Jos olet joskus käyttänyt digitaalista kelloa, laskinta, television kaukosäädintä, reititintä, kannettavaa tietokonetta tai jopa lasten lelua, olet käyttänyt piirilevyä. Yleensä useita piirilevyjä.
Yksinkertaisimmillaan piirilevy on eristetty levy, jossa on johtavia kuparikanavia, jotka yhdistävät elektroniset komponentit toisiinsa. Nämä kuparireitit ohjaavat virran ja signaalit sinne, minne niiden on mentävä, ja levy pitää kaiken myös mekaanisesti paikallaan, jotta piiri ei ole vain hauras sekamelska irrallisia johtoja.
Ja kyllä, ihmiset sanovat “PCB board” koko ajan, vaikka se on hieman turhaa (B tarkoittaa jo levyä). Se on kuitenkin yleistä, joten otamme sen käyttöön.
PCB selkokielellä
Ajattele piirilevyä kuin sähkön kaupunkikarttaa.
- The komponentit (sirut, vastukset, kondensaattorit, liittimet) ovat rakennuksia.
- The kuparijäljet ovat tiet.
- The tyynyt ovat parkkipaikkoja, joissa osia juotetaan.
- The läpiviennit ovat hissejä, jotka siirtävät signaaleja kerroksesta toiseen (kerroksesta toiseen).
Jokaisella kuparireitillä on merkitystä. Leveys, etäisyys, pituus, missä se kulkee ja minkä vieressä se kulkee. Tämä “polku” määrittää, miten piiri käyttäytyy, erityisesti nopeissa tai korkeataajuisissa malleissa.
Piirilevy ei siis ole vain “asia, johon kiinnitetään osia”. Se on osa piiriä.
Mitä tarkoittaa PCB (ja mitä on PWB)?
PCB = Painettu piirilevy.
Saatat myös kuulla:
- PWB = Painettu johdotuslevy.
- Jotkut käyttävät sitä tarkoittaakseen paljasta levyä (substraatti ja kuparikuviot) ennen komponenttien kokoamista. Jokapäiväisessä keskustelussa PCB ja PWB sekoitetaan usein keskenään.
Ja sitten on PCBA = piirilevykokoonpano, joka on piirilevy. jälkeen komponentit sijoitetaan ja juotetaan.
Lisäksi nopea selvennys, koska se nousee jatkuvasti esiin.
A emolevy on PCB, mutta kaikki piirilevyt eivät ole emolevyjä. Emolevy on vain suuri monimutkainen piirilevy, joka toimii tietokoneen pääkeskuksena.
Mistä piirilevy on valmistettu?
Yleisimmät piirilevyt on rakennettu:
- Pohjamateriaali (substraatti): yleensä FR4 (kudottu lasikuitu + epoksihartsi). Vahva, vakaa, edullinen.
- Kupari: ohut kuparifolio, joka on liimattu alustaan ja sitten syövytetty jälkiin.
- Juotosmaski: värillinen suojakerros (usein vihreä). Se auttaa estämään juotosillat ja suojaa kuparia korroosiolta.
- Silkkipaino: valkoinen (tai musta) painettu teksti ja merkinnät. Komponenttien tarrat, logot, pin 1 -merkinnät, varoitukset jne.
- Pintakäsittely: pinnoite alttiina oleville tyynyille, jotta juottaminen olisi luotettavaa ja hapettuminen estettäisiin. Vaihtoehtoina ovat HASL, ENIG (kulta), upotushopea ja muut.
Kun siis katsot piirilevyä, näet oikeastaan materiaalipinon, joka on suunniteltu täyttämään sekä sähköiset tarpeet (signaalin reititys, impedanssi, maadoitus) ja mekaaniset tarpeet (kiinnitys, kestävyys, vakaus).
Miksi PCB:llä on niin paljon merkitystä (enemmän kuin ihmiset ymmärtävät).
