Dati PCB - Cosa è il PCB e il processo di progettazione del PCB

Che cos'è il PCB? Il PCB, scheda a circuito stampato a nome completo, è la pietra angolare e la linea di sangue della costruzione di prodotti elettronici moderni, svolge un ruolo indispensabile. Dall'usura quotidiana degli orologi elettronici, gli studenti non possono fare senza la calcolatrice, all'ufficio del computer indispensabile, e poi collegato al mondo delle attrezzature elettroniche di comunicazione, e anche un simbolo della potenza militare del paese del sistema di armi militari, queste funzioni apparentemente diverse, diverse dell'attrezzatura elettronica, nella loro struttura interna, sono invariabilmente incorporate in una scheda PCB sofisticata e complessa.

Le schede a circuito stampato possono essere suddivise in tre categorie principali: Circuiti stampati flessibili (FPC), schede a circuito rigido e PCB rigido-flessibili (PCB rigido-flessibile).

FPC, o circuito stampato flessibile, è ampiamente riconosciuto per il suo cablaggio ad alta densità, peso leggero, ultra-sottilità e eccellenti proprietà di piegatura. Ad esempio, uno dei nostri prodotti attuali utilizza FPC come cablaggio, che è apprezzato per il suo peso leggero e le caratteristiche di piegatura facili.

I PCB Rigid-Flex (schede a circuito stampato Rigid-Flex) sono realizzati combinando un PCB flessibile con una scheda a circuito rigido attraverso una serie di processi come la laminazione. Il vantaggio di questa scheda elettronica è che combina i rispettivi vantaggi della scheda FPC e PCB, tuttavia, i suoi svantaggi sono altrettanto ovvi: processo di produzione complesso, rendimento relativamente basso, difficoltà di produzione e ciclo di produzione relativamente lungo.

Classificazione del PCB

Classificazione in base al numero di strati e alla distribuzione del foglio di rame

In base al numero di strati di foglio di rame, le schede di circuito possono essere suddivise in schede a singolo lato, schede a doppio lato e schede a più strati.

Schede a strato singolo: i cavi sono forniti solo su un lato. Poiché il cablaggio è limitato a un solo lato, ci sono molti vincoli di progettazione. Queste schede erano più comuni nei primi circuiti, ma ora vengono utilizzate principalmente in prodotti con strutture semplici e rigorosi requisiti di costo.

Schede a doppio strato: il cablaggio è fornito su entrambi i lati della scheda. Grazie al cablaggio a due lati, è possibile risolvere i problemi causati dal cablaggio a gradini in un unico pannello, ottenendo così un layout più ottimale. Le schede a doppio lato sono spesso utilizzate in circuiti relativamente semplici, la distribuzione del pin del chip non è occasioni dense.

Schede a più strati (schede a più strati): al fine di espandere l'area di cablaggio, schede a più strati utilizzando più strati di schede a singolo o doppio lato e collegate attraverso il materiale isolante. Le schede multistrato comunemente utilizzate sono di solito tra 4 e 8 strati.

Classificazione per substrato

Classificazioni comuni per substrato includono: laminati di carta fenolica, laminati di carta epossidica, laminati di tappeto di vetro di poliestere e laminati di tessuto di vetro epossidica.

In base al tipo di fori attraverso, la scheda di circuito PCB può essere classificata come:

Foro attraverso: questo tipo di foro penetra completamente l'intera scheda elettronica, con ogni estremità situata nello strato più esterno della scheda.

Foro cieco: un foro cieco inizia su una delle superfici esterne della scheda di circuito elettronico, ma non penetra l'intera scheda, ma finisce da qualche parte sullo strato interno.

Via sepolta: una via sepolta si trova completamente all'interno della scheda di circuito elettronico, senza che né l'estremità tocchi lo strato esterno della scheda, ed è utilizzata solo per collegare diversi strati all'interno della scheda.

Le schede PCB possono essere classificate in base al fatto che il foro attraverso contenga o meno rame e sono suddivise in due tipi di fori: fori placcati in rame e fori privi di rame.

Foro trasversale placcato (PTH): Questo tipo di foro trasversale è placcato con rame e funge da conduttore ed è un tipo comune di foro utilizzato per il routing del PCB.

Foro attraverso non placcato (NPTH): NPTH significa che non c'è alcuna connessione in rame all'interno del foro, che di solito viene utilizzato per fissare la posizione della scheda di circuito a scheda.

In pratica, la maggior parte delle schede di circuito contengono fori sia in rame che senza rame.

Classificazione per funzione

Le schede a impedenza hanno caratteristiche di impedenza stabili, che donano loro un vantaggio nella trasmissione di segnale ad alta velocità e nelle applicazioni ad alta frequenza.

