Наша жизнь окружена различными электронными устройствами, и когда мы их разбираем, мы часто находим зеленые платы, известные как печатные платы (PCB). Они используются практически во всех электронных продуктах и аксессуарах, таких как аэрокосмические устройства, медицинское оборудование, мобильные телефоны, компьютеры и т. д. Поскольку печатные платы широко используются везде, как много вы о них знаете? Это окончательное руководство для начинающих, чтобы узнать, что такое печатные платы, как они изготавливаются и каковы их общие области применения.
Что такое печатная плата? Почему она полезна?
Печатные платы — это платы, которые изготавливаются из непроводящих материалов с проводящими следами, вытравленными или напечатанными на поверхности проводящего слоя, чтобы обеспечить работу установленных электронных компонентов. Непроводящий слой обычно изготавливается из FR4 и полиимида, с изоляцией, гидроизоляцией и устойчивостью. Проводящий слой обычно изготавливается из меди с высокой электропроводностью.
Изобретение печатных плат помогло решить проблемы сложных, громоздких и хрупких схем. Таким образом, схемы можно собрать на плате, что делает их компактными, эффективными и менее подверженными поломкам. Производство печатных плат следует процедурам, которые обеспечивают массовое производство, гарантируя при этом постоянную производительность и качество.
История и эволюция печатных плат
Этап посвящения: 1850-1900 гг.
С популяризацией электричества, появлением телефонов и лампочек была заложена основа для технологического развития печатных плат.
Стадия развития:1900-1950
Большое количество телефонов в Соединенных Штатах требовало от людей менять телефонные соединения. В 1903 году Альберт Хансон из Германии запатентовал первое устройство на основе печатной платы для использования в телефонных системах.
В 1925 году Шарль Дюкас напечатал схему на изолированной подложке, а затем создал проводники, используемые для электропроводки, с помощью гальванопластики. Это означает, что печатная плата действительно родилась.
В 1941 году изобретатель Эйслер представил концепцию печатной платы, которая использовала медную фольгу на непроводящей стеклянной основе. Она считается первой современной печатной платой.
Стадия быстрого развития: 1950-2000 гг.
Американцы хотели исследовать космос после Второй мировой войны. Печатные платы сделали возможным исследование космоса. Печатные платы легкие, потребляют меньше энергии и более эффективны при выполнении очень сложных задач.
Стадия зрелости:2000 и позже
Начиная с 2000-х годов, стремительный технологический прогресс обусловил эволюцию печатных плат. Они становятся сложнее, меньше и легче, что делает их широко используемыми в различных отраслях, включая умные дома, беспилотные автомобили и искусственный интеллект.
4 основных слоя печатной платы
Печатная плата состоит как минимум из следующих четырех слоев. Если у печатной платы больше функций, требуется больше слоев.
Запечатываемый материал слой
Подложка — это базовая структура печатной платы, которая служит как для изоляции, так и для физической прочности. Обычно она изготавливается из FR-4 или другого недорогого изолирующего жесткого материала. FR-4 предпочтительнее из-за его эффективности и простоты недорогого массового производства. Кроме того, также возможно использовать гибкие подложки (часто пластиковые) для складывания и связывания в зависимости от конкретного сценария использования.
Медный слой
Проводящий слой обычно относится к тонкой медной фольге, которая связана с подложкой. В печатной плате медный слой является проводящей дорожкой, которая служит для передачи электронного сигнала.
Слой паяльной маски
Обычно слой паяльной маски непроводящий и используется для покрытия печатной платы, что придает плате зеленый цвет, возможны и другие цвета. Слой паяльной маски находится поверх меди и изолирует медь от соприкосновения с другими элементами.
Слой шелкографии
Слой шелкографии — это последний слой печатной платы, который позволяет добавлять на плату буквы, цифры и символы. Пользователям легко идентифицировать и понимать различные функции и компоненты на плате.
Как изготавливается печатная плата: пошаговый обзор
Шаг 1: Начните с дизайна
Проектировщики используют программное обеспечение для проектирования печатных плат, чтобы проектировать внешний вид и функциональность печатных плат, включая слои трассировки, компоненты и другую соответствующую информацию.
Шаг 2: Создайте фильм
Используя специальный принтер, распечатайте проект печатной платы.
Шаг 3: Распечатайте слои
На этом этапе медные слои приклеиваются к сторонам подложки и печатается дизайн печатной платы на медном слое. Добавьте светочувствительную пленку (фоторезист) на панель.
Шаг 4: Протравить излишки меди
Избыток меди вытравливается химическим раствором, а необходимая медь защищается от коррозии закаленным фоторезистом.
Шаг 5: Выравнивание и ламинирование
Выровняйте и ламинируйте все слои вместе. Начиная с этого шага, ошибки во внутренних слоях не могут быть исправлены. Поэтому важно выполнить AOI (автоматизированный оптический контроль), чтобы убедиться в отсутствии ошибок.
Шаг 6: сверление
Сверление отверстий для гальванизации. Используется для соединения компонентов и соединения медных слоев.
Шаг 7: покрытие
Процесс гальванопокрытия заключается в сплавлении различных слоев печатной платы посредством химикатов. После тщательной очистки в процессе гальванопокрытия на поверхность наносится тонкий слой меди, который также попадает в последнее просверленное отверстие.
Шаг 8: Внешний слой резиста
Фоторезист наносится на панель для формирования изображения внешнего слоя на печатной плате аналогично тому, как формируется изображение внутреннего слоя.
Шаг 9: Второе покрытие
Также требуется слой медного покрытия. Начиная с предыдущего медного покрытия, наносится слой олова, чтобы предотвратить вытравливание любой желаемой меди.
Шаг 10: Окончательное травление излишков меди
Ненужную медь удаляют с помощью химического раствора, а олово защищает необходимую медь на этом этапе.
Шаг 11: Нанесение паяльной маски
После очистки платы паяльная маска покрывается с двух сторон и облучается ультрафиолетовым светом. Ультрафиолетовый свет проходит через фотопленку паяльной маски, и незатвердевшая часть удаляется.
Шаг 12: Обработка поверхности
Покрытие плат золотом или серебром наносится для предотвращения окисления медных контактных площадок и обеспечения гладкой поверхности для пайки компонентов.
Шаг 13: Шелкография
Печатная плата получает струйные надписи на своей поверхности, которые используются для указания соответствующей информации. Наконец, печатная плата переходит к этапу окончательного покрытия и отверждения.
Шаг 14: Электрические испытания
Наконец, выполните электрическое тестирование печатной платы. Это делается в основном для того, чтобы определить, могут ли функции печатной платы использоваться нормально.
Распространенные типы печатных плат
Однослойные печатные платы
Односторонняя печатная плата, одна сторона — проводящий медный слой, а другая — для электронных компонентов. Этот тип печатной платы недорог, быстр в производстве и прост в проектировании.
Двухслойные печатные платы
Двусторонняя печатная плата представляет собой подложку с проводящими медными слоями с обеих сторон, а компоненты с обеих сторон соединены через отверстия. Она имеет более широкое применение и может реализовывать более сложные схемы. Она хорошо работает с передовыми электронными системами.
Многослойные печатные платы
Многослойные печатные платы состоят из трех или более проводящих слоев, разделенных соответствующим числом подложек, а затем ламинируются вместе. Поскольку многослойные печатные платы имеют больше слоев, они могут обслуживать больше компонентов и сложных схем на меньшей площади. Благодаря своим превосходным характеристикам они широко используются в аэрокосмических системах, оборонных системах и медицинских устройствах.
Гибкие печатные платы
Подложка Flex PCBs гибкая, обычно полиамидная, и может быть однослойной, двухслойной или даже многослойной. Преимущество Flex печатных плат в том, что их можно сгибать до нужной формы, не повреждая провода, и они экономят место. Эти платы подходят для нестандартных по форме или виброустойчивых приложений, таких как носимая электроника.
Жесткие печатные платы
Подложки жестких печатных плат не гнутся, складываются и могут быть однослойными, двухслойными или многослойными. Эти платы не могут быть изменены после их изготовления. Они экономичны и более долговечны, чем другие печатные платы. Их легко ремонтировать и обслуживать. Жесткие печатные платы обычно используются в повседневных продуктах, таких как компьютеры и сотовые телефоны, а также в крупных стационарных медицинских устройствах.
Жесткие гибкие печатные платы
Жестко-гибкая печатная плата имеет преимущества как жесткой, так и гибкой печатной платы. Она не только гибкая, но и прочная, что позволяет формировать сложенные или непрерывно изогнутые схемы. Они достигают более высокой пространственной производительности за счет 3D-дизайна, который может использоваться в ситуациях, когда существуют особые требования к пространству и весу, особенно в медицинской и аэрокосмической областях.
Печатные платы с алюминиевой подложкой
Печатные платы с алюминиевой подложкой состоят из металлической основы и покрытого медной фольгой ламината. Они подходят для приложений с высокой мощностью, где алюминиевая конструкция помогает рассеивать тепло и охлаждать электронные компоненты.
Что необходимо учитывать при выборе печатной платы
Поскольку существует множество видов печатных плат, как нам сделать правильный выбор? Следующие аспекты являются решающими моментами, которые следует учитывать при выборе подходящих печатных плат.
Материалы
Печатные платы обычно изготавливаются из FR4 (эпоксидная смола, армированная стеклом) из-за хорошей изоляции и долговечности. Если платы имеют особые требования, можно выбрать другие подложки.
Слои
Однослойные платы содержат меньше узлов, двухсторонние платы позволяют размещать больше компонентов, а многослойные платы используются для сложных электронных схем.
Размер
Размер платы зависит от размера устройства, на ней должно быть достаточно места для всех компонентов, но при этом не должно быть слишком тесно.
Рассмотрение стоимости
Когда мы выбираем материалы, стоимость является важным аспектом для оценки. Такие факторы, как сложность дизайна, количество слоев и специальные материалы, влияют на цену.
6 лучших применений печатных плат
PCB имеет очень большой масштаб применения во многих отраслях и областях. Здесь мы в основном представляем 6 распространенных применений:
Применение светодиодов
Светодиоды являются важным типом освещения из-за их компактного размера, длительного срока службы и высокой энергоэффективности. Печатные платы и светодиодные технологии работают вместе, чтобы отводить тепло от лампочки и увеличивать срок службы светодиода. Печатные платы, используемые в светодиодах, обычно изготавливаются из алюминия и обладают высокой теплопроводностью.
Медицинское применение
С развитием технологии печатных плат все больше и больше печатных плат используется в медицинской промышленности. Печатные платы являются важными компонентами в устройствах, используемых для диагностики, мониторинга, лечения и многого другого. В медицинских приложениях это продукты, связанные со здоровьем, которые должны соответствовать требованиям повторяемости и надежности.
Применение бытовой электроники
Продукты, которые мы часто используем в нашей повседневной жизни, такие как мобильные телефоны, компьютеры, бытовая техника и другая потребительская электроника, требуют поддержки печатных плат для правильной работы. Все больше и больше печатных плат добавляются к продуктам, и наша повседневная жизнь также неотделима от них.
Автомобильное приложение
Раньше печатные платы использовались только для переключателей фар и стеклоочистителей в автомобилях. Теперь автопроизводители используют все больше электронных компонентов в автомобилях, таких как развлекательные и навигационные системы, системы управления и датчики.
Применение в аэрокосмической отрасли
В аэрокосмической промышленности также используется большое количество печатных плат, но материалы, используемые для производства плат, должны выдерживать вибрации, экстремальные температуры и другие суровые условия. Эти печатные платы обычно используются в источниках питания, устройствах мониторинга и коммуникационном оборудовании.
Военное применение
Военные широко используют печатные платы, которые можно найти в коммуникационном оборудовании, компьютерах, транспортных средствах и огнестрельном оружии. Военные часто находятся на передовой технологий, и некоторые из самых передовых применений печатных плат также предназначены для военных и оборонных приложений.
Последние тенденции в производстве печатных плат
3D печать
Новая тенденция в производстве печатных плат — использование 3D-печати. Она позволяет производить сложные печатные платы с небольшим количеством отходов, времени и затрат по сравнению с другими методами. 3D-печать сокращает время, необходимое для завершения производства продукции, благодаря чему продукция быстрее выводится на рынок. Это также желательное решение для массового производства печатных плат по индивидуальному заказу.
Искусственный интеллект (AI)
ИИ постепенно развился во всех сферах жизни. В производстве печатных плат ИИ может помочь улучшить качество и сократить время производства, увеличивая степень автоматизации в производстве. Производители могут использовать ИИ для анализа данных на каждом этапе процесса и оптимизировать весь процесс.
Интернет вещей в печатных платах
Развитие Интернета вещей также способствовало дальнейшему развитию индустрии печатных плат. Производители разрабатывают более мелкие и мощные платы для установки в более мелкие продукты. Эти продукты меньше, более гибкие и в то же время предлагают более высокую производительность.
Устойчивое развитие
С глобальным толчком к зеленому производству устойчивое производство печатных плат является ключевым моментом для будущего производства. Некоторые из традиционных материалов, которые используются в производстве печатных плат, включают металлы и химикаты, которые опасны для окружающей среды и нелегко перерабатываются. Исследования и инновации в области перерабатываемых материалов для производства печатных плат являются ключевым инновационным моментом для будущего.
Заключение
Печатные платы состоят из проводящих медных дорожек, вытравленных на изолирующей подложке. Они развивались на протяжении многих лет, и теперь платы являются сложными и высокопроизводительными. Они подходят для различных высокотехнологичных электронных устройств. Таким образом, передовые печатные платы могут подтолкнуть развитие электронной промышленности. В будущем печатные платы также должны будут следовать технологическим разработкам и обновляться соответствующим образом.
