Leiterplatte Blog - Was ist PCB und der PCB-Entwurfsprozess

Was ist PCB? PCB, Vollname gedruckte Leiterplatte, ist der Eckstein und Blutlinie des Gebäudes moderner elektronischer Produkte, spielt eine unverzichtbare Rolle. Vom täglichen Trag von elektronischen Uhren können die Schüler nicht ohne den Rechner gehen, zum Büro des unverzichtbaren Computers, und dann mit der Welt der Kommunikations-elektronischen Ausrüstung verbunden, und sogar ein Symbol der militärischen Macht des Landes des militärischen Waffensystems, diese scheinbar unterschiedlichen, unterschiedlichen Funktionen der elektronischen Ausrüstung, in ihrer internen Struktur, sind unveränderlich in eine anspruchsvolle und komplexe Leiterplatte eingebettet.

Leiterplatten können in drei Hauptkategorien unterteilt werden: Flexible Printed Circuits (FPC), starre Leiterplatten und Rigid-Flexible PCBs (Rigid-Flex PCB).

FPC, oder Flexible Printed Circuit, ist für seine hohe Dichte Verkabelung, leichtes Gewicht, ultradünne und ausgezeichnete Biegeeigenschaften weithin anerkannt. Zum Beispiel verwendet eines unserer aktuellen Produkte FPC als Verkabelung, die für sein leichtes Gewicht und einfache Biegeeigenschaften geschätzt wird.

Rigid-Flex-Leiterplatten (Rigid-Flex-Leiterplatten) werden durch die Kombination einer flexiblen Leiterplatte mit einer starren Leiterplatte durch eine Reihe von Prozessen wie Laminieren hergestellt. Der Vorteil dieser elektronischen Platte besteht darin, dass sie die jeweiligen Vorteile von FPC- und PCB-Platten kombiniert, jedoch sind ihre Nachteile ebenso offensichtlich: komplexer Produktionsprozess, relativ niedriger Ertrag, Produktionsschwierigkeiten und relativ langer Produktionszyklus.

Klassifizierung von PCB

Klassifizierung nach Anzahl der Schichten und Kupferfolienverteilung

Je nach der Anzahl der Schichten Kupferfolie können Leiterplatten in einseitige Leiterplatten, doppelseitige Leiterplatten und mehrschichtige Leiterplatten unterteilt werden.

Single-Layer Boards: Drähte werden nur auf einer Seite bereitgestellt. Da die Verkabelung nur auf einer Seite beschränkt ist, gibt es viele Konstruktionsbeschränkungen. Diese Platten waren in frühen Schaltungen häufiger, werden aber jetzt hauptsächlich in Produkten mit einfachen Strukturen und strengen Kostenanforderungen verwendet.

Doppelschichtplatten: Verkabelung ist auf beiden Seiten der Platte vorgesehen. Dank der doppelseitigen Verkabelung ist es möglich, die Probleme, die durch stufenweise Verkabelung in einem einzigen Panel verursacht werden, zu lösen und somit ein optimaleres Layout zu erreichen. Doppelseitige Platten werden oft in relativ einfachen Schaltungen verwendet, Chip-Pin-Verteilung ist nicht dichte Gelegenheiten.

Mehrschichtplatten (Multi-Layer Boards): Um den Verkabelungsbereich zu erweitern, verwenden mehrschichtige Platten mehrere Schichten von einseitigen oder doppelseitigen Platten und kleben durch das Isoliermaterial. Häufig verwendete Mehrschichtplatten sind in der Regel zwischen 4 und 8 Schichten.

Klassifizierung nach Substrat

Häufige Klassifizierungen nach Substrat umfassen: phenolische Papierlaminate, Epoxypapierlaminate, Polyesterglasmattenlaminate und Epoxyglastuchlaminate.

Basierend auf der Art der Durchgangslöcher kann die Leiterplatte als:

Durch Loch: Diese Art von Loch durchdringt vollständig die gesamte elektronische Leiterplatte, wobei sich jedes Ende in der äußersten Schicht der Leiterplatte befindet.

Blind Loch: Ein Blind Loch beginnt auf einer der Außenflächen der elektronischen Leiterplatte, dringt aber nicht in die gesamte Leiterplatte ein, endet aber irgendwo auf der Innenschicht.

