Spausdintinės plokštės (PCB) įgalina šiuolaikines technologijas, sujungdamos komponentus kruopščiai suprojektuotais vario keliais. Nuo pagrindinių įtaisų, tokių kaip skaičiuotuvai, iki pažangių aviacijos ir kosmoso sistemų, jie leidžia naudoti šiuolaikines technologijas.
CC10. PCB tvarkymo saugos gairės
Kas yra spausdintinės plokštės (PCB)?
Spausdintinės plokštės (PCB) yra šiuolaikinės elektronikos atrama. Pagaminti iš stiklo pluošto, epoksidinės arba laminato, jie turi varinius kelius, jungiančius tokius komponentus kaip rezistoriai, tranzistoriai ir IC. Žodis "atspausdintas" kilęs iš vaizdavimo proceso, kuriame Gerberio dizaino failai apibrėžia vario raštus. Nuo paprastų laikrodžių ir skaičiuotuvų iki aviacijos ir telekomunikacijų sistemų – PCB įgalina technologijas visose pramonės šakose.
Skirtingi PCB tipai
Spausdintinės plokštės (PCB) yra kelių tipų, kurių kiekviena sukurta taip, kad atitiktų konkrečius konstrukcinius ir eksploatacinius poreikius.
• Vienpusės PCB naudoja vario pėdsakus tik vienoje plokštės pusėje. Jie yra paprasti, nebrangūs ir puikiai tinka pagrindinei elektronikai, tokiai kaip skaičiuotuvai ir maži maitinimo šaltiniai, kur grandinės tankiui nekyla pavojus.
• Dvipusės PCB turi vario sluoksnius iš abiejų pusių, o viršutinius ir apatinius pėdsakus jungia viai. Ši struktūra leidžia sudėtingiau nukreipti maršrutą ir didesnį komponentų tankį, todėl jie yra įprasti stiprintuvuose, valdikliuose ir įvairioje pramoninėje įrangoje.
• Daugiasluoksnės PCB susideda iš kelių vario ir dielektrinių sluoksnių, laminuotų kartu. Jie palaiko didelį grandinės tankį, geresnį signalo vientisumą ir kompaktišką dizainą, todėl yra naudingi pažangiose programose, tokiose kaip serveriai, 5G ryšio įrenginiai ir medicinos sistemos.
• Standžios PCB yra pastatytos ant tvirto FR-4 pagrindo, kuris atsparus lenkimui ir vibracijai. Dėl jų ilgaamžiškumo jie yra standartiniai nešiojamuosiuose kompiuteriuose, automobiliuose ir buitiniuose prietaisuose.
• Lanksčios (Flex) PCB yra pagamintos iš poliimido arba PEEK medžiagų, leidžiančių jas sulenkti arba sulankstyti. Dėl lengvo ir kompaktiško pobūdžio jie idealiai tinka nešiojamiems įrenginiams, skaitmeniniams fotoaparatams ir medicininiams implantams, kur vietos yra mažai.
• "Rigid-Flex" PCB sujungia standžias ir lanksčias dalis vienoje plokštėje. Šis hibridinis metodas taupo vietą, sumažina jungtis ir padidina patikimumą, todėl jos yra vertingos aviacijos ir kosmoso sistemose, gynybos įrangoje ir miniatiūrinėje buitinėje elektronikoje.
Pagrindiniai PCB sluoksniai
Spausdintinė plokštė (PCB) susideda iš kelių pagrindinių sluoksnių, kurių kiekvienas atlieka tam tikrą funkciją, užtikrinančią ilgaamžiškumą, našumą ir patogumą.
• Pagrindas – tai pagrindinė PCB medžiaga, paprastai pagaminta iš FR-4 stiklo pluošto arba poliimido. Tai suteikia mechaninį stiprumą ir stabilumą, veikia kaip pagrindas, palaikantis visus kitus sluoksnius.
• Vario sluoksnis – dedamas ant pagrindo, šis sluoksnis sudaro laidžius kelius, perduodančius elektrinius signalus ir srovę tarp komponentų. Priklausomai nuo lentos tipo, gali būti vienas ar keli vario sluoksniai.
