Ons leven wordt omringd door verschillende elektronische apparaten, en wanneer we ze uit elkaar halen, vinden we vaak groene borden die bekend staan als PCB's (printed circuit boards). Ze worden gebruikt in bijna alle elektronische producten en accessoires, zoals ruimtevaartapparatuur, medische apparatuur, mobiele telefoons, computers, enz. Omdat PCB's overal worden gebruikt, hoeveel weet u er dan over? Dit is de ultieme gids voor beginners om te leren wat printed circuit boards zijn, hoe ze worden gemaakt en hun algemene toepassingen.
Wat is een PCB? Waarom is het nuttig?
Printplaten zijn platen die zijn gemaakt van niet-geleidende materialen met geleidende sporen geëtst of gedrukt op het oppervlak van de geleidende laag om de gemonteerde elektronische componenten te laten werken. De niet-geleidende laag is meestal gemaakt van FR4 en polyimide, met isolatie, waterdichtheid en stabiliteit. De geleidende laag is over het algemeen gemaakt van koper met een hoge elektrische geleidbaarheid.
De uitvinding van PCB hielp bij het aanpakken van de problemen van complexe, omvangrijke en kwetsbare circuits. Zo kunnen circuits worden samengevoegd op een printplaat en dit maakt ze compact, efficiënt en minder vatbaar voor breuken. PCB-productie volgt procedures die massaproductie mogelijk maken en tegelijkertijd consistente prestaties en kwaliteit garanderen.
De geschiedenis en evolutie van PCB
Initiatiefase: 1850-1900
Met de popularisering van elektriciteit werd met de komst van telefoons en gloeilampen de basis gelegd voor de technologische ontwikkeling van printplaten.
Ontwikkelingsfase: 1900-1950
Een groot aantal telefoons in de Verenigde Staten vereiste dat mensen van telefoonverbinding wisselden. In 1903 patenteerde Albert Hanson uit Duitsland het eerste PCB-achtige apparaat voor gebruik in telefoonsystemen.
In 1925 printte Charles Ducas een circuit op een geïsoleerd substraat en bouwde vervolgens de geleiders die voor bedrading werden gebruikt op met behulp van galvaniseren. Het betekent dat de printed circuit board echt geboren was.
In 1941 introduceerde uitvinder Eisler het concept van printed circuit board, dat koperfolie op een niet-geleidende glazen basis gebruikte. Het wordt beschouwd als de eerste moderne printed circuit board.
Snelle ontwikkelingsfase: 1950-2000
Amerikanen wilden na de Tweede Wereldoorlog de ruimte verkennen. Printplaten maakten het mogelijk om de ruimte te verkennen. Printplaten zijn licht van gewicht, verbruiken minder stroom en zijn efficiënter bij het uitvoeren van zeer complexe taken.
Volwassenheidsfase: 2000 en later
Sinds de jaren 2000 hebben snelle technologische ontwikkelingen de evolutie van printplaten aangejaagd. Ze worden complexer, kleiner en lichter, waardoor ze veel worden gebruikt in verschillende industrieën, waaronder slimme huizen, zelfrijdende auto's en kunstmatige intelligentie.
4 fundamentele lagen van PCB
PCB bestaat uit ten minste de volgende vier lagen. Als PCB's meer functies hebben, zijn er meer lagen nodig.
Supporto lagen
De substraatlaag is de basisstructuur van de printplaat, die zowel voor isolatie als fysieke sterkte dient. Het is meestal gemaakt van FR-4 of een ander goedkoop isolerend stijf materiaal. FR-4 heeft de voorkeur vanwege de efficiëntie en het gemak van goedkope massaproductie. Daarnaast is het ook mogelijk om flexibele (vaak plastic) substraten te gebruiken voor vouw- en binddoeleinden, afhankelijk van het gegeven gebruiksscenario.
koperen laag
De geleidende laag verwijst meestal naar een dunne koperfolie die aan het substraat is gehecht. In een printplaat is de koperlaag een geleidend spoor, dat dient voor elektronische signaaloverdracht.
