Определение печатной платы
Печатная плата (PCB) является опорным элементом для электронных компонентов и соединений цепей. Поскольку она изготавливается с помощью технологии электронной печати, ее называют печатной платой. Она переносит схему на подложку с помощью переноса изображения и формирует схему после химического травления.
Происхождение ПХД
В 1925 году Чарльз Дюкас из США, основатель аддитивного метода, напечатал схемы печатных плат на изолированных подложках, а затем успешно изготовил проводники с помощью гальваники.
В 1936 году Пауль Айслер из Австрии, основатель субтрактивного метода, впервые использовал печатную плату в радиоприемнике.
В 1943 году США применили эту технологию в военных радиостанциях. В 1948 году США официально признали это изобретение для коммерческого использования.
С середины 1950-х годов печатные платы широко используются в электронной промышленности и с тех пор стали доминирующими. Печатные платы развивались от однослойных до двусторонних, многослойных и гибких, каждая из которых имеет свою собственную тенденцию развития. Благодаря постоянному развитию в направлении высокой точности, высокой плотности и высокой надежности, а также уменьшению размеров, стоимости и улучшению характеристик, печатные платы по-прежнему сохраняют высокую жизнеспособность в будущем развитии электронных устройств.
Функции печатных плат
Печатные платы выполняют следующие функции в электронных устройствах:
- Они обеспечивают механическую поддержку различных электронных компонентов, таких как интегральные схемы, и позволяют осуществлять проводку и электрические соединения или изоляцию между различными электронными компонентами. Они также обеспечивают необходимые электрические характеристики.
- Они обеспечивают графику паяльной маски для автоматической пайки, а также идентификационные символы и графику для вставки компонентов, проверки и ремонта.
- Использование печатных плат в электронных устройствах позволяет избежать ошибок в проводке и обеспечивает автоматическую вставку компонентов или поверхностный монтаж, автоматическую пайку и автоматическое тестирование. Это гарантирует качество продукции, повышает производительность труда, снижает затраты и облегчает техническое обслуживание.
- Они обеспечивают необходимые электрические характеристики, характеристический импеданс и электромагнитную совместимость для высокоскоростных или высокочастотных цепей.
- Печатные платы со встроенными пассивными компонентами обеспечивают определенные электрические функции, упрощают процесс электронной установки и повышают надежность продукта.
- Они обеспечивают эффективный носитель микросхем для миниатюрной упаковки микросхем в крупномасштабных и сверхкрупномасштабных электронных упаковочных компонентах.
Различные типы печатных плат
Существует множество различных методов классификации печатных плат, включая материал подложки, характеристики структуры, количество слоев, применение и т. д.
Материал подложки
Подложка печатной платы — это базовый материал, используемый для изготовления печатной платы (PCB). Она служит основой для схем и компонентов, составляющих электронное устройство. Подложки печатных плат обычно изготавливаются из различных материалов, в том числе из эпоксидной смолы, армированной стекловолокном (FR-4), полиимида и керамики.
| PCB Substrate Type | Examples |
|---|---|
| Paper-based PCBs | Phenolic Paper-based PCBs, Epoxy Paper-based PCBs, etc. |
| Glass Cloth-based PCBs | Epoxy Glass Cloth-based PCBs, PTFE Glass Cloth-based PCBs, etc. |
| Synthetic Fiber-based PCBs | Epoxy Synthetic Fiber-based PCBs, etc. |
| Organic Thin Film-based PCBs | Nylon Thin Film-based PCBs, etc. |
| Ceramic Substrate-based PCBs | - |
| Metal Core-based PCBs | - |
Характеристика структуры
В соответствии со структурными характеристиками печатные платы можно разделить на жесткие, гибкие и комбинированные (мягкие и жесткие). Внешнее отличие жестких печатных плат от гибких заключается в том, что гибкие печатные платы можно сгибать.
- Обычная толщина жестких печатных плат составляет 0,2 мм, 0,4 мм, 0,6 мм, 0,8 мм, 1,0 мм, 1,2 мм, 1,6 мм, 2,0 мм и т. д.