Begrabene Via: Eine Begrabene Via befindet sich vollständig innerhalb der elektronischen Leiterplatte, wobei kein Ende die äußere Schicht der Leiterplatte berührt und nur verwendet wird, um verschiedene Schichten innerhalb der Leiterplatte zu verbinden.

PCB-Platten können je nach dem, ob das Durchgangsloch Kupfer enthält oder nicht, eingestuft werden und sind in zwei Arten von Löchern unterteilt: Kupferbeschichtete Löcher und Kupferfreie Löcher.

Plated Through Hole (PTH): Diese Art von Durchgangsloch ist mit Kupfer beschichtet und dient als Leiter und ist eine häufige Art von Loch für PCB-Routing verwendet.

Non-Plated Through Hole (NPTH): NPTH bedeutet, dass es keine Kupferverbindung innerhalb des Lochs gibt, die normalerweise verwendet wird, um die Position der Leiterplatte zu fixieren.

In der Praxis enthalten die meisten Leiterplatten sowohl kupfer- als auch kupferfreie Löcher.

Klassifizierung nach Funktion

Impedanzplatten haben stabile Impedanzeigenschaften, was ihnen einen Vorteil bei der Hochgeschwindigkeitssignalübertragung und Hochfrequenzanwendungen bietet.

Mikrowellen-Leiterplatten hingegen zeichnen sich durch ihre ausgezeichnete Mikrowellenleistung aus, was sie besonders für HF- und Mikrowellenkommunikationsanwendungen geeignet macht.

Flex PCBs sind mit ihren ausgezeichneten Biegeeigenschaften und Müdigkeitsbeständigkeit ideal für Geräte, die Biege- und Dehnungsspannungen ausgesetzt sind.

Klassifizierung nach Oberflächenbehandlung

Da Kupfer in seiner natürlichen Umgebung anfällig für Oxidation ist, was zu schlechten Lötresultaten führen kann, wird in der Regel eine Schutzbeschichtung auf die Kupferoberfläche aufgebracht. Im Folgenden sind einige häufige Arten von Oberflächenbehandlungen:

Blei (HASL: Hot Air Level Soldering): Die Kupferoberfläche wird in einer Blei-Umgebung mit Heißluft-Nivellierungstechnologie verzinnt.

Bleifreies Löten (HASL/LF: Hot Air Level Soldering Lead Free): Die gleiche Heißluft Nivellierungstechnologie wird verwendet, aber in einer bleifreien Umgebung.

Immersion Gold (ENIG: Electroless Nickel/Immersion Gold): Auf der Oberfläche des Kupfers wird eine Schicht von elektrolosem Nickel abgelegt, die dann mit Gold getaucht wird.

Immersion Zinn/Chemical Sn: Eine Schicht Zinn wird chemisch auf der Oberfläche des Kupfers abgelegt.

Immersion Silber/Chemical Ag: Eine Schicht Silber wird chemisch auf der Kupferoberfläche abgelegt.

Oxidationsschutz (OSP: Organische Lötbarkeitskonservative / Entek / Kupfer passiviert): Beschichtung einer organischen Schutzfolie auf der Kupferoberfläche, um Oxidation zu verhindern.

Goldbeschichtung / Flash Gold: Beschichtung einer Goldschicht auf der Oberfläche von Kupfer durch Galvanisierung.

Kohlenöl: Eine Schicht aus Kohlenöl, die auf der Oberfläche einer Leiterplatte für spezifische Anwendungen beschichtet ist.

Schalbare Lötmaske: Eine schalbare Lötmaske, die verwendet wird, um bestimmte Bereiche einer Leiterplatte vor dem Löten zu schützen.

Plating Gold Finger / Edged Contact / Connecting Finger: Eine Schicht aus Gold, die an den Rändern oder bestimmten Bereichen einer Leiterplatte vergoldet ist, um die Leitfähigkeit und die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Gemäß IPC-6012 CLASS 2 Standard beträgt die Mindestdicke des Goldfingers 0,80UM (30U") und die Mindestdicke des Nickels (NI) 2UM.

Funktionen von PCB Board

Elektrische Verbindungen

Die Kupferspuren auf einer Leiterplatte sind sorgfältig ausgelegt, um verschiedene elektronische Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren und integrierte Schaltungen miteinander zu verbinden, um ein komplettes Schaltungssystem aufzubauen. Diese Art der Verbindung vereinfacht nicht nur den Schaltungskonstruktionsprozess, sondern verbessert auch die Schaltungssicherheit erheblich.

