Объяснение печатных плат: как печатные платы обеспечивают силовую электронику

Введение

Печатные платы (ПП) встречаются во многих электронных устройствах, которые мы используем сегодня. Однако многие люди не осознают важность ПП и то, как они изменили производство и развитие электронных устройств.

Учитывая это, что такое печатные платы (ПП)? Почему они вообще важны?

А Печатная плата (ПП) это плата, которая формирует основу, где электронные компоненты соединяются друг с другом с помощью медных дорожек/проводников. Вы можете видеть, как печатные платы жизненно важны для предоставления физической поддержки электрическим компонентам и обеспечения их постоянного соединения.

Цель этого руководства — помочь вам узнать больше о печатных платах, их общей терминологии, доступных типах, их использовании и многих других функциях. В конечном итоге вы должны хорошо понимать, чего ожидать от печатных плат, и, возможно, использовать их в своем следующем проекте.

Части печатной платы

Печатные платы состоят из четырех основных частей. Эти части определяют характеристики платы. Эти части включают:

• Подложка: Этот материал изготавливается с использованием стекловолокна и имеет жизненно важное значение для обеспечения прочности сердечника, необходимой печатной плате. По сути, это скелет печатной платы, придающий ей необходимую стабильность и прочность.
• Медный слой: Медный слой может состоять из медной фольги или покрытия в зависимости от выбора типа печатной платы. Медь переносит электрические сигналы между различными компонентами на плате.
• Паяльная маска: этот полимерный слой имеет решающее значение для предотвращения окисления медного слоя и случайного разрыва дорожек во время производства печатной платы.
• Шелкография: Это можно считать легендой, поскольку она содержит важную информацию о плате и ее компонентах.

Роль печатных плат в электронике

Печатная плата является важной основой для современной электроники. По этой причине от нее ожидают много ролей. Вот некоторые примечательные роли печатных плат.

– Механическая поддержка

Электронным устройствам для работы нужны резисторы, микросхемы, транзисторы, конденсаторы и другие компоненты. Все они должны быть где-то установлены. Печатная плата обеспечивает стабильную платформу для механической поддержки этих компонентов. После установки они не могут перемещаться, таким образом, не влияя на работу устройства.

– Обеспечить электрическое подключение

Компоненты на печатной плате соединены между собой медными дорожками или проводниками. Эти дорожки обеспечивают стабильный поток электричества и сигналов. Таким образом, их можно оптимизировать на этапе проектирования, чтобы обеспечить эффективную работу компонентов.

– Защита

Печатные платы также жизненно важны для защиты компонентов, установленных на них. Это включает защиту от чрезмерного нагрева, помех и факторов окружающей среды, которые иногда могут привести к отказу.

– Универсальный и масштабируемый

На рынке представлено множество форм и типов печатных плат, включая двухсторонние, односторонние и многослойные. Это позволяет вам выбрать правильную плату для ваших требований к дизайну, поэтому печатные платы можно использовать для создания простой и сложной электроники одновременно.

– Массовое производство и экономическая эффективность

Печатные платы в основном используются в массовом производстве электронных устройств, поскольку они экономически эффективны. Это означает, что они могут снизить производственные затраты и обеспечить единообразие в производительности и дизайне. Поскольку платы доступны по цене, теперь людям стало проще изготавливать все виды электроники.

Важная терминология печатных плат

Во время проектирования и производства печатной платы вы услышите много терминов. Однако знаете ли вы, что они означают? Ниже приведены общие термины печатных плат, чтобы лучше понять их в следующий раз, когда вы их услышите.

Слои – это количество проводящих медных слоев в печатной плате. Они варьируются от 2 до более 20 слоев.

Footprint – количество и расположение отверстий электронного компонента. Это то, что используется для создания электрического соединения.

Дорожка или трасса – это путь, соединяющий один компонент на печатной плате с другим. Он используется для передачи электрических сигналов.

Паяльная маска – это материал, покрывающий медные дорожки. Его функция – не допустить затекания припоя туда, куда ему не следует попадать.

Шелкография – это маркировка и текст, которые находятся на печатной плате. Такой контент предоставит ключевую информацию, такую как название компонента или номера ссылок.

Земляная плоскость – это опорная точка для электрических сигналов. Ее трудно не заметить, благодаря ее размеру.

Плоскость питания – это медная область, предназначенная для передачи электроэнергии к различным компонентам.

Схематическое обозначение – наглядно демонстрирует, как соединены различные компоненты на печатной плате.

Это всего лишь несколько терминов, с которыми вы можете столкнуться. Однако вы узнаете больше, работая с печатными платами при выполнении различных проектов.

