Печатна платка (PCB): какво е, устройство и приложения
Печатна платка (PCB): разбираемо за устройство, видове и приложения в електрониката — от компютри и телефони до гъвкави схеми. Научете дизайна, производството и употребата.
Печатната платка (ППК) е плоча, изработена за механично закрепване и електрическо свързване на електронни компоненти. Днес печатните платки се използват в почти всички електронни устройства — от битова техника и компютри до индустриални системи и медицинско оборудване.
Материал и устройство
Основата на повечето платки е изолиращ материал, който не провежда електричество, обикновено от фибростъкло (стъклотекстолит). По повърхността или между слоевете на тази основа се нанася тънък слой мед, който после се гравира (етчва) в желаните проводящи пътища — така електричеството преминава само там, където е необходимо.
Повърхностите на платката обикновено имат няколко слоя:
- Субстрат (изолационна основа) — механична стабилност.
- Медени следи (traces) и площадки (pads) — проводещи елементи за свързване на компоненти.
- Защитен слой (solder mask) — зелената (или друг цвят) покритие, което предпазва медта от корозия и предотвратява неволни къси съединения при запояване.
- Шелк (silkscreen) — бели или цветни надписи и маркировки за етикетиране на компоненти и позиции.
Видове платки
Съществуват различни типове в зависимост от конструкцията и предназначението:
- Едностранни (single-sided) — мед само от едната страна, използвани за прости устройства.
- Двустранни (double-sided) — медени следи от двете страни, често свързани чрез отвори (vias).
- Многослойни (multilayer) — съставени от няколко слоя мед и изолация, използвани в сложни и компактни устройства като компютърни дънни платки и смартфони.
- Гъвкави платки — изработени от тънък и гъвкав материал, който позволява огъване и вграждане в компактни или подвижни механизми.
- Rigid‑flex — комбинация от твърди и гъвкави участъци, често използвани в преносими и медицински устройства.
Производствен процес (общ преглед)
Основните етапи при производството включват:
- Проектиране (PCB layout) — създаване на електрическата схема и дорожките в специализиран софтуер.
- Избор на материал и подготовка на субстрата.
- Нанасяне и оформяне на медните следи чрез фотолитография и ецване (etching).
- Пробиване на отвори и запълване/плакиране за връзки между слоевете (vias).
- Покритие със защитен слой (solder mask) и шелк маркировка.
- Контрол на качеството — оптични проверки, тестове за къси и отворени вериги, измерване на размери и други параметри.
- Монтаж на компоненти — чрез through‑hole (през отвори) или SMD (повърхностен монтаж).
Монтаж на компонентите
Електронните компоненти се закрепват към платката и се свързват чрез запояване. Има два основни метода:
- Through‑hole — крачетата на компонентите се прокарват през отвори и се запояват от обратната страна; използва се за механично здрави връзки и при компоненти с по‑големи изисквания за ток.
- Surface‑mount (SMD) — компонентите се залепват и запояват директно върху повърхността на платката; позволява по‑малки размери и висока плътност на монтажа.
За свързване между слоевете се използват vias — отвори, които могат да са перфорирани, запълнени, слепи (blind) или погребани (buried) в зависимост от сложността на дизайна.
Приложения
Печатните платки се използват навсякъде, където има електроника. Най-често срещаните приложения включват:
- Компютри и периферия — дънни платки, графични карти, захранвания (компютър).
- Мобилни устройства — смартфони и таблети (мобилен телефон).
- Електроника за забавление — телевизори и аудио уреди (телевизор).
- Потребителска електроника — уреди, инструменти и домашни системи.
- Индустриални, медицински и автомобилни системи — където изискванията към надеждност и безопасност са високи.
Предимства и предизвикателства
- Предимства: компактност, надеждност, възпроизводимост при масово производство и лесно поддържане на сложни вериги.
- Предизвикателства: управление на топлината (thermal management), контрол на електромагнитните смущения (EMI), както и екологични и рециклиращи изисквания при отпадъците от електроника.
Практически съвети и безопасност
- При работа или проектиране следете необходимите стъпки за защита от електрически удари и статично електричество (ESD), което може да повреди чувствителни компоненти.
- Избирайте платки и компоненти, съобразени с работните температури и условия на околната среда.
- При ремонт и рециклиране използвайте подходящи методи за обезвреждане на олово и други вредни материали, ако са използвани в припоя.
В обобщение, печатната платка е ключов елемент на модерната електроника. Тя свързва компоненти, осигурява механична опора и позволява на сложни електрически вериги да функционират компактно и надеждно. Нейните разновидности и производствени технологии продължават да се развиват, отговаряйки на нарастващите изисквания за миниатюризация, производителност и устойчивост.
Прикрепени компоненти на печатни платки
История
Печатните платки произлизат от системите за електрическа връзка, използвани през 50-те години на XIX век. Първоначално за свързване на големи електрически компоненти, монтирани върху дървени основи, са използвани метални ленти или пръти. По-късно металните ленти са заменени с проводници, свързани с винтови клеми, а дървените основи са заменени с метални рамки. Това позволява да се намалят размерите, което е необходимо, тъй като електрическите вериги стават все по-сложни и съдържат повече части. Томас Едисон изпробва методи за използване на метали върху ленена хартия. През 1913 г. Артър Бери патентова във Великобритания метод за печат и ецване. През 1925 г. Чарлз Дюкас от Съединените щати разработва метод, използващ галванизация. Той създава електрически път директно върху изолирана повърхност, като отпечатва чрез шаблон (форма, изрязана в дъска или хартия) със специално мастило, което може да провежда електричество, точно както проводниците. Този метод е наречен "печатни кабели" или "печатна схема".