Piirilevyt ovat tärkeitä, koska ne tekevät useita tehtäviä kerralla:
- Piirien yhteenliittäminen: puhtaat, toistettavat liitokset osien välillä.
- Rakenteellinen tuki: ne pitävät komponentit tiukasti tiiviissä muodossa.
- Piirin suojaus: juotosmaski ja asetteluväli vähentää oikosulkuja ja saastumisongelmia.
- Tuotannon tehokkuus: kokoonpanolinjoilla osat voidaan sijoittaa ja juottaa nopeasti (erityisesti SMT).
- Ylläpito ja päivitys: helpompi testata, korjata tai tarkistaa kuin käsin kytkettyjä johtoja.
- Tiheä integrointi: Nykyaikainen elektroniikka olisi käytännössä mahdotonta ilman monikerroslevyjä, hienoja jälkiä ja pieniä läpivientejä.
Ja luotettavuudella on merkitystä. Viallinen piirilevy valmiissa tuotteessa voi olla erittäin kallis korjata, kun se on jo maailmalla. Siksi DFM ja testaus ovat tärkeä asia.
Yleiset piirilevytyypit (ne, joita näkee luonnossa)
Piirilevyjä voidaan luokitella monin eri tavoin, mutta nämä ovat tärkeimmät.
1) Yksipuolinen PCB
Kupari vain toisella puolella. Yksinkertainen, halpa ja sitä käytetään edelleen peruselektroniikassa.
2) Kaksipuolinen PCB
Kupari molemmin puolin, yhdistetty läpivienneillä. Enemmän reititystilaa, silti melko edullinen.
3) Monikerroksinen PCB
Kolme tai useampi kuparikerros. Nykyaikaisissa laitteissa käytetään usein 4-, 6-, 8- tai sitä korkeampia kerroksia. Tyypillinen 4-kerroksinen pino voi sisältää:
- Top-signaali
- Sisempi maataso
- Sisempi tehotaso (tai signaali)
- Alin signaali
Monikerroksiset levyt tekevät reitityksestä puhtaampaa, vähentävät melua ja tukevat suurnopeusasetelmat. Ne lisäävät myös valmistuksen monimutkaisuutta.
4) Jäykkä, joustava ja jäykkä-jousijoustava.
- Jäykkä PCB: vakiomuotoinen massiivilevy.
- Flex PCB: ohut joustavat piirit käytetään puhelimissa, kameroissa, puettavissa laitteissa, ahtaissa tiloissa.
- Jäykkä-joustava PCB: molempien yhdistelmä. Kalliimpi, mutta ratkaisee pakkausongelmat.
5) Korkean taajuuden / nopean nopeuden piirilevyt
Käytetään RF-, langattomiin, nopeisiin digitaalisiin liitäntöihin ja kaikkeen impedanssiherkkään.. Nämä tarvitsevat usein erikoismateriaaleja, joissa on alhainen dielektrinen häviö, kuten PTFE-pohjaiset laminaatit (ja muut, kuten polyuretaani, polyeteeni, polystyreenisekoitukset, riippuen tarkasta sovelluksesta ja valmistajan tarjonnasta).
6) Erityislautakunnat (muutama, joista kuulet)
- Metalliydin PCB: joita käytetään lämmönpoistoon ja vakauteen (yleisiä LED-valaistuksessa ja tehoelektroniikassa).
- Pinta-asennettava PCB: ei varsinaisesti “lautatyyppi”, pikemminkin kokoonpanotyyli, mutta ihmiset sanovat niin. SMT tukee kevyitä, ohuita, suuria määriä ja alhaisempia kustannuksia.
- Hiilikalvopainettu levy: käytetään silloin, kun kustannuksilla ja yksinkertaisella prosessilla on merkitystä.
7) HDI PCB
HDI on lyhenne sanoista high density interconnect. Pienemmät läpiviennit, tiukemmat välit, suurempi johdotustiheys kuin tavanomaisilla piirilevyillä. Käytetään puhelimissa, pienikokoisissa laitteissa, kehittyneissä tuotteissa.