Ключевые компоненты печатных плат и функции

Когда вы смотрите на как спроектировать печатную плату, вы заметите различные ключевые компоненты, которые не могут отсутствовать в любом электронном устройстве. Насколько разные электронные устройства будут иметь разное применение, настолько эти компоненты будут общими. Вот чего следует ожидать в качестве компонентов печатных плат.

1. Резисторы

Резисторы ограничивают ток в цепи, действуя как делители напряжения. Принцип их работы имеет решающее значение для ограничения тока, протекающего через чувствительные компоненты.

Типы резисторов включают постоянные резисторы и потенциометры, имеющие переменное сопротивление.

2. Конденсаторы

Конденсаторы играют ключевую роль в краткосрочном хранении энергии. Это жизненно важно для поддержания стабильной мощности, достигающей чувствительной электроники в цепи. Конденсаторы также сглаживают скачки напряжения и фильтруют шум, что является ключевым фактором для бесперебойной работы устройств.

3. Индукторы

Индукторы также хранят энергию в форме магнитного поля, когда электричество течет через них. Они работают с конденсаторами, чтобы фильтровать нежелательные частоты в сигналах переменного тока. Индукторы также жизненно важны для управления потенциальными электромагнитными помехами, которые могут повлиять на цепь.

4. Транзисторы

Транзисторы на печатной плате жизненно важны для усиления сигналов и мощности в цепи. Они распространены в современной электронике. Примерами являются биполярные транзисторы (BJT) и полевые транзисторы (FET).

5. Диоды

Диоды предназначены для пропускания тока только в одном направлении. По этой причине они полезны для выпрямления и обработки сигналов в цепях. Их также можно использовать для защиты некоторых чувствительных электронных устройств из-за их характеристик.

6. Интегральные схемы

Интегральные схемы (ИС) объединяют несколько компонентов, таких как транзисторы, резисторы и другие, в одном компоненте. Благодаря такому объединению вы экономите место и заставляете ИС выполнять от базовых до сложных операций, в зависимости от конструкции.

Типы печатных плат

Тип печатной платы может определить, как лучше всего использовать ее в процессе проектирования. Мы обсудим некоторые из лучших печатных плат на рынке и где их можно использовать.

1. Односторонние печатные платы

У этого типа печатной платы одна сторона закодирована проводящим материалом, а другая предназначена для монтажа электронных компонентов.

Этот тип печатных плат был представлен в 1950-х годах, но до сих пор имеет множество применений. Это связано с его простой конструкцией, которая до сих пор работает для многих целей.

Простой дизайн также означает, что для его изготовления требуется меньше ресурсов. Результатом является недорогая печатная плата, которая при этом работает довольно хорошо. Вы все равно должны ожидать впечатляющей производительности даже для односторонней печатной платы.

Приложения

• Принтеры
• Торговые автоматы
• Радио
• Стереооборудование и т.д.

 

2. Двусторонние печатные платы

Для этих печатных плат вы получаете проводящий медный слой с обеих сторон платы. Это означает, что вы можете монтировать компоненты с любой стороны платы, и они будут работать. Благодаря этой возможности такие платы в основном используются для создания более сложных конструкций.

Наличие двух слоев для монтажа компонентов увеличивает использование и гибкость платы. Теперь вы можете монтировать больше компонентов на плату, чем при использовании односторонней платы.

Если вы работаете со сложными схемами, вам нужно это получить. Именно так вы увидите их использование для плат освещения и приборных панелей автомобилей.

Приложения

• Телевизоры
• Игровые консоли
• Цифровые фотоаппараты
• Аудиоустройства
• Мобильные телефоны
• Системы освещения
• Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и т.д.

 

3. Многослойные печатные платы

В то время как большинство электронных устройств изготавливаются с одним или двумя проводящими слоями, вы можете получить другие с несколькими слоями. В этом случае печатная плата изготавливается с несколькими слоями или базовым материалом. Ожидайте, что такие печатные платы будут иметь более трех проводящих слоев.

Как достигается многослойность? Это делается с помощью сэндвич-модели. Здесь проводящие слои разделяются листами изоляционного материала. Затем они склеиваются и ламинируются с использованием высокой температуры и давления, не оставляя воздушных зазоров. Теперь после сборки у вас будет прочная печатная плата.

Многослойные печатные платы, как ожидается, будут дороже других типов, упомянутых выше. Однако, в зависимости от применения, они все равно могут быть необходимы или полезны. Например, если вам приходится работать со многими компонентами, вы можете рассчитывать на меньшую площадь основания.

Приложения

• Инфраструктура 5G
• Спутниковая связь
• Промышленный контроль
• Носимые устройства
• Ноутбуки, смартфоны, планшеты
• Диагностическое оборудование и т.д.

