Through hole spausdintinė plokštė: konstrukcija, funkcijos ir gamyba

Daugelis pirkėjų ir net jaunų inžinierių mato PCB kaip „žalią plokštę su komponentais“. Praktikoje spausdintinė plokštė yra kelių funkcinių sluoksnių ir daugybės smulkių elementų sistema, kur kiekviena dalis atlieka konkrečią užduotį: perduoda signalą, valdo šilumą, apsaugo varį nuo oksidacijos arba leidžia automatizuotai surinkti komponentus. Šis vadovas paaiškina pagrindines standžios PCB dalis nuo pagrindo iki galutinės paviršiaus apdailos.

Pagrindiniai komponentai ir sluoksniai

Pirmoji ir svarbiausia PCB dalis yra bazinė medžiaga. Dažniausiai tai FR-4 - stiklo pluošto audinys su epoksidine derva. Vienas dažniausių nesusipratimų - manyti, kad visa PCB yra tik „plastikas su variu“. Iš tikrųjų daugiasluoksnė plokštė sudaryta iš core ir prepreg sluoksnių.

Antra esminė PCB dalis yra varis. Būtent jis sudaro laidžius takelius, maitinimo šynas, žemės plotus ir kontaktines aikšteles. Čia svarbu atskirti du dalykus: vario sluoksnis yra žaliava, o takeliai, polygonai ir plane yra jau suprojektuota geometrija tame sluoksnyje.

Takelis yra siauras vario kelias, jungiantis du taškus. Plane paprastai reiškia didelį ištisinį vario plotą, dažniausiai skirtą GND arba maitinimui. Pradedantieji dažnai į PCB „dalis“ įtraukia tik matomas viršutines linijas, tačiau daugiasluoksnėje plokštėje svarbiausios grandinės dažnai slepiasi vidiniuose sluoksniuose.

Jei takeliai juda horizontaliai, tai via leidžia signalui ar maitinimui pereiti vertikaliai iš vieno sluoksnio į kitą. Be via daugiasluoksnė PCB būtų tik atskiros nesujungtos vario plokštumos.

Per skylę (Through-Hole, THT) technologijos ypatumai

Per skylutes spausdintinė plokštė (angl. Through-Hole PCB) - tai technologija, kuri apima elektroninių komponentų laidų įkišimą į padengtas skyles plokštėje ir jų litavimą, kad būtų užtikrintas saugus ryšys. Skirtingai nuo SMT komponentų, kurie tiesiog lituojami ant PCB paviršiaus, montuojant per skyles į skyles reikia įvesti laidus, kad komponentai būtų priklijuoti prie plokštės, o tai padidina aplinkos apkrovą.

Dizainas ir prototipų kūrimas: grandinės projektavimas baigtas, sukuriamas PCB išdėstymas. Ribotas tankis: palyginti su SMT, kiauryminiai PCB komponentai užima daugiau vietos, todėl grandinės tankis yra mažesnis. Sudėtinga automatika: nors pagerėjo skylių komponentų automatizavimas, litavimą vis dar sunku visiškai automatizuoti. Pramoninė įranga: pramonės sektoriuje PCB dažnai susiduria su didesne galia, šiluma ir mechaniniu įtempimu. Maitinimo grandinės ir jungtys: per skylę technologija idealiai tinka didelės srovės ir didelės galios grandinėms.

Padai, via ir mechaninės skylės

Pad yra vario aikštelė, skirta komponento išvadui arba bandymo kontaktui. SMT komponente pad yra litavimo paviršius ant išorinio sluoksnio, o THT komponente pad supa skylę, pro kurią praeina išvadas. Jei pad dizainas blogas, net puiki gamyba neišgelbės surinkimo.

Ne kiekviena skylė PCB yra elektrinė. Vienos skylės skirtos komponentų išvadams ar via, o kitos - tik mechaniniam tvirtinimui. Klaida čia dažna: pirkėjas pateikia vien gręžimo skersmenį, bet nenurodo, ar skylė turi būti metalizuota.

Pad yra litavimo arba kontaktinė aikštelė komponentui ar bandymui, o via yra vertikali jungtis tarp sluoksnių. Per skylutes naudojami komponentai suteikia didesnį mechaninį tvirtumą jungčiai, todėl jie vis dar plačiai naudojami jungtims ir didelės galios komponentams.

Solder mask, silkscreen ir paviršiaus apdaila

Dauguma žmonių su PCB pirmiausia sieja žalią spalvą. Ši spalva dažniausiai yra solder mask - apsauginis polimerinis sluoksnis ant vario. Jo funkcija nėra dekoratyvinė. Mask turi angas tik ten, kur reikia atviro vario: ant padų, test point, jungčių kontaktų ar kitų funkcinių vietų.

Silkscreen yra spausdintas žymėjimo sluoksnis: komponentų kontūrai, reference designator (R15, C22, U3), poliškumo ženklai, logotipai, sertifikavimo simboliai ir servisui svarbi informacija. Gera praktika - nelaikyti silkscreen kosmetika. Jei reference žymėjimai uždėti ant padų, jie gamyboje bus nukirpti arba taps neįskaitomi. Jei poliškumo ženklų nėra, didėja montavimo klaidų tikimybė.

