AlegsaOnline.com

Tiskana vezja (PCB): definicija, načelo delovanja in uporaba

Tiskana vezja (PCB): jasna definicija, načelo delovanja, materiali in vrste (vključno s prilagodljivimi) ter praktične uporabe v računalnikih, telefonih in DIY projektih.

Avtor: Leandro Alegsa Datum ustvarjanja: 30. avgust 2021 Zadnja posodobitev: 17. november 2025

simple.wikipedia.org · Public domain

Plošča s tiskanim vezjem (PCB) je plošča, izdelana za povezovanje elektronskih komponent. Danes se uporabljajo v skoraj vseh računalnikih in elektroniki.

Kartica je izdelana iz materiala, ki ne prevaja elektrike, običajno iz steklenih vlaken. Običajno je baker jedkan (v tankih črtah) znotraj plošče med plastmi steklenih vlaken ali na površini plošče. Tako gre elektrika samo tja, kamor je treba.

Elektronske komponente so nato na to ploščo pritrjene s pomočjo kovine, ki prevaja elektriko. Kovina, ki je vtisnjena v ploščo, omogoča, da elektrika potuje od ene komponente do druge v električnih vezjih.

Plošče imajo lahko veliko različnih delov, ki so med seboj povezani in delujejo skupaj. Najpogostejša vezja so izdelana v velikem številu za določeno nalogo, na primer za delovanje računalnika, mobilnega telefona ali televizorja. Nekatera tiskana vezja so narejena preprosto, tako da lahko vsakdo sam sestavi svoje za novo električno nalogo. Večina stvari, ki uporabljajo elektriko, ima v sebi vsaj eno ploščico, ki skrbi za njihovo delovanje.

Prilagodljiva vezja so tista, ki so izdelana iz dovolj tankega in ustreznega materiala, da se lahko upogibajo (upogibajo).

Iz česa je sestavljena PCB

Tipična tiskana vezja vsebuje več glavnih elementov:

Podlaga (substrat): običajno epoksidno stekleno vlakno (oznaka FR-4) ali fleksibilni poliimid pri prilagodljivih ploščah; to je izolirni material, ki daje plošči mehansko trdnost.
Baker: tanek sloj bakra na površini ali med plastmi, iz katerega so narejene vodnike (sledovi).
Sledovi (traces): jedkani bakreni kanali, ki vodijo tok med komponentami.
Premaz za spajkanje (solder mask): barvni zaščitni sloj, ki preprečuje naključne kratke stike in ščiti bakrene sledove.
Silkscreen: tisk bele ali druge barve, ki označuje položaje komponent, oznake in simbole.

Vrste tiskalnih vezij

Najpogostejše vrste:

Enostranske (single-sided) — bakren sloj na eni strani; preproste in poceni.
Dvostransske (double-sided) — bakar na obeh straneh; omogočajo več povezav in uporabo prehodnih lukenj (via).
Večplastne (multilayer) — več bakrenih plasti znotraj izolacijskih slojev; uporabljajo se v kompleksni elektroniki (računalniki, komunikacije).
Fleksibilne (flex) — narejene iz upogljivega materiala; primerne za upogibanje in prostorske omejitve.
Rigid-flex — kombinacija trdne in fleksibilne plošče v enem kosu za zahtevne aplikacije.

Načelo delovanja

PCB deluje kot mehanska podpora in električno vodilo za komponente. Trenutno poteka po bakrenih sledovih in prehodih (vias), ki usmerjajo tok med elementi, kot so upori, kondenzatorji, integrirana vezja in priključki. Ground plane (tla) in napajalne ravnine (power planes) zagotavljajo stabilno napajanje in zmanjšujejo motnje.

Glavni koraki izdelave

Postopek izdelave vključuje:

Načrtovanje (PCB layout) v programski opremi (CAD), kjer se postavijo komponente in sledovi.
Proizvodnja podlage in lepljenje plasti pri večplastnih ploščah.
Vrtanje lukenj za prehode in priključke.
Elektrolitično nanašanje bakra in jedkanje za oblikovanje sledov.
Nanos solder mask in tisk silkscreena.
Končno obdelava (surface finish) za zaščito bakra in izboljšanje spajkanja (npr. HASL, ENIG).
Sestava komponent — ročno ali avtomatsko (pick-and-place), spajkanje (reflow ali wave).
Preizkušanje električnih povezav in vizualni pregled (AOI).

Namestitev komponent

Komponente se lahko pritrdijo na dva načina:

Through-hole — komponente imajo nogice, ki se vstavijo skozi ploščo in spajkajo na nasprotni strani; primerne za mehansko obremenjene dele.
Surface-mount (SMD) — komponente se spajkajo neposredno na površino plošče; omogočajo manjše dimenzije in avtomatsko montažo.