• Litavimo kaukė – apsauginė danga, padengta vario pėdsakais, apsaugo nuo oksidacijos, sumažina trumpojo jungimo riziką ir užtikrina, kad lydmetalis tekėtų tik ten, kur jo reikia surinkimo metu.
• Šilkografija – viršutinis sluoksnis, kuriame yra atspausdinti ženklai, tokie kaip komponentų etiketės, poliškumo indikatoriai ir dalių numeriai. Tai padeda surinkti, šalinti triktis ir prižiūrėti, nes pateikia aiškias vaizdines gaires.
Paaiškinta PCB projektavimo darbo eiga
PCB (spausdintinės plokštės) projektavimo procesas prasideda nuo koncepcijos kūrimo ir blokinių schemų kūrimo, kur inžinieriai apibrėžia bendrą grandinės funkciją ir apibrėžia, kaip skirtingos dalys sąveikaus. Šis etapas padeda vizualizuoti sistemos architektūrą ir suplanuoti projektą prieš pradedant detalius darbus.
Toliau pateikiamas scheminis dizainas, apimantis elektros jungčių tarp komponentų brėžimą. Apibrėžiamas kiekvieno komponento simbolis ir jo santykis su kitais, sudarant visą elektroninę schemą, kuri naudojama kaip PCB brėžinys.
Paruošus schemą, prasideda pėdsakų kūrimo ir komponentų išdėstymo etapas. Šiame etape kiekvienai elektroninei daliai priskiriamas fizinis pėdsakas, atspindintis realų dydį ir kaiščio išdėstymą. Dizaineriai šiuos komponentus deda į PCB išdėstymą taip, kad optimizuotų erdvę, elektros našumą ir gaminamumą.
Tada procesas pereina prie krūvos projektavimo, kai inžinieriai apibrėžia PCB sluoksnių skaičių, medžiagų tipus ir storius. Šis veiksmas yra labai svarbus valdant signalo vientisumą, varžos valdymą ir elektromagnetinį suderinamumą, ypač didelės spartos ar daugiasluoksnėse konstrukcijose.
Toliau atliekama DRC (projektavimo taisyklių patikrinimas) ir DFM/DFA (gamybos projektavimas / surinkimo projektavimas) analizės. DRC užtikrina, kad PCB išdėstymas atitiktų elektrinio ir mechaninio projektavimo taisykles, o DFM ir DFA analizės tikrina, ar dizainą galima efektyviai pagaminti ir surinkti be klaidų ar gamybos problemų.
Patvirtinus dizainą, seka gamybos failo generavimo veiksmas. Čia dizaineriai sukuria standartinius gamybos failus, tokius kaip Gerber arba IPC-2581 formatai, ir sugeneruoja BOM (Bill of Materials), kuriame išvardijami visi gamybai reikalingi komponentai.
Galiausiai procesas baigiamas PCB gamyba ir surinkimu. PCB gaminama pagal projektavimo specifikacijas, montuojami komponentai, o surinkta plokštė išbandoma, kad būtų užtikrintas tinkamas funkcionalumas.
PCB gamyboje naudojamos medžiagos
PCB gamyboje parenkamos skirtingos medžiagos, atsižvelgiant į našumą, kainą ir taikymo reikalavimus.
• FR-4 – plačiausiai naudojamas substratas, pagamintas iš stiklo pluošto, sutvirtinto epoksidine derva. Jis pasižymi geru mechaniniu stiprumu, elektros izoliacija ir prieinamumu, todėl tinka daugumai buitinės elektronikos ir bendrosios paskirties prietaisų.
• Poliimidas – lanksti ir karščiui atspari medžiaga, išlaikanti stabilumą esant šiluminiam įtempimui. Dėl savo ilgaamžiškumo ir gebėjimo sulenkti jis idealiai tinka aviacijos, automobilių ir lanksčioms PCB reikmėms, kur reikalingas patikimumas atšiauriomis sąlygomis.
• Vario folija – naudojama kaip laidūs sluoksniai, vario folijos storis gali svyruoti nuo 1/2 uncijos iki 4 uncijų kvadratinei pėdai. Storesnis varis palaiko didesnes srovės apkrovas, todėl jis naudingas galios elektronikai, variklių tvarkyklėms ir grandinėms, kurioms reikalinga didelė srovė.
