Что такое печатная плата?
Печатная плата (Printed Circuit Board, PCB) представляет собой ламинированную медью и непроводящую печатную плату, в которой все электрические и электронные компоненты соединены вместе на одной общей плате с физической поддержкой всех компонентов с помощью основания платы.
В настоящее время практически все электронные устройства изготавливаются с помощью печатных плат. А когда печатных плат еще не было, электронные компоненты схемы соединялись с помощью обычных соединительных проводов и контактных площадок — я в своем детстве еще застал подобные самодельные устройства, собранные моим отцом. Разумеется, такой способ монтажа электронных компонентов очень громоздкий и не позволяет создавать достаточно сложные устройства. Поэтому по мере своего все большего распространения печатные платы его постепенно вытеснили. Печатную плату сейчас можно как изготовить самостоятельно, в домашних условиях, так и сравнительно недорого заказать их изготовление на множестве фабрик (не только китайских, но и российских — именно этот сегмент электроники развит в нашей стране достаточно хорошо).
В устройстве с использованием печатной платы все электронные компоненты соединены без проводов, внутри платы, поэтому это значительно уменьшает сложность схемы. Печатная плата используется для обеспечения электропитания и связи между компонентами. Печатные платы могут быть настроены по любым спецификациям в соответствии с требованиями пользователя. Их можно найти практически во всех современных электронных устройствах, таких как телевизор, мобильный телефон, цифровая камера, графические карты, материнские платы и т. д.
Типы печатных плат
В настоящее время наибольшее распространение находят следующие типы печатных плат, из которых вы можете выбрать наиболее подходящий для своего проекта:
- Однослойная печатная плата.
- Двухслойная печатная плата.
- Многослойная печатная плата.
- Гибкая печатная плата.
- Печатная плата с алюминиевой основой.
- Гибко-жесткая печатная плата.
1) Однослойная печатная плата (Single Layer PCB)
Однослойная печатная плата также известна как односторонняя печатная плата. Этот тип печатных плат является простым и наиболее часто используемым, поскольку эти печатные платы легко проектировать и производить. Одна сторона этой печатной платы покрыта слоем любого проводящего материала. Обычно в качестве проводящего материала для печатных плат используется медь, поскольку медь имеет очень хорошие проводящие характеристики. Слой паяльной маски используется для защиты печатной платы от окисления, после чего наносится шелкография для маркировки всех компонентов на печатной плате. В этом типе печатной платы только одна сторона печатной платы используется для подключения различных типов электрических или электронных компонентов, таких как резистор, конденсатор, катушка индуктивности и т. д. Эти компоненты припаяны. Подобные печатные платы используются в недорогом и массовом производстве, например, в калькуляторах, радиоприемниках, принтерах и твердотельных накопителях.
2) Двухслойная печатная плата (Double Layer PCB)
Двухслойная печатная плата также известна как двухсторонняя печатная плата. Как следует из названия, в этом типе печатных плат тонкий слой проводящего материала, такого как медь, наносится как на верхнюю, так и на нижнюю стороны платы. В печатной плате на разных слоях платы имеются переходные отверстия, которые имеют две контактные площадки в соответствующих положениях на разных слоях. Они электрически соединены через отверстие в плате, как показано на рисунке ниже. Более гибкая, относительно более низкая стоимость и наиболее важное преимущество этого типа печатной платы — ее уменьшенный размер, что делает схему более компактной. Этот тип печатной платы в основном используется в промышленных системах управления, преобразователях, системах ИБП, системах отопления, вентиляции и кондиционирования, телефонах, усилителях и системах мониторинга мощности.
3) Многослойная печатная плата (Multi-Layer PCB)
Многослойная печатная плата имеет более двух слоев. Это означает, что этот тип печатной платы имеет как минимум три проводящих слоя меди. Для фиксации платы между слоем изоляции зажат клей, что гарантирует, что избыточное тепло не повредит какой-либо компонент схемы. Проектирование печатных плат этого типа очень сложное и используется для решения очень сложных и крупных электрических задач в очень малом пространстве и компактной схеме. Этот тип печатной платы используется в крупных приложениях, таких как технологии GPS, спутниковые системы, медицинское оборудование, файловые серверы и хранилища данных.
4) Гибкая печатная плата (Flexible PCB)
Гибкая печатная плата также известна как гибкая схема (Flex circuit). В этом типе печатных плат используется гибкий пластиковый материал, такой как полимид, PEEK (полиэфирэфиркетон) или прозрачная проводящая полиэфирная пленка. Печатную плату обычно кладут в сложенном или скрученном виде. Это очень сложный тип печатной платы, который также содержит различные слои, такие как односторонняя гибкая схема, двухсторонняя гибкая схема и многосторонняя гибкая схема. Гибкая схема используется в органических светодиодах, производстве ЖК-дисплеев, гибких солнечных элементах, автомобильной промышленности, сотовых телефонах, камерах и сложных электронных устройствах, таких как ноутбуки.
5) Жесткая печатная плата (Rigid PCB)
Жесткие печатные платы изготавливаются из твердого материала, который не позволяет печатной плате скручиваться. Как и гибкая печатная плата, жесткая печатная плата также имеет различную конфигурацию слоев, например однослойную, двухслойную и многослойную жесткую печатную плату. Форма этой печатной платы не меняется после установки. Эту печатную плату нельзя согнуть в соответствии с формой основания, поэтому она известна как ЖЕСТКАЯ печатная плата. Срок службы печатной платы этого типа очень высок, поэтому она используется во многих частях компьютера, таких как ОЗУ, графический процессор и процессор. Простая по конструкции и наиболее часто используемая и производимая печатная плата представляет собой одностороннюю жесткую печатную плату. Многослойная жесткая печатная плата может быть более компактной, поскольку содержит 9–10 слоев.
6) Гибко-жесткая печатная плата (Flex-rigid PCB)
Сочетание гибкой и жесткой схемы является наиболее важной платой. Гибко-жесткие платы состоят из нескольких слоев гибкой печатной платы, прикрепленных к нескольким слоям жесткой печатной платы. Гибко-жесткая плата показана на рисунке ниже. Она используется в сотовых телефонах, цифровых фотоаппаратах, автомобилях и т. д.
Типы печатных плат по системе крепления
- Сквозная печатная плата
- Плата поверхностного монтажа
1) Печатная плата со сквозными отверстиями (Through-hole PCB)
В печатной плате этого типа нам нужно проделать отверстие с помощью сверла на печатной плате. В эти отверстия крепятся выводы компонентов и припаиваются к площадкам, расположенным на противоположной стороне печатной платы. Эта технология наиболее полезна, поскольку она обеспечивает большую механическую поддержку электрических компонентов и очень надежную технологию монтажа компонентов, но сверление печатной платы делает ее более дорогой. В однослойной печатной плате эту технологию монтажа легко реализовать, но в случае двухслойной и многослойной печатной платы сделать отверстие сложнее.
2) Плата поверхностного монтажа (Surface mounted PCB)
В печатных платах этого типа компоненты имеют небольшой размер, поскольку эти компоненты имеют очень маленькие выводы или для монтажа на плате выводы не требуются. В этой технологии SMD-компоненты монтируются непосредственно на поверхность платы и не требуют проделывания отверстий на плате.
Составные части печатной платы
Контактная площадка (Pad): Контактная площадка — это не что иное, как кусок меди, на котором крепятся выводы компонентов и производится пайка. Подушка обеспечивает механическую поддержку компонентов.
Печатные проводники (Trace): В печатной плате компоненты не соединены проводами. Все компоненты соединены проводящим материалом, например медью. Эта медная часть печатной платы, которая используется для соединения всех компонентов, называется печатными проводниками или трассировкой.
Слои (Layers): В зависимости от применения, стоимости и доступного пространства схемы пользователь может выбрать количество слоев печатной платы. Наиболее простой по конструкции, легкой конструкции и наиболее полезной в повседневной жизни является однослойная печатная плата. Но для очень больших и сложных схем двухслойная или многослойная печатная плата является наиболее предпочтительной по сравнению с однослойной печатной платой. Сегодня в многослойной печатной плате можно соединить 10-12 слоев, и самое главное — обеспечить связь между компонентами на разных уровнях.
Шелковый слой (Silk layer): Шелковый слой используется для печати линий, текста или любого рисунка на поверхности печатной платы. Обычно для трафаретной печати используются эпоксидные краски. Шелковый слой может быть использован в верхнем и/или нижнем слое печатной платы в соответствии с требованиями пользователя, который известен как шелкография ВЕРХНЯЯ и шелкография НИЖНЯЯ.
Верхний и нижний слой: В верхнем слое монтируются все компоненты печатной платы. Обычно этот слой имеет зеленый цвет. В нижнем слое печатной платы все компоненты припаяны через отверстие, а выводы компонентов называются нижним слоем печатной платы. Иногда верхний и/или нижний слой печатной платы покрывается слоем зеленого цвета, который известен как паяльная маска.
Паяльная маска Solder Mask: поверх медного слоя имеется еще один дополнительный слой, называемый паяльной маской. Обычно этот слой имеет зеленый цвет, но он может быть любого цвета. Этот изолирующий слой используется для предотвращения случайного контакта площадок с другим проводящим материалом на печатной плате.
Материалы печатной платы
Основным элементом печатной платы является диэлектрическая подложка, которая может быть жесткой или гибкой. Эта диэлектрическая подложка используется с находящимся на ней проводящим материалом, например , медью. В качестве диэлектрического материала используются стеклоэпоксидные ламинаты или композиционные материалы.
1) FR4:
FR означает FIRE RETARDENT (ОГНЕЗАЩИТНОСТЬ). Для всех типов печатных плат наиболее распространенным материалом ламинированным стеклом является FR4, который представляет собой композитный материал, основанный на тканых стеклоэпоксидных соединениях. Данный материал обеспечивает очень хорошую механическую прочность.
| FR4 | Температура стеклования | |
| Стандартный | 130 |
|
| С более высокой температурой стеклования | 170-180 | Совместимость с технологией оплавления без свинца |
| Без галогена | — | Совместимость с технологией оплавления без свинца |
2) FR-1 и FR-2:
Этот материал изготовлен из бумаги и фенольных соединений и используется только для однослойных печатных плат. И FR1, и FR2 имеют схожие характеристики, единственная разница – температура стеклования. FR1 имеет более высокую температуру стеклования по сравнению с FR2. Эти материалы также подразделяются на стандартные, безгалогенные и негидрофобные.
3) CEM-1:
Этот материал изготовлен из бумаги и двух слоев тканого стекла, эпоксидной смолы и фенольных соединений, и используется только для односторонних печатных плат. Вместо FR4 можно использовать CEM-1, но цена CEM1 выше, чем FR4.
4) CEM-3:
Этот материал представляет собой стеклоэпоксидный компаунд белого цвета, который в основном используется в двухслойных печатных платах. СЕМ-3 имеет меньшую механическую прочность по сравнению с FR4, но дешевле FR4. По сути, это хорошая альтернатива FR4.
5) Полиимид (Polyimide):
Этот материал используется в гибких печатных платах. Этот материал изготавливается из Keepon, Rogers, DuPont, и имеет хорошие электрические свойства, надежность, широкий температурный диапазон и высокую химическую стойкость. Рабочая температура этого материала от -200 ºC до 300 ͦC.
6) Препрег (Prepreg):
Препрег означает предварительно пропитанный. Это стекловолокно, пропитанное смолой. Эти смолы предварительно высушены, поэтому при нагревании они растекаются, прилипают и полностью погружаются в воду. Препрег имеет клейкий слой, обеспечивающий прочность, аналогичную FR4. Существует множество версий этого материала в зависимости от содержания смолы: стандартная смола SR, смола среднего размера MR и смола высокого качества HR. Его выбирают в зависимости от требуемой толщины, структуры слоя и импеданса. Этот материал также доступен с высокой температурой стеклования и не содержит галогенов.
Программное обеспечение для проектирования печатных плат
Ниже приведены некоторые из самых популярных программ для проектирования печатных плат
Eagle:
EAGLE — это самая популярная и простая программа для проектирования печатных плат. EAGLE расшифровывается как Easily Applicable Graphical Layout Editor («Легко применимый графический редактор макетов»), который ранее был разработан CadSoft Computer, а в настоящее время разработчиком этого программного обеспечения является Autodesk. Для проектирования принципиальных схем в EAGLE имеется редактор схем. Расширение файла EAGLE — .SCH, а различные части и компоненты определены в расширении .LBR. Расширение файла платы — .BRD. На нашем сайте вы можете прочитать статью про основы работы с такой разновидностью данной программы как Cadsoft Eagle.
Multisim:
Multisim также является очень мощным и простым в освоении программным обеспечением. Первоначально он был разработан Electronics Workbench, а теперь является подразделением National Instruments (NI). Он включает в себя моделирование микроконтроллера (MultiMCU) и интегрированные функции импорта и экспорта в программное обеспечение для разводки печатных плат. Это программное обеспечение широко используется в академических кругах, а также в промышленности для обучения работы со схемами.
EasyEDA:
EasyEDA — это программное обеспечение, которое используется для проектирования и моделирования схем. Это программное обеспечение представляет собой интегрированный инструмент для создания схем и моделирования цепей SPICE на основе Ngspice и разводки печатных плат. Самым важным преимуществом этого программного обеспечения является то, что оно является веб-приложением, то есть с ним можно работать из любого браузера, что означает возможность работы с ним из любой операционной системы.
Altium Designer:
Это программное обеспечение разработано австралийской компанией-разработчиком программного обеспечения Altium Limited. Основной особенностью этого программного обеспечения является сбор схем, трехмерное проектирование печатных плат, разработка FPGA и управление данными. Это первое программное обеспечение, которое предлагает 3D-визуализацию и проверку зазоров печатных плат непосредственно из редактора печатных плат.
KiCad: Это программное обеспечение разработано Жан-Пьером Шаррасом. В этом программном обеспечении есть инструменты, которые могут создавать спецификацию (спецификацию материалов), графические изображения и трехмерное изображение печатной платы, а также всех компонентов, используемых в схеме. В библиотеке этого программного обеспечения доступно множество компонентов, и пользователь может добавлять свои собственные компоненты. Это программное обеспечение поддерживает множество человеческих языков.
CircuitMaker: это программное обеспечение также разработано Altium. Редактор схем этого программного обеспечения включает в себя базовое размещение компонентов, и это программное обеспечение используется для разработки сложных многоканальных и иерархических схем. Все схемы загружаются на сервер, и эти файлы доступны для просмотра любому, при условии, что у вас есть учетная запись CircuitMaker.
Более подробно про выбор программного обеспечения для проектирования печатных плат вы можете прочитать в этой статье.