През 1943 г. австриецът Паул Айслер, работещ в Обединеното кралство, патентова метод за гравиране на проводящ модел или вериги върху слой медно фолио, прикрепен към твърда основа, която не провежда електричество. Техниката на Ейслер е забелязана от американските военни и те започват да я използват в нови оръжия, включително в безконтактни взриватели през Втората световна война. Идеята му става много полезна през 50-те години на миналия век, когато е въведен транзисторът. До този момент вакуумните лампи и други компоненти са били толкова големи, че са били необходими само традиционните методи за монтаж и окабеляване. С въвеждането на транзисторите обаче компонентите стават много малки и производителите трябва да използват печатни платки, за да могат връзките също да бъдат малки.
Технологията за проходни отвори с покритие и използването ѝ в многослойни печатни платки е патентована от американската фирма Hazeltine през 1961 г. Това позволява създаването на много по-сложни платки, в които компонентите са разположени близо един до друг. През 70-те години на миналия век са въведени чипове с интегрални схеми и тези компоненти бързо са включени в техниките за проектиране и производство на печатни платки. Днес печатната платка може да има до 50 слоя в някои приложения.
Технологията за повърхностен монтаж е разработена през 60-те години на миналия век и започва да се използва широко в края на 80-те години.
Ръчно изработена печатна платка
Дизайн
Основната задача при проектирането на печатна платка е да се определи къде ще бъдат разположени всички компоненти. Обикновено има проект или схема, която ще бъде превърната в печатна платка. Няма такова нещо като стандартна печатна платка. Всяка платка е проектирана за собствена употреба и трябва да бъде с подходящ размер, за да се побере в необходимото пространство. Дизайнерите на печатни платки използват софтуер за автоматизирано проектиране, за да оформят схемите върху платката. Разстоянията между електрическите трасета могат да бъдат 0,04 инча (1,0 мм) или по-малки. Разпределя се и местоположението на отворите за изводите на компонентите или контактните точки. След като моделът на електрическата схема е разчертан, върху прозрачен пластмасов лист се отпечатва негативно изображение с точен размер. При негативното изображение областите, които не са част от схемата, са показани в черно, а схемата е прозрачна. След това металът се отстранява от прозрачните области, обикновено с химикали. Този дизайн се превръща в инструкции за компютърно управлявана пробивна машина или за автоматичната спояваща паста, използвана в производствения процес.
Производство
Картата е изработена с външни медни слоеве. Нежеланата мед се отстранява, като се оставят медни проводници, които ще свързват електронните компоненти. Компонентите се поставят върху платката, като контактуват с проводниците.
Фоторезист
Платките понякога се изработват с фотолитография. Покритие, наречено фоторезист, реагира със светлина, след което платката и покритието се поставят в проявител. Този метод е скъп за всяка платка, но е много евтин за създаване в началото.
Ситопечат
Съществуват обаче различни методи за изработване на платки. Някои професионално изработени платки използват различен метод за отстраняване на допълнителната мед от платката. Използва се процес, наречен ситопечат. Копринената щампа се получава, когато плат се издърпва плътно върху рамка. След това върху плата се отпечатва изображение. След това мастилото се пресова през плата. Мастилото не попада там, където изображението е отпечатано върху плата. Нарича се копринена щампа, защото платът обикновено е копринен. Обикновено платът е копринен, защото има много малки дупчици. копринената щампа се използва за отпечатване на мастило, наречено резист, върху дъската. Резистът е мастило, което е устойчиво на ецващия агент, използван за изработката на платката. Ецващият агент разтваря медта върху платката. Това е по-евтино за всяка платка от фоторезиста, но е по-скъпо в началото.
Фрезоване
Друг начин за изработване на печатна платка е да използвате мелница. Фрезата е бормашина, която се движи в много посоки. При всяко преместване по платката бормашината отстранява малко количество мед. Фрезата премахва медта около проводниците на платката. По този начин върху платката остава допълнителна мед. Другите методи не оставят допълнителна мед върху платката. Този метод е по-евтин за всяка платка, но оборудването за изработването му е скъпо. Този метод не се използва често, тъй като другите два метода са по-лесни.
Въпроси и отговори
В: Какво представлява печатната платка?
О: Печатната платка (ППК) е платка, направена за свързване на електронни компоненти.
В: За какво се използват печатните платки?
О: Печатните платки се използват в почти всички компютри и електроника днес.
В: От какво е направена печатната платка?
О: "Картата" е изработена от материал, който не провежда електричество, обикновено от фибростъкло.
Въпрос: Как печатната платка позволява на електричеството да преминава от един компонент към друг в електрическите вериги?
О.: Обикновено медта е гравирана (разположена на тънки линии) във вътрешността на платката между слоевете от фибростъкло или на повърхността на платката. Металът, гравиран в платката, позволява на електричеството да преминава от един компонент към друг в електрическите вериги.
В: Какво представляват гъвкавите платки?
О: Гъвкави платки са тези, които са направени достатъчно тънки и от подходящ материал, за да се огъват.
В: Какви са твърдите гъвкави платки?
О.: Твърдо-гъвкавите платки са тези, които съчетават характеристиките на твърдите и гъвкавите платки - твърди в някои точки и огъващи се в други точки.
В: Повечето неща, които използват електричество, имат ли поне една платка в себе си?
О: Да, повечето неща, които използват електроенергия, имат поне една платка, която ги кара да работят.
обискирам