Projektuojant elektroniką, visada susiduriama su klausimais apie spausdintines plokštes ir integrines grandynus. Abu yra svarbūs. Abu atlieka skirtingas funkcijas. Vieno negalima pakeisti kitu. Prieš užbaigiant projektą, reikia suprasti, kaip jie veikia kartu.
Kas yra PCB ir ką jie daro?
Spaudinti plokštė (PCB) yra pagrindas, ant kurio išdėstomi komponentai; ji suteikia mechaninę atramą ir užtikrina elektros jungtis. Varis plokštėje nukreipia signalus tarp dalių, o plokštė pati negali apdoroti signalų. PCB turi sluoksnius ir kiekvienas jų atlieka aiškią funkciją, sudarydama stabilią grandinę.
PCB tipai pagal sluoksnių skaičių
- Vienpusis PCB - vienas vario sluoksnis, paprastas ir pigus. Dažnai matomas LED lempose ir paprastose plokštėse.
- Dvipusis PCB - varis iš abiejų pusių; leidžia lengviau frezuoti ir montuoti daugiau dalių; paprastai naudojamas plačiai vartojamoje elektronikoje.
- Daugiasluoksnė PCB - keturi ar daugiau vario sluoksnių; tvarko tankias grandines ir išlaiko signalų kontrolę; dažnai naudojama kompiuteriuose ir pažangiuose įrenginiuose.
Standumo ir lankstumo sprendimai
- Standūs PCB - nelinksta, suteikia tvirtą mechaninę atramą.
- Lanksčios PCB - gali sulenkti ir tukti į mažus dydžius, tinkamos kompaktiškiems įrenginiams.
- Rigid-Flex PCB - derinamas standus ir lanksčius stilius, padeda kurti sudėtingus 3D dizainus ir mažina jungčių skaičių.
Kas yra integrinė grandinė (IC)?
Kai PCB paruošia pagrindą, į valdymą įsijungia integrinės grandynų (IC) sistema. Ic yra visavertė elektroninė sistema labai mažame korpuse, kuri integruojama ant silicio ir turi daug komponentų, kurie veikia kaip vienas vienetas. IC gali būti nuo paprastų loginių įrenginių iki visaverčių mikroprocesorių.
IC tipai pagal funkciją
- Skaitmeniniai IC - apdoroja dvejetainius signalus (1 ir 0); greitis čia yra svarbus (pvz., CPU, atmintys).
- Analoginiai IC - apdoroja nuolatinius signalus, tokius kaip garsas, temperatūra, įtampos pokyčiai (garso įranga, jutikliai).
- Mišraus signalo IC - derina skaitmeninius ir analoginius duomenis (dažni IoT įrenginiai, telefonai).
Integracijos lygiai
- SSI - iki 100 komponentų, paprasta logika.
- MSI - šimtai komponentų; skaitikliai, multiplekseriai.
- LSI - tūkstančiai komponentų; mikroprocesoriai pradeda būti įmanomi.
- VLSI - šimtai tūkstančių ar daugiau komponentų; moderne procesoriai, kompaktiškos sistemos.
PCB ir IC: pagrindiniai skirtumai
- Fizinės charakteristikos: PCB - didesnė plokštė su sluoksniais; IC - labai mažas lustas mikrometrais.
- Gamybos procesai: PCB gamyboje formuojami vario raštai lentose; IC gamyba - silicio plokštelės formavimas, implantacijos, difuzijos, fotolitografija ir kt.
- Pritaikymas: PCB - daugialypė architektūra ir išdėstymas; IC - dažnai paskirtas labai konkrečiam uždaviniui (ASIC) ir sunkiau keičiamas po gamybos.
Gamybos proceso apžvalga
IC gamyba susideda iš dviejų pagrindinių etapų: plokštelių gamybos ir plokštelių apdorojimo. Monokristalinių silicio plokščių gamyba prasideda iš gauto monokristalinio silicio, perdirbimo procesais, tokiomis kaip valcavimas, pjaustymas, šlifavimas, epitaksija ir kt. Tuo tarpu PCB gamyba apima vario takų formavimą ant stiklo pluošto lamino, šaltąjį plokštės paviršiaus apdorojimą ir galutinį tikrinimą. Daugiau apie gamybos eiga - sluoksnių kūrimą, įdiegimą ir paviršiaus dangą.
IC dizainas ir gamyba
IC dizainas prasideda nuo grandinės schemos kūrimo, vėliau kuriama maskuojanti šviesą plokštė, kuri naudojama fotolitografijos metu. Gamyboje svarbios kelios dalys: plokštelių gamyba (monokristalinis silicis) ir plokštelių apdorojimas (šlifavimas, įrenginių kūrimas silicio viduje, jonų implantavimas, difuzija, metalizavimas, šlifavimas, bandymai). Šalia - pramonės įranga: difuzinės krosnys, PVD/CVD įranga, CMP poliravimo įranga, litografijos aparatai ir kt.