Varnost, testiranje in standardi

Proizvajalci in oblikovalci upoštevajo standarde (npr. IPC), ki določajo kakovost, dimenzije in postopke. Testi vključujejo električne preizkuse (kratki stiki, odprte povezave), preizkus delovanja in pregled kakovosti spajk (X-ray za BGA komponente). Pri sestavi je pomembno upoštevanje pravil ESD (elektrostatična razelektritev), da ne pride do poškodb občutljivih komponent.

Toplotno upravljanje

Visoko zmogljive plošče zahtevajo upravljanje toplote: uporaba toplotnih padov, termalnih via, hladilnih teles ali bakrenih ravnin pomaga odvajati toploto in preprečiti pregrevanje komponent.

Uporaba in primeri

PCB se uporabljajo praktično povsod: v potrošni elektroniki (računalniki, mobilnih telefonih, televizorjih), medicinski opremi, avtomobilski industriji, telekomunikacijah, letalski in vojaški tehnologiji ter v industrijski avtomatizaciji. Kompleksne večplastne plošče omogočajo visoko gostoto vezij in hiter prenos podatkov.

Prototipiranje in recikliranje

Za razvoj izdelkov se pogosto uporablja hitro prototipiranje enostranskih ali dvostransskih plošč, pa tudi storitve za hitro izdelavo večplastnih PCB. Pri odstranjevanju izdelanih plošč je pomembno pravilno ravnanje zaradi okolju škodljivih snovi in kovin; recikliranje bakra in drugih materialov je priporočljivo, kjer je mogoče.

Če želite nadaljnje informacije o oblikovanju PCB, orodjih za načrtovanje ali dobaviteljih, vam lahko pripravim seznam virov ali korake za začetno vezje po meri.

Zgodovina

Tiskana vezja so nastala iz sistemov električnih povezav, ki so jih uporabljali v petdesetih letih 19. stoletja. Prvotno so za povezavo velikih električnih komponent, nameščenih na lesenih podstavkih, uporabljali kovinske trakove ali palice. Kasneje so kovinske trakove nadomestile žice, povezane z vijačnimi sponkami, lesene podlage pa so zamenjali kovinski okvirji. To je omogočilo, da so bile stvari manjše, kar je bilo potrebno, saj so vezja postajala vse bolj zapletena z več deli. Thomas Edison je preizkušal metode uporabe kovin na lanenem papirju. Arthur Berry je leta 1913 v Veliki Britaniji patentiral metodo tiskanja in jedkanja. Leta 1925 je Charles Ducas iz Združenih držav Amerike razvil metodo z uporabo galvanizacije. Električno pot je ustvaril neposredno na izolirani površini tako, da je prek šablone (oblika, izrezana v ploščo ali papir) tiskal s posebnim črnilom, ki je lahko prevajalo elektriko, tako kot žice. Ta metoda se je imenovala "tiskana napeljava" ali "tiskano vezje".

Leta 1943 je Avstrijec Paul Eisler, ki je delal v Združenem kraljestvu, patentiral metodo jedkanja prevodnega vzorca ali vezja na plast bakrene folije, pritrjene na trdo podlago, ki ni prevajala elektrike. Eislerjevo tehniko je opazila ameriška vojska in jo začela uporabljati v novem orožju, vključno z bližnjimi varovalkami v drugi svetovni vojni. Njegova zamisel je postala zelo uporabna v petdesetih letih prejšnjega stoletja, ko je bil uveden tranzistor. Do takrat so bile vakuumske elektronke in druge komponente tako velike, da so bile potrebne le tradicionalne metode montaže in ožičenja. Z uvedbo tranzistorjev pa so komponente postale zelo majhne in proizvajalci so morali uporabljati plošče s tiskanim vezjem, da so bile lahko tudi povezave majhne.

Ameriško podjetje Hazeltine je leta 1961 patentiralo tehnologijo ploskovnih lukenj in njeno uporabo v večplastnih tiskanih vezjih. To je omogočilo veliko bolj zapletene plošče s komponentami, ki so bile nameščene tesno druga ob drugi. V sedemdesetih letih prejšnjega stoletja so se pojavili čipi integriranih vezij, te komponente pa so bile hitro vključene v tehnike načrtovanja in izdelave tiskanih vezij. Danes ima lahko tiskano vezje v nekaterih aplikacijah tudi do 50 plasti.

Tehnologija površinske montaže je bila razvita v šestdesetih letih prejšnjega stoletja in se je začela široko uporabljati konec osemdesetih let.