Miten piirilevy suunnitellaan (korkean tason, mutta todellinen)
Piirilevysuunnittelu ei ole vain viivojen piirtämistä, kunnes se “yhdistyy”.
Tyypillinen virtaus näyttää tältä:
- Luo kaaviokuva
- Tämä on looginen piiri. Mikä liittyy mihinkin, arvot, verkot, virtakiskot. “Aivosuunnitelma”.
- Luo tyhjä PCB-asettelu
- Määrittele levyn muoto, kiinnitysreiät, suojavyöhykkeet ja liittimien paikat.
- Kaappaa ja linkitä kaavio PCB:hen
- Tuodaan komponentteja (jalanjälkiä) ja liitetään verkkoja, jotta piirilevy tietää, mitä on liitettävä.
- PCB stack-up suunnittelu
- Nykyaikaisissa malleissa 4-kerroksinen FR4 on hyvin yleinen. Pinoaminen vaikuttaa impedanssiin, sähkömagneettiseen häiriöön ja valmistettavuuteen.
- Suunnittelusääntöjen ja DFM-vaatimusten määrittely
- Jäljen leveys, väli, porakoot, rengasmainen rengas, juotosmaskin välys, impedanssikohteet. Näiden sääntöjen pitäisi vastata sitä, mitä valmistaja voi todellisuudessa rakentaa. Tässä suunnittelijat puhuvat usein valmistajien kanssa ja saavat heidän rajoituksensa.
- Komponenttien sijoittelu
- Aluksi se voi olla automaattista, mutta todellinen sijoittelu on yleensä manuaalista: signaalin eheys, lämpö, saavutettavuus, kokoonpanorajoitukset. Sijoittaminen on puolet taistelusta, rehellisesti sanottuna.
- Reititys (johdotus)
- Jäljet laaditaan ohjeiden mukaisesti. Suurnopeussuunnittelussa ratkaisija tai suunnittelutyökalut voivat auttaa ohjaamaan jäljen geometriaa kohdeimpedanssin saavuttamiseksi.
- Tunnisteiden lisääminen
- Viittaustunnukset, napaisuusmerkit, testipisteet, tarrat, logot. Pieniä asioita, jotka säästävät tunteja kokoonpanossa ja vianetsinnässä.
- Suorita DRC-tarkastukset
- Suunnittelusääntöjen tarkistus (DRC) havaitsee tilavuudet, puuttuvat liitokset ja outoja rikkomuksia.
- Valmistustiedostojen luominen
- Yleensä Gerber (usein laajennettu Gerber) sekä poraustiedostot, pinoamismuistiinpanot ja valmistuspiirustukset.
Yleisiä PCB-suunnitteluohjelmistoja ovat Altium Designer, OrCAD, Pads, KiCad ja Eagle.
Miten piirilevy valmistetaan (todellinen vaiheittainen ajatus).
Jos et ole koskaan käynyt tietokonepahvikaupassa, se on tavallaan koukuttavaa. Äänekkäitä koneita, kemikaalilinjoja, paneelipinoja ja tarkastusasemia. Suunnittelijat, jotka vierailevat valmistajilla, palaavat yleensä nöyremmin takaisin, koska sen jälkeen aletaan suunnitella valmistusta silmällä pitäen.
Tässä on tyypillinen piirilevyjen valmistusprosessi, yksinkertaistettuna mutta silti tarkkana.
Vaihe 1: Suunnittelu ja tuotos
Piirilevyn ulkoasu luodaan CAD-ohjelmistolla ja viedään tarkastusten jälkeen, yleensä muodossa Gerber-tiedostot (usein laajennettu Gerber). Tämä on “totuuden lähde” valmistusta varten.
Vaihe 2: Tiedostosta elokuvaksi
Piirtokone tulostaa valokuvakalvot piirilevysuunnitelmasta. Kalvoja käytetään kuvion siirtämiseen kuparille.