I PCB a microonde, invece, si distinguono per le loro eccellenti prestazioni a microonde, che li rendono particolarmente adatti per applicazioni di comunicazione RF e a microonde.

I PCB Flex, con le loro eccellenti proprietà di piegatura e resistenza alla fatica, sono ideali per attrezzature soggette a tensioni di piegatura e allungamento.

Classificazione per trattamento superficiale

Poiché il rame è propenso all'ossidazione nel suo ambiente naturale, che può portare a risultati di saldatura scarsi, di solito viene applicato un rivestimento protettivo sulla superficie del rame. Di seguito sono riportati alcuni tipi comuni di trattamenti superficiali:

Piombato (HASL: saldatura a livello ad aria calda): La superficie di rame viene stagnata in un ambiente a piombo utilizzando la tecnologia di livellamento ad aria calda.

Saldatura senza piombo (HASL / LF: saldatura a livello di aria calda senza piombo): viene utilizzata la stessa tecnologia di livellamento ad aria calda, ma in un ambiente senza piombo.

Immersion Gold (ENIG: Electroless Nickel/Immersion Gold): Uno strato di nichel senza elettro viene depositato sulla superficie del rame, che viene poi immerso in oro.

Immersione stagno/chimico Sn: uno strato di stagno è depositato chimicamente sulla superficie del rame.

Immersione Argento/Ag chimico: Uno strato di argento viene depositato chimicamente sulla superficie del rame.

Protezione dall'ossidazione (OSP: Conservanti di saldabilità organica / Entek / rame passivato): rivestimento di un film protettivo organico sulla superficie del rame per prevenire l'ossidazione.

Placatura d'oro/oro flash: Placatura di uno strato di oro sulla superficie del rame mediante galvanoplastica.

Olio di carbonio: uno strato di olio di carbonio rivestito sulla superficie di una scheda di circuito PCB per applicazioni specifiche.

Maschera di saldatura peelable: Una maschera di saldatura peelable utilizzata per proteggere determinate aree di una scheda PCB dalla saldatura.

Plating Gold Finger/Edged Contact/Connecting Finger: uno strato di oro placcato sui bordi o sulle aree specifiche di una scheda di circuito PCB per migliorare la conduttività e la resistenza alla corrosione. Secondo lo standard IPC-6012 CLASS 2, lo spessore minimo dell'oro del dito d'oro è 0,80UM (30U") e lo spessore minimo del nichel (NI) è 2UM.

Funzioni della scheda PCB

Interconnessione elettrica

Le tracce di rame su una scheda PCB sono accuratamente disposte per collegare diversi componenti elettronici, come resistenze, condensatori e circuiti integrati, insieme per costruire un sistema di circuito completo. Questo tipo di connessione non solo semplifica il processo di progettazione del circuito, ma migliora anche significativamente l'affidabilità del circuito.

Supporto dei componenti

I PCB forniscono una solida piattaforma di supporto per i componenti elettronici, garantendo che siano disposti in modo stretto e ordinato. Attraverso la saldatura e altri processi, i componenti possono essere fissati saldamente sul PCB, migliorando così la stabilità strutturale e la portabilità dell'attrezzatura.

Protezione del circuito

Il materiale isolante utilizzato sulle schede PCB protegge efficacemente i circuiti dalle interferenze elettromagnetiche e li protegge da fattori esterni come umidità e polvere. Questa protezione è fondamentale per prolungare la vita dei dispositivi elettronici, soprattutto in ambienti industriali difficili.

Prestazioni termiche

Nell'elettronica ad alte prestazioni e ad alta potenza, dove la dissipazione del calore è un problema particolare, gli strati metallici sulla scheda PCB, in particolare i fogli di rame, sono attentamente progettati per agire come dissipatori di calore efficienti. Assorbono e dispersano rapidamente il calore generato dai circuiti e evitano che i componenti vengano danneggiati dal surriscaldamento. L'efficienza di dissipazione del calore delle schede PCB può essere ulteriormente migliorata aumentando lo spessore dei fogli di rame, ottimizzando il layout e altri mezzi di progettazione.

Inoltre, strutture innovative di dissipazione del calore come dissipatori di calore e dissipatori di calore sono anche ampiamente utilizzate nella progettazione di schede PCB. Questi progetti migliorano l'effetto di dissipazione del calore mantenendo la compattezza e l'estetica delle schede PCB, fornendo un solido supporto tecnico per la costruzione di dispositivi elettronici ad alte prestazioni e di lunga durata.