• Rogers / Aukšto dažnio laminatai – specializuoti laminatai su maža dielektrine konstanta (Dk) ir mažu išsklaidymo koeficientu (Df). Šios medžiagos užtikrina signalo vientisumą ir stabilumą aukštais dažniais, todėl yra naudingos RF projektams, 5G ryšio sistemoms ir radarų programoms.
PCB gamybos procesas
1 žingsnis - CAD išdėstymo projektavimas
Procesas prasideda nuo PCB išdėstymo paruošimo naudojant CAD/EDA programinę įrangą. Tai apibrėžia lentos sudėtį, sekimo maršrutizavimą, išdėstymą ir komponentų pėdsakus. Išvesties failai (Gerber, gręžimo failai, KS) yra gamybos brėžinys.
2 žingsnis – plėvelės spausdinimas (vaizdavimas)
Kiekvienas PCB sluoksnis paverčiamas didelės raiškos fotokauke. Šios plėvelės vaizduoja vario raštus, litavimo kaukę ir šilkografijos sluoksnius, kuriais vadovaujamasi vėlesniais etapais, tokiais kaip ėsdinimas ir spausdinimas.
3 žingsnis - vario ėsdinimas
Variu dengtas laminatas yra padengtas fotorezistu ir per fotokaukę veikiamas UV spindulių. Po sukūrimo neapsaugotas varis chemiškai išgraviruotas, paliekant nepažeistus norimus grandinės pėdsakus.
4 žingsnis - sluoksnių išlyginimas ir laminavimas
Daugiasluoksnėms plokštėms atskiros išgraviruotos šerdys sukraunamos preprego (derva impregnuoto stiklo pluošto) lakštais. Šiluma ir slėgis laminavimo prese sujungia sluoksnius į vientisą struktūrą. Optiniai taikiniai ir rentgeno registravimo sistemos užtikrina tikslų sluoksnių išlyginimą.
5 žingsnis – tikslus gręžimas
Greitaeigiai CNC arba lazeriniai grąžtai sukuria skylutes vias, kiaurymių komponentams ir mechaninėms savybėms. Leistini nuokrypiai yra mikronais, kad būtų užtikrintas patikimas ryšys.
6 žingsnis - vario dengimas vias
Išgręžtos skylės chemiškai išvalomos ir galvanizuojamos variu. Tai suformuoja laidžias statinės sieneles vijų viduje, sukurdamos elektros jungtis tarp PCB sluoksnių.
7 veiksmas – litavimo kaukės uždėjimas
Ant plokštės padengta skysta nuotraukų (LPI) litavimo kaukė. UV spindulių poveikis ir vystymasis atveria tik trinkelių sritis, o likusi dalis yra uždengta, kad būtų izoliuoti pėdsakai ir išvengta lydmetalio tiltų.
8 žingsnis - šilkografija
Etaloniniai žymenys, poliškumo ženklai, logotipai ir surinkimo etiketės spausdinami ant plokštės paviršiaus naudojant epoksidinį rašalą arba skaitmeninę spaudą, padedant surinkti ir patikrinti.
9 žingsnis - paviršiaus apdailos taikymas
Siekiant apsaugoti atviras varines trinkeles ir pagerinti litavimą, taikoma paviršiaus apdaila. Dažniausios parinktys apima:
• HASL (karšto oro lydmetalio išlyginimas) – alavo / švino arba bešvinė litavimo danga
• ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) – plokščia, patikima apdaila smulkaus žingsnio komponentams
• OSP (Organic Solderability Preservative) – ekologiškas, ekonomiškas pasirinkimas
10 žingsnis – elektros bandymai (E-Test)
Automatiniai skraidančio zondo arba nagų lovos testeriai tikrina, ar nėra atvirų grandinių, trumpųjų jungčių ir tinkamo tinklo ryšio, užtikrindami, kad elektros našumas atitiktų konstrukciją.
11 žingsnis – galutinis patikrinimas ir kokybės kontrolė
Automatinis optinis patikrinimas (AOI), rentgeno vaizdavimas ir rankiniai patikrinimai patvirtina trinkelių išlyginimą, skylių kokybę, litavimo kaukės vientisumą ir matmenų tikslumą. Tik lentos, atitinkančios griežtus IPC standartus, yra patvirtintos siuntimui.
