Kakšne so funkcije tiskanega vezja?
Tiskano vezje ali PCB najdemo v skoraj vseh vrstah elektronskih naprav. Te plastične plošče in njihove vgrajene komponente zagotavljajo osnovno tehnologijo za vse, od računalnikov in mobilnih telefonov do pametnih ur. Povezave vezja na tiskanem vezju omogočajo učinkovito usmerjanje električnega toka med miniaturiziranimi komponentami na plošči in tako nadomestijo večje naprave in obsežno ožičenje.
Funkcije tiskanega vezja
PC plošča lahko glede na aplikacijo, za katero je zasnovana, opravlja različne naloge, povezane z računalništvom, komunikacijo in prenosom podatkov. Poleg nalog, ki jih opravlja, je morda najpomembnejša funkcija vezja zagotavljanje načina za integracijo elektronike za napravo v kompaktnem prostoru. PCB omogoča, da so komponente pravilno priključene na vir napajanja, medtem ko so varno izolirane. Poleg tega so vezja cenejša od drugih možnosti, ker jih je mogoče oblikovati z orodji za digitalno načrtovanje in izdelati v velikih količinah z uporabo tovarniške avtomatizacije.
Sestava tiskanega vezja
Sodobno vezje je običajno izdelano iz plasti različnih materialov. Različne plasti so med seboj spojene s postopkom laminiranja. Osnovni material v številnih ploščah je steklena vlakna, ki zagotavlja togo jedro. Sledi sloj bakrene folije na eni ali obeh straneh plošče. Nato se s kemičnim postopkom določijo sledi bakra, ki postanejo prevodne poti. Te sledi nadomestijo neurejeno ovijanje žice, ki ga najdemo pri gradbeni metodi od točke do točke, ki se uporablja za prejšnje sklope elektronike.
Sloj spajkalne maske se doda vezju za zaščito in izolacijo bakrene plasti. Ta plastična plast pokriva obe strani plošče in je pogosto zelena. Sledi ji plast sitotiska s črkami, številkami in drugimi identifikatorji, ki pomagajo pri sestavljanju plošče. Komponente tiskanega vezja je mogoče pritrditi na ploščo na različne načine, vključno s spajkanjem. Nekateri načini pritrditve uporabljajo majhne luknje, znane kot vias ki so izvrtane skozi vezje. Njihov namen je omogočiti pretok električne energije z ene strani plošče na drugo.
Funkcija osnovnega vezja
Vezje je zanka prevodnega materiala, po kateri lahko potuje elektrika. Ko je zanka sklenjena, lahko električna energija nemoteno teče iz vira energije, kot je baterija, skozi prevodni material in nato nazaj v vir energije. Zasnova tokokroga temelji na dejstvu, da električna energija teče od višje napetosti, ki je merilo električnega potenciala, k nižji napetosti.
Vsako vezje je sestavljeno iz vsaj štirih osnovnih elementov. Prvi element je vir energije za AC ali DC napajanje. Drugi element je prevodni material, kot je žica, po kateri se lahko premika energija. Ta prevodna pot je znana kot proga ali sled . Tretji element je obremenitev , ki je sestavljen iz vsaj ene komponente, ki porabi nekaj moči za izvedbo naloge ali operacije. Četrti in zadnji element je vsaj en krmilnik ali preklop za nadzor pretoka moči.
Funkcija komponent PCB
Ko vstavite obremenitev v zaprto pot vezja, lahko obremenitev uporabi pretok električnega toka za izvedbo dejanja, ki zahteva moč. Na primer, komponento svetleče diode (LED) je mogoče narediti tako, da zasveti, ko energija teče skozi vezje, kjer je vstavljena. Obremenitev mora porabiti energijo, saj lahko preobremenitev z močjo poškoduje priključene komponente.
