▷ Τι είναι μια πλακέτα PCB ή τυπωμένου κυκλώματος. χρήση, πώς γίνεται

Έχετε ακούσει ποτέ τον όρο PCB ή το ολοκληρωμένο κύκλωμα; Εάν δεν ξέρετε τι είναι, θα σας το εξηγήσουμε σε αυτό το άρθρο. Καθώς διαβάζετε αυτό το άρθρο, είστε περιτριγυρισμένοι από τα PCB. έχετε πολλά στο PC, την οθόνη, το ποντίκι και επίσης στο κινητό σας. Κάθε ηλεκτρονικό στοιχείο είναι κατασκευασμένο χρησιμοποιώντας ένα PCB, ή τουλάχιστον τα "εσωτερικά όργανα" του.

Ευρετήριο περιεχομένων

Η χρήση των PCB ήταν ένα τεράστιο βήμα στην εξέλιξη των ηλεκτρονικών συσκευών, καθώς παρείχε μια καινοτόμο μέθοδο σύνδεσης των στοιχείων χωρίς τη χρήση ηλεκτρικών καλωδίων. Ο σημερινός κόσμος δεν θα ήταν ο ίδιος χωρίς την εφεύρεση των PCBs, οπότε ας δούμε τι είναι και πώς γίνονται

Τι είναι ένα PCB

Το PCB είναι το ακρωνύμιο για το τυπωμένο κύκλωμα, αλλά χρησιμοποιούμε το ακρωνύμιο στα Αγγλικά (Printed Circuit Board) για να μην το συγχέουμε, για παράδειγμα, με τις υποδοχές PCI του υπολογιστή μας.

Λοιπόν, ένα PCB είναι βασικά μια φυσική υποστήριξη όπου ηλεκτρονικά και ηλεκτρικά εξαρτήματα εγκαθίστανται και διασυνδέονται μεταξύ τους. Αυτά τα εξαρτήματα μπορεί να είναι, τσιπ, πυκνωτές, δίοδοι, αντιστάσεις, συνδετήρες κλπ. Εάν ρίξετε μια ματιά σε έναν εσωτερικό υπολογιστή, θα δείτε ότι υπάρχουν πολλές επίπεδες κάρτες με πολλά εξαρτήματα κολλημένα σε αυτό, είναι μια μητρική πλακέτα και αποτελείται από ένα PCB και τα εξαρτήματα που έχουμε αναφέρει

Για να συνδέσετε κάθε στοιχείο σε ένα PCB, χρησιμοποιούμε μια σειρά εξαιρετικά λεπτών χάλκινων αγώγιμων τροχιών που παράγουν ένα σιδηροδρομικό, αγωγό, σαν να ήταν ένα καλώδιο. Στα απλούστερα κυκλώματα, έχουμε μόνο αγώγιμα κομμάτια στη μία ή και στις δύο πλευρές του PCB, αλλά σε πιο ολοκληρωμένα έχουμε ηλεκτρικά κομμάτια και ακόμη και στοιχεία που στοιβάζονται σε πολλαπλά στρώματα από αυτά.

Το κύριο στήριγμα για αυτά τα κομμάτια και τα εξαρτήματα είναι ένας συνδυασμός υαλοβάμβακα ενισχυμένου με κεραμικά υλικά, ρητίνες, πλαστικό και άλλα μη αγώγιμα στοιχεία. Παρόλο που επί του παρόντος χρησιμοποιούνται εξαρτήματα όπως οι κυτταροειδείς και οι αγώγιμες βαφές για την κατασκευή εύκαμπτων PCB.

Η πρώτη κάρτα ολοκληρωμένου κυκλώματος χτίστηκε το 1936 με το χέρι από τον μηχανικό Paul Eisler για να χρησιμοποιηθεί από ένα ραδιόφωνο. Από εκεί, οι διαδικασίες αυτοματοποιήθηκαν για μεγάλης κλίμακας κατασκευή, πρώτα με ραδιόφωνα, και στη συνέχεια με όλα τα είδη των εξαρτημάτων.

Τι είναι μέσα σε ένα PCB;

Τα τυπωμένα κυκλώματα αποτελούνται από μια σειρά αγώγιμων στρωμάτων, τουλάχιστον τα πιο πολύπλοκα. Κάθε μία από αυτές τις αγώγιμες στρώσεις διαχωρίζεται από ένα μονωτικό υλικό που ονομάζεται υπόστρωμα. Οι οπές που ονομάζονται vias χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση διαδρομών πολλαπλών στρωμάτων , οι οποίες μπορούν να περάσουν τελείως μέσω του PCB ή μόνο να φτάσουν μέχρι ένα ορισμένο βάθος.