Ottimizzazione dello spazio e struttura compatta

La progettazione delle schede PCB non riguarda solo la realizzazione delle funzioni del circuito, ma influisce anche profondamente sui costi di produzione, sull'efficienza produttiva e sulla successiva manutenzione e sostituzione. Nella scelta del processo di fabbricazione, tecnologie avanzate come il processo di foro in disco sono ampiamente utilizzate nella fabbricazione di schede PCB. Questi processi consentono un layout più flessibile dei componenti all'interno dello spazio limitato della scheda PCB, massimizzando l'uso dello spazio. L'uso di fori di spina in resina + tappi galvanizzati per raggiungere il processo di foro in piatto non solo ottimizza il layout e il cablaggio, ma evita anche problemi come la perdita di stagno, rendendo la struttura interna dei dispositivi elettronici più compatta e bella.

Materie prime comunemente utilizzate per la scheda PCB

1.Il materiale originale della scheda di circuito PCB è il substrato rivestito di rame, denominato substrato. Un substrato è essenzialmente un foglio di resina con foglio di rame laminato su entrambi i lati. Tra molti produttori, le schede FR-4 sono diventate la prima scelta nel campo dei prodotti elettronici di alta qualità come i computer e le attrezzature di comunicazione a causa delle loro eccellenti prestazioni.

Per il foglio FR-4, l'industria ha tre requisiti fondamentali: il primo è resistenza alla fiamma, vale a dire, la scheda deve essere in grado di incontrare alte temperature per mantenere non combustibile, solo ammorbidimento; seguito dal punto Tg (temperatura di transizione vetrica), che riflette la stabilità del materiale ad alte temperature; e poi la costante dielettrica, un parametro che è direttamente correlato all'efficienza e alla qualità della trasmissione del segnale della scheda di circuito. Insomma, le schede FR-4 utilizzate in schede a circuito a circuito elettronico devono avere un'eccellente resistenza alla fiamma, per essere in grado di mantenere la forma a una temperatura specifica senza bruciare, e allo stesso tempo avere un punto Tg adatto e una bassa costante dielettrica, al fine di soddisfare i rigorosi requisiti dei prodotti elettronici moderni per alte prestazioni e alta stabilità.

Le tavole di rivestimento in rame sono comunemente utilizzate nelle seguenti categorie:

FR-1 - carta di cotone fenolica (comunemente nota come bakelite, più economica di FR-2)

FR-2 - carta di cotone fenolico

FR-3 - carta di cotone, resina epossidica

FR-4 - panno di vetro, resina epossidica (substrati elettronici comunemente utilizzati di Shenzhen Qinji)

FR-5 - panno di vetro, resina epossidica

FR-6 - Vetro grezzo, poliestere

CEM-1 - Carta di cotone, resina epossidica (ritardante della fiamma)

CEM-2 - Carta di cotone, resina epossidica (non ritardante della fiamma)

CEM-3 - panno di vetro, resina epossidica

CEM-4 - panno di vetro, resina epossidica

CEM-5 - panno di vetro, poliestere

AIN - Nitruro di alluminio

SIC - Carburo di silicio

G-10 - panno di vetro, resina epossidica

Laminato rivestito di rame (CCL) è un materiale che può essere classificato in una varietà di modi. A seconda del materiale isolante, può essere suddiviso in tre tipi principali: carta, tessuto di vetro e fibra sintetica. A seconda del tipo di resina legante utilizzato, i laminati rivestiti di rame possono essere ulteriormente suddivisi in tipi fenolici, epossidico, poliestere e PTFE. Inoltre, dal punto di vista dell'applicazione, i laminati rivestiti di rame possono anche essere distinti in due categorie: uso generale e uso speciale, per soddisfare le esigenze specifiche di diverse industrie e prodotti.

2.Foglio di rame

Dopo un processo specifico, la parte rimanente del foglio di rame è in grado di costruire i cavi necessari per il circuito sul substrato. Il processo di produzione del foglio di rame comprende principalmente la calandratura e l'elettrolisi.

Foglio 3.Semi-curato (PP)

Nel processo di fabbricazione di schede a circuito elettronico, la lamiera semi-curata (PP) è un materiale chiave indispensabile, che è principalmente responsabile del compito di legame tra strati. In breve, un foglio semicurato è un foglio sottile di substrato in fase B. Le sue caratteristiche sono determinate dal suo spessore e dalla quantità di resina (adesivo) che contiene.