Soldeer maskerlaag
Over het algemeen is de soldeermaskerlaag niet-geleidend en wordt gebruikt om de PCB te coaten, wat de printplaat een groene kleur geeft, andere kleuren zijn ook mogelijk. De soldeermaskerlaag ligt bovenop het koper en isoleert het koper van aanraking met andere elementen.
Zeefdruk laag
De zeefdruklaag is de laatste laag van het circuitbord, waarmee letters, cijfers en symbolen aan het bord kunnen worden toegevoegd. Gebruikers kunnen hiermee eenvoudig verschillende functies en componenten op het bord identificeren en begrijpen.
Hoe wordt een PCB geproduceerd: Stapsgewijs overzicht
Stap 1: Begin met ontwerp
Ontwerpers gebruiken PCB-ontwerpsoftware om het uiterlijk en de functionaliteit van printplaten te ontwerpen, inclusief sporenlagen, componenten en andere relevante informatie.
Stap 2: Maak een film
Print het PCB-ontwerp met een speciale printer.
Stap 3: Afdrukken in de lagen
In deze stap worden koperlagen aan de zijkanten van het substraat gehecht en wordt het printplaatontwerp op een koperlaag afgedrukt. Voeg lichtgevoelige film (fotoresist) toe aan het paneel.
Stap 4: Ets overtollig koper
Het overtollige koper wordt weggeëtst met een chemische oplossing en het benodigde koper wordt beschermd tegen corrosie met een uitgeharde fotoresist.
Stap 5: Uitlijning en laminering
Lijn alle lagen uit en lamineer ze. Vanaf deze stap kunnen fouten in de binnenste lagen niet meer worden gecorrigeerd. Daarom is het belangrijk om AOI (automated optical inspection) uit te voeren om te bevestigen dat er geen fouten zijn.
Stap 6: Boor
Boor gaten voor plating. Het wordt gebruikt om componenten te verbinden en koperlagen te verbinden.
Stap 7: Plating
Het galvanisatieproces is het samensmelten van verschillende lagen van een PCB door middel van chemicaliën. Na grondige reiniging wordt een dunne laag koper op het oppervlak afgezet tijdens het galvanisatieproces, en het koper komt ook in het meest recent geboorde gat.
Stap 8: Buitenste laag weerstaan
Een fotoresist wordt op een paneel aangebracht om de buitenste laag op een printplaat af te beelden, op dezelfde manier als de binnenste laag wordt afgebeeld.
Stap 9: Tweede plating
Een laag koperplating is ook vereist. Beginnend met de vorige koperplating, wordt een laag tin aangebracht om te voorkomen dat het gewenste koper wordt weggeëtst.
Stap 10: Ets het overtollige koper definitief af
Het ongewenste koper wordt verwijderd met een chemische oplossing, en het tin beschermt in dit stadium het benodigde koper.
Stap 11: Soldeermaskercoating
Nadat de printplaat is schoongemaakt, wordt het soldeermasker aan beide kanten bedekt en bestraald met een UV-lamp. Ultraviolet licht gaat door de fotofilm van het soldeermasker en het niet-uitgeharde deel wordt verwijderd.
Stap 12: Oppervlakteafwerking
Op printplaten wordt een laagje goud of zilver aangebracht om oxidatie van de koperen pads te voorkomen en om een glad oppervlak te creëren waarop componenten gesoldeerd kunnen worden.
Stap 13: Zeefdruk
Het printplaat ontvangt inkjet-schrijfsels op het oppervlak, die worden gebruikt om relevante informatie aan te geven. De PCB gaat uiteindelijk de laatste coating- en uithardingsfase in.
Stap 14: Elektrische test
Voer ten slotte elektrische tests uit op de PCB. Dit is voornamelijk om te detecteren of de functies van de printplaat normaal kunnen worden gebruikt.
Veelvoorkomende soorten printplaten
Enkellaagse printplaten
Enkelzijdige PCB, één kant is de geleidende koperlaag en de andere kant is voor elektronische componenten. Dit type printplaat is goedkoop, snel te produceren en eenvoudig te ontwerpen.