Vaihe 3: Sisempien kerrosten tulostaminen
Monikerroksisissa levyissä sisäkerroksen kuparikuvio luodaan kuparifoliolle, joka on laminoitu alustaan (epoksihartsi + lasikuitu). Fotoresistiä levitetään, valotetaan ja kehitetään, jotta oikea kuparikuvio voidaan muodostaa.
Vaihe 4: Ei-toivotun kuparin poistaminen
Kemialliset prosessit poistavat ylimääräisen kuparin, kun taas kovettunut resisti suojaa jäljelle jäävää kuparia. Syövytyksen jälkeen resisti poistetaan liuottimella, jolloin jäljelle jäävät puhtaat kuparipiirteet.
Vaihe 5: Kerrosten kohdistaminen ja optinen tarkastus
Kerrosten on oltava täydellisesti linjassa. Kohdistuslyöntejä ja rekisteröintireikiä käytetään, ja optiset reikäkoneet auttavat asettamaan kerrokset tarkasti paikoilleen.
Sitten paneelit käyvät usein läpi automaattinen optinen tarkastus (AOI). Laseranturi vertaa paneelia Gerber-tietoihin havaitakseen aukkoja, oikosulkuja tai kuvion virheitä.
Vaihe 6: Layer-up ja liimaus
Levy on rakennettu kuin voileipä. Kuparifolion, prepregin (liimaushartsin) ja ydinmateriaalin kerrokset pinotaan päällekkäin, usein puristinlevyjen ja alumiinifolion avulla, ja puristetaan sitten tietokoneohjatussa liimauspuristimessa.
Tällöin monikerroksisesta piirilevystä tulee yksi kiinteä yksikkö.
Vaihe 7: Poraus
Reiät porataan komponenttien johtoja, kiinnitystä ja läpivientejä varten. Kohteiden tunnistamiseen voidaan käyttää röntgenpaikantimia. CNC-porakoneet voivat toimia erittäin nopeasti, sillä niiden ilmakäyttöiset karat voivat pyörittää jopa noin 150 000 kierrosta minuutissa.
Porauksen jälkeen ylimääräinen kupari tai karkeat reunat voidaan puhdistaa profilointityökaluilla.
Vaihe 8: pinnoitus (kemiallinen laskeuma)
Paneelin pintaan ja porattujen reikien sisäpuolelle levitetään ohut kuparikerros, jotta läpiviennit voivat johtaa sähköä kerrosten välillä.
Vaihe 9: Ulomman kerroksen kuvantaminen
Paneeliin levitetään uusi fotoresisti. UV-altistus kovettaa resistin, johon kuparin pitäisi jäädä. Kovettumaton resisti poistetaan koneellisesti.
Vaihe 10: Ulomman kerroksen pinnoitus (galvanointi)
Levy on galvanoitu kuparilla, jotta jälkien ja läpivientien paksuus kasvaisi, minkä jälkeen se on usein päällystetty tinalla kuparin suojaamiseksi syövytyksen aikana.
Vaihe 11: Lopullinen syövytys
Kemialliset liuokset poistavat ylimääräisen kuparin. Tina suojaa haluttuja kupariominaisuuksia. Syövytyksen jälkeen tina poistetaan tarpeen mukaan.
Vaihe 12: Juotosmaskin levitys
Epoksijuotosmaskin muste levitetään molemmille puolille, minkä jälkeen se kovetetaan UV-valolla. Monet levyt kovetetaan myös uunissa täydellisen kovuuden saavuttamiseksi.
Vaihe 13: Pintakäsittely
Tyynyt tarvitsevat viimeistelyn, jotta ne juottuvat hyvin eivätkä hapetu. Vaihtoehtoja ovat mm:
- Kemiallinen pinnoitus kullalla (kuten ENIG) tai hopealla.
- Kuumailmapohjustus (HASL), jolla tyynyistä saadaan tasalaatuisia.
Pintakäsittelyvaihtoehtoja on useita riippuen kustannuksista, säilyvyydestä ja kokoonpanomenetelmästä.