Najpomembnejše komponente na vezju vključujejo:
- Baterija :Zagotavlja napajanje za vezje, običajno prek naprave z dvema priključkoma, ki zagotavlja napetostno razliko med dvema točkama v vezju
- Kondenzator :bateriji podobna komponenta, ki lahko hitro zadrži ali sprosti električni naboj
- Dioda :Upravlja elektriko na vezju tako, da jo prisili, da teče v eno smer
- Induktor :Shranjuje energijo električnega toka kot magnetno energijo
- IC (integrirano Vezje) :Čip, ki lahko vsebuje številna vezja in komponente v miniaturizirani obliki in običajno opravlja določeno funkcijo
- LED (Svetloba Oddajanje Dioda ):Majhna lučka, ki se uporablja na tiskanem vezju za zagotavljanje vizualnih povratnih informacij
- Upor :Uravnava pretok električnega toka z zagotavljanjem upora
- Preklop: Blokira tok ali mu omogoči pretok, odvisno od tega, ali je zaprt ali odprt
- Tranzistor :vrsta stikala, ki ga krmilijo električni signali
Vsaka komponenta na tiskanem vezju opravlja določeno nalogo ali niz nalog, ki jih določa splošna funkcija PCB. Nekatere komponente, kot so tranzistorji in kondenzatorji, delujejo neposredno na električni tok. Služijo kot gradniki v kompleksnejših komponentah, znanih kot integrirana vezja.
PCB proti PCBA
Izraz PCBA (akronim za Printed Circuit Board Assembly) se uporablja za opis tiskanega vezja, ki je popolnoma poseljeno s komponentami, pritrjenimi na ploščo in povezanimi z bakrenimi sledmi. Imenuje se tudi kot vtični sklop. Plošča, ki ima bakrene sledi, vendar nima nameščenih komponent, se pogosto imenuje gola plošča ali tiskano vezje .
Zasnova sodobnih tiskanih vezij omogoča njihovo masovno proizvodnjo po nižji ceni kot starejša plošča, ovita z žico. Ko je s pomočjo specializirane računalniške programske opreme izdelana faza načrtovanja plošče, sta izdelava in montaža – za večino – avtomatizirana. Šteje se, da je PCBA končan in pripravljen za uporabo po zaključku testiranja zagotavljanja kakovosti.
Možne težave z vezjem
Odprto vezje je tisti, ki ni zaprt zaradi pretrgane žice ali ohlapne povezave. Odprto vezje ne bo delovalo, ker ne more prevajati elektrike. Čeprav je napetost morda na voljo v odprtem tokokrogu, ni možnosti, da bi stekla. V nekaterih primerih je zaželen odprt krog. Na primer, stikalo, ki se uporablja za vklop in izklop luči, odpre in zapre vezje, ki povezuje luč z virom napajanja.
Druga vrsta okvarjenega tokokroga je kratek stik , ki se lahko pojavi, ko se skozi vezje premika preveč energije in poškoduje prevodni material ali napajalnik. Kratek stik lahko povzročita dve točki v vezju, ki se povežeta, ko se ne bi smeli, na primer dva priključka napajalnika, ki sta povezani brez obremenitvene komponente med temi, da odtečeta del toka. Kratek prekinitev napajanja na ta način je lahko nevarna in lahko celo povzroči požar ali eksplozijo.
Razvoj tiskanega vezja
Vakuumske cevi in električni releji so opravljali osnovne funkcije zgodnjih računalnikov. Uvedba integriranih vezij je povzročila zmanjšanje velikosti in stroškov elektronskih komponent. Kmalu so bila razvita vezja, ki so vsebovala vso napeljavo naprave, ki je prej zavzemala celotno sobo. Te zgodnje plošče so bile izdelane iz različnih materialov, vključno z masonitom, bakelitom in kartonom, konektorji pa so bili sestavljeni iz medeninastih žic, ovitih okoli drogov.
Od leta 1940 so vezja postala učinkovitejša in cenejša za proizvodnjo, ko je bakrena žica zamenjala medenino. Prve plošče z bakreno žico so uporabljali na vojaških radijskih postajah, do petdesetih let prejšnjega stoletja pa so jih uporabljali tudi za potrošniške naprave. Kmalu so se enostranske plošče, ki so vsebovale ožičenje le na eni strani, razvile v dvostranske in večplastne PCB-je, ki so trenutno v široki uporabi.