Dubbellaagse PCB's
Een dubbelzijdige PCB is een substraat met geleidende koperlagen aan beide kanten, en de componenten aan beide kanten zijn verbonden door gaten. Het heeft bredere toepassingen en kan meer geavanceerde circuits implementeren. Het werkt goed met geavanceerde elektronische systemen.
Meerlagige printplaten
Multilayer PCB's bestaan uit drie of meer geleidende lagen die door een overeenkomstig aantal substraten worden gescheiden en vervolgens aan elkaar worden gelamineerd. Omdat multilayer PCB's meer lagen hebben, kunnen ze meer componenten en complexe circuits bedienen in een kleiner gebied. Vanwege de uitstekende prestaties wordt het veel gebruikt in lucht- en ruimtevaartsystemen, defensiesystemen en medische apparaten.
Flexibele printplaten
Het substraat van Flex PCB's is flexibel, meestal polyamide, en kan enkelvoudig, dubbel of zelfs meerlaags zijn. Het voordeel van Flex printed circuit boards is dat ze in de gewenste vorm gebogen kunnen worden zonder de draden te beschadigen en ruimte kunnen besparen. Deze boards zijn geschikt voor onregelmatig gevormde of trillingsbestendige toepassingen zoals draagbare elektronica.
Stijve printplaten
De substraten van Rigid PCB's zijn niet-buigbaar, vouwbaar en kunnen enkelvoudig, dubbel of meerlaags zijn. Deze borden kunnen niet worden gewijzigd nadat ze zijn vervaardigd. Ze zijn kosteneffectief en duurzamer dan andere printplaten. Ze zijn eenvoudig te repareren en onderhouden. Rigid PCB's worden vaak gebruikt in alledaagse producten zoals computers en mobiele telefoons, evenals grote niet-draagbare medische apparaten.
Rigid-Flex-printplaten
Rigid-Flex PCB heeft voordelen van zowel de rigide printplaat als de flexibele printplaat. Het is niet alleen flexibel maar ook stevig, waardoor de vorming van gevouwen of continu gebogen circuits mogelijk is. Ze bereiken hogere ruimtelijke prestaties door 3D-ontwerp, wat kan worden gebruikt in situaties waar er speciale vereisten zijn voor ruimte en gewicht, met name in de medische en lucht- en ruimtevaartsector.
PCB's met aluminium achterkant
Aluminium-backed PCB's bestaan uit een metalen basis en een met koperfolie bedekt laminaat. Ze zijn geschikt voor toepassingen met een hoog vermogen waarbij de aluminium constructie helpt warmte af te voeren en de elektronische componenten te koelen.
Dingen waar u rekening mee moet houden bij het kiezen van een PCB
Aangezien er talloze soorten PCB's zijn, hoe maken we de juiste selectie? De volgende aspecten zijn de cruciale punten om te overwegen bij het selecteren van geschikte printed circuit boards.
Materialen
PCB-borden worden meestal gemaakt van FR4 (glasvezelversterkte epoxyhars) vanwege de goede isolatie en duurzaamheid. Als de borden speciale vereisten hebben, kunnen andere substraten worden geselecteerd.
Lagen
Enkellaagse printplaten bevatten minder componenten, dubbelzijdige printplaten bieden ruimte aan meer componenten en meerlaagse printplaten worden gebruikt voor complexe elektronische schakelingen.
Grootte
De grootte van het bord is afhankelijk van de grootte van het apparaat. Er is voldoende ruimte voor alle componenten, maar het bord is niet te vol.
Kostenoverweging
Bij het kiezen van materialen zijn kosten een belangrijk aspect om te evalueren. Factoren zoals ontwerpcomplexiteit, aantal lagen en speciale materialen hebben allemaal invloed op de prijs.
Top 6 toepassingen van PCB
PCB heeft een zeer grote schaal van toepassing in veel industrieën en gebieden. Hier introduceren we voornamelijk 6 veelvoorkomende toepassingen:
LED-toepassing
LED's zijn een belangrijk type verlichting vanwege hun compacte formaat, lange levensduur en hoge energie-efficiëntie. PCB's en LED-technologie werken samen om warmte van de lamp af te voeren en de levensduur van de LED te verlengen. Printplaten die in LED's worden gebruikt, meestal gemaakt van aluminium, hebben een sterke thermische geleidbaarheid.
