химически протравите незащищенную медную фольгу, оставив только необходимые компоненты.

Сверление: Сверление отверстий для выводов компонентов и переходных отверстий.

Металлизация отверстий: Химическое осаждение слоя меди на стенки просверленных отверстий для создания электрических соединений между слоями.

Паяльная маска: Печать слоя паяльной маски зеленого (или другого цвета) цвета для покрытия дорожек, не требующих пайки, во избежание коротких замыканий и окисления.

Шелкография: Печать логотипов и символов компонентов на плате.

Обработка поверхности: Гальваническое покрытие выполняется на открытых контактных площадках для предотвращения окисления и обеспечения хорошей паяемости. Распространенные методы включают:

Лужение с защитой от брызг: Низкая стоимость и широкое применение.

Иммерсионное золото: Ровная поверхность, хорошая стойкость к окислению, подходит для компонентов с малым шагом выводов (например, BGA).

Иммерсионное олово/иммерсионное серебро: Промежуточное между этими двумя методами.

Тест формовки: Разрезание большой платы на отдельные платы меньшего размера и проведение электрических испытаний для проверки на обрывы и короткие замыкания.

5. Применение в печатных платах

Повсеместно! Практически все электрические устройства содержат печатные платы:

Бытовая электроника: мобильные телефоны, компьютеры, телевизоры, камеры, игровые приставки.

Связь: маршрутизаторы, коммутаторы, базовые станции.

Промышленное управление: ПЛК, промышленные роботы, электроприводы.

Автомобильная электроника: блоки управления двигателями, навигационные системы, датчики.

Медицинские приборы: электрокардиографы, глюкометры, компьютерные томографы.

Авиакосмическая/военная промышленность: спутники, радары, системы управления полётом.

6. Ключевые моменты при проектировании печатных плат

Топография: правильное размещение компонентов — это залог успеха. Учитывайте прохождение сигнала, тепловыделение и электромагнитные помехи.

Трассировка: следуйте принципу «сначала сигнальные линии, потом линии питания». Критические сигнальные линии (например, линии синхронизации) должны быть одинаковой длины и экранированы.

Ширина линии: определяется током; чем больше ток, тем шире линия.

Заземление: Правильно спроектированное заземление — залог стабильной работы.

DFM: При проектировании следует учитывать технологичность, чтобы избежать ненужных производственных сложностей.

Целостность сигнала/целостность питания: Эти два фактора имеют решающее значение в высокоскоростных цепях.