Kai varis lieka atviras ant padų ar kontaktinių aikštelių, jį reikia apsaugoti nuo oksidacijos. Tam naudojama paviršiaus apdaila (surface finish). Dažniausi variantai yra HASL, ENIG ir OSP. Jie skiriasi kaina, litavimo savybėmis, lygumu ir sandėliavimo trukme. Pavyzdžiui, fine-pitch BGA paprastai reikalauja lygesnio paviršiaus, todėl ENIG dažnai yra saugesnis pasirinkimas nei HASL.

Ground plane, EMI kontrolė ir šilumos valdymas

Sudėtingesnėje PCB „dalys“ apima ne tik tiesiogines elektrines jungtis, bet ir funkcinius vario plotus, kurie valdo EMI bei šilumą. Ground plane mažina kilpinį plotą, pagerina signalo grįžtamąjį kelią ir padeda EMC rezultatams. Prastai suprojektuota plokštė gali turėti visus „teisingus“ komponentus, bet vis tiek neveikti stabiliai, nes nėra pakankamo ground plane arba šiluminis kelias pernelyg ilgas.

Gamybiniai pagalbiniai elementai: test point, fiducial, tooling hole

Yra ir tokių PCB dalių, kurių galutinis vartotojas niekada nepastebi, bet gamykloje jos būtinos. Test point leidžia atlikti ICT, flying probe ar funkcinį testavimą. Fiducial žymės padeda pick-and-place įrangai tiksliai nustatyti PCB padėtį. Kai šių elementų nėra, PCB teoriškai gali būti „pagaminama“, tačiau praktiškai surinkimas tampa lėtesnis, brangesnis arba rizikingas.

Fiducial, test point, tooling hole ir panelizacijos kraštai nėra „nereikalingas plotas“. Jie yra kritiškai svarbūs automatizuotam surinkimui ir tikrinimui, ypač masinėje gamyboje.

PIH (Pad-in-Hole) technologija

PCB su padu skylute (PIH) yra nauja PCB technologija, kuri pasiekiama gręžiant skylutes ant trinkelių BGA, QFN ir kitose PCB pakavimo srityse. Iš pradžių PIH technologija buvo taikoma didelės spartos elektronikos gaminiams, bet vėliau palaipsniui išplėtė tokias sritis kaip automobilių elektronika, aviacijos elektronika ir medicinos įranga.

Didžiausias skirtumas tarp PIH ir tradicinės technologijos yra tas, kad tradicinė technologija dengia labai ploną dangos sluoksnį apatinėje PCB dalyje, o PIH šiame sluoksnyje išgręžia skylutes, kad vertikaliai importuotų į visą trinkelę. Vienas iš privalumų yra tai, kad jis gali sumažinti atšokimą ir pasipriešinimą, pagerinti srovės pralaidumą ir laidumą. PIH technologijos taikymas įrodė savo patikimumą ir stabilumą daugelyje skirtingų galinės plokštės pakavimo procesų. PIH technologija suteikė daug galimybių pagerinti elektroninių prietaisų veikimą ir patikimumą ir tapo technologija, kurios negalima ignoruoti PCB gamybos pramonėje.

Gamybos procesas: nuo dizaino iki galutinio produkto

1. Projektavimas ir paruošimas CAD programinė įranga: Tokios priemonės kaip „Altium Designer“, „Eagle“ ir „KiCAD“ yra būtinos projektuojant PCB trasas. Jos padeda kurti grandinių schemas ir išdėstymus, optimizuojant plokštę, kad būtų užtikrintas elektrinis našumas ir funkcionalumas. Gerber failai: Užbaigus projektą, generuojami „Gerber“ failai. Šie failai yra standartinis PCB gamybos formatas, kuriame pateikiama išsami informacija apie kiekvieną PCB sluoksnį.
2. Vaizdo perkėlimas Fotoploteris: Konvertuoja CAD projektus į fotokaukes, naudojamas pėdsakų perkėlimui ant spausdintinės plokštės. Ekspozicijos vienetas: Naudoja ultravioletinę (UV) šviesą fotokaukių raštams perkelti ant fotorezistu padengto variu plakiruoto laminato. Kūrėjas: Pašalina neapšviestą fotorezistą, atskleidžia vario pėdsakų raštus.
3. Ėsdinimas Ėsdinimo mašina: Naudoja cheminius tirpalus, tokius kaip geležies chloridas arba amonio persulfatas, nepageidaujamam variui pašalinti, paliekant pėdsakų raštus.
4. Galvanizavimas: Ant išgręžtų skylių ir spausdintinės plokštės paviršiaus padengia ploną vario sluoksnį, sukuriant laidžius takus.
5. Laminavimas Laminavimo mašina: Vario folija užtepama ant PCB pagrindo karščio ir slėgio pagalba, pritvirtinant vario sluoksnį.
6. Gręžimas CNC gręžimo staklės: Tiksliai gręžia skyles, tvirtinimo angoms ir kiaurymėms komponentams, pritaikydamas įvairius dydžius ir gylius.
7. Valymas ir apžiūra Valymo įranga: Pašalina cheminių medžiagų ir teršalų likučius nuo PCB paviršiaus, užtikrindama švarą. Galutinė vizualinė apžiūra: Atliekama rankiniu būdu, siekiant patikrinti pėdsakų vientisumą ir bendrą kokybę.

Montavimo technologijos: SMT ir THT

Paviršinio montavimo technologija (SMT) yra detalių ar komponentų tvirtinimo prie spausdintinių plokščių metodas. Dėl geresnių rezultatų ir didesnio efektyvumo SMT privertė pakeisti tradicinius spausdintinių plokščių surinkimo metodus. Anksčiau spausdintinių plokščių gamintojai komponentams pridėti dažniausiai naudojo surinkimą per skyles. Tačiau ankstesnį surinkimo būdą SMT pakeitė suvirinimo technologija.

SMT surinkimo metu dažnai naudojama automatizuota įranga. Nors automatinių mašinų sąnaudų kainos yra brangios, jos padeda sumažinti rankinių procesų skaičių atliekant SMT operacijas, o tai labai padidina gamybos našumą ir palaipsniui mažina darbo sąnaudas.

H E E B Inoplacer SMD montavimo mašina yra labai efektyvi ir lanksti sistema, skirta SMD komponentų montavimui ant spausdintinių plokščių, kuri ypač tinka prototipams ir mažoms bei vidutinėms serijoms. Montavimo greitis: Mašina pasižymi labai dideliu montavimo greičiu ir per valandą gali apdoroti iki 4000 komponentų. Komponentų tvarkymas: mašina gali montuoti įvairius komponentus nuo 0402 iki 50 x 50 mm dydžio, įskaitant PLCC, QFP ir BGA. Lankstumas: mašina gali montuoti iš juostelių, kurių ilgis gali siekti iki 200 komponentų eilių. Tikslumas: Lazerinio centravimo ir vaizdo sistemos derinys užtikrina tikslų ir pakartotiną SMD išdėstymą, net ir su pažangiausiais BGA ir QFP paketo tipais. Naudojimo paprastumas: Mašina yra labai lengvai programuojama ir valdoma, be to, turi kompaktišką dizainą. Duomenų perdavimas iš „Eagle“ ir kitos CAD programinės įrangos yra lengvas. Mašina yra ideali greitam prototipų kūrimui ir mažos serijos gamybai, nes ją galima greitai perkonfigūruoti.

Specializuota įranga ir kokybės kontrolė

„EKRA XPRT5“ yra visiškai automatizuota lydmetalio pastos spausdinimo mašina. „Nordson Asymtek SL940“ - automatas, skirtas spausdintinių plokščių (DPS / PCB) paviršiaus lakavimui. Pramoninė linijinė rentgeno kontrolės sistema yra galinga ir greita, visiškai skaitmeninė 2D rentgeno kontrolės sistema, skirta elektroninių plokščių neardomajam tikrinimui, puikiai tinka tuštumų trumpuose suvirinimuose ar kitur analizei. Ideali dideliems kiekiams per trumpą laiką analizuoti.

Pridedami priedai: plokščiaekranis CMOS, pakrovimo ir iškrovimo sistema (Loader and Unloader). Paskutinė techninė priežiūra: 2024 m. Pramoninė įranga, tokia kaip greitaeigis PCB maršrutizatorius Lenz RLG 470-2, naudojama spausdintinių plokščių frezavimui, kompozitinių medžiagų pjovimui arba aliuminio korpusams pjauti. Maršrutizatorius turi linijinius variklius, linijines kreipiančiąsias, balto granito rėmą ir puikų tikslumą bei pakartojamumą.

Kodėl svarbu bendradarbiauti su gamintoju?

Spausdintinė plokštė nėra vien tik vario takeliai ant žalio pagrindo. Ją sudaro substratas, vario sluoksniai, takeliai, via, padai, skylės, solder mask, silkscreen, paviršiaus apdaila ir gamybiniai pagalbiniai elementai. Jei norite, kad jūsų kita PCB būtų ne tik teoriškai teisinga, bet ir lengvai pagaminama, verta peržiūrėti konstrukciją kartu su gamintoju dar prieš išsiunčiant užsakymą.

Dėl to klausimas „iš kokių dalių sudaryta PCB?“ neturi vieno žodžio atsakymo. Tai sluoksniuota sistema, kur mechaninės, elektrinės ir gamybinės funkcijos yra persipynusios.

Kaip profesionalus elektronikos gamybos paslaugų teikėjas, turintis daugiau nei 20 metų patirtį, nesvarbu, ar tai būtų SMT, ar per skylę PCB, TECOO gali pasiūlyti geriausius sprendimus pagal skirtingus taikymo scenarijus.

tags: #through #hole #spausdintine #plokste