Το υπόστρωμα μπορεί να είναι διαφορετικών συνθέσεων, αλλά πάντοτε από μη αγώγιμα υλικά, έτσι ώστε κάθε ηλεκτρική γραμμή να φέρει το δικό της σήμα και τάση. Η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη αυτή τη στιγμή ονομάζεται Pértinax, η οποία είναι βασικά ένα χαρτί καλυμμένο με ρητίνη, πολύ εύκολο στη χειρισμού και στη μηχανή. Αλλά στον εξοπλισμό υψηλής απόδοσης χρησιμοποιείται μια ένωση που ονομάζεται FR-4, η οποία είναι ένα ανθεκτικό στη φωτιά ρητινοειδές υαλοβάμβακα.

Τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα, από την πλευρά τους, θα πάνε σχεδόν πάντα στον εξωτερικό χώρο των PCB και θα εγκατασταθούν και στις δύο πλευρές, προκειμένου να επωφεληθούν πλήρως από την επέκτασή τους. Πριν από τη δημιουργία των ηλεκτρικών διαδρομών, τα διαφορετικά στρώματα του PCB σχηματίζονται μόνο από το υπόστρωμα και μερικά πολύ λεπτά φύλλα από χαλκό ή άλλο αγώγιμο υλικό και θα είναι μέσω μιας μηχανής παρόμοιας με έναν εκτυπωτή που θα δημιουργηθούν και μέσω μιας δίκαιης διαδικασίας μακρύ και σύνθετο.

Διαδικασία δημιουργίας PCB

Γνωρίζουμε ήδη τι είναι κατασκευασμένα τα ολοκληρωμένα κυκλώματα, αλλά θα ήταν πολύ ενδιαφέρον να μάθουμε πώς γίνονται. Επιπλέον, μπορούμε να δημιουργήσουμε εμείς οι ίδιοι ένα βασικό ολοκληρωμένο κύκλωμα αγοράζοντας ένα από αυτά τα διοικητικά συμβούλια, αλλά φυσικά η διαδικασία θα είναι αρκετά διαφορετική από αυτή που χρησιμοποιείται πραγματικά.

Σχεδιασμός PCB με χρήση λογισμικού

Όλα ξεκινούν με το σχεδιασμό του PCB, τον εντοπισμό των ηλεκτρικών τροχιών που είναι απαραίτητες για τη σύνδεση των εξαρτημάτων, καθώς και τον αριθμό των στρώσεων που θα χρειαστούν για να δημιουργηθούν όλες οι συνδέσεις που θα είναι απαραίτητες για τα εξαρτήματα.

Αυτή η διαδικασία εκτελείται χρησιμοποιώντας λογισμικό υπολογιστή CAM όπως το TinyCAD ή το DesignSpark PCB, που χρησιμοποιείται ευρέως στη σταδιοδρομία μηχανικών. Όχι μόνο σχεδιάζονται ηλεκτρικά κομμάτια, αλλά δημιουργούνται επίσης διάφορες ετικέτες για να παραθέσετε τα εγκατεστημένα στοιχεία και να εντοπίσετε κάθε σύνδεσμο.

Όλα τα απαραίτητα βήματα στη διαδικασία ανάπτυξης θα τεκμηριώνονται ώστε ο κατασκευαστής να γνωρίζει ακριβώς τι πρέπει να κάνει όταν το έργο σας αποστέλλεται.

Μεταξοτυπία και φωτογραφική διάταξη

Μόλις σχεδιαστεί, περνάμε τώρα το έργο απευθείας στον κατασκευαστή και θα ξεκινήσει η φυσική δημιουργία ενός PCB. Η ακόλουθη διαδικασία ονομάζεται φωτογραφική ανίχνευση, όπου ένα λέιζερ που μοιάζει με εκτυπωτή (photoplotter) εντοπίζει ένα γράφημα με τις μάσκες σύνδεσης των ηλεκτρονικών στοιχείων.

Για αυτό, χρησιμοποιείται ένα λεπτό φύλλο αγώγιμου μετάλλου περίπου 7 χιλιοστών της ίντσας. Αυτές οι μάσκες θα χρησιμεύσουν αργότερα για να προσδιορίσουν πού είναι κολλημένα τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα. Σε πιο προηγμένες διαδικασίες, αυτή η διαδικασία γίνεται απευθείας στο PCB με έναν εκτυπωτή που χαράζει τις μάσκες σύνδεσης με αυτό το μέταλλο.