Vaihe 14: Silkkipaino
Mustesuihku- tai silkkipainatuksella lisätään elintärkeät tiedot: viitetunnukset, komponenttien ääriviivat, napaisuus, logot, varoitukset.
Vaihe 15: Sähkötesti
Levyt testataan aukkojen ja oikosulkujen varalta. Yksi yleinen menetelmä on Lentävän koettimen testaus, joka tarkistaa sähköisen suorituskyvyn ilman mukautettua testilaitetta.
Vaihe 16: Profilointi ja V-pisteytys
Levyn lopullinen ääriviiva leikataan jyrsimellä tai siihen lisätään V-urat, jotta levyt voidaan napsauttaa siististi erilleen paneelivalmistusta varten.
Sitten tapahtuu pakkaaminen, usein tyhjiöpakkaus suojaamiseksi, ja sitten lähetys.
Se on ydinajatus. Jotkin tehtaat lisäävät lisävaiheita teknologiasta riippuen (HDI, sokeat/hautetut läpiviennit, kontrolloidut impedanssikupongit jne.).
Piirilevyt ja nykyaikaiset langattomat, suurtaajuusmateriaalit
Elektroniikka on nykyään paljon “signaaleja, jotka käyttäytyvät kuin radio”, vaikka et uskoisi niin. Nopeat digitaaliset reunat, langaton lähetys, ääni, video, data. Kaikella on standardit, ja piirilevyllä monet näistä suorituskykytaisteluista voitetaan tai hävitään.
Uuden sukupolven tuotteet työntävät usein:
- korkeamman taajuuden levyt
- matalan dielektrisen häviön substraatit
- tiukemmat toleranssit
- impedanssiohjattu reititys
Jos teet RF-, suurnopeusliitäntöjä tai tiheitä asetteluja, et yleensä voi käsitellä piirilevyä jälkikäteen. Siitä tulee osa järjestelmää.
Mikä PCB-levy oikeastaan on?
Se on valmistettu alusta, joka tekee kaksi työtä kerralla:
- Reitittää sähköisiä signaaleja ja virtaa kuparireittien kautta.
- Tukee ja suojaa piiriä mekaanisesti jotta se voidaan koota, lähettää, käyttää ja tuottaa luotettavasti.
Siinä kaikki. Mutta se on myös syy, miksi piirilevyt hallitsevat maailmaa hiljaa.
Tarvitsetko luotettavan PCB-levyn?
Tarvitsetko luotettavan PCB-levyn seuraavaan projektiisi? Osoitteessa Philifast, Tarjoamme korkealaatuista PCB-valmistusta, jolla on vakaa suorituskyky, nopea läpimenoaika ja ammattimainen tuki. Tarvitsitpa sitten prototyyppilevyjä tai massatuotantoa, tiimimme on valmis auttamaan sinua toteuttamaan suunnittelusi. Käy osoitteessa Philifast saadaksesi tarjouksen tänään.
FAQ (usein kysytyt kysymykset)
Mikä on piirilevy ja miksi se on tärkeä elektroniikassa?
PCB-levy eli painettu piirilevy on eristetty levy, jossa on johtavia kuparikanavia, jotka yhdistävät elektroniset komponentit toisiinsa. Se toimii nykyaikaisen elektroniikan selkärankana ohjaamalla virtaa ja signaaleja sinne, missä niitä tarvitaan, ja pitämällä samalla komponentit mekaanisesti paikoillaan, jotta vältytään herkiltä johtosotkuilta. Piirilevyt ovat välttämättömiä, koska ne mahdollistavat piirien yhdistämisen, rakenteellisen tuen, suojan oikosulkuja ja kontaminaatiota vastaan, tuotannon tehokkuuden, huollon helppouden ja laitteiden tiheän integroinnin.
Mitä PCB tarkoittaa ja miten se eroaa PWB:stä ja PCBA:sta?