Komponenten Unterstützung

Leiterplatten bieten eine solide Unterstützungsplattform für elektronische Komponenten und stellen sicher, dass sie eng und geordnet angeordnet sind. Durch Löten und andere Prozesse können Komponenten fest auf der Leiterplatte befestigt werden, wodurch die strukturelle Stabilität und die Portabilität der Ausrüstung verbessert werden.

Schaltungsschutz

Das auf den Leiterplatten verwendete Isoliermaterial schützt die Schaltungen effektiv vor elektromagnetischen Störungen und schützt sie vor äußeren Faktoren wie Feuchtigkeit und Staub. Dieser Schutz ist entscheidend für die Verlängerung der Lebensdauer von elektronischen Geräten, insbesondere in rauen industriellen Umgebungen.

Thermische Leistung

In der leistungsstarken, leistungshungrigen Elektronik, in der Wärmeabfuhr ein besonderes Problem ist, sind die Metallschichten auf der Leiterplatte, insbesondere die Kupferfolien, sorgfältig als effiziente Wärmesinke ausgelegt. Sie absorbieren und verteilen schnell die durch die Schaltung erzeugte Wärme und verhindern, dass Komponenten durch Überhitzung beschädigt werden. Die Wärmeabfuhreffizienz von Leiterplatten kann durch Erhöhung der Dicke von Kupferfolien, Optimierung des Layouts und anderer Konstruktionsmittel weiter verbessert werden.

Darüber hinaus werden auch innovative Wärmeableitungsstrukturen wie Kühlkörper und Kühlkörper im PCB-Board-Design weit verbreitet. Diese Konstruktionen verbessern den Wärmeabfuhreffekt, während die Kompaktheit und Ästhetik der Leiterplatten beibehalten werden und eine solide technische Unterstützung für den Bau leistungsstarker und langlebiger elektronischer Geräte bieten.

Raumoptimierung und kompakte Struktur

Die Gestaltung von Leiterplatten betrifft nicht nur die Realisierung von Schaltungsfunktionen, sondern beeinflusst auch die Produktionskosten, die Produktionseffizienz sowie die anschließende Wartung und Ersatz tief. Bei der Wahl des Herstellungsprozesses werden fortschrittliche Technologien wie der Loch-in-Scheibe-Prozess in der Leiterplattenherstellung weit verbreitet. Diese Prozesse ermöglichen ein flexibleres Layout von Komponenten innerhalb des begrenzten Leiterplattenraums und maximieren den Platzverbrauch. Die Verwendung von Harzstecklöchern + galvanisierten Kappen zur Erreichung des Loch-in-Schale-Prozesses optimiert nicht nur das Layout und die Verkabelung, sondern vermeidet auch Probleme wie Zinnleckage, wodurch die innere Struktur von elektronischen Geräten kompakter und schöner ist.

Allgemein verwendete Rohstoffe für PCB Board

1. Das ursprüngliche Material der Leiterplatte ist das kupferbekleidete Substrat, das als Substrat bezeichnet wird. Ein Substrat ist im Wesentlichen eine Harzfolie mit beidseitig laminierter Kupferfolie. Unter vielen Herstellern sind FR-4 Boards aufgrund ihrer ausgezeichneten Leistung die erste Wahl im Bereich hochwertiger elektronischer Produkte wie Computer und Kommunikationsgeräte geworden.

Für FR-4 Blatt hat die Industrie drei Kernanforderungen: Die erste ist Flammbeständigkeit, das heißt, die Platte muss in der Lage sein, hohen Temperaturen zu begegnen, um nicht brennbar zu bleiben, nur weichen; gefolgt von dem Tg-Punkt (Glasübergangstemperatur), der die Stabilität des Materials bei hohen Temperaturen widerspiegelt; und dann die dielektrische Konstante, ein Parameter, der direkt mit der Signalübertragungseffizienz und -qualität der Leiterplatte zusammenhängt. Kurz gesagt, FR-4-Platten, die in Leiterplatten verwendet werden, müssen eine ausgezeichnete Flammbeständigkeit haben, um die Form bei einer bestimmten Temperatur ohne Verbrennung aufrechtzuerhalten und gleichzeitig einen geeigneten Tg-Punkt und eine niedrige dielektrische Konstante haben, um den strengen Anforderungen moderner elektronischer Produkte für hohe Leistung und hohe Stabilität gerecht zu werden.