Od 1970-ih do 1990-ih je oblikovanje PCB postalo bolj zapleteno. Hkrati sta se fizična velikost in stroški plošč še naprej krčili. Ko so plošče postale gostejše s pritrjenimi komponentami, so bile razvite aplikacije za računalniško podprto načrtovanje (CAD) za pomoč pri njihovem ustvarjanju. Danes so na voljo različna orodja za načrtovanje digitalnih tiskanih vezij, od brezplačnih in poceni možnosti do popolnoma funkcionalnih in dragih paketov, ki pomagajo pri načrtovanju, izdelavi in testiranju.
Vloga integriranih vezij
Sodobna elektronika ne bi mogla obstajati brez integriranega vezja, ki je bilo predstavljeno v poznih petdesetih letih prejšnjega stoletja. IC je miniaturizirana zbirka vezij in komponent, kot so tranzistorji, upori in diode, sestavljena na računalniškem čipu za opravljanje določene funkcije. En čip IC lahko vsebuje na tisoče ali celo milijone komponent. Najpogostejše vrste integriranih vezij vključujejo logična vrata, časovnike, števce in premične registre.
Poleg nizkonivojskih IC-jev obstajajo tudi kompleksnejši mikroprocesorski in mikrokrmilniški IC-ji, ki lahko krmilijo računalnik ali drugo napravo. Druga kompleksna integrirana vezja vključujejo digitalne senzorje, kot so merilniki pospeška in žiroskopi, ki jih najdemo v mobilnih telefonih in drugih elektronskih napravah. Tako kot drugi deli PCB-jev se je velikost integriranih vezij v zadnjih nekaj desetletjih vztrajno zmanjševala.
Tehnologije za montažo komponent
Montaža komponent na zgodnjih enostranskih PCB-jih je uporabljala tehnologijo skozi luknje , kjer je bila komponenta pritrjena na eno stran plošče in pritrjena skozi luknjo na prevodne žice na drugi strani s spajkanjem. V času, ko je bila uvedena, je bila tehnologija skoznjih lukenj napredek v primerjavi s konstrukcijo od točke do točke, vendar so luknje, izvrtane v tiskano vezje za namestitev, povzročile več težav pri načrtovanju, zlasti po uvedbi večplastnih plošč. Ker so luknje morale iti skozi vse plasti, je bil velik odstotek razpoložljivih nepremičnin na plošči odpravljen.
Tehnologija površinske montaže (SMT) rešil veliko težav, ki so jih povzročale skoznje luknje. Široko se je začel uporabljati v devetdesetih letih 20. stoletja, čeprav je bil predstavljen že več desetletij prej. Komponente so bile spremenjene tako, da so imele pritrjene majhne blazinice, ki jih je bilo mogoče spajkati na vezje neposredno namesto prek žične napeljave. SMT je proizvajalcem PCB omogočil gosto pakiranje velikega števila komponent na obeh straneh PCB. Ta način pritrditve je tudi lažji za izdelavo z avtomatizacijo.
Montaža SMT ni odpravila potrebe po luknjah v tiskanih vezjih. Nekatere zasnove PCB še vedno uporabljajo prehode za omogočanje medsebojnih povezav med komponentami na različnih plasteh. Vendar pa te luknje niso tako vsiljive kot skoznje luknje, ki so se prej uporabljale za pritrditev komponent.
Večplastna vezja
Najbolj zapletene elektronske naprave lahko vključujejo večplastne PCB. Te plošče so sestavljene iz vsaj treh plasti prevodnega materiala, kot je baker, ki se izmenjujejo s plastmi izolacije. Običajne konfiguracije za večplastne plošče vključujejo štiri, šest, osem ali 10 plasti. Vse plasti morajo biti laminirane skupaj, da zagotovite, da med plastmi ni ujet zrak. Ta postopek običajno poteka pri visoki temperaturi in tlaku.
Prednosti večplastnih tiskanih vezij vključujejo večjo gostoto komponent in vezij v manjšem prostoru. Uporabljajo se za računalnike, datotečne strežnike, tehnologijo GPS, zdravstvene naprave ter satelitske in vesoljske sisteme. Vendar imajo večplastne plošče tudi nekaj slabosti. So bolj zapletene in težje za načrtovanje in izdelavo kot eno- in dvostranske plošče, zaradi česar so dražje. Prav tako jih je težko popraviti, če gre kaj narobe znotraj notranjih plasti plošče.