PCB tarkoittaa painettua piirilevyä. PWB tarkoittaa painettua piirilevyä ja viittaa usein paljaaseen piirilevyyn ennen komponenttien kokoamista. PCBA tarkoittaa painetun piirilevyn kokoonpanoa eli piirilevyä sen jälkeen, kun komponentit on sijoitettu ja juotettu. Vaikka näitä termejä käytetään joskus arkikeskusteluissa vaihdellen, ne korostavat piirilevyjen eri vaiheita tai näkökohtia.
Mitä materiaaleja käytetään yleisesti piirilevyjen valmistuksessa?
Yleisimmät piirilevyt on valmistettu useista kerroksista, mukaan lukien: perusmateriaali (substraatti) yleensä FR4, joka on kudottu lasikuitu yhdistettynä epoksihartsiin; ohut kuparifolio, joka on liimattu substraattiin, joka on syövytetty jälkiin; juotospeitekerros (usein vihreä), joka suojaa kuparia korroosiolta ja estää juotosillat; silkkipainatus komponenttien etikettejä ja merkintöjä varten; ja pintakäsittely, kuten HASL- tai ENIG-jäähdytys luotettavan juottamisen varmistamiseksi ja hapettumisen estämiseksi.
Miten kuparijäljet, tyynyt ja läpiviennit toimivat piirilevyssä?
Piirilevyn kuparijäljet toimivat kuin tiet, jotka ohjaavat sähkövirtaa ja signaaleja komponenttien (rakennusten) välillä. Tyynyt toimivat parkkipaikkoina, joilla osat juotetaan levylle turvallisesti. Viat toimivat hissinä, jotka siirtävät signaaleja monikerroksisen piirilevyn eri kerrosten välillä. Näiden väylien huolellinen suunnittelu - mukaan lukien leveys, välykset ja reititys - vaikuttaa suoraan piirin suorituskykyyn erityisesti nopeissa tai korkeataajuisissa malleissa.
Minkä tyyppisiä piirilevyjä käytetään yleisesti elektroniikkalaitteissa?
Yleisiä piirilevytyyppejä ovat: yksipuoliset piirilevyt, joissa on kupari toisella puolella ja joita käytetään yksinkertaisessa elektroniikassa; kaksipuoliset piirilevyt, joissa on kupari molemmilla puolilla, jotka on yhdistetty läpivienneillä, jotka tarjoavat enemmän reititystilaa; monikerroksiset piirilevyt, joissa on kolme tai useampia kerroksia, jotka mahdollistavat puhtaamman reitityksen ja vähentävät kohinaa nykyaikaisissa laitteissa; jäykät piirilevyt, jotka ovat kiinteitä levyjä; joustavat piirilevyt, jotka ovat ohuita ja joustavia ahtaisiin tiloihin, kuten puhelimiin; jäykät joustavat piirilevyt, joissa yhdistyvät sekä jäykät että joustavat osiot, ja korkeataajuus- / nopeat piirilevyt, joissa on erikoismateriaaleja, jotka on tarkoitettu käsittelemään RF-, langatonta tai nopeaa digitaalista signaaleja.
Miksi nykyaikaisessa elektroniikassa käytetään usein monikerroksisia piirilevyjä yksi- tai kaksipuoleisten sijaan?
Nykyaikaisessa elektroniikassa käytetään monikerroksisia piirilevyjä, koska niissä on lisäkerroksia signaalin reititystä, virranjakelua ja maadoitusta varten, mikä johtaa puhtaampiin layouteihin ja vähentää sähköistä kohinaa. Monikerroslevyt tukevat kehittyneiden laitteiden edellyttämiä nopeita asetteluja, koska ne mahdollistavat hienot jäljet ja pienet läpiviennit. Vaikka monikerroksiset piirilevyt lisäävät valmistuksen monimutkaisuutta ja kustannuksia verrattuna yksi- tai kaksipuolisiin levyihin, ne ovat välttämättömiä tiheän integroinnin ja luotettavan suorituskyvyn kannalta monimutkaisissa elektronisissa järjestelmissä.