Daugiasluoksnių PCB gamyba ir HDI svarstymai
Daugiasluoksnių PCB gamyba yra sudėtingesnė nei vieno ar dviejų sluoksnių plokščių, nes reikalingas tikslus išlyginimas ir pažangūs sujungimo metodai.
• Aklieji ir palaidoti viai – šie viai sujungia pasirinktus sluoksnius nepereidami per visą lentą. Jie atlaisvina paviršiaus erdvę ir pagerina frezavimo tankį, o tai padeda sukurti kompaktišką, funkcionalų dizainą.
• HDI (didelio tankio jungtis) – HDI technologija naudoja mikrovijas, smulkesnius pėdsakus ir plonesnius dielektrikus, kad būtų pasiektas labai didelis sujungimo tankis. Dėl to jis naudingas išmaniesiems telefonams, planšetiniams kompiuteriams, nešiojamiesiems įrenginiams ir 5G sistemoms, kur miniatiūrizacija ir greitas signalo perdavimas yra būtini.
• Rentgeno gręžimo gairės – siekiant užtikrinti tikslumą gręžimo metu, rentgeno registravimo sistemos itin tiksliai išlygina vidinius sluoksnius. Šis žingsnis apsaugo nuo klaidingos registracijos, padidina patikimumą ir palaiko griežtus leistinus nuokrypius, kurių reikalauja pažangūs daugiasluoksniai dizainai.
PCB surinkimo procesų apžvalga
Pagaminus PCB, komponentai montuojami ant jų per aiškiai apibrėžtus surinkimo procesus.
• Paviršiaus montavimo technologija (SMT) – komponentai dedami tiesiai ant litavimo pasta padengtų trinkelių ant plokštės paviršiaus. Šis metodas palaiko didelį komponentų tankį ir yra šiuolaikinės kompaktiškos elektronikos standartas.
• Kiaurymių surinkimas – komponentų laidai įkišami į išgręžtas skylutes ir lituojami, užtikrinant tvirtas mechanines jungtis. Jis dažniausiai naudojamas jungtims, maitinimo komponentams ir plokštėms, kurioms reikalingas didelis patvarumas.
• Reflow litavimas – įdėjus SMT komponentus, plokštė praeina per reflow krosnį, kurioje kontroliuojamas kaitinimas ištirpdo litavimo pastą, sukurdama patikimas jungtis. Šis procesas naudojamas automatizuotai, didelės apimties gamybai.
• Banginis litavimas – plokštės su kiaurymėmis perduodamos per išlydyto lydmetalio bangą, kuri vienu metu sujungia kelias jungtis. Jis efektyvus didelio masto mišrių technologijų plokščių gamybai.
PCB tvarkymo saugos gairės
Norint apsaugoti tiek plokštes, tiek su jomis dirbančius žmones, reikia tinkamai tvarkyti PCB.
• ESD apsauga – statinė elektra gali lengvai sugadinti jautrius komponentus. Naudokite riešo diržus, antistatinius kilimėlius ir tinkamus laikymo krepšius, kad tvarkymo ir surinkimo metu išvengtumėte elektrostatinės iškrovos.
• Aukštos įtampos atsargumo priemonės – PCB maitinimo sistemose gali kaupti pavojingą energiją kondensatoriuose. Visada saugiai iškraukite kondensatorius, dirbkite su izoliuotais įrankiais ir, jei taikoma, laikykitės blokavimo / tagout procedūrų.
• Asmeninės apsaugos priemonės (AAP) – mūvėkite pirštines, akinius ir kaukes, kad apsaugotumėte nuo litavimo garų, stiklo pluošto dulkių ir cheminių medžiagų likučių. Tai sumažina poveikio riziką litavimo ir plokštės paruošimo metu.
• Apsauga nuo drėgmės – PCB gali sugerti drėgmę, o tai gali sukelti defektų, pvz., delaminaciją litavimo metu. Laikykite lentas vakuume uždarytose pakuotėse arba sausose spintelėse, kad išlaikytumėte patikimumą.
• Šiluminė sauga – plokštės ir litavimo jungtys išlieka karštos po perpildymo arba rankinio litavimo. Palikite pakankamai aušinimo laiko ir naudokite karščiui atsparias pirštines, kai dirbate su šviežiai lituotais mazgais.