Film 4.Dry (materiali sensibili alla luce)

Il film secco, noto anche semplicemente come film secco fotosensibile, è composto da una speciale sostanza resinosa al suo nucleo, che subisce una reazione fotochimica quando esposta a uno specifico spettro. In pratica, la pellicola secca è di solito composta da tre strati: lo strato sensibile alla luce è intelligentemente inserito tra due pellicole protettive di plastica. In base alle proprietà chimiche uniche delle sostanze fotosensibili, i film secchi possono essere suddivisi in due categorie principali: fotopolimerici e fotodegradabili. Il film secco fotopolimerizzato subisce una transizione da solubile in acqua a insolubile in acqua e indurisce quando esposto a uno specifico spettro di luce, mentre il film secco fotodecomposto reagisce nel modo opposto.

5. Inchiostro resistente alla saldatura

L'inchiostro resistente alla saldatura, essenzialmente una resistenza alla saldatura professionale, agisce come materiale fotografico liquido e non ha affinità per la saldatura liquida. Simile al film secco fotosensibile, l'inchiostro resistente alla saldatura indurisce quando esposto a uno specifico spettro di luce. Quando utilizzato, l'inchiostro resistente alla saldatura deve essere mescolato bene con un induritore. Ciò che comunemente si riferisce come inchiostro, noto anche come soldermask, dà ai nostri comuni circuiti stampati i loro colori ricchi.

6.Image negativo (foglio di film)

La funzione dell'immagine negativa qui è simile a quella del film negativo nella fotografia, che utilizza materiali sensibili alla luce per catturare e registrare immagini. Quando il cliente trasmette il progetto completato alla fabbrica della scheda di circuito, la stazione di lavoro nel centro CAM emette il diagramma di circuito come negativo di immagine utilizzando un plotter di luce piuttosto che una stampante normale. Il negativo dell'immagine svolge un ruolo cruciale nella produzione di schede di circuito perché tutti i modelli o linee che devono essere realizzati sul substrato con la tecnologia di trasferimento di immagine devono prima essere convertiti in negativo.

Processo di progettazione PCB

Il processo di progettazione dei PCB è un approccio sistematico alla creazione di circuiti stampati funzionalmente stabili e affidabili, dove ogni fase è critica, dalla concettualizzazione iniziale alla produzione finale del prodotto finito. Il processo è costituito da una serie di elementi fondamentali, ognuno dei quali svolge un ruolo decisivo nel successo del progetto.

Il processo di progettazione del PCB inizia con la fase di progettazione concettuale, dove il compito principale è quello di definire i requisiti generali e le specifiche del prodotto elettronico. Durante questa fase, il team di ingegneria elettrica, il team di ingegneria meccanica e altre parti interessate lavorano a stretto contatto per definire le caratteristiche funzionali, le dimensioni e i criteri di prestazione richiesti per il PCB.

Una volta completata la fase di progettazione concettuale, segue la fase di progettazione schematica. In questa fase, gli ingegneri utilizzano strumenti di acquisizione schematica per raffigurare con precisione le connessioni elettriche e i componenti del circuito. Lo schema è la pietra angolare del layout del PCB, fornendo una guida chiara alla progettazione della scheda di circuito elettronico e dimostrando la funzionalità elettrica del circuito.

Una volta completata la progettazione schematica, inizia la fase di layout del PCB. In questa fase, gli ingegneri costruiscono la forma fisica del circuito organizzando e indirizzando accuratamente i componenti sulla scheda. Durante il processo di layout, devono rispettare rigorosamente varie linee guida di progettazione, come la larghezza minima della linea, la distanza e le dimensioni dei vias, per garantire la fabbricabilità e l'affidabilità operativa della scheda.

Durante il processo di progettazione del PCB, la sinergia tra i vari team svolge un ruolo importante. Il team di ingegneria elettrica lavora in stretta collaborazione con il team di ingegneria meccanica per garantire che i PCB siano perfettamente adattati all'alloggio richiesto e soddisfino tutti i requisiti termici e strutturali. Allo stesso tempo, il team di produzione fornisce importanti linee guida sulla progettazione per la produzione (DFM), che è progettata per ridurre al minimo i problemi durante il processo di produzione e aumentare la produttività.

Una volta completato il layout del PCB, il progetto viene sottoposto a un rigoroso processo di verifica e convalida che comprende il controllo delle regole di progettazione (DRC), il controllo delle regole elettriche (ERC) e la simulazione dell'integrità del segnale. Questi processi sono fondamentali per identificare e risolvere potenziali problemi prima di entrare in produzione. L'estremità della coda del processo di progettazione del PCB è quindi la generazione di file di fabbricazione, in particolare come file Gerber e file di trapano, che sono necessari per il produttore del PCB per produrre la scheda fisica. I circuiti stampati fabbricati vengono poi sottoposti a un rigoroso processo di test e assemblaggio prima dell'integrazione finale nell'elettronica.