PCB Tecnico - Conoscenza di base della progettazione del processo PCB-circuito stampato

Conoscenza di base della progettazione del processo PCB-circuito stampato

Il circuito stampato (PCB) apparirà in quasi tutti i dispositivi elettronici. Se ci sono parti elettroniche in un determinato dispositivo, sono tutte montate su PCB di diverse dimensioni. Oltre a fissare varie piccole parti, la funzione principale del PCB è quella di fornire collegamenti elettrici tra le parti superiori. Man mano che i dispositivi elettronici diventano sempre più complessi, sono necessarie sempre più parti e i circuiti e le parti sul PCB stanno diventando sempre più densi. Il PCB standard è così. La scheda nuda (nessuna parte su di essa) è anche spesso chiamata "Printed Wiring Board (PWB)".

La piastra di base della scheda stessa è fatta di materiali isolati e termoisolati e non facili da piegare. Il materiale del piccolo circuito che può essere visto sulla superficie è foglio di rame. Il foglio di rame è stato originariamente coperto su tutta la scheda, ma una parte di esso è stata incisa via durante il processo di fabbricazione, e la parte restante è diventata una rete di piccole linee. Queste linee sono chiamate schemi conduttori o cablaggio e sono utilizzate per fornire connessioni di circuito per le parti sul PCB.

Per fissare le parti sul PCB, saldamo i loro pin direttamente sul cablaggio. Sul PCB più semplice (pannello singolo), le parti sono concentrate su un lato e i fili sono concentrati sull'altro lato. In questo caso, dobbiamo fare fori nella scheda in modo che i perni possano passare attraverso la scheda all'altro lato, in modo che i perni delle parti siano saldati all'altro lato. Per questo motivo, i lati anteriore e posteriore del PCB sono chiamati Component Side e Solder Side rispettivamente.

Se ci sono alcune parti sul PCB che devono essere rimosse o installate nuovamente dopo il completamento della produzione, allora la presa (Socket) verrà utilizzata quando la parte è installata. Poiché la presa è saldata direttamente alla scheda, le parti possono essere smontate e assemblate a piacimento. Di seguito è riportato il socket ZIF (Zero Insertion Force), che permette alle parti (qui si riferisce alla CPU) di essere facilmente inserite nel socket o rimosse. L'asta di fissaggio accanto alla presa può essere fissata dopo aver inserito la parte.

Se si desidera collegare due PCB l'uno all'altro, generalmente usiamo un connettore bordo comunemente noto come "dito dorato". Ci sono molti pad di rame esposti sulle dita dorate, che in realtà fanno parte del cablaggio PCB. Generalmente, durante il collegamento, inseriamo le dita dorate su un PCB nello slot appropriato sull'altro PCB (generalmente chiamato slot di espansione). Nei computer, schede display, schede audio o altre schede di interfaccia simili sono collegate alla scheda madre da dita dorate.

Il verde o marrone sul PCB è il colore della maschera di saldatura. Questo strato è uno strato protettivo isolante, che può proteggere il filo di rame e impedire che le parti vengano saldate nel posto sbagliato. Sulla maschera di saldatura verrà stampato uno strato di serigrafia. Di solito le parole e i simboli (per lo più bianchi) sono stampati su questo per segnare la posizione di ogni parte sul tabellone. La superficie di stampa serigrafica è anche chiamata superficie legenda.

Abbiamo appena detto che sul PCB più semplice, le parti sono concentrate su un lato e i fili sono concentrati sull'altro lato. Poiché i fili appaiono solo su un lato, chiamiamo questo tipo di PCB un singolo lato (unilaterale). Poiché le schede monofacciali hanno molte restrizioni rigorose sulla progettazione del circuito (perché c'è solo un lato, il cablaggio non può attraversare e deve essere intorno a un percorso separato), quindi solo i circuiti precoci utilizzano questo tipo di scheda.

Quadri bifaccialiQuesto tipo di circuito ha cablaggio su entrambi i lati. Tuttavia, per utilizzare cavi su entrambi i lati, ci deve essere un collegamento del circuito appropriato tra i due lati. Questo tipo di "ponte" tra i circuiti è chiamato via. A via è un piccolo foro riempito o rivestito di metallo sul PCB.

Può essere collegato con fili su entrambi i lati. Poiché l'area del doppio pannello è doppia rispetto a quella del singolo pannello e poiché il cablaggio può essere interlacciato (può essere avvolto dall'altro lato), è più adatto per l'uso in circuiti che sono più complicati del singolo pannello.