PCB pritaikymas įvairiose pramonės šakose
PCB yra beveik kiekvienos šiuolaikinės technologijos pagrindas, o programos apima kelias pramonės šakas.
• Buitinė elektronika – išmaniuosiuose telefonuose, televizoriuose, nešiojamuosiuose kompiuteriuose ir žaidimų konsolėse esančios PCB užtikrina kompaktišką dizainą, didelį našumą ir patikimą ryšį kasdieniams įrenginiams.
• Automobiliai – šiuolaikinės transporto priemonės remiasi PCB variklio valdymo blokams, EV akumuliatorių valdymo sistemoms, informacijos ir pramogų sistemai ir pažangiems jutikliams, palaikantiems saugumą ir automatizavimą.
• Medicinos – didelio patikimumo PCB maitina tokius prietaisus kaip širdies stimuliatoriai, pacientų nešiojamieji įrenginiai, MRT aparatai ir diagnostikos įranga, kur tikslumas ir saugumas yra gyvybiškai svarbūs.
• Pramoniniai – naudojami robotikoje, gamyklų automatikoje, variklių pavarose ir galios keitikliuose, PCB užtikrina ilgaamžiškumą ir efektyvumą sudėtingoje aplinkoje.
• Aviacija ir gynyba – specializuotos PCB yra integruotos į avioniką, radarų sistemas, palydovus ir gynybos elektroniką, kur reikalingas tvirtumas, miniatiūrizacija ir patikimumas ekstremaliomis sąlygomis.
• Telekomunikacijos – PCB valdo tokią infrastruktūrą kaip 5G bazinės stotys, duomenų serveriai ir tinklo aparatinė įranga, palaikančios didelės spartos ryšį ir pasaulinį ryšį
Išvada
PCB yra kur kas daugiau nei tik grandinės nešėjai; Jie yra elektronikos inovacijų pagrindas. Tyrinėdami jų struktūras, gamybos metodus ir pramonės pritaikymą, gauname aiškesnį vaizdą apie tai, kaip vystosi technologijos. Atsižvelgiant į naujas tendencijas, tokias kaip optinės plokštės, ekologiški substratai ir dirbtinio intelekto pagrįstas dizainas, PCB technologijos ateitis žada didesnį efektyvumą, miniatiūrizaciją ir tvarumą.
Dažnai užduodami klausimai [DUK]
Kiek laiko paprastai tarnauja PCB?
Dauguma PCB tarnauja 10–20 metų, priklausomai nuo dizaino kokybės, medžiagų ir aplinkos sąlygų. Aukščiausios klasės plokštės su apsauginėmis dangomis ir šilumos valdymu dažnai viršija šį diapazoną pramonėje ar aviacijoje.
Kas dažniausiai sukelia PCB gedimą?
Dažniausios priežastys yra perkaitimas, drėgmės absorbcija, elektrostatinė iškrova (ESD), prastos litavimo jungtys ir pėdsakų pažeidimai. Prevencinė konstrukcija ir apsauginės dangos žymiai sumažina šią riziką.
Ar PCB galima perdirbti arba pakartotinai naudoti?
Taip. PCB gali būti perdirbami variui, auksui ir kitiems metalams atgauti. Atsiranda ekologiškų perdirbimo procesų, tačiau dėl komponentų susidėvėjimo ir tobulėjančių technologijų pakartotinis naudojimas yra retas.
Kaip išbandyti PCB prieš naudojimą?
PCB testuojami atliekant tęstinumo patikrinimus, izoliacijos varžos bandymus ir automatinį optinį patikrinimą (AOI). Skraidančio zondo arba nagų lovos testeriai prieš surinkdami patikrina teisingas jungtis ir aptinka trumpuosius jungtis.
Kokioms pramonės šakoms reikalingos didelio patikimumo PCB?
Aviacijos, gynybos, automobilių ir medicinos sektoriai reikalauja didelio patikimumo PCB. Šios plokštės suprojektuotos su griežtesniais nuokrypiais, tvirtomis medžiagomis ir griežtai laikantis IPC standartų, kad būtų užtikrintas veikimas pavojingoje aplinkoje.