Εκτύπωση εσωτερικού στρώματος

Το επόμενο πράγμα που γίνεται είναι η εκτύπωση στο PCB των διαφορετικών εσωτερικών ηλεκτρικών γραμμών, με μια ειδική ένωση. Αυτό συνεπάγεται τη «ζωγραφική» αρνητική των ηλεκτρικών τροχιών στο φύλλο για να δημιουργηθεί ένα αγώγιμο σχέδιο με ένα φωτοευαίσθητο ή ξηρό φιλμ. Λοιπόν, αυτή η ταινία που έχει δημιουργηθεί εκτίθεται σε laser ή υπεριώδες φως για να απομακρύνει το περίσσευμα του υλικού και έτσι να δημιουργήσει ένα αρνητικό του τελικού κυκλώματος.

Αυτή η διαδικασία εκτελείται αν το PCB έχει εσωτερικά στρώματα με αγώγιμα κομμάτια. Επιπλέον, αυτή η διαδικασία θα επαναληφθεί στη συνέχεια στα εξωτερικά στρώματα του PCB για να δημιουργηθούν οι τελικές χάλκινες τροχιές και σύμφωνα με το σχεδιασμό του κυκλώματος.

Επιθεώρηση και επαλήθευση (AOI)

Μόλις έχουν γίνει τα διάφορα στρώματα αγώγιμων γραμμών, μια μηχανή θα επιθεωρήσει ότι όλα είναι σωστά και λειτουργούν καλά. Αυτό γίνεται αυτόματα συγκρίνοντας τον αρχικό σχεδιασμό με τη φυσική εκτύπωση, για να αναζητήσετε σορτς ή σπασμένα κομμάτια.

Στρώμα σκουριάς και πλαστικοποίηση

Κάθε ένα από τα φύλλα που τυπώνονται με τις αγώγιμες τροχιές υφίσταται επεξεργασία οξειδίου για να βελτιωθούν οι δυνατότητες και η αντοχή των χαλκοσωλήνων κάθε στρώματος.

Χάρη στη διαδικασία, θα αποφευχθεί η αποκόλληση των διαφόρων αγώγιμων στρωμάτων και διαδρομών σε ιδιαίτερα ευαίσθητα PCB ή με μεγάλο αριθμό εξαρτημάτων όπως είναι τα ηλεκτρονικά.

Το επόμενο πράγμα που πρέπει να κάνουμε είναι να κατασκευάσουμε το τελικό PCB, για αυτό το καθένα από τα στρώματα του κυκλώματος θα συνδεθεί με φύλλα υαλοβάμβακα με εποξειδική ρητίνη, Pértinax ή οποιαδήποτε άλλη χρησιμοποιούμενη μέθοδο. Όλα αυτά θα είναι τελείως κολλημένα με μια υδραυλική πρέσα και έτσι θα αποκτήσουμε τον ολοκληρωμένο πίνακα κυκλωμάτων.

Διάτρηση οπών

Σε όλες τις περιπτώσεις θα χρειαστεί να κάνουμε μια σειρά από τρύπες στα PCB με γεώτρηση για να είμαστε σε θέση να ενταχθούν στα διαφορετικά στρώματα χαλκού και κομμάτια. Θα χρειαστούμε επίσης πλήρεις διατρήσεις για να μπορούμε να συγκρατήσουμε ηλεκτρονικά στοιχεία ή διαφορετικούς συνδέσμους ή σχισμές επέκτασης.

Η διαδικασία γεώτρησης πρέπει να είναι εξαιρετικά ακριβής, ώστε να διατηρείται η ακεραιότητα του PCB, έτσι ώστε οι κεφαλές καρβιδίου βολφραμίου να χρησιμοποιούνται για το σκληρότερο υλικό που υπάρχει.

Μεταλλικές τρύπες

Για να μπορέσουν αυτές οι τρύπες να επικοινωνήσουν με τις διαφορετικές εσωτερικές διαδρομές, θα χρειαστεί μια διαδικασία επιμετάλλωσης με λεπτή μεμβράνη χαλκού για την παροχή της απαραίτητης αγωγιμότητας. Αυτές οι καπλαμάδες θα είναι μεταξύ 40 και 60 εκατομμυρίων της ίντσας.

Το PCB είναι τώρα έτοιμο να εντοπίσει τις χάλκινες διαδρομές στις εξωτερικές όψεις του.

Εξωτερική ταινία τροχιάς και ηλεκτρολυτική επίστρωση

Τώρα θα δημιουργήσουμε τα εξωτερικά αγώγιμα κομμάτια και γι 'αυτό θα ακολουθήσουμε την ίδια διαδικασία με τη δημιουργία των εσωτερικών διαδρομών. Αρχικά δημιουργούμε το ξηρό φιλμ ως αρνητικό του τελικού κυκλώματος. Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας ένα λέιζερ, δημιουργούνται οι χώροι στους οποίους πρόκειται να εναποτεθεί ο χαλκός για να δημιουργηθούν τα αγώγιμα κομμάτια.