Schede multistratoPer aumentare l'area cablabile, le schede multistrato utilizzano più schede di cablaggio monofacciali o bifacciali. La scheda multistrato utilizza diverse schede bifacciali, e uno strato di strato isolante viene posizionato tra ogni scheda e quindi incollato (pressato). Il numero di strati della scheda significa che ci sono diversi strati di cablaggio indipendenti. Di solito il numero di strati è pari e contiene i due strati più esterni. La maggior parte delle schede madri hanno da 4 a 8 strati di struttura, ma tecnicamente è possibile ottenere quasi 100 strati di schede PCB. La maggior parte dei supercomputer di grandi dimensioni utilizza schede madri abbastanza multistrato, ma poiché questi tipi di computer possono già essere sostituiti da cluster di molti computer ordinari, schede super multistrato hanno gradualmente cessato di essere utilizzate. Poiché gli strati nel PCB sono strettamente integrati, in genere non è facile vedere il numero effettivo, ma se si guarda attentamente la scheda madre, si può essere in grado di vederlo.

La via appena menzionata, se applicata ad una tavola bifacciale, deve penetrare l'intera tavola. Tuttavia, nella scheda multistrato, se si desidera collegare solo alcune linee, i vias possono sprecare un po 'di spazio di linea in altri strati. I vias sepolti e le tecnologie dei vias ciechi possono evitare questo problema perché penetrano solo pochi strati. I fori ciechi devono collegare diversi strati di PCB interno al PCB di superficie, senza dover penetrare l'intera scheda. I vias sepolti si collegano solo al PCB interno, quindi non possono essere visti dalla superficie.

In un PCB multistrato, l'intero strato è collegato direttamente al cavo di terra e all'alimentazione elettrica. Quindi classifichiamo ogni strato come strato di segnale, strato di potenza o strato di terra. Se le parti sul PCB richiedono alimentatori diversi, questo tipo di PCB di solito ha più di due strati di alimentazione e filo. Tecnologia di imballaggio parziale

Attraverso la tecnologia del foro posizionare le parti su un lato della scheda e saldare i perni sull'altro lato. Questa tecnologia è chiamata imballaggio "Through Hole Technology (THT)". Questo tipo di parte occuperà molto spazio e un foro deve essere forato per ogni perno. Quindi i loro perni occupano spazio su entrambi i lati e anche i giunti di saldatura sono relativamente grandi, ma d'altra parte, le parti THT sono migliori delle parti SMT (Surface Mounted Technology, tecnologia di montaggio superficiale) e la struttura del collegamento con il PCB è migliore. Ne parleremo più tardi. Prese come cavi piatti e interfacce simili devono essere in grado di resistere alla pressione, quindi di solito sono tutti pacchetti THT.

Tecnologia di montaggio superficiale (Surface Mounted Technology) Per le parti che utilizzano Surface Mounted Technology (SMT), i perni sono saldati sullo stesso lato della parte. Questa tecnica non ha bisogno di saldare ogni pin, ma di perforare fori nel PCB.

Le parti montate a superficie possono anche essere saldate su entrambi i lati. SMT è anche più piccolo delle parti THT. Rispetto ai PCB che utilizzano parti THT, PCB che utilizzano la tecnologia SMT hanno parti molto più dense. Le parti del pacchetto SMT sono anche più economiche di THT. Quindi non è sorprendente che la maggior parte dei PCB oggi sono SMT.