Упомянутые выше печатные платы являются наиболее распространенными способами их классификации. Однако вы можете столкнуться с другими типами печатных плат, такими как жесткие, гибкие, HDI и т. д. Все зависит от конструкции и применения. Всегда консультируйтесь с поставщиком, чтобы понять, какую печатную плату вы покупаете, и соответствует ли она тому, над чем вы в данный момент работаете.

Процесс производства печатных плат

Перед установкой печатной платы в устройство необходимо выполнить различные шаги по ее актуализации. Ниже приведены стандартные процессы производства печатных плат, через которые вы можете пройти.

1. Проектирование печатной платы

Эту часть необходимо использовать Программное обеспечение для проектирования печатных плат чтобы помочь вам достичь правильного дизайна, который подходит именно вам. Распространенное программное обеспечение для проектирования печатных плат включает Eagle, KiCad, Altium Designer и другие.

После завершения проектирования он экспортируется в формат производитель печатных плат поддерживает.

2. Печать

После того, как типография получает дизайн, она переходит к процессу печати. В этом случае для печати фотопленок, которые будут прикреплены к печатной плате, используется плоттер. Плоттерная печать более распространена, поскольку она предлагает более точную технологию печати.

На этом этапе вы получите пластиковый лист со схемой, на которой указано, где на печатной плате будут проходить медные дорожки.

Избыток меди также удаляется на этом этапе, чтобы выявить медные дорожки. Выравнивание слоев следует за тем, где выровнены внутренние слои, и выполняется оптический контроль для обеспечения точности и качества.

3. Ламинирование

Внутренние слои теперь скреплены с помощью предварительно пропитанного материала. Это то, что формирует ядро печатной платы.

Затем в печатной плате сверлятся отверстия, обозначающие места, где будут крепиться или монтироваться компоненты.

4. Покрытие

В просверленные отверстия наносится больше меди, что обеспечивает электропроводность в процессе гальванизации.

Затем производитель приступает к формированию внешнего слоя, при котором рисунок внешнего слоя печатается на покрытом медью ламинате.

Тем не менее, травление применяется для удаления излишков меди и создания более чистого внешнего слоя.

На этом этапе также выполняется шелкография. Здесь этикетки и маркировки печатаются на печатной плате для легкой идентификации и сборки компонентов.

5. Отделка поверхности

Печатная плата получает окончательную отделку поверхности. Это включает в себя иммерсионное золото и другие виды защитных покрытий.

После завершения обработки поверхности проводятся электрические испытания, чтобы убедиться, что печатная плата работает так, как и ожидалось.

Перед сборкой компонентов печатной платы проводится окончательная проверка.

6. Сборка печатной платы

В процессе сборки печатной платы электронные компоненты крепятся к печатной плате. Компоненты паяются и тестируются перед отправкой заказчику.

Это всего лишь краткое изложение того, как можно изготавливать печатные платы. Фактический процесс может быть довольно длительным, с проверками качества по ходу процесса. Это делается для того, чтобы качество и производительность печатной платы соответствовали вашим ожиданиям.

Вопросы проектирования печатных плат

Многое зависит от правильного проектирования печатных плат. Если вы считаете, что это возможно, рассмотрите следующее:

• Рассмотрите короткие и прямые пути сигнала, если вы хотите наилучшую целостность сигнала. Это помогает минимизировать отражения и импеданс.
• Вам также следует поработать над тепловым управлением. Размещайте компоненты, генерирующие тепло, таким образом, чтобы обеспечить эффективное рассеивание тепла.
• Также рассмотрите возможность изготовления вашего проекта. Это означает, что производитель должен иметь возможность сделать ваш проект реальным. Поэтому рассмотрите также, насколько легко его паять и зондировать.
• Мы по-прежнему рекомендуем проектировать надежную сеть распределения электроэнергии. Это обеспечивает эффективную, чистую и стабильную подачу электроэнергии ко всем компонентам.
• Методы экранирования позволяют минимизировать электромагнитные помехи и обеспечить соответствие устройства требованиям ЭМС.
• Рассмотрите правила проектирования, такие как поддержание правильной ширины дорожек, зазоров, интервалов и других параметров. Это должно обеспечить лучшую производительность и технологичность.

Заключение

Электроника требует, чтобы печатные платы работали правильно все время. Они обеспечивают хорошую основу для настройки различных компонентов, которые нужны устройствам для работы, включая резисторы, транзисторы, ИС и многое другое. В зависимости от их применения вы столкнетесь со многими типами печатных плат. Если вам нужно сделать собственную печатную плату, обязательно работайте с надежными производителями, чтобы убедиться, что они производят правильную печатную плату, которая работает в соответствии с проектом.