Medische toepassing
Met de vooruitgang van PCB-technologie worden er steeds meer printplaten gebruikt in de medische industrie. Printplaten zijn belangrijke componenten in apparaten die worden gebruikt voor diagnose, monitoring, behandeling en meer. In medische toepassingen zijn dit gezondheidsgerelateerde producten die moeten voldoen aan de eisen voor herhaalbaarheid en betrouwbaarheid.
Toepassing consumentenelektronica
De producten die we dagelijks gebruiken, zoals mobiele telefoons, computers, huishoudelijke apparaten en andere consumentenelektronica, hebben allemaal de ondersteuning van printplaten nodig om goed te kunnen functioneren. Er worden steeds meer printplaten aan producten toegevoegd en ons dagelijks leven is er ook onlosmakelijk mee verbonden.
Automotive applicatie
Vroeger werden printplaten alleen gebruikt voor koplampschakelaars en ruitenwissers in auto's. Tegenwoordig gebruiken autofabrikanten steeds meer elektronische componenten in de auto's, zoals entertainment- en navigatiesystemen, controlesystemen en sensoren.
Lucht- en ruimtevaarttoepassingen
De lucht- en ruimtevaartindustrie gebruikt ook een groot aantal printplaten, maar de materialen die worden gebruikt om printplaten te produceren, moeten bestand zijn tegen trillingen, extreme temperaturen en andere zware omstandigheden. Deze printplaten worden vaak gebruikt in voedingen, bewakingsapparatuur en communicatieapparatuur.
Militaire toepassing
Het leger maakt uitgebreid gebruik van printplaten, die u kunt vinden in communicatieapparatuur, computers, voertuigen en vuurwapens. Het leger loopt vaak voorop in de technologie en sommige van de meest geavanceerde toepassingen van printplaten zijn ook voor militaire en defensietoepassingen.
De nieuwste trends in de productie van printplaten
3D afdrukken
Een nieuwe trend in de productie van printplaten is het gebruik van 3D-printen. Het kan de zeer complexe printplaten produceren met weinig afval, tijd en kosten in vergelijking met de andere methoden. 3D-printen verkort de tijd die nodig is om de productie van producten te voltooien, zodat producten sneller op de markt worden gebracht. Het is ook een wenselijke oplossing voor aangepaste massaproductie van PCB's.
Kunstmatige intelligentie (AI)
AI heeft zich geleidelijk ontwikkeld in alle lagen van de bevolking. In PCB-productie kan AI helpen de kwaliteit te verbeteren en de productietijd te verkorten, waardoor de mate van automatisering in de productie toeneemt. Fabrikanten kunnen AI gebruiken om gegevens te analyseren in elke stap van het proces en het hele proces te optimaliseren.
IoT in PCB's
De ontwikkeling van het Internet of Things heeft ook de ontwikkeling van de printed circuit board-industrie verder bevorderd. Fabrikanten hebben kleinere, krachtigere printplaten ontworpen die passen bij kleinere producten. Deze producten zijn kleiner, flexibeler en bieden tegelijkertijd hogere prestaties.
Duurzame ontwikkeling
Met de wereldwijde push voor groene productie is duurzame productie van printplaten een belangrijk punt voor de toekomst van productie. Enkele van de conventionele materialen die worden gebruikt bij de productie van printplaten omvatten metalen en chemicaliën die schadelijk zijn voor het milieu en niet gemakkelijk kunnen worden gerecycled. Onderzoek en innovatie in recyclebare materialen voor PCB-productie is een belangrijk innovatiepunt voor de toekomst.
Conclusie
PCB's bestaan uit geleidende koperen routes die geëtst zijn op een isolerend substraat. Ze zijn in de loop der jaren geëvolueerd en nu zijn de boards complex en krachtig. Ze zijn geschikt voor verschillende hightech elektronische apparaten. Zo kunnen geavanceerde printplaten de ontwikkeling van de elektronische industrie stimuleren. In de toekomst moeten PCB's ook de technologische ontwikkelingen volgen en dienovereenkomstig updaten.