Poiché i giunti e le parti di saldatura hanno perni molto piccoli, è molto difficile saldare manualmente. Ma se si considera che l'assemblaggio corrente è completamente automatico, questo problema si verifica solo durante la riparazione delle parti. Design Flow Nel design PCB, infatti, prima del cablaggio formale, deve passare attraverso un passo molto lungo. Il seguente è il processo principale di progettazione:Specifiche di sistemoIn primo luogo, dobbiamo pianificare le varie specifiche di sistema dell'apparecchiatura elettronica. Comprese le funzioni di sistema, i vincoli di costo, le dimensioni, le condizioni operative e così via. Anche la relazione tra i quadrati deve essere contrassegnata. Dividere il sistema in più PCBSe il sistema è diviso in più PCB, non solo le dimensioni possono essere ridotte, ma anche il sistema ha la capacità di aggiornare e scambiare parti. Il diagramma a blocchi delle funzioni di sistema fornisce la base per la nostra divisione. Ad esempio, un computer può essere diviso in una scheda madre, una scheda grafica, una scheda audio, un disco floppy, un alimentatore e così via. Decidi il metodo di imballaggio e le dimensioni di ogni PCB. Quando la tecnologia e il numero di circuiti utilizzati in ogni PCB sono determinati, il passo successivo è determinare le dimensioni della scheda. Se il design è troppo grande, allora la tecnologia di imballaggio deve essere cambiata o ri-divisa. Quando si sceglie una tecnologia, devono essere prese in considerazione anche la qualità e la velocità del diagramma del circuito. Disegnare un diagramma schematico di tutti i circuiti PCB Il disegno di contorno dovrebbe mostrare i dettagli dell'interconnessione tra le parti. Tutti i PCB presenti nel sistema devono essere tracciati. Al giorno d'oggi, CAD (Computer Aided Design) è principalmente utilizzato. Di seguito è riportato un esempio di utilizzo del design CircuitMakerTM. Diagramma schematico PCB Funzionamento di simulazione del disegno preliminarePer garantire che il diagramma del circuito progettato possa funzionare normalmente, questo deve essere simulato una volta con il software per computer. Questo tipo di software può leggere disegni di progettazione e visualizzare il funzionamento del circuito in molti modi. Questo è molto più efficiente che effettivamente fare un PCB campione e quindi misurarlo manualmente.Posizionare la parte sul PCB

Il modo in cui le parti sono posizionate è determinato in base a come sono collegate. Devono essere collegati al percorso nel modo più efficiente. Il cosiddetto cablaggio efficiente è che più corto è il cavo e meno il numero di strati attraverso (questo riduce anche il numero di vias), meglio è, ma parleremo ancora una volta di questo problema quando stiamo effettivamente cablando. Affinché ogni parte abbia un cablaggio perfetto, la posizione di posizionamento è molto importante. Possibilità di cablaggio di prova e funzionamento corretto ad alta velocità Parte del software corrente del computer può controllare se le posizioni delle varie parti possono essere collegate correttamente o controllare se può funzionare correttamente sotto funzionamento ad alta velocità. Questo passo è chiamato organizzare parti, ma non le studieremo troppo a fondo. Se c'è un problema con la progettazione del circuito, è possibile riorganizzare la posizione delle parti prima di esportare il circuito sul posto. Circuito di esportazione su PCBTle connessioni nella mappa panoramica ora saranno effettuate sul posto come cablaggio. Questo passaggio è di solito completamente automatico, ma in generale, alcune parti devono essere cambiate manualmente. Sotto è riportato il modello di filo della scheda a 2 strati. Le linee rosse e blu rappresentano rispettivamente lo strato di parte e lo strato di saldatura del PCB. Il testo bianco e i quadrati rappresentano le marcature sulla superficie di stampa serigrafica. I punti rossi e i cerchi rappresentano fori di perforazione e fori pilota. Sull'estrema destra, possiamo vedere che ci sono dita d'oro sulla superficie di saldatura del PCB. La composizione finale di questo PCB è solitamente chiamata un'opera d'arte.Ogni progetto deve rispettare una serie di regolamenti, come lo spazio minimo riservato tra le linee, la larghezza minima della linea e altre restrizioni pratiche simili. Queste normative variano in base a fattori quali la velocità del circuito, la forza del segnale trasmesso, la sensibilità del circuito al consumo energetico e al rumore, e la qualità dei materiali e delle attrezzature di produzione. Se l'intensità corrente aumenta, anche lo spessore del filo deve aumentare. Al fine di ridurre il costo del PCB, riducendo al contempo il numero di strati, dobbiamo anche prestare attenzione alla conformità di queste normative. Se è richiesta una struttura con più di 2 strati, lo strato di potenza e lo strato di terra sono solitamente utilizzati per impedire che il segnale di trasmissione sullo strato di segnale sia influenzato e può essere utilizzato come copertura protettiva per lo strato di segnale. Prova del circuito dopo il cablaggio Al fine di confermare che il circuito può funzionare normalmente dopo il cavo, deve passare la prova finale. Questo test può anche verificare la presenza di connessioni errate e tutte le connessioni seguono lo schema. Poiché ci sono molti strumenti CAD per la progettazione di PCB, i produttori devono disporre di file che soddisfano gli standard prima di poter produrre schede. Ci sono diverse specifiche standard, ma la più comunemente usata è quella dei file Gerber. Un insieme di file Gerber include la vista del piano di ogni segnale, potenza e strato di terra, la vista del piano dello strato della maschera di saldatura e della superficie di stampa serigrafica, e file designati come perforazione, prelievo e posizionamento.