Įrankiai projektavimui
Projektuodami spausdintinę plokštę (PCB), turite daug laisvės išdėstymui ir jungčių planavimui. PCB dizaino įrankiai apima išdėstymo ir maršrutizavimo programas: Altium Designer, KiCAD, OrCAD, EasyEDA, Autodesk Eagle ir kt. IC projektavimo įrankiai yra dar išsamesni: Synopsys projektavimo kompiliatoriai, HSPICE, ModelSim ir kt., leidžiantys patikrinti grandines prieš gamybą.
Tendencijos ir plėtra
- PCB - didesnis spurto signalo maršrutavimas, HDI plokštės, standžiai-lanksčios konstrukcijos, didesnis tankis ir našūs terminiai sprendimai; plokštės vis dažniau įterpiamos komponentų vietoje gyvai direktyvas.
- IC - perėjimas prie mažesnių mazgų (2 nm skerspjūviu), 3D stekavimas, dirbtinio intelekto aparatūros spartintuvai; atviros platformos, tokių kaip RISC-V, įsiviešpatavo.
Privalumai ir trūkumai
PCB privalumai ir trūkumai
- Privalumai: pigesnė masinė gamyba mažoms partijoms, lengvas prototipų tyrimas, paprastumas taisant ir pertvarkant; lankstumas dizainui, prototipų testavimui, paprastesnis dokumentavimas.
- Trūkumai: ribota integracija, didelio dydžio reikalavimai sudėtingoms grandinėms, signalo nuostoliai ir trukdžiai dėl ilgesnių pėdsakų, sudėtinga HDI plokštė gamyba ir didesni defektų kaštai toms plokštėms.
IC privalumai ir trūkumai
- Privalumai: miniaturizacija, aukšta integracija, greitas našumas, energijos efektyvumas, didelis patikimumas.
- Trūkumai: didelė pradinių investicijų kaina, projekto kūrimo laikai, ribota galimybė keisti lustą po pagaminimo, jautrumas išoriniams faktoriams.
Gamybos ir pritaikymo pavyzdžiai
PCB ir IC kartu sukuria įvairius pramonės sektorių sprendimus: buitinė elektronika, pramoninės įrengos, automobilių elektronika, ryšių įranga, medicinos ir kosmoso pramonė. PCB projektuojama maketuojant plokštes ir kabelių maršrutą; IC diegti į mažas plokšteles, kuriose veikia mikroprocesoriai, atmintinės ir jutikliai. Papildomi uždaviniai, tokie kaip didelio našumo ai ir dirbtinio intelekto spartintuvai, dažnai pasikliauja specialiai pritaikytomis IC užduotimis.
Procesai ir atsakomybės: taisymas ir patikra
PCB plokštės taisomos tinkamai: dalių keitimas, litavimo jungčių perdirbimas - tai leidžia atlikti bandymus ir remontą. IC luste atlikti remontą galima tik keisti lustą visam, o vidinių grandinių pataisyti neįmanoma. Todėl IC kokybė, testavimas ir procesų valdymas yra ypač svarbūs.
Integruotų grandynių gamybos technologijų santrauka
- IC dizainas - grandinės schemos kūrimas, maskavimo plokštelės kūrimas, šviesos kaukės gamyba.
- IC gamyba - plokštelių gamyba ir plokštelių apdorojimas; monokristalinis silicio plokštelių paruošimas; fotolitografija, difuzija, nitridavimas, metalizavimas, kontaktų įdegimas, paviršiaus apsauga.
- IC kapsulė - retinimo, pjovimo, klijavimo, pakavimo ir bandymo procesai; pažangi pakavimo įranga užtikrina korpuso apsaugą.
Tendencijos: kokie aspektai laikomi ateičiai?
Dirbtinio intelekto aparatūros spartintuvai ir 2 nm mazgų lustai didina našumą bei sumažina dydį. Atviros programinės įrangos kūrimas (RISC-V) suteikia daugiau lankstumo kuriant IC. PCB su gebėjimu palaikyti didelį spartinimą ir HDI jungtis dar labiau stiprina įrenginių galimybes.
Apibendrinimas: kokie yra pagrindiniai pasirinkimai projektuojant?
Projektuojant elektroniką, svarbu suprasti, kad PCB ir IC kartu veikia, tačiau turi skirtingas funkcijas: PCB teikia mechaninę atramą ir signalų maršrutizavimą, o IC - atlikia logikos ir skaitinių/analoginių užduočių vykdymą. Protingas derinimas leidžia kurti kompaktiškas, galingas ir energiją taupančias sistemas. HDDI plokštės, lanksčių sprendimų įtraukimas ir modernių mazgų integracija gali padėti kurti pažangiausius įrenginius.