Και στη συνέχεια το PCB θα υποβληθεί σε διαδικασία ηλεκτρολυτικής επίστρωσης, η οποία συνίσταται στη συγκόλληση του χαλκού στις περιοχές χωρίς ξηρό φύλλο και έτσι στη διαμόρφωση των ηλεκτρικών διαδρομών του PCB. Το PCB τοποθετείται σε ένα λουτρό χαλκού και θα συνδέεται ηλεκτρολυτικά με τα αγώγιμα μοτίβα για τη δημιουργία διαδρομών τόσο μικρών όσο 0, 001 ίντσες.

Στη συνέχεια, ένα άλλο στρώμα κασσίτερου θα προστεθεί στην κορυφή του χαλκού για να προστατεύσει αυτή τη χημική επίθεση όταν πάμε στη διαδικασία SES ή " strip-etch-strip"

Λωρίδα χάραξης λωρίδας

Αυτό είναι το προτελευταίο βήμα, η περίσσεια χαλκού θα αφαιρεθεί από το PCB, η περίσσεια θα είναι αυτή που δεν βυθίσαμε σε κασσίτερο. Με αυτόν τον τρόπο, μόνο ο χαλκός προστατευμένος από κασσίτερο θα παραμείνει.

Στη συνέχεια , πρέπει επίσης να αφαιρέσουμε τον κασσίτερο μέσω χημικής επεξεργασίας για να αφήσουμε τελικά μόνο τις χάλκινες τροχιές που τελικά θα είναι εκείνες που θα συνδέσουν τα εξαρτήματα και θα μεταφέρουν την ηλεκτρική ενέργεια.

Τώρα μια άλλη διαδικασία AOI θα επιβεβαιώσει ότι όλα είναι σωστά για να καταγράψουν τελικά τη μάσκα και το μύθο.

Μάσκα συγκόλλησης και θρύλος

Τέλος, θα εφαρμοστεί μια μάσκα συγκόλλησης στην ηλεκτρονική πλακέτα κυκλώματος έτσι ώστε αργότερα να είναι δυνατή η σωστή συγκόλληση των εξαρτημάτων στα κομμάτια και ακριβώς εκεί που πρέπει να πάνε.

Ακολούθως εκτυπώνεται και ο σύνθετος θρύλος, οι πληροφορίες που ο σχεδιαστής θέλησε να παράσχει στο PCB, όπως το όνομα των συνδέσμων, ο κωδικός στοιχείων κλπ. Επιπλέον, ο τελικός σχεδιασμός του PCB θα γίνει επίσης με τα χρώματα που ο κατασκευαστής θέλει να του δώσει, όπως βλέπουμε στις μητρικές πλακέτες παιχνιδιών κλπ.

Συγκολλήσεις συστατικών και τελικές δοκιμές

Το PCB είναι έτοιμο και μόνο τα εξαρτήματα θα προστεθούν με βραχίονες ρομπότ υψηλής ακρίβειας και τις αντίστοιχες υποδοχές. Με αυτόν τον τρόπο η πλακέτα είναι έτοιμη για ηλεκτρική δοκιμή και ελέγχει ότι λειτουργεί σωστά.

Θα προσθέσουμε επίσης τις μάσκες σύνδεσης για να συγκολλήσουμε αυτά τα στοιχεία σωστά.

Συμπέρασμα και τελικές λέξεις

Λοιπόν αυτό είναι όλο για το τι είναι ένα PCB είναι και πώς κατασκευάζονται. Όπως μπορείτε να δείτε ότι η διαδικασία είναι αρκετά περίπλοκη και απαιτεί πολλά βήματα, πρέπει να έχουμε κατά νου ότι η ακρίβεια πρέπει να είναι μέγιστη ώστε αργότερα να λειτουργεί όπως αναμένεται.

Τα PCBs γίνονται όλο και πιο περίπλοκα, με λεπτότερα και πιο πυκνά κομμάτια, για να μπορούν να φιλοξενούν ένα τεράστιο αριθμό εξαρτημάτων σε πολύ μικρό χώρο.

Σας συνιστούμε επίσης να επισκεφθείτε τον οδηγό μας για τις καλύτερες μητρικές κάρτες στην αγορά

Και θα βρείτε επίσης αυτά τα μαθήματα ενδιαφέρουσα:

Εάν έχετε οποιεσδήποτε ερωτήσεις ή θέλετε να κάνετε μια διόρθωση, γράψτε μας στα σχόλια. Ελπίζουμε ότι οι πληροφορίες είναι ενδιαφέρουσες.