- Обычная толщина гибкой печатной платы составляет 0,2 мм, а в месте пайки деталей добавляется утолщенный слой. Толщина утолщенного слоя варьируется от 0,2 мм до 0,4 мм.
- Обычные материалы для жестких печатных плат включают: фенольные бумажные ламинаты, эпоксидные бумажные ламинаты, полиэфирные стекловолоконные ламинаты, эпоксидные стеклотканевые ламинаты.
- Обычные материалы для гибких печатных плат включают: полиэфирную пленку, полиимидную пленку и фторированную этиленпропиленовый пленку.
Количество слоев
В зависимости от количества слоев печатные платы можно разделить на односторонние, двусторонние, многослойные и HDI-платы (платы с высокой плотностью соединений).
Односторонняя печатная плата
Односторонняя плата — это печатная плата, которая имеет проводку только на одной стороне (стороне пайки), а все компоненты, маркировка компонентов и текстовые метки размещены на другой стороне (стороне компонентов).
Наибольшей особенностью односторонней платы является ее низкая цена и простота изготовления. Однако, поскольку проводка может быть выполнена только на одной поверхности, она является более сложной и подвержена сбоям, поэтому подходит только для некоторых относительно простых схем.
Двусторонняя печатная плата
Двусторонняя плата имеет проводку с обеих сторон изоляционной платы, одна сторона используется в качестве верхнего слоя, а другая — в качестве нижнего слоя. Верхний и нижний слои соединены электрически через переходные отверстия.
Обычно компоненты на двухслойной плате размещаются на верхнем слое, однако иногда компоненты могут быть размещены на обоих слоях, чтобы уменьшить размер платы. Двухслойная плата отличается умеренной ценой и простотой монтажа. Это наиболее распространенный тип в обычных печатных платах.
Многослойная печатная плата
Печатная плата с более чем двумя слоями называется многослойной платой, например, 2-слойная, 4-слойная, 6-слойная, 8-слойная и т. д.
Применение
- Потребительские печатные платы: игрушки, фотоаппараты, телевизоры, аудиооборудование, мобильные телефоны и т. д.
- Промышленные печатные платы: системы безопасности, автомобили, компьютеры, коммуникационное оборудование, приборы и т. д.
- Военные печатные платы: аэрокосмическая промышленность, дроны, радары и т. д.
Структура печатной платы
Печатная плата в основном состоит из ламината с медным покрытием (CCL), препрега (листа PP), медной фольги и паяльной маски. В то же время, чтобы защитить открытую медную фольгу на поверхности и обеспечить эффект сварки, необходимо также провести обработку поверхности печатной платы, а иногда на ней также наносятся символы.
Схематическое изображение четырехслойной структуры печатной платы показано на рисунке:
Ламинат с медным покрытием
Медно-ламинированный материал (CCL) является основным материалом для изготовления печатных плат. Он состоит из диэлектрического слоя (смола, стекловолокно) и высокочистого проводника (медь фольга). Состоит из композитных материалов.
Препрег
Препрег, также известный как лист PP, является одним из основных материалов в производстве многослойных плат. Он в основном состоит из смолы и армирующих материалов. Армирующие материалы подразделяются на стекловолоконную ткань (называемую стеклотканью), бумажную основу и композитные материалы.
В большинстве препрегов (клеевых листов), используемых в производстве многослойных печатных плат, в качестве армирующего материала используется стеклоткань. Тонкий листовой материал, изготовленный путем пропитки обработанной стеклоткани смоляным клеем, а затем предварительно запеченный путем термообработки, называется препрегом. Препреги размягчаются под воздействием тепла и давления и затвердевают при охлаждении.
Медная фольга
Медная фольга представляет собой тонкую непрерывную металлическую пленку, нанесенную на базовый слой печатной платы. Как проводник печатной платы, она легко соединяется с изолирующим слоем и травится для формирования схемы.
