Millised on trükkplaadi funktsioonid?

Trükkplaat ehk PCB leidub peaaegu igat tüüpi elektroonikaseadmetes. Need plastplaadid ja nende sisseehitatud komponendid pakuvad põhitehnoloogiat kõige jaoks alates arvutitest ja mobiiltelefonidest kuni nutikelladeni. PCB vooluringi ühendused võimaldavad elektrivoolu tõhusalt suunata plaadi miniatuursete komponentide vahel, asendades suuremad seadmed ja mahuka juhtmestiku.

Olenevalt rakendusest, mille jaoks see on loodud, võib PC-plaat täita mitmesuguseid andmetöötluse, side ja andmeedastusega seotud ülesandeid. Lisaks ülesannetele, mida see täidab, on trükkplaadi võib-olla kõige olulisem funktsioon võimaluse pakkumine seadme elektroonika integreerimiseks kompaktsesse ruumi. PCB võimaldab komponentide õiget ühendamist toiteallikaga, olles samal ajal ohutult isoleeritud. Samuti on trükkplaadid odavamad kui muud valikud, kuna neid saab kujundada digitaalsete projekteerimisvahenditega ja toota suures mahus, kasutades tehase automatiseerimist.

Kaasaegne trükkplaat on tavaliselt valmistatud erinevate materjalide kihtidest. Erinevad kihid sulatatakse kokku lamineerimisprotsessi käigus. Paljude plaatide alusmaterjaliks on klaaskiud, mis annab jäiga südamiku. Järgmisena tuleb plaadi ühel või mõlemal küljel vaskfooliumikiht. Seejärel kasutatakse keemilist protsessi vase jälgede määratlemiseks, millest saavad juhtivad teed. Need jäljed asendavad räpase traadi mähise, mis leiti varasemate elektroonikasõlmede puhul kasutatud punkt-punkti ehitusmeetodis.

A jootmaski kiht lisatakse trükkplaadile vasekihi kaitsmiseks ja isoleerimiseks. See plastikkiht katab tahvli mõlemat külge ja on sageli roheline. Sellele järgneb a siiditrükk kiht tähtede, numbrite ja muude tunnustega, mis aitavad tahvli kokku panna. Trükkplaadi komponente saab plaadi külge kinnitada mitmel viisil, sealhulgas jootmise teel. Mõned kinnitusviisid kasutavad väikseid auke, mida tuntakse kui vias mis puuritakse läbi trükkplaadi. Nende eesmärk on võimaldada elektrivoolu ühelt tahvli servalt teisele voolata.

A vooluring on juhtivast materjalist silmus, mida mööda võib elekter liikuda. Kui ahel on suletud, võib elekter voolata katkematult toiteallikast, näiteks akust, läbi juhtiva materjali ja seejärel tagasi toiteallikasse. Ahela ülesehitus põhineb asjaolul, et elekter püüab liikuda kõrgema võimsusega pingelt, mis on elektripotentsiaali mõõt, madalamale pingele.

Iga ahel koosneb vähemalt neljast põhielemendist. Esimene element on an energiaallikas kas vahelduv- või alalisvoolu jaoks. Teine element on juhtiv materjal, näiteks traat, mida mööda energia saab liikuda. Seda juhtivat teed tuntakse kui rada või jälg. Kolmas element on koormus, mis koosneb vähemalt ühest komponendist, mis kulutab ülesande või toimingu sooritamiseks osa võimsusest. Neljas ja viimane element on vähemalt üks kontroller või lüliti jõuvoolu kontrollimiseks.

Kui sisestate koormuse vooluahela suletud teele, võib koormus kasutada elektrivoolu voolu, et sooritada toiminguid, mis nõuavad toidet. Näiteks saab valgusdioodi (LED) komponendi panna süttima, kui toide voolab läbi vooluahela, kuhu see on sisestatud. Koormus peab tarbima energiat, kuna võimsuse ülekoormus võib kahjustada kinnitatud komponente.