Kupferverkleidungsplatten werden häufig in den folgenden Kategorien verwendet:

FR-1 - phenolisches Baumwollpapier (allgemein als Bakelit bekannt, höhere Wirtschaftlichkeit als FR-2)

FR-2 - phenolisches Baumwollpapier

FR-3 - Baumwollpapier, Epoxidharz

FR-4 - Glastuch, Epoxidharz (Shenzhen Qinji elektronische häufig verwendete Substrate)

FR-5 - Glastuch, Epoxidharz

FR-6 - Rohglas, Polyester

CEM-1 - Baumwollpapier, Epoxidharz (flammhemmend)

CEM-2 - Baumwollpapier, Epoxidharz (nicht flammhemmend)

CEM-3 - Glastuch, Epoxidharz

CEM-4 - Glastuch, Epoxidharz

CEM-5 - Glastuch, Polyester

AIN - Aluminiumnitrid

SIC - Siliziumcarbid

G-10 - Glastuch, Epoxidharz

Kupferbekleidetes Laminat (CCL) ist ein Material, das auf verschiedene Weise eingestuft werden kann. Je nach Isolationsmaterial kann sie in drei Haupttypen unterteilt werden: Papier, Glastuch und Kunstfaser. Je nach Art des verwendeten Bindemittelharzes können kupferbekleidete Laminate weiter in Phenol-, Epoxy-, Polyester- und PTFE-Typen unterteilt werden. Darüber hinaus können aus Sicht der Anwendung auch kupferbekleidete Laminate in zwei Kategorien unterteilt werden: allgemeiner und spezieller Zweck, um den spezifischen Bedürfnissen verschiedener Industrien und Produkte gerecht zu werden.

2.Kupferfolie

Nach einem bestimmten Prozess kann der übrige Teil der Kupferfolie die für die Schaltung erforderlichen Drähte auf dem Substrat aufbauen. Der Herstellungsprozess von Kupferfolie umfasst hauptsächlich Kalenderung und Elektrolyse.

3.Halbgehärtetes Blatt (PP)

Bei der Herstellung von elektronischen Leiterplatten ist Halbgehärtete Platte (PP) ein unverzichtbares Schlüsselmaterial, das hauptsächlich für die Verbindungsaufgabe zwischen Schichten verantwortlich ist. Kurz gesagt, ein halbhärtetes Blatt ist ein dünnes Blatt von Substrat in Stufe B. Seine Eigenschaften sind durch seine Dicke und die Menge an Harz (Klebstoff), den es enthält, bestimmt.

4. Trockenfilm (Lichtempfindliche Materialien)

Trockenfilm, auch einfach als lichtempfindlicher Trockenfilm bekannt, besteht im Kern aus einer speziellen harzartigen Substanz, die bei Exposition einem bestimmten Spektrum einer photochemischen Reaktion unterliegt. In der Praxis besteht die Trockenfolie in der Regel aus drei Schichten: Die lichtempfindliche Schicht wird clever zwischen zwei Schutzkunststofffolien eingesandwicht. Aufgrund der einzigartigen chemischen Eigenschaften der fotoempfindlichen Substanzen können Trockenfilme in zwei Hauptkategorien unterteilt werden: photopolymere und photoabbaubare. Photopolymerisierter Trockenfilm durchläuft einen Übergang von wasserlöslicher zu wasserunlöslicher und härtet, wenn er einem bestimmten Lichtspektrum ausgesetzt ist, während photozerstörter Trockenfilm umgekehrt reagiert.

5.Solder Resist Tinte

Solder Resist Ink, im Wesentlichen ein professioneller Lötverstand, wirkt als flüssiges fotografisches Material und hat keine Affinität für flüssiges Löten. Ähnlich wie der lichtempfindliche Trockenfilm härtet die Lötwiderstand-Tinte, wenn sie einem bestimmten Lichtspektrum ausgesetzt ist. Bei Verwendung muss die Lötfestinte gut mit einem Härter gemischt werden. Was wir allgemein als Tinte bezeichnen, auch als Lötmask bekannt, verleiht unseren gängigen Leiterplatten ihre reichen Farben.