Маска для пайки
Слой паяльной краски относится к той части печатной платы, на которую нанесена паяльная краска. Это постоянный защитный слой печатной платы, который может выполнять функцию защиты от влаги, коррозии, плесени и механического истирания. Краска для паяльной резисты обычно бывает зеленого цвета, в некоторых случаях используются красный, черный, синий и другие цвета, поэтому в отрасли печатных плат краска для паяльной резисты часто называется «зеленым маслом». Она также может предотвратить пайку деталей в неправильных местах.
Процесс производства печатных плат
Процесс производства печатных плат (PCB) обычно включает в себя следующие этапы:
Резка материалов:
Необработанный материал с медным покрытием разрезается на куски необходимого размера для печатной платы.
Макет:
Графический файл, предоставленный заказчиком, используется для определения положения компонентов и трассировки на печатной плате.
Печать фильмов:
Импортируйте и измените файл макета в программном обеспечении, а затем распечатайте его на черной пленке, изготовленной из светочувствительного клея на основе серебряной соли. Эта пленка используется для точного позиционирования компонентов на печатной плате.
Экспозиция:
Нанесите светочувствительную жидкость на поверхность печатной платы, затем поместите пленку на плату и подвергните ее воздействию ультрафиолетового света. После экспонирования пленка удаляется, оставляя на печатной плате только необходимые линии и положения компонентов.
Гравюра:
Погрузите печатную плату в травильный раствор, чтобы удалить ненужную медную фольгу и сохранить необходимые схемы и расположение компонентов. Процесс травления обычно включает в себя такие этапы, как проявление, травление и удаление. Метод травления отличается для печатных плат с внутренним и внешним слоем.
Бурение:
Просверлите отверстия на печатной плате в соответствии с размером и координатами сквозного отверстия в файле. Для неметаллических отверстий может потребоваться сухая пленка или два метода сверления или заглушки.
Покрытие:
Поместите печатную плату в гальваническую ванну, содержащую химическую медь, чтобы на непроводящей подложке и поверхности меди образовался тонкий слой меди, обеспечивающий проводимость.
Маска для пайки и шелкография:
Чтобы защитить схему и компоненты от окисления и коррозии, необходимо нанести паяльную маску на печатную плату. Обычно паяльная маска бывает зеленого цвета, но вы можете выбрать любой цвет в соответствии с вашими требованиями. На поверхности печатной платы и паяльной маски также можно напечатать символы, маркировку, знаки и этикетки.
Заключительная проверка:
Проведите серию тестов, таких как AOI, ERC, чтобы убедиться, что печатная плата соответствует требованиям и стандартам заказчика.
PCB против IC
Основное различие между печатной платой (PCB) и интегральной схемой (IC) заключается в том, что печатная плата служит платформой для интегральной схемы, а интегральная схема крепится к печатной плате с помощью пайки. Ниже приведена сравнительная таблица, в которой показаны их различия.
| Criteria | PCB | IC |
|---|---|---|
| Definition | Printed Circuit Board | Integrated Circuit |
| Function | Provides a mechanical support for electronic components and interconnects them. | Contains multiple electronic components and their interconnections on a single piece of silicon, providing a complete electronic circuit function. |
| Size | Can vary greatly in size, from a few square millimeters to several meters. | Typically very small, with dimensions ranging from a few millimeters to a few centimeters. |
| Complexity | Can be simple or complex depending on the application. | Can be highly complex, with millions of transistors and other components integrated onto a single chip. |
| Manufacturing | Fabricated using various processes including drilling, etching, plating, and soldering. | Fabricated using semiconductor manufacturing processes including lithography, deposition, and diffusion. |
| Cost | Generally less expensive than ICs for simpler applications. | Generally more expensive than PCBs due to the complexity of the manufacturing process. |
| Reliability | More susceptible to failure due to external factors such as vibration, thermal cycling, and moisture. | Generally more reliable than PCBs due to their monolithic nature, but can still be susceptible to failure due to manufacturing defects or external factors. |
| Applications | Used in a wide range of electronic devices, including computers, televisions, and appliances. | Used in a wide range of electronic devices, including computers, mobile phones, and automotive electronics. |
