Что такое печатная плата? Печатная плата (PCB), также известная как печатная схема, представляет собой носитель для электрического соединения электронных компонентов, выполняющий функцию ретранслятора, поэтому её называют «матерью электронных изделий».
В современном электронном производстве печатная плата является основой технологии SMT. Суть технологии SMT заключается в точном размещении различных компонентов, таких как резисторы, конденсаторы и чипы BGA, на определенных контактных площадках печатные платы. Это требует, чтобы расположение и размеры контактных площадок на печатные платы строго соответствовали корпусам компонентов, используемых в SMT. Например, для резистора спецификации 0402 размер соответствующей контактной площадки должен составлять 0,4 мм × 0,2 мм. Только при соблюдении таких требований совместимости можно обеспечить бесперебойное выполнение процесса SMT и качество конечного продукта.
В то же время технология SMT придает печатные платы более высокую ценность. Благодаря технологии SMT компоненты могут быть размещены с высокой плотностью на обеих сторонах печатные платы. Такой способ монтажа с высокой плотностью в значительной степени способствует развитию электронных устройств в направлении миниатюризации. Возьмем, к примеру, материнскую плату мобильного телефона: именно благодаря процессу SMT чип BGA устанавливается на печатную плату, что позволяет реализовать «бесконтактное» соединение с высокой плотностью, а значит, интегрировать больше функций в ограниченном пространстве, повышая общую производительность и конкурентоспособность электронного устройства.
Печатная плата подразделяются на следующие три основных типа:
1.Односторонние печатные платы
Односторонние печатные платы (Single-Sided Boards) В базовой печатная плата компоненты сосредоточены на одной стороне, а проводники — на другой (при наличии поверхностно-монтируемых компонентов они находятся на одной стороне, а при использовании компонентов для вставной монтажи — на другой) . Поскольку проводники находятся только на одной стороне, такая печатная плата называется односторонней (Single-sided). Из-за множества строгих ограничений при проектировании трассировки (поскольку есть только одна сторона, проводники не могут пересекаться и должны проходить по отдельным траекториям), такие платы использовались только в ранних схемах.
2.двухсторонние печатные платы
Отличительной особенностью двухсторонних печатных плат (Double-Sided Boards) является то, что схема размещается на обеих сторонах, но для обеспечения электрической связи между проводками на обеих сторонах требуется специальная структура межслойного соединения. Такое соединение называется переходным отверстием (Via) — это микроскопическое металлизированное сквозное отверстие, проделанное в материале печатные платы, которое образует канал для электрической связи между двумя сторонами посредством гальванического покрытия или заполнения проводящим материалом.
По сравнению с односторонними платами, площадь доступной для трассировки области у двусторонних плат увеличивается вдвое, что позволяет эффективно преодолеть ограничения односторонних плат, связанные с пересечением трасс — проектировщики могут развести пересекающиеся трассы на другую сторону через переходные отверстия, что значительно повышает сложность схемы. Благодаря этой особенности двусторонние платы стали основным носителем для электронных изделий средней сложности и широко используются в сценариях проектирования схем, требующих реализации большего количества функциональных модулей или взаимодействия сигналов.
3.Многослойная печатная плата
Многослойная печатная плата (Multilayer Boards) расширяют пространство для трассировки за счет наложения нескольких слоев проводящих трасс. Их структура обычно состоит из двухслойной платы в качестве внутреннего слоя и однослойной платы в качестве внешнего слоя (или двух внутренних слоев + двух внешних слоев), причем каждый слой поочередно прессуется с помощью системы позиционирования и изолирующего связующего материала, а также обеспечивает соединение проводящих рисунков в соответствии с проектными требованиями, образуя таким образом печатные платы с четырьмя, шестью и более слоями.
Следует отметить, что количество слоев платы не всегда полностью соответствует количеству независимых слоев трассировки — в особых случаях могут добавляться пустые слои для регулирования толщины платы, поэтому многослойная печатная плата обычно проектируются с четным количеством слоев (включая два самых внешних слоя).
В настоящее время основные печатная плата в основном имеют структуру от 4 до 8 слоев. Теоретически количество слоев печатные платы может достигать почти ста, но в практическом применении, хотя в крупных суперкомпьютерах когда-то широко использовались печатные платы с очень большим количеством слоев, с распространением технологий кластерных вычислений такие сверхмногослойные платы постепенно ушли с основного рынка. Поскольку слои печатные платы плотно соединены, количество слоев трудно определить невооруженным глазом, но по поперечному сечению платы можно примерно судить об этом.
Классификация и функции слоев печатная плата:
Сигнальные слои (Signal Layers)
Верхний слой (Top Layer) и нижний слой (Bottom Layer): используются для трассировки и размещения компонентов, являются основными проводящими слоями печатные платы.
Механические слои (Mechanical Layers)
Механический слой (Mechanical Layer): используется для определения габаритных размеров печатные платы, расположения монтажных отверстий и другой информации о механической конструкции; не обладает электрическими свойствами. Обычно можно создать до 16 механических слоев.
Слои трафаретной печати (Silkscreen Layers)
Top Overlay (верхний слой трафаретной печати) и Bottom Overlay (нижний слой трафаретной печати): используются для обозначения номеров компонентов, примечаний, логотипов и другой информации, необходимой для сборки; обычно имеют белый цвет и наносятся методом трафаретной печати.
Слои пасты (Paste Layers)
Top Paste (верхний слой пасты) и Bottom Paste (нижний слой пасты): используются для указания положения контактных площадок, на которые необходимо нанести пасту в процессе SMT (технологии поверхностного монтажа), являются ключевыми слоями для пайки поверхностного монтажа.
Слои сверления (Drill Layers)
Drill Grid (схема размещения отверстий) и Drill Drawing (чертеж отверстий): используются для предоставления информации о сверлении в процессе изготовления печатные платы, включая расположение и размеры отверстий для переходных отверстий, контактных площадок и т. д.
Слой запрета трассировки (Keep Out Layer)
Используется для определения границ печатные платы, пазов, вырезов и других зон, не предназначенных для трассировки, ограничивает область размещения проводов и компонентов, обеспечивая целостность и безопасность схемы.
Многослойный слой (Multi Layer)
Multi Layer — это абстрактный слой, используемый для представления путей электрических соединений компонентов, проходящих через всю печатную плату (например, контактные площадки для прямого монтажа, переходные отверстия и т. д.). Графические объекты на этом слое отображаются на всех проводящих слоях (за исключением слоя Plane) и обычно используются для определения металлизированных отверстий (PTH) или неметаллизированных отверстий (NPTH).
Как спроектировать печатную плату
Проектирование печатных плат является одним из этапов разработки аппаратного обеспечения продукта и представляет собой важную часть научно-исследовательской работы, связывающую проектирование схемных схем с изготовлением печатных плат. Процесс реализации проекта выглядит следующим образом:
1) В начале проекта необходимо проверить, имеются ли все необходимые материалы: включая схемные схемы, конструктивные чертежи, библиотеку корпусов, схемы прохождения сигналов для сложных продуктов, древовидные схемы питания, описания ключевых сигналов, значения тока питания, проектные требования и т. д.
2) Ввод проектной информации: включая импорт списка цепей (netlist) и схемы расположения компонентов. После импорта схемы расположения необходимо уделить особое внимание размерам отверстий для винтов и некоторых позиционирующих отверстий, запретным зонам для размещения компонентов и трассировки, зонам с ограничением высоты, а также расположению разъемов.
3) Расположение компонентов: на основе комплексного учета требований к качеству сигнала, электромагнитной совместимости (EMC), тепловому дизайну, технологичности (DFM), тестируемости (DFT), конструкции и безопасности, компоненты должны быть рационально размещены на поверхности платы. Основная идея компоновки, помимо ограничений, связанных со структурой, заключается в учету направления сигналов и питания.
4) Ограничения трассировки: ограничения трассировки в основном включают ширину линии, расстояние между линиями, равную длину и т. д. Некоторые правила требуют предварительного моделирования, например, длина линии, величина импеданса, топология, структура слоев и т. д.
5) Трассировка: Трассировка является наиболее трудоемким этапом проектирования печатных плат, и здесь необходимо учитывать множество факторов, таких как импеданс проводов, непрерывность опорной плоскости, ЭМС, SI/PI, DFM и т. д.
6) Экспертиза + проверка посредством пост-симуляции: После завершения трассировки требуется экспертиза и проверка со стороны опытных специалистов отдела, а также симуляция ключевых сигналов и источников питания.
7) Изготовление: После подтверждения правильности проекта печатные платы можно выводить файлы для фототравления и приступать к производству.
Печатная плата, являясь основным носителем электронных изделий, по своему уровню проектирования и изготовления напрямую определяет характеристики и надежность продукта. В будущем, с распространением технологий 5G, искусственного интеллекта, Интернета вещей и т. д., печатные платы будут развиваться в направлении увеличения количества слоев, уменьшения ширины линий и использования высокочастотных и высокоскоростных материалов (таких как PTFE с низкими потерями), при этом им необходимо будет соответствовать строгим стандартам сертификации в таких областях, как автомобильная электроника и медицинское оборудование.