6. Bildnegativ (Filmblatt)

Die Funktion des Bildnegatives ähnelt hier der der Negativfilm in der Fotografie, die lichtempfindliche Materialien verwendet, um Bilder aufzunehmen und aufzunehmen. Wenn der Kunde das fertige Design an die Leiterplattenfabrik übermittelt, gibt die Arbeitsstation im CAM-Zentrum das Schaltbild als Bildnegativ mit einem Lichtplotter statt einem normalen Drucker aus. Das Bildnegativ spielt bei der Herstellung von Leiterplatten eine entscheidende Rolle, da alle Muster oder Linien, die mittels Bildübertragungstechnologie auf dem Substrat realisiert werden müssen, zuerst in ein Negativ umgewandelt werden müssen.

PCB-Konstruktionsprozess

Der PCB-Konstruktionsprozess ist ein systematischer Ansatz zur Schaffung funktionsstabiler und zuverlässiger Leiterplatten, bei denen jeder Schritt von der ersten Konzeptualisierung bis zur Endfertigung des Endprodukts entscheidend ist. Der Prozess besteht aus einer Reihe von Kernelementen, von denen jedes eine entscheidende Rolle für den Erfolg des Projekts spielt.

Der PCB-Konstruktionsprozess beginnt mit der konzeptionellen Konstruktionsphase, in der die Hauptaufgabe besteht, die Gesamtanforderungen und Spezifikationen des elektronischen Produkts zu definieren. In dieser Phase arbeiten das Elektrotechnikteam, das Maschinenbauteam und andere relevante Stakeholder eng zusammen, um die für die Leiterplatte erforderlichen Funktionsmerkmale, Abmessungen und Leistungskriterien zu definieren.

Sobald die konzeptuelle Konstruktionsphase abgeschlossen ist, folgt die schematische Konstruktionsphase. In dieser Phase verwenden Ingenieure schematische Erfassungswerkzeuge, um die elektrischen Anschlüsse und Komponenten der Schaltung genau darzustellen. Das Schema ist der Eckstein des Leiterplattenlayouts,bietet eine klare Leitlinie für die Konstruktion der elektronischen Leiterplatte und demonstriert die elektrische Funktionalität der Schaltung.

Sobald die schematische Konstruktion abgeschlossen ist, beginnt die PCB-Layout-Phase. In diesem Schritt bauen Ingenieure die physikalische Form der Schaltung durch sorgfältige Anordnung und Routing von Komponenten auf dem Board. Während des Layoutprozesses müssen sie sich streng an verschiedene Konstruktionsrichtlinien wie Mindestlinienbreiten, Abstand und die Größe der Vias halten, um die Fertigbarkeit und Betriebssicherheit der Platte zu gewährleisten.

Während des gesamten PCB-Designprozesses spielt die Synergie zwischen den verschiedenen Teams eine wichtige Rolle. Das Elektrotechnikteam arbeitet eng mit dem Maschinenbauteam zusammen, um sicherzustellen, dass die Leiterplatten perfekt an das erforderliche Gehäuse angepasst sind und alle thermischen und strukturellen Anforderungen erfüllen. Gleichzeitig bietet das Fertigungsteam wichtige Anleitungen zum Design for Manufacturing (DFM), das darauf ausgelegt ist, Probleme während des Produktionsprozesses zu minimieren und die Produktivität zu erhöhen.

Sobald das Leiterplattenlayout abgeschlossen ist, wird das Design einem strengen Verifikations- und Validierungsprozess unterzogen, der die Design Rule Check (DRC), die Electrical Rule Check (ERC) und die Signalintegritätssimulation umfasst. Diese Prozesse sind entscheidend für die Identifizierung und Lösung potenzieller Probleme vor der Produktion. Das Ende des PCB-Designprozesses ist dann die Generierung von Fertigungsdateien, insbesondere wie Gerber-Dateien und Bohrdateien, die für den PCB-Hersteller zur Herstellung der physischen Platte erforderlich sind. Die hergestellten Leiterplatten werden anschließend einem strengen Test- und Montageprozess unterzogen, bevor sie endgültig in die Elektronik integriert werden.