Oblikovanje

Glavna naloga pri načrtovanju tiskanega vezja je ugotoviti, kam bodo nameščene vse komponente. Običajno obstaja načrt ali shema, ki se spremeni v tiskano vezje. Standardno tiskano vezje ne obstaja. Vsaka plošča je zasnovana za svojo uporabo in mora biti prave velikosti, da ustreza potrebnemu prostoru. Oblikovalci tiskanih vezij uporabljajo programsko opremo za računalniško podprto načrtovanje, da na ploščo razporedijo zasnove vezij. Razmiki med električnimi potmi so lahko 0,04 palca (1,0 mm) ali manjši. Določijo se tudi mesta lukenj za vodnike komponent ali kontaktne točke. Ko je vzorec vezja postavljen, se na prozorno plastično folijo natisne negativna slika točne velikosti. Pri negativni sliki so območja, ki niso del vzorca vezja, prikazana s črno barvo, vzorec vezja pa je jasen. S prozornih območij se nato odstrani kovina, običajno s kemikalijami. Ta zasnova se pretvori v navodila za računalniško krmiljen vrtalni stroj ali za samodejno spajkalno pasto, ki se uporablja v proizvodnem procesu.

Proizvodnja

Kartica je izdelana iz zunanjih plasti bakra. Nezaželeni baker se odstrani, tako da ostanejo bakrene žice, ki bodo povezovale elektronske komponente. Komponente se namestijo na ploščo in se stikajo z žicami.

Fotorezist

Plošče tiskanih vezij so včasih izdelane s fotolitografijo. Prevleka, imenovana fotorezist, reagira s svetlobo, nato pa se tiskano vezje in prevleka vstavita v razvijalec. Ta metoda je draga na ploščo, vendar je na začetku zelo poceni.

Sitotisk

Obstajajo različni načini izdelave tiskanega vezja. Nekatera profesionalno izdelana vezja uporabljajo drugačno metodo za odstranjevanje dodatnega bakra z vezja. Uporablja se postopek, imenovan sitotisk. Pri sitotisku se tkanina napne čez okvir. Nato se na tkanino natisne slika. Nato se skozi tkanino vtisne črnilo. Črnilo ne gre na mesto, kjer je bila slika natisnjena na tkanino. Tiskanje se imenuje sitotisk, ker je tkanina običajno svilena. Tkanina je običajno svilena, ker ima zelo majhne luknjice. s sitotiskom se na ploščo natisne črnilo, ki se imenuje rezist. Upor je črnilo, ki se upira jedkalni sredici, uporabljeni za izdelavo tiskanega vezja. Jedkalo raztopi baker na ploščici. Ta način je za vsako ploščo cenejši kot fotorezist, vendar je na začetku dražji.

Rezkanje

Drugi način izdelave tiskanega vezja je uporaba mlina. Mlin je vrtalnik, ki se premika v več smereh. Vsakič, ko se premakne po plošči, odstrani majhno količino bakra. Mlinček odstrani baker okoli žic na ploščici. Tako na ploščici ostane dodaten baker. Pri drugih metodah dodatni baker na ploščici ne ostane. Ta metoda je cenejša na ploščo, vendar je oprema za njeno izdelavo draga. Ta metoda se ne uporablja pogosto, ker sta drugi dve metodi lažji.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je tiskano vezje?

O: Plošča s tiskanim vezjem (PCB) je plošča, narejena za povezovanje elektronskih komponent.

V: Za kaj se uporabljajo tiskana vezja?

O: Plošče tiskanih vezij se danes uporabljajo v skoraj vseh računalnikih in elektroniki.

V: Iz česa je izdelano tiskano vezje?

O: "Kartica" je izdelana iz materiala, ki ne prevaja elektrike, običajno iz steklenih vlaken.

V: Kako tiskano vezje omogoča, da elektrika potuje od ene komponente do druge v električnih vezjih?

O: Običajno je baker jedkan (v tankih črtah) znotraj plošče med plastmi steklenih vlaken ali na površini plošče. Kovina, ki je vtisnjena v ploščo, omogoča, da elektrika potuje od ene komponente do druge v električnih tokokrogih.

V: Kaj so upogljive plošče z vezjem?

O: Prilagodljiva vezja so tista, ki so izdelana iz dovolj tankega in ustreznega materiala, da se lahko upogibajo (upogibajo).

V: Kaj so toge in fleksibilne plošče?

O: Trdno-gibne plošče so plošče, ki združujejo lastnosti togih in upogljivih plošč, ki so na nekaterih mestih trde, na drugih pa upogljive.

V: Ali ima večina stvari, ki uporabljajo elektriko, v sebi vsaj eno ploščo s tiskanim vezjem?

O: Da, večina stvari, ki uporabljajo elektriko, ima v sebi vsaj eno ploščo s tiskanim vezjem, ki omogoča njihovo delovanje.