Trükkplaadi kõige olulisemad komponendid on järgmised:

• Aku: annab vooluahelale toite, tavaliselt kahe terminaliga seadme kaudu, mis tagab pinge erinevuse ahela kahe punkti vahel
• Kondensaator: akulaadne komponent, mis suudab kiiresti hoida või vabastada elektrilaengu
• Diood: juhib elektrit trükkplaadil, sundides seda ühes suunas voolama
• Induktiivpool: Salvestab elektrivoolust saadavat energiat magnetenergiana
• IC (integreeritudvooluring): kiip, mis võib sisaldada miniatuursel kujul palju vooluahelaid ja komponente ning mis tavaliselt täidab teatud funktsiooni
• LED (ValgusEmiteeribDiood): väike valgusti, mida kasutatakse trükkplaadil visuaalse tagasiside andmiseks
• Takisti: Reguleerib elektrivoolu voolu, pakkudes takistust
• Lüliti: Kas blokeerib voolu või laseb sellel voolata, olenevalt sellest, kas see on suletud või avatud
• Transistor: lülititüüp, mida juhivad elektrilised signaalid

Iga trükkplaadi komponent täidab konkreetset ülesannet või ülesannete kogumit, mille määrab üldine PCB funktsioon. Mõned komponendid, nagu transistorid ja kondensaatorid, töötavad otse elektrivooluga. Need toimivad ehitusplokkidena keerukamates komponentides, mida nimetatakse integraallülitusteks.

Terminit PCBA (akronüüm sõnast Printed Circuit Board Assembly) kasutatakse trükkplaadi kirjeldamiseks, mis on täielikult täidetud plaadile kinnitatud ja vase jälgedega ühendatud komponentidega. Seda nimetatakse ka pistikmooduliks. Plaati, millel on vase jäljed, kuid millele pole paigaldatud komponente, nimetatakse sageli a paljas laud või a trükkplaat.

Kaasaegsete trükkplaatide konstruktsioon võimaldab neid toota masstootmises odavamalt kui vanemaid traadiga mähitud plaate. Pärast seda, kui plaadi projekteerimisfaas on spetsiaalse arvutitarkvara abil paika pandud, on tootmine ja kokkupanek – enamasti – automatiseeritud. PCBA loetakse lõpetatuks ja kasutusvalmis pärast kvaliteeditagamise testimise lõpetamist.

An avatud vooluring on selline, mis pole katkenud juhtme või lahtise ühenduse tõttu suletud. Avatud vooluahel ei tööta, kuna see ei juhi elektrit. Kuigi avatud vooluringis võib pinge olla saadaval, pole sellel mingit võimalust voolata. Mõnel juhul soovitakse avatud vooluringi. Näiteks lüliti, mida kasutatakse valguse sisse- ja väljalülitamiseks, avab ja sulgeb vooluringi, mis ühendab valgusti toiteallikaga.

Teine vigase vooluahela tüüp on lühis, mis võib tekkida siis, kui vooluahelas liigub liiga palju võimsust ja kahjustab juhtivat materjali või toiteallikat. Lühise võib põhjustada ahela kaks punkti, mis ühenduvad, kui need ei peaks olema, näiteks toiteallika kaks klemmi on ühendatud ilma koormuseta, et tühjendada osa toiteallikast praegune. Sel viisil toiteallika lühistamine võib olla ohtlik ja põhjustada isegi tulekahju või plahvatuse.

Varasemate arvutite põhifunktsioone täitsid vaakumtorud ja elektrireleed. Integraallülituste kasutuselevõtt tõi kaasa elektroonikakomponentide suuruse ja maksumuse vähenemise. Varsti töötati välja trükkplaadid, mis sisaldasid kogu seadme juhtmeid, mis varem hõivasid terve ruumi. Need varajased lauad valmistati mitmesugustest materjalidest, sealhulgas masoniit, bakeliidi ja papist ning pistikud koosnesid postide ümber mähitud messingtraatidest.

Alates 1940. aastatest muutusid trükkplaadid tõhusamaks ja odavamaks toota, kui vasktraat asendas messingi. Varaseid vaskjuhtmetega plaate kasutati sõjaväeraadiodes ja 1950. aastateks hakati neid kasutama ka tarbeseadmetes. Peagi arenesid ühepoolsed plaadid, mis sisaldasid juhtmeid ainult ühel küljel, kahepoolseteks ja mitmekihilisteks PCB-deks, mis on praegu laialdaselt kasutusel.

Alates 1970ndatest kuni 1990ndateni muutus PCB-de disain keerukamaks. Samal ajal vähenesid jätkuvalt nii plaatide füüsiline suurus kui ka maksumus. Kuna tahvlid muutusid kinnitatud komponentidega tihedamaks, töötati nende loomise hõlbustamiseks välja arvutipõhised disainirakendused (CAD). Tänapäeval on digitaalsete PCB-de kujundamiseks saadaval mitmesuguseid tööriistu alates tasuta ja odavatest valikutest kuni täisfunktsionaalsete kõrge hinnaga pakettideni, mis aitavad projekteerimisel, tootmisel ja testimisel.

Kaasaegne elektroonika ei saaks eksisteerida ilma integraallülituseta, mis võeti kasutusele 1950. aastate lõpus. IC on miniatuurne kogum ahelaid ja komponente, nagu transistorid, takistid ja dioodid, mis on kokku pandud arvutikiibile teatud funktsiooni täitmiseks. Üks IC-kiip võib sisaldada tuhandeid või isegi miljoneid komponente. Kõige levinumad integraallülituste tüübid on loogikaväravad, taimerid, loendurid ja nihkeregistrid.

Lisaks madala tasemega IC-dele on olemas ka keerulisemad mikroprotsessorite ja mikrokontrolleri IC-d, mis on võimelised juhtima arvutit või mõnda muud seadet. Muude keerukate integraallülituste hulka kuuluvad digitaalsed andurid, nagu kiirendusmõõturid ja güroskoobid, mida leidub mobiiltelefonides ja muudes elektroonikaseadmetes. Sarnaselt teiste PCB-de osadega on ka integraallülituste suurus viimastel aastakümnetel pidevalt vähenenud.

Kasutatud komponentide paigaldamine varasematele ühepoolsetele PCB-dele läbiva augu tehnoloogia, kus plaadi ühele küljele kinnitati komponent ja kinnitati jootmise abil läbi augu teiselt poolt juhtivate traadi jälgede külge. Selle kasutuselevõtu ajal oli läbiva augu tehnoloogia edusamm võrreldes punkt-punkti ehitusega, kuid aukudega PCB-sse paigaldamiseks puuritud puurimine tõi kaasa mitmeid disainiprobleeme, eriti pärast mitmekihilise kasutuselevõttu lauad. Kuna augud pidid läbima kõiki kihte, kaotati suur osa plaadil olevast vabast kinnisvarast.

Pindkinnituse tehnoloogia (SMT) lahendas paljud läbivatest aukudest põhjustatud probleemid. Seda hakati laialdaselt kasutama 1990ndatel, kuigi see võeti kasutusele mitu aastakümmet varem. Komponente muudeti nii, et nende külge kinnitati väikesed padjad, mida saaks juhtmejuhtme asemel otse trükkplaadile joota. SMT võimaldas trükkplaatide tootjatel tihedalt pakendada suurt hulka komponente PCB mõlemale küljele. Seda tüüpi kinnitusi on lihtsam valmistada ka automaatika abil.

SMT-kinnitus ei kõrvaldanud vajadust trükkplaatidesse aukude järele. Mõned PCB-de kujundused kasutavad endiselt läbiviike, et võimaldada erinevatel kihtidel komponentide vahelisi ühendusi. Need augud ei ole aga nii pealetükkivad kui eelnevalt komponentide paigaldamiseks kasutatud läbivad avad.

Kõige keerukamad elektroonikaseadmed võivad sisaldada mitmekihilisi PCB-sid. Need plaadid koosnevad vähemalt kolmest juhtivast materjalist, näiteks vasest, vaheldumisi isolatsioonikihtidega. Mitmekihiliste plaatide tavalised konfiguratsioonid hõlmavad nelja, kuue, kaheksa või 10 kihti. Kõik kihid peavad olema omavahel lamineeritud, et kihtide vahele ei jääks õhku. Seda protsessi tehakse tavaliselt kõrgel temperatuuril ja rõhul.

Mitmekihiliste PCB-de eelised hõlmavad komponentide ja ahelate suuremat tihedust väiksemas ruumis. Neid kasutatakse arvutites, failiserverites, GPS-tehnoloogias, tervishoiuseadmetes ning satelliit- ja kosmosesüsteemides. Kuid mitmekihilistel plaatidel on ka mõned puudused. Need on keerukamad ja raskemini projekteeritavad ja valmistatavad kui ühe- ja kahepoolsed plaadid, mis muudab need kallimaks. Neid võib olla raske parandada ka siis, kui plaadi sisemistes kihtides